Добавил:
kiopkiopkiop18@yandex.ru Вовсе не секретарь, но почту проверяю Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

3 курс / Гигиена / Физико_химические_характеристики_промышленных_альфа_излучающих_аэрозолей

.pdf
Скачиваний:
1
Добавлен:
23.03.2024
Размер:
51.24 Mб
Скачать

Физико-химические характеристики промышленных альфа-излучающих аэрозолей: данные многолетних исследований

Монография

Санкт-Петербург Наукоемкие технологии

2023

УДК 544.772 ББК 24.6

Ф48

Рецензенты:

Жуковский Михаил Владимирович – д.т.н., профессор, главный научный сотрудник радиационной лаборатории, ФГБУН Института промышленной экологии УрО РАН;

Шишкина Елена Анатольевна – д.б.н., заведующая биофизической лабораторией, ФГБУН Уральский научно-практический центр радиационной медицины ФМБА России.

Авторы:

Е.Е. Аладова, Г. Н. Бобов, В. Э. Введенский, А. Н. Жданов,

Р.В. Мелентьева, С. А. Сыпко, В. В. Хохряков

Научные редакторы:

Валентин Федорович Хохряков, д.б.н., профессор;

Сергей Анатольевич Романов, к.б.н. директор ФГБУН ЮУрИБФ ФМБА России

Ф48 Аладова Е. Е.

Физико-химические характеристики промышленных альфа-излучающих аэрозолей: данные многолетних исследований. Монография / Е. Е. Аладова, Г. Н. Бобов, В. Э. Введенский, А. Н. Жданов, Р. В. Мелентьева, С. А. Сыпко, В. В. Хохряков. – СПб.: Наукоемкие технологии, 2023. – 382 с. – Авт. указаны на обороте тит. л.

ISBN 978-5-907618-58-9

В монографии представлены результаты многолетних исследований физико-хими- ческих свойств альфа-излучающих аэрозолей в подразделениях ведущего предприятия ядерного оружейного комплекса России ПО «Маяк». Определение параметров, характеризующих физико-химические свойства аэрозолей плутония (дисперсный состав и транспортабельность), является одним из основных условий для корректных расчетов величин поступления и доз облучения персонала, работающего в контакте с соединениями нуклида. В монографии широко представлены различные методы исследования размеров аэрозольных частиц: от авторадиографии до современного сверхчувствительного нейтронно-индуцированного метода. Обобщены результаты изучения кинетики растворения аэрозолей плутония в различных имитантах биологической жидкости. Значительное внимание уделено исследованиям процессов образования аэрозолей нанометрового диапазона и их дисперсного состава.

Монография представляет интерес для специалистов, занимающихся вопросами радиационной гигиены и радиационной безопасности, а также контролем внутреннего облучения персонала атомной промышленности.

 

УДК 544.772

 

ББК 24.6

 

© ФГБУН ЮУрИБФ ФМБА России, 2023

 

© Оформление. Издательство

ISBN 978-5-907618-58-9

«Наукоемкие технологии», 2023

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

Список сокращений и обозначений ..........................................................................................

7

Введение ......................................................................................................................................

9

1. Исследование дисперсности промышленных радиоактивных аэрозолей

 

методом авторадиографии ....................................................................................................

13

1.1. Параметры распределений альфа-активных аэродисперсных систем ................

17

1.2. Определение плотности альфа-активных аэрозолей производственных

 

участков плутониевого производства ПО «Маяк».......................................................

19

1.3. Оптикорадиографический метод определения дисперсности аэрозолей ...........

23

1.3.1. Описание основных этапов оптикорадиографического метода ................

23

1.3.2. Источники неопределенностей оптикорадиографического метода..........

43

1.4. Дисперсный состав альфа-активных аэрозолей на плутониевом

 

производстве ПО «Маяк». Результаты исследований 1969–1981 гг..........................

44

1.5. Дисперсный состав альфа-активных аэрозольных частиц на участках

 

работы c америцием-241 и плутонием-238...................................................................

59

Заключение ......................................................................................................................

66

Приложение 1 ..................................................................................................................

68

Приложение 2 ..................................................................................................................

69

Список литературы к главе 1 .........................................................................................

71

2. Исследование дисперсного состава альфа-излучающих аэрозолей в воздухе

 

рабочих помещений ПО «Маяк» методом инерционного осаждения ..........................

73

2.1. Материалы и методы................................................................................................

