3 курс / Гигиена / Физико_химические_характеристики_промышленных_альфа_излучающих_аэрозолей

На базе накопленных данных о скорости выведения плутония, а также о распределении плутония в органах и тканях бывших работников ПО «Маяк», полученных в ходе радиохимического анализа аутопсийного материала, была разработана первая приближенная биокинетическая модель метаболизма промышленных соединений плутония в организме человека (В. Ф. Хохряков). Модель опиралась на данные об обмене плутония в дыхательном тракте и данные об экскреции с мочой в условиях профессионального контакта с актинидами. Основная идея модели заключалась в разделении промышленных альфа-ак- тивных аэрозолей по их физико-химическим характеристикам на классы растворимости.

При ингаляционном поступлении радионуклидов в организм человека первоначальное их отложение в различных отделах дыхательного тракта определяется размером аэрозольных частиц, а процесс очищения дыхательного тракта, т.е. переход из легких в кровяное русло, в значительной мере зависит как от химической формы материала, из которого образуются аэрозольные частицы, так и от размера вдыхаемых частиц. Следовательно, без информации о физико-химических свойствах аэрозолей плутония невозможно корректно оценить уровни облучения органов основного депонирования, обусловленных ингаляционным поступлением плутония.

Масштабные исследования дисперсного состава промышленных аэрозолей плутония в рабочих помещениях основного производства ПО «Маяк» начали проводиться с середины 1960-х, когда остро стояла задача обеспечения оптимально безопасных условий труда для работающих в контакте с соединениями плутония. Полученные знания широко применялись при создании системы мониторинга внутреннего облучения.

Характерной особенностью альфа-распада является возникновение ядер отдачи, взаимодействие которых с атомами кристаллической решетки твердой фазы радиоактивного вещества приводит к образованию фрагментов, размером от единиц до десятков нанометров. Собственные предварительные исследования показали, что наночастицы вносят значимый вклад в суммарную удельную активность промышленных альфа-излучающих аэрозолей воздуха рабочих помещений.

Известно, что наночастицы при их поступлении в организм могут нанести существенный ущерб здоровью человека. Ни в России, ни за рубежом исследований радиационной опасности, а также влияния наночастиц альфа-излучающих актинидов на здоровье человека не проводилось. Имеются отдельные публикации, указывающие на существование наночастиц плутония, но практически полностью отсутствуют научные данные о метаболизме и степени радиационной опасности актинидов, поступающих в организм человека в виде наночастиц.

10

Настоящая монография подготовлена коллективом авторов Южно-Уральского института биофизики (ЮУрИБФ), она состоит из 7 глав, в которых в логической последовательности обобщены результаты исследований дисперсности и транспортабельности аэрозолей с производственных участков ПО «Маяк», а также современные материалы о свойствах аэрозолей плутония нанометровых размеров и их распределении в легких профессиональных работников.

Первые две главы монографии посвящены методологии оценки размеров аэрозольных частиц. Подробно рассматриваются авторадиографический и инерционный методы определения дисперсности аэрозолей, полученные этими методами экспериментальные значения АМАД, характерные для участков основных производств ПО «Маяк» в 1970-х, 1980-х, 1990-х и 2000-х годах.

Втретьей главе изложены результаты исследований показателя транспортабельности аэрозолей на радиохимическом и плутониевом производствах, начиная с первых лет деятельности ПО "Маяк", рассмотрены закономерности его изменения в зависимости от технологических процессов. Важное внимание в главе уделяется оценке радиобиологического параметра, определяющего скорость абсорбции плутония из легких в кровь на ранней стадии легочного клиренса. Уточнение данного параметра на основании сравнительных оценок с имеющимися литературными данными о скорости удаления соединений плутония типа нитрата из легких в кровь человека имеет бесспорное практическое значение, поскольку быстрая фаза определяет до 15% от всей дозы внутреннего облучения органов основного депонирования при ингаляционном поступлении нуклида.

Главы с 4 по 7 посвящены методам и результатам исследований процессов образования аэрозолей плутония нанометрового диапазона, их физико-химических свойств и определению размеров частиц в тканях человека, выполненных уже в 2010-х гг.

