Радиобиология. Лекция Предмет радиобиологии. История возникновения и развития науки 9

• Название: Лекция Предмет радиобиологии. История возникновения и развития науки 9
• Дата: 27.05.2020
• Размер: 1.3 Mb.
• Имя файла: Радиобиология.doc
• Тип: Лекция; #125981
• страница: 17 из 20

Таблица 4

Суммарная относительная активностьосколков деления в зависмости от времени после ядерного взрыва (в условных единицах)

Время после взрыва, ч	Относитель­ная актив­ность	Время после взрыва, ч	Относитель­ная актив­ность
1	1000	30	17
1,5	610	40	12
2	440	60	7,3
3	270	100	4,3
5	150	200	1,7
7	97	400	0,75
10	63	600	0,46
15	39	800	0,33
20	27	1000	0,25

В состав продуктов ядерных взрывов, помимо ос­колков деления тяжелых элементов, входит и часть ядерного горюче­го (²³⁹Рu или ²³⁵U) атомной бомбы, не успевшего про­реагировать во время взрыва. Считается, что во время взрыва, в реакции деления участвуют только 20-30 % ядер тяжелых элементов. После взрыва атомной бомбы мощностью 20 килотонн в окружающую среду выбрасывается около 2,710³ Ки ²³⁹Рu. Кроме того, в составе продуктов ядерного взрыва в заметных количествах (особенно в первые дни после взрыва) находятся продукты нейтронной активации. При ядерном взрыве в расчете на 1 килотонну мощно­сти взрыва образуется 2,2510²³ нейтронов, которые, взаимодействуя с конструктивными материалами бом­бы и ядрами элементов почвы, воды и воздуха, пре­вращают стабильные элементы в радионуклиды. При наземном взрыве бомбы мощностью 1 мегатонна через сутки радиоактивность осколков деления составляет 410⁹ Ки, продуктов нейтронной активации - 110⁸ Ки. С радиологической точки зрения, из всех радионукли­дов, являющихся продуктами нейтронной активации, наиболее важными являются ³Н, ¹⁴С, ⁵⁴Мn и ⁵⁶Fe.

Определенный вклад в загрязнение окружающей сре­ды радионуклидами внесли так называемые мирные ядерные взрывы, т. е. взрывы, которые производились для использования результатов в различных отраслях промышленности (сооружение каналов, соз­дание подземных полостей для хранения нефти, газа, различного рода отходов и т. д.). Ядерные устройства, использовавшиеся для этого, основывались на приме­нении такого же ядерного топлива, что и в военной технологии. В результате мир­ных ядерных взрывов образовывались те же радионук­лиды, что и при взрывах атомных и термоядерных бомб, но они поступали в окружающую среду в зна­чительно меньших количествах. К счастью, мирные ядерные взрывы на нашей планете прово­дились в ограниченных масштабах, и поэтому их вклад в загрязнение биосферы радионук­лидами значительно меньше, чем от взрывов военного назначения.

Далее рассмотрим более подробно процессы, происходящие при ядерном взрыве и их последствия.

Локальные и глобальные выпадения продуктов ядер­ных взрывов. Наиболее опасными для загрязнения биосферы продуктами ядерных взрывов являются наземные взрывы ядерных бомб. При наземном взрыве образуется гигантский огненный шар, и огромные массы грунта с поверхности Земли вовлекаются в этот шар. Так, при наземном ядерном взрыве мощностью 20 килотонн, образуется воронка диаметром 80 м и глубиной около 20 м. В радиоактивное облако вовлекается много пыли с окружающей терри­тории вследствие сильных потоков воздуха от перифе­рии к эпицентру взрыва. Выброс грунта при наземном взрыве составляет примерно 5000 т на 1 килотонну мощности. Высота подъема огненного шара и размеры образу­ющегося грибовидного облака определяются в основ­ном мощностью взрыва и метеорологическими условия­ми. При мощности взрыва 100 килотонн вы­сота подъема облака составляет примерно 10—12 км, при более мощных взрывах (1 мегатонна) облако поднимается до 15—17 км. По мере подъема происходит охлаждение огненного шара, он принимает форму гриба, ножка которого состоит из крупных ча­стиц земли, а шляпка представляет собой расширенное облако из пылевидных частиц и аэрозолей. При охлаждении шара происходит конденса­ция и выпадение радиоактивных частиц и аэрозолей.