74

2.1.1. Исследования размеров промышленных альфа-излучающих

 

аэрозолей...................................................................................................................

74

2.1.2. Выполнение измерений активности 241Am и Pu в пробах аэрозолей........

79

2.2. Результаты исследований ........................................................................................

82

2.2.1. Дисперсность альфа активных аэрозолей завода РТ ..................................

84

2.2.2. Дисперсность альфа активных аэрозолей плутониевого завода ...............

89

2.2.3. Изотопный состав...........................................................................................

90

2.2.4. Дисперсность альфа активных аэрозолей плутониевого завода.

 

Специальный отбор для оценки дисперсного состава аэрозолей воздуха

 

рабочих помещений .................................................................................................

92

Заключение ......................................................................................................................

93

Список литературы к главе 2 .........................................................................................

94

3. Оценка скорости абсорбции плутония из респираторного тракта в кровь

 

на основе данных о кинетике диализа промышленных альфа-излучающих

 

аэрозолей...................................................................................................................................

95

3.1. Задержка аэрозольных частиц в дыхательном тракте ..........................................

96

3.2. Механизмы абсорбции плутония из респираторного тракта в кровь .................

98

3.3. Определение скорости абсорбции ........................................................................

102

3.3.1. Определение скорости абсорбции in vivo и in vitro ..................................

106

3.3.2. Методические подходы к определению растворимости in vitro .............

111

3.3.3. Растворители, применяемые в in vitro тестах............................................

114

3

3.4. Классификация промышленных аэрозолей с различных рабочих участков

 

ПО "Маяк" по показателю транспортабельности.......................................................

117

3.4.1. Систематизация рабочих участков ПО "Маяк" по

 

транспортабельности для практического применения в дозиметрии

 

внутреннего облучения..........................................................................................

120

3.4.2. Восстановление значений показателя транспортабельности в

 

первые годы работы предприятия ........................................................................

126

3.5. Изучение скорости быстрой абсорбции промышленных аэрозолей

 

плутония in vitro в различных имитантах легочной жидкости .................................

132

Заключение.....................................................................................................................

143

Список литературы к главе 3........................................................................................

145

4. Исследование процессов образования нанометровой фракции

 

промышленных альфа-излучающих аэрозолей..............................................................

150

4.1. Разработка метода выполнения детектирования промышленных альфа-

 

излучающих наночастиц и измерения их размеров ...................................................

151

4.1.1. Описание диффузионной батареи, использовавшейся в

 

экспериментальных исследованиях......................................................................

156

4.2. Исследования по разработке метода переноса наночастиц с поверхности

 

сеток диффузионной батареи на поверхность трекового детектора ........................

159

4.2.1. Облучение трековых детекторов в поле нейтронов..................................

171

4.2.2. Подготовка проб к облучению ....................................................................

173

4.2.3. Краткое описание исследовательского ядерного реактора ИВВ-2М......

178

4.2.4. Разработка оптимального метода травления трековых детекторов ........

181

4.2.5. Анализ полученных изображений треков на кремниевом стекле и

 

оценка метрологических характеристик стекол как трековых детекторов ......

190

4.2.6. Экспериментальные исследования по совершенствованию метода

 

отбора проб наночастиц.........................................................................................

195

4.2.7. Теоретические исследования межкаскадного переноса наночастиц в

 

процессе их отбора с использованием диффузионных батарей ........................

198

4.3. Исследование активности нанометровой фракции промышленных альфа-

 

излучающих аэрозолей воздуха рабочих помещений................................................

207

4.3.1. Отбор проб ....................................................................................................

207

4.3.2. Измерение активности 241Am частиц, уловленных диффузионной

 

батареей ...................................................................................................................

210

4.3.3. Анализ результатов измерений активности 241Am в отобранных

 

пробах ......................................................................................................................

213

Заключение.....................................................................................................................

218

Список литературы к главе 4........................................................................................

220

5. Метод детектирования промышленных альфа-излучающих наночастиц

 

239Pu и измерения их размеров............................................................................................

221

5.1. Наночастицы и биологические объекты ..............................................................

222

5.1.1. Проблемы безопасности нанотехнологий..................................................

222

5.2. Разработка метода интерпретации визуализированных изображений

 

треков..............................................................................................................................

223

5.2.1. Терминология ...............................................................................................

223

5.2.2. Метод интерпретации визуализированных изображений треков............

224

4

5.3. Совершенствование нейтронно-индуцированного метода измерения

 

размеров наночастиц.....................................................................................................