Внастоящее время реализация ядерных технологий нового поколения требует применения новых видов топлива (смешанное нитридное уран-плутониевое, смешанное оксидное уран-плутониевое и т.д.), содержащих в своем составе плутоний, поэтому проблемы обеспечения радиационно-гигиенической безопасности при изготовлении и работе

сновыми видами топлива, а, следовательно, задачи дозиметрии внутреннего облучения от плутония не теряют своей актуальности. В связи с этим материалы монографии будут полезны для применения в современных биокинетических моделях и при дальнейшем совершенствовании методов интерпретации результатов косвенной дозиметрии плутония, связанных с количественными закономерностями транспорта инкорпорированного нуклида в организме работников, что позволит уменьшить неопределенности индивидуаль-

11

ных дозовых оценок, опираясь на информацию о дисперсности и растворимости аэрозольных частиц на конкретном рабочем участке и улучшить современную систему обеспечения радиационной безопасности при работе с соединениями плутония. Методические подходы к исследованию растворимости и дисперсности аэрозолей плутония, содержащих частицы различного размера, изложенные в монографии, представляются весьма важными как в теоретическом, так и практическом отношении, так как могут быть использованы для исследований метаболизма радионуклидов в организме человека, а также в практике мониторинга внутреннего облучения на различных предприятиях ядерно-топливного цикла Росатома.

Книга выпущена при финансовой поддержке ФМБА России.

12

1. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИСПЕРСНОСТИ ПРОМЫШЛЕННЫХ РАДИОАКТИВНЫХ АЭРОЗОЛЕЙ МЕТОДОМ АВТОРАДИОГРАФИИ

Р. В. Мелентьева, Е. Е. Аладова

Радиоактивные аэрозоли, присутствующие в воздушной среде рабочих помещений предприятий атомной отрасли, могут являться источником облучения персонала.

При ингаляционном поступлении радиоактивных аэрозолей в организм человека их первоначальное отложение в различных отделах дыхательного тракта определяется размером аэрозольных частиц. Характер первоначального отложения радионуклидов в свою очередь определяет уровни облучения тех или иных органов и тканей. Для оценки доз внутреннего облучения при ингаляционном поступлении радионуклида, в частности, необходима информация о параметрах распределения радиоактивности по размерам частиц аэрозоля.

По своему происхождению аэрозоли, загрязняющие воздушное пространство рабочих помещений, подразделяются на дисперсные, образующиеся при измельчении радиоактивных веществ, и конденсационные, возникающие вследствие конденсации при их испарении, и представляют собой полидисперсные системы со сложной морфологией аэрозольных частиц.

Полидисперсный аэрозоль содержит частицы разных размеров, причем размер частиц находится в пределах от некоторой максимальной до определенной минимальной величины в зависимости от условий производственного процесса.

Тот факт, что при одинаковых значениях концентрации радиоактивных аэрозолей во вдыхаемом воздухе и ритме поступления, в зависимости от размеров аэрозольных частиц отложение радиоактивного вещества в верхних дыхательных путях может различаться более чем в 2,5 раза, а в альвеолах до 10 раз [1], говорит о том, что для корректной оценки доз облучения необходимо знать реальное значение размера частиц аэрозолей и их активность в помещениях, где проводятся работы с тем или иным радиоактивным веществом.

Исследования дисперсности аэрозолей плутония на различных радиационноопасных предприятиях, которые проводились зарубежными исследователями еще в годы становления атомной промышленности – в конце 1950-х, 1960-х гг., показали, что значения активного медианного аэродинамического диаметра (АМАД) могут лежать в широком диапазоне: от 0,1 до 80 мкм [2, 3, 4–7]. Например, величина АМАД аэрозолей

13

в помещениях предприятия по переработке ядерного топлива в Харуэлле по данным

D.Stevens [5] менялась от 3,5 до 6,0 мкм (таблица 1.1).

Таблица 1.1 – Характеристика дисперсности аэрозолей в помещениях предприятия по переработке ядерного горючего в Харуэлле [5]

В помещениях плутониевого завода в Уиндскейле [7] величина АМАД также составляла 3,5–6,0 мкм.

По данным [3, 4, 7] плутониевые аэрозоли при нормальных условиях работы оборудования часто характеризовались довольно малыми размерами. Авторы работы [7] установили, что массовый медианный диаметр (ММД) альфа-активных аэрозолей, образующихся в процессе механической и химической обработки плутония (при дроблении, растворении, восстановлении до металлического плутония), составлял 0,88 мкм со стандартным геометрическим отклонением 2,02.

Исследователи из Лос-Аламосской национальной лаборатории определили, что ММД для плутониевой пыли имел значение 0,3–0,5 мкм с геометрическим стандартным отклонением 2,0 во всех изученных случаях [3].

Исследования B. Andersen [9] показали, что в рабочих помещениях Хэнфордского комплекса, построенного в 1943 году в рамках Манхэттенского проекта, присутствовали частицы с ММД, равным 1 мкм. Диапазон ММД исследованных образцов аэрозолей составлял от 0,1 до 4,2 мкм, с преобладанием частиц размером 1 мкм.