Выпадение радиоактивных продуктов ядерного взры­ва начинается уже вскоре после взрыва. В непосредст­венной близости от эпицентра выпадают довольно круп­ные частицы диаметром около 1 см. Более мелкие ча­стицы оседают на поверхность земли в более отдален­ных местах на расстоянии нескольких сот километров от эпицентра. Это так называемые локальные, или, как их еще называют, местные, выпадения, которые формируют след радиоактивного облака в те­чение ближайших 10—20 ч после взрыва. Часть продуктов ядерного взрыва находится в мел­ких частицах (5 мк и менее), которые оказываются в верхних слоях тропосферы. Тропосферные воздушные мас­сы переносят их на многие тысячи километров от ме­ста взрыва, обширная территория загрязняется пре­имущественно в зоне той широты, на которой произ­водился ядерный взрыв. Выпадение так называемых тропосферных осадков происходит медленно, скорость убывания радиоактивных частиц из тропосферы харак­теризуется периодом полуочищения, составляющим при­близительно 20 суток. Выпадение радио­активных осадков из тропосферы происходит, в основном, в течение двух месяцев после взрыва. Боль­шая часть короткоживущих радионуклидов распадает­ся во время пребывания их в тропосфере, в связи с чем, вклад тропосферных осадков в общий уровень радиации на поверхности Земли, относительно невелик.

При ядерных взрывах большой мощности (1 мега­тонна и более) и взрывах ядерных боеприпасов на больших высотах определенное количество радиоактив­ных частиц попадает в стратосферу (слой атмосферы, расположенный над тропосферой). Аэрозольные частицы, инжектированные в стратосфе­ру, в последующем переносятся в тропосферу, из нее они удаляются вместе с осадками или в сухом виде. Выпадения носят глобальный характер, и ос­новная часть радионуклидов выпадает в том полуша­рии, где произведен ядерный взрыв. Загрязнение тер­ритории радионуклидами из стратосферного резервуара определяют как загрязнение за счет глобальных выпа­дений. Выпадение радионуклидов из стратосферы про­исходит медленно: время пребывания их на высоте 15—25 км варьирует в пределах от 0,3 до 2 лет и за­висит от высоты и широты. В связи с большой дли­тельностью пребывания радионуклидов в стратосфере короткоживущие и среднеживущие нуклиды полностью распа­даются и основное радиологическое значение приобре­тают долгоживущие радионуклиды - ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs, кото­рые в литературе именуются как «глобальные».

Дозы ионизирующих излучений от радиоактивных продуктов ядерных взрывов. В зоне следа радиоактив­ного облака растения и животные подвергаются воз­действию, прежде всего внешнего ионизирующего излу­чения. Оно исходит от радионуклидов, выпавших на землю, а также осевших на растения или кожу живот­ных. Основной вклад в поглощенную дозу вносят γ-лучение и β-излучение. Величина поглощенной дозы (Р) определяется, прежде всего, мощностью дозы излучения. В свою очередь, мощ­ность дозы γ -излучения зависит от плотности загряз­нения (А ) местности продуктами ядерного взрыва. Расчет мощности экспрозиционной дозы проводят по этой формуле

Р = 0,1 А

При известной плотности загрязнения местности γ -излучающими продуктами ядерного взрыва погло­щенную дозу можно рассчитать с помощью коэффици­ентов (табл. 5). Для перехода от поглощенных доз в воздухе, к дозам, поглощенным организмом, необходи­мо приведенные в таблице 5 данные умножить на 0,32. Этот коэффициент учитывает различия в поглощении ионизирующих излучений воздухом и тканями, рассеивание излучений и защиту от них другими тканями организма (поправ­ка—0,8). а также снижение мощности поглощенной дозы за счет экранирующего, защитного влияния зда­ния (поправка—0,4; общий коэффициент поправки 0,8). Следовательно, если известно, что плот­ность загрязнения территории ¹³⁷Cs составляет 1 Kи/км², то годовая поглощенная доза внешнего γ -излучения от ¹³⁷Cs будет равна 1000 · 0,033 · 0,32=10,6 мрад.