247

5.3.1. Исследование динамики травления латентных треков деления..............

247

5.3.2. Уточнение величины критического угла ...................................................

256

5.3.3. Оценка оптимальных режимов облучения трековых детекторов ...........

257

5.4. Идентификация наночастиц 239Pu, расположенных в толстом слое

 

тканевых срезов .............................................................................................................

260

5.4.1. Разработка количественного критерия для отнесения группы треков

 

к звезде ....................................................................................................................

260

5.4.2. Первый алгоритм..........................................................................................

264

5.4.3. Второй алгоритм...........................................................................................

267

5.5. Моделирование поведения осколков деления 239Pu в биологическом

 

материале........................................................................................................................

270

5.5.1. Моделирование выхода осколков деления из биологической ткани......

273

5.5.2. Моделирование взаимодействия осколков деления с материалом

 

детектора .................................................................................................................

279

5.5.3. Вычисление координаты наночастицы в толстом слое............................

282

5.6. Исследование статистических характеристик распределения звезд по

 

числу треков на основе экспериментальных результатов.........................................

290

5.7. Определение диаметра и стандартной неопределенности частицы 239PuO2 ....

294

5.7.1. Способ определения количества ядер 239Pu в частице .............................

294

5.7.2. Оценка количества актов деления 239Pu при использовании метода

 

подсчета количества треков в сложной звезде....................................................

295

5.7.3. Проверка правильность оценки количества актов деления в сложной

 

звезде .......................................................................................................................

298

5.7.4. Общий подход к определению диаметра частицы 239PuO2 и

 

стандартной неопределенности размера..............................................................

301

5.7.5. Определение диаметра частицы 239PuO2, среда между мишенями –

 

воздух ......................................................................................................................

301

5.7.6. Стандартная неопределенность диаметра частицы 239PuO2 в простой

 

звезде, среда между мишенями – воздух .............................................................

305

5.7.7. Стандартная неопределенность подсчета количества треков в

 

сложной звезде, среда между мишенями – воздух .............................................

308

5.7.8. Стандартная неопределенность размера частицы при использовании

 

метода подсчета количества треков в сложной звезде, среда между

 

мишенями – воздух ................................................................................................

310

5.7.9. Эффективность регистрации в простой звезде в толстом слое ...............

311

5.7.10. Пример расчета эффективности регистрации для простой звезды в

 

толстом слое............................................................................................................

313

5.7.11. Стандартная неопределенность эффективности регистрации в

 

толстом слое для простой звезды .........................................................................

314

5.7.12. Определение диаметра частицы 239PuO2 в толстом слое для

 

простой звезды........................................................................................................

316

5.7.13. Стандартная неопределенность диаметра частицы 239PuO2 в

 

толстом слое для простой звезды .........................................................................

318

5

5.7.14 Стандартная неопределенность подсчета количества треков в

 

сложной звезде в толстом слое .............................................................................

320

5.7.15 Определение диаметра частицы 239PuO2 в толстом слое для

 

сложной звезды.......................................................................................................

322

5.7.16 Стандартная неопределенность размера частиц в толстом слое для

 

сложной звезды.......................................................................................................

323

Заключение.....................................................................................................................

325

Список литературы к главе 5........................................................................................

327

6. Разработка метода выполнения измерений размеров промышленных

 

наночастиц 239Pu в тканях человека .................................................................................

329

6.1. Разработка модели взаимодействия осколков деления с материалом

 

трекового детектора и определения оптимального флюенса нейтронов.................

330

6.2. Разработка и изготовление контейнера для облучения трековых

 

детекторов ......................................................................................................................

339

6.3. Нанесение срезов биологических тканей на кварцевые трековые

 

детекторы........................................................................................................................

341

6.4. Облучение и дальнейшее травление трековых детекторов................................

342

6.5. Удаление клеевой основы скотча из срезов биологических тканей..................

345

6.6. Окрашивание срезов...............................................................................................

347

6.7. Модернизация микроскопа Leica для работы в проходящем свете...................

351

6.8. Модернизация подложки для фотографирования детекторов...........................

352

Заключение.....................................................................................................................

356

Список литературы к главе 6........................................................................................

357

7. Исследование размеров промышленных наночастиц 239Pu и их

 

распределения в легких профессиональных работников, имевших контакт

 

с открытыми источниками альфа-излучения ................................................................

358

7.1. Материалы и методы..............................................................................................

359

7.2. Результаты и обсуждение ......................................................................................