В работе R. I. Brunskell and F. Hoff [6] отмечено, что при аварийных ситуациях наблюдалось возрастание среднего размера аэрозольных частиц. Измерения размера частиц аэрозолей, образовавшихся в перчаточном боксе при проведении операции с

14

плутонием, показали, что массовый медианный диаметр частиц составил 4,1 мкм при стандартном геометрическом отклонении 2,36.

Обширная программа изучения радиоактивных аэрозолей была осуществлена в радиохимических лабораториях научно-исследовательского центра по атомной энергии в Харуэлле [10]. Было обнаружено, что в половине исследованных проб аэрозолей большая часть активности была связана с отдельными «горячими» частицами плутония. Активность «горячих» частиц в 104–105 раз превышала среднюю активность аэрозольных частиц. По мнению авторов [10], первоначальная неактивная аэрозольная частица становилась радиоактивной в результате адгезии к ее поверхности более мелкой частицы плутония или равномерного загрязнения поверхностного слоя неактивной частицы. Встречались альфа-активные частицы, целиком состоящие из плутония или его соединений. Поэтому удельная активность материала плутониевых аэрозолей изменялась в широких пределах.

Детальные исследования дисперсного состава радиоактивных аэрозолей в помещениях плутониевого завода в Хэнфорде (таблица 1.2) представлены в работе [11]. Из таблицы 1.2 видно, что дисперсный состав радиоактивных частиц имеет два распределения: для мелкодисперсной и среднедисперсной фракций, у которых величина АМАД отличается в несколько раз, что указывает на бимодальное распределение в виде двух логнормальных распределений. Исследования дисперсного состава радиоактивных аэрозолей при работе с обогащенным ураном также показали наличие в воздухе

средне- и мелкодисперсных аэрозолей [12].

Первые оценки дисперсности альфа-активных аэрозолей, присутствовавших в воздухе рабочих помещений на производственных участках ПО «Маяк», были сделаны специалистами ФИБ-1 (ЮУрИБФ) и ПО «Маяк» в конце 1960-х гг.

В работе В.И. Бадьина с соавт. [13] описана методика трековой авторадиографии. Применяя трековую авторадиографию в комплексе с микроскопом, авторы изучали аэрозольные частицы, содержащие альфа-излучающие радионуклиды. Таким образом, метод авторадиографии в сочетании с различными техническими приемами и другими методами дал возможность не только регистрировать, но и определять величину активности частиц.

Используя способность авторадиограмм к длительному хранению, в 1980-х гг. был выполнен ретроспективный анализ аэрозольных проб, отобранных с 1969 по 1974 гг., и уточнены ранее полученные данные по дисперсности исследуемых аэрозольных частиц.

15

Аэрозольные пробы, отобранные в период 1977–1981гг., изучались уже оптикорадиографическим методом, позволяющим определить размеры мелкодисперсных аэрозолей и аэрозолей с высоким уровнем активности.

К достоинствам оптикорадиографического метода следует отнести высокую чувствительность, наглядность и разрешающую способность. В 1970-е – 80-е года это был единственный прямой метод, который, несмотря на все субъективные ошибки, позволял получать информацию о дисперсности аэрозолей на производстве. Однако, большая трудоемкость процесса микроскопического исследования аэрозольных образцов (подсчет количества треков и определение диаметра частиц), а также сложная математическая обработка большого объема полученного цифрового материала, а в те времена это делалось вручную с помощью логарифмической линейки, не позволили этому методу найти широкое применение в практической дозиметрии.

1.1. Параметры распределений альфа-активных аэродисперсных систем

Отложение аэрозолей является начальным процессом, определяющим какое количество радиоактивного материала останется в респираторном тракте после выдоха. Осаждение аэрозольных частиц может иметь место, как при вдохе, так и при выдохе. Поведение аэрозольной частицы в респираторном тракте будет преимущественно определяться ее размерами, формой и плотностью, но наиболее значимым фактором, является размер.

В зависимости от размера частиц аэрозоли условно подразделяют на мелкодисперсные (менее 0,1 мкм), среднедисперсные (0,1–10 мкм) и крупнодисперсные (более 10 мкм).

Размер аэрозольной частицы определяет какой процесс при ее осаждении на стенки респираторного тракта будет доминирующим:

·гравитационное осаждение (седиментация);

·инерционное осаждение;

·диффузионное осаждение (броуновское движение).