Величина экспозиционной дозы ионизирующих излучений на следе радиоак­тивного облака формируется за счет ло­кальных выпадений продуктов ядерного взрыва. Как правило, эта величина постепенно понижается от эпицентра ядерного взрыва к периферии следа радио­активного облака. Для характеристики зоны радиоак­тивного следа обычно используется такое понятие, как суммарная доза γ -излучения за время от момента вы­падения продуктов ядерного взрыва до полного их рас­пада (D_∞). Ее рассчитывают по следующей формуле:

D_{∞ =}= 5Р₀ =5Р_вt_в^1,2 (P) выправить

где Р₀ и Рв — мощности доз излучения соответственно через 1 ч после ядерного взрыва и в момент выпадения в конкретной зоне следа, Р/ч; tв — возраст осколков после взрыва, ч.

Подсчитано, что основную часть суммарной поглощенной дозы, растения и животные в зоне следа радиоактивного облака получают в первые 4 сутки после взрыва. Дозы облучения различных органов и тканей в организме человека, от инкорпорированных, т. е. задержанных в них продук­тов ядерного взрыва (внутреннее облучение), могут варьировать в широких пределах. Одни радионук­лиды (¹⁰³Ru, ¹⁰⁶Ru, ¹⁴¹Се, ¹⁴⁴Се, ²³⁹Рu) поступают в организм ингаляционным путем, для других радиологически значимых падионуклидов (³Н, ¹⁴C, ⁵⁵Fe, ⁸⁹Sr, ⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs, ¹⁴⁰Ba, ¹³¹I) основным путем поступления является алиментарпый (пищевой) путь. Основная часть поглощенной дозы от внешнего облучения фор­мируется в первые несколько дней после образования радиоактивного следа и затем снижается. Напротив, погло­щенная доза внутреннего облучения постоянно повышается, за счет радиоактивного распада инкорпорированных и постоянно поступающих средне-и долгоживущих нуклидов. Особое значение в инкорпорированном облучении имеют нуклиды, способные накапливаться в органах и тканях. Навпример, основная доля поглощенной дозы в щитовидной железе формирует радиоактивный йод (¹³¹I), который накапливается в этом органе.

Наибольший вклад в повышение радиационного фона Земли внесли радиоактивные осадки при испытаниях ядерного оружия в 1945—1962 гг. После заключения Московского договора о запрещении испытаний атом­ного оружия в атмосфере, космическом пространстве и под водой (1963 г), существенного добавления продуктов ядер­ного взрыва в биосферу не происходило. В настоящее время проводят только подземные ядерные взрывы небольшой мощности (Франция, Китай), и поэтому образование продуктов ядерного взрыва и их попадание в атмосферу относи­тельно невелико.

По данным научного комитета ООН по действию атомной радиации, при испытаниях ядерного оружия, проводимых до 1963 г., суммарная мощность взорван­ных боеприпасов и устройств составила 510,9 мегатон­ны ( при воздушных взрывах 406,2 мега­тонны, при наземных—104,7 мегатонны). Суммарное выпадение радионуклидов на сушу и водную по­верхность Земли составило (МКи): ³H - 3560, ¹⁴С - 6,2, ⁵⁵Fe - 50, ⁸⁹Sr – 2800, ⁹⁰Sr – 12,2, ¹⁰⁶Ru – 330, ¹⁴⁴Ce – 182,4, ¹³⁷Cs – 19,5, ²³⁹Pu - 0,32. Подсчитаны средние ожидаемые поглощенные дозы от радионуклидов, образовавшихся в результате ядерных испытаний, проведенных до 1976 г. Для жителя средней полосы Север­ного полушария эти величины следующие: поглощенная доза от внешнего облучения—110 мрад, от инкорпорированных радионуклидов: для гонад 37 мрад, костного мозга—150, костной ткани - 180 и для легких- 150 мрад. (за год ?).

Следует отметить, что формирование по­глощенных доз от коротко- и среднеживущих продук­тов ядерных взрывов практически завершилось уже в 1975—1976 гг. В формирование текущих, годовых по­глощенных доз основной вклад из долгоживущих ра­дионуклидов вносят, в первую очередь, ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr. ¹³⁷Cs подвергает организмы внешнему и внутреннему облучению, ⁹⁰Sr ответствен лишь за внут­реннее облучение. Ежегодное приращение поглощенной дозы от этих радионуклидов к поглощенным дозам, обусловленным естественными ионизирующими излу­чениями, незначительно.