371

Заключение.....................................................................................................................

378

Список литературы к главе 7........................................................................................

380

6

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

АМАД

– медианный по активности аэродинамический диаметр

АМТД

– медианный по активности термодинамический диаметр

БФЛ

– биофизическая лаборатория

ВАО

– высокоактивные отходы

ВНИИФТРИ

– Всероссийский научно-исследовательский институт физико-техни-

 

ческих и радиотехнических измерений

ЖКТ

– желудочно-кишечный тракт

ИМУ

– информационно-методические указания

ИПЭ УрО РАН

– Институт промышленной экологии (ИПЭ) Уральского отделения

 

Российской академии наук

ИСБД

– интерстициальный склероз бронхососудистого дерева

ИСРО

– интерстициальный склероз респираторного отдела

КДФ

– крупнодисперсная фракция

МВНК

– метод взвешенных наименьших квадратов

МДФ

– мелкодисперсная фракция

МКРЗ

– международная комиссия по радиологической защите

ММД

– массовый медианный диаметр

ММП

– метод максимума правдоподобия

НПДИ

– нижний предел детектирования измерения

НТР

– нормальный технологический режим

ООТ и РБ

– отдел охраны труда и радиационной безопасности

ОРР

– образцовый радиоактивный раствор

ОСГИ

– образцовый спектрометрический гамма-источник

ПО

– программное обеспечение

ПО «Маяк»

– производственное объединение «Маяк»

РР– ремонтные работы

РТ

– регенерация топлива

СДФ

– среднедисперсная фракция

СИЧ

– спектрометр излучения человека

СКО

– среднеквадратичное отклонение

ТВЭЛ

– тепловыделяющий элемент

УПФ

– участок подготовки форм

7

ФИБ-1

– Филиал института биофизики №1

ФМБА

– Федеральное медико-биологическое агентство

ЮУрИБФ

– Южно-Уральский институт биофизики

PSF

– фаголизосомный имитант

SLF

– сыворотка легочной жидкости

SUF

– ультрафильтрат имитанта сыворотки

8

ВВЕДЕНИЕ

В конце сороковых годов для получения оружейного плутония с целью создания паритета в области ядерного оружия был построен и начал свою деятельность химический комбинат «Маяк». В первые годы работы предприятия на рабочих местах наблюдалась наиболее неблагоприятная радиационная обстановка, технологические операции по получению металлического плутония проводились в открытом виде в неприспособленных для радиохимических работ помещениях. Вследствие отсутствия знаний о воздействии радиоактивного излучения на организм человека и опасности повседневного контакта с радиоактивными материалами, начальный период деятельности ПО «Маяк» характеризовался массовым переоблучением людей. Отсутствие средств индивидуальной защиты органов дыхания при чрезвычайно высоких концентрациях альфа-излучающих аэрозолей, превышающих допустимые нормы в десятки тысяч раз, приводило к высоким уровням ингаляционного поступления плутония в организм персонала.

Для выполнения исследований в области воздействия ионизирующих излучений на человека и различные биологические объекты, а также для целей радиационной безопасности и охраны здоровья персонала предприятий атомной промышленности и населения, проживающего вблизи таких предприятий, в 1953 году был создан Южно-Уральский институт биофизики, тогда ФИБ-1, как первый филиал Московского института биофизики. В ФИБ-1 были образованы отделы радиационной безопасности, радиобиологии, клинический отдел для наблюдения за лицами из персонала, подвергшимися воздействию ионизирующего излучения. Для проведения экспериментальных исследований в области радиобиологии был создан виварий, в котором содержались несколько тысяч подопытных животных – крысы, кролики, собаки.

Одной из задач ученых института была разработка методов контроля и дозиметрии внутреннего облучения от инкорпорированного плутония, что напрямую связано с изучением поведения плутония в организме человека и физико-химических свойств промышленных аэрозолей.

Для решения проблем обеспечения контроля внутреннего облучения работников ПО «Маяк» в 1967 г. в ФИБ-1 была образована лаборатория дозиметрии внутреннего облучения, которую на протяжении 50-ти лет возглавлял д.б.н., профессор В.Ф. Хохряков.

Дозиметрия инкорпорированных нуклидов основана на результатах определения содержания радиоактивных веществ в организме человека с использованием прямого метода измерения гамма-излучения нуклида в теле человека и косвенного метода, основанного на интерпретации результатов измерений активности радиоактивных веществ в экскретах с учетом их кинетики в организме.

9