Седиментация и инерционное осаждение являются аэродинамическими эффектами, которые становятся значимыми при диаметре аэрозолей более 0,1 мкм. Диффузионное осаждение, обусловленное броуновским движением, является термодинамическим эффектом, проявляется при диаметре частиц менее 1 мкм и становится более выраженным по мере уменьшения диаметра аэрозолей. Аэродинамические эффекты пренебрежимо малы для аэрозолей с малым диаметром. Аналогично для частиц с достаточно большими размерами влияние термодинамических эффектов пренебрежимо мало. Для аэрозолей

17

диаметром от 0,1 до 1,0 мкм наблюдается сопоставимое влияние термодинамических и аэродинамических эффектов на процессы осаждения.

Дисперсность аэрозольных частиц во вдыхаемом воздухе может быть различной – от тысячных долей микрона до десятков микрон. Для размера радиоактивных аэрозолей имеет значение характер их образования. При коагуляции активность аэрозольных частиц прямо пропорциональна их радиусу. Если частицы абсорбируются на субмикроскопических пылинках, то активность каждой пылинки пропорциональна ее поверхности. При распылении твердого или жидкого радиоактивного вещества активность обычно пропорциональна объему частицы. В реальных условиях приходится иметь дело с полидисперсными аэрозолями, где не всегда объем частицы характеризует ее активность. В этом случае для оценки биологического эффекта – задержки частиц в органах дыхания и облучения легочной ткани, важное значение имеет медианный аэродинамический диаметр распределения аэрозолей по активности (АМАД) или медианный по активности термодинамический диаметр (AMTД).

AMAД является характеристикой статистического распределения активности полидисперсного аэрозоля по аэродинамическому диаметру dae. Половина активности рассматриваемого аэрозоля ассоциирована с частицами, которые имеют dae больший, чем AMAД. Применяется, когда доминирующими механизмами, определяющими отложение в органах дыхания, являются инерционное и гравитационное осаждение, как правило, при AMAД, больших 0,5 мкм.

Медианный по активности термодинамический диаметр (AMTД) – характеристика статистического распределения активности полидисперсного аэрозоля по термодинамическому диаметру dth. Половина рассматриваемой активности ассоциирована с частицами, которые имеют dth больший, чем AMTД. Применяется, когда доминирующим механизмом, определяющим отложение в дыхательной системе, является диффузия, как правило, при AMTД, меньших 0,5 мкм.

Аэродинамический диаметр – диаметр сферической частицы единичной плот-

! (dae)

ности (1 г см-3), имеющий такую же скорость гравитационного осаждения, как и рассматриваемая аэрозольная частица.

При отсутствии фактических данных предполагается логнормальное распределение частиц.

В конце 1960-х начале 1970-х годов при исследовании аэрозольных образцов, отобранных в производственных помещениях ПО «Маяк», определялись только параметры счётных распределений частиц по размерам и по активности:

18

Dg – счетный медианный геометрический диаметр аэрозольных частиц;

βg – стандартное геометрическое отклонение, характеризующее разброс значений Dg; Ag – активность аэрозольных частиц диаметра Dg;

βАg – стандартное геометрическое отклонение, характеризующее разброс значений Ag. Кроме того, определялись соотношения мелко-, срелне- и крупнодисперсных аэро-

золей по количеству частиц и их активности.

По мере усовершенствования оптикорадиографического метода, изучались не только параметры счётных распределений по размерам и по активности, но и параметры распределений активности по размерам аэрозольных частиц:

Dаg – активный медианный диаметр, определяемый из распределения активности по диаметрам частиц, мкм;

βаg – стандартное геометрическое отклонение, характеризующее разброс значений Dаg. Параметр Dag дает возможность определить активный медианный аэродинамиче-

ский диаметр (АМАД) согласно формуле:

где r – плотность частиц аэрозоля, г/см3.

Методы определения плотности изучаемых аэрозолей будут рассмотрены в следующем разделе.

1.2. Определение плотности альфа-активных аэрозолей

производственных участков плутониевого производства ПО «Маяк»

Плотность аэрозольных частиц может существенно отличаться от плотности радионуклида, из которого они образуются. Это особенно характерно для аэрозолей, возникающих при конденсации с последующей коагуляцией, и аэрозолей, содержащих агрегаты сложной формы. Кроме того, взвешенные в воздухе частицы всегда содержат большое количество разнообразных примесей, что также ведет к изменению плотности аэрозольных частиц. Если плотность исходного вещества можно найти в многочисленных таблицах и справочниках [22], то плотность аэрозольных частиц приходится определять или рассчитывать, используя при этом косвенные и прямые методы. Косвенные данные о плотности аэрозольных частиц можно получить на основе определения изотопного состава и радиоактивности, а также рентгеноспектрального и нейтронно-активационного анализа. Однако при этом из-за отсутствия информации о состоянии твердых частиц (кристаллическое или аморфное и т. п.), а также об относительной объемной доле микрополостей (раковин, микротрещин, пор и т. п.) могут быть

19