АВАРИИ НА АТОМНЫХ РЕАКТОРАХ, КАК ИСТОЧНИКИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ РАДИОНУКЛИДАМИ

Многолетний опыт эксплуатации реакторов в различ­ных странах показывает, что при нормальном режиме их работы, выброс радиоактивных продуктов деления ядерного горючего в окружающую среду сравнительно невелик. Подсчитано, что при безаварийной работе всех ядер­ных энергетических установок планеты с суммарной мощностью 2∙10⁶ МВт радиационный фон к 2000 году повысился бы приблизительно на 4 % за счет поступления ис­кусственных радионуклидов в биосферу. К сожалению, число «незапланиро­ванных» утечек продуктов ядерного деления в атмос­феру, различного рода происшествий и аварии на этих объектах по-прежнему остается весьма значительным. По неполным данным, только на атомных электростан­циях за время их эксплуатации произошло более 300 крупных аварий и большое число утечек радионуклидов в атмосферу. К числу наиболее крупных аварий, привед­ших к серьезному загрязнению окружающей среды радионуклидами, относятся аварии в Уиндскейле (Анг­лия) и Чернобыле (СССР). Аварии на промышленных атомных реакторах и АЭС являются одним из самых опасных источников повышения радиационного фона Земли.

Авария реактора в Уиндскейле. Эта авария произошла 8 октября 1957 г на заводе по производству плутония из естественного урана. В результате пожа­ра, возникшего в активной зоне реактора и продолжав­шегося в течение 4 сут, были повреждены 150 технологических каналов, что повлек­ло за собой выброс радионуклидов через трубу высотой 125 м.

Активность нуклидов, поступивших в атмосферу в результате аварии, составила (Ки): ¹³¹I - 20000, ¹³⁷Cs - 600, ⁸⁹Sr - 80 , ⁹⁰Sr – 9, ¹³²Те – 12000. Из-за неблагоприятных метеорологических ус­ловий, радионуклидами были загрязнены большие террито­рии юго-восточной Англии и сопредельных государствах (Бель­гии, ФРГ, Голландии, Норвегии, Дании). Уровни ра­диации в районе, прилегающем к Уиндскейлу, показа­ны на рисунке 2. --

Рис. 2. Уровни v-раднации во внешней среде в районе Уиндскейла спустя 5 дней после аварии (Эйзенбад

В первые же дни после аварии были предприняты энергичные меры по оценке радиационной обстановки в прилегающих к заводу районах. Контролировали уровень -радиации, концентрации радионукли­дов в воздухе, траве, молоке и других продуктах пи­тания. На основании этих измерений, был сделан вывод о том, что самым опасным пора­жающим фактором в данной ситуации является за­грязнение коровьего молока радиоактивным йодом. В связи с высокой концентрацией ¹³¹I в молоке (свы­ше 0,1 мкКи/л) был введен запрет на использование молока, получаемого на фермах, находящихся на тер­ритории площадью приблизительно 500 км². У населения было изьято около 3 млн. л молока и запрет на использова­ние молока в этом районе был снят через только 6 нед после аварии. Уровни загрязнения продуктов питания другими радионуклидами не превышали пре­дельно допустимых.

Расчеты показали, что максимальные поглощенные дозы от внешнего  -излучения, которые могли бы по­лучить люди на следе радиоактивного облака (в 5 км от реактора), были равны 30—50 мрад, т. е. примерно 10 % допустимого облучения за год. Дозы облучения щитовидной железы у людей, проживающих в районе с высокими плотностями загрязнения территории ра­диойодом, оказались значительно выше. Так, у детей, проживающих на расстоянии 10 км от источника вы­броса, максимальная поглощенная доза облучения в щитовидной железе была равна 16,1 рад, расстоя­нии 37 км—11,4 рад. У взрослых жителей этого района поглощенная доза облучения в щитовидной железе не превышала 4 рад (предельно допустимая доза облучения щитовидной железы у взрослых и детей составляет соответственно 3 и 1,5 рад).