Радиобиология с основами радиоэкологии

Современная типовая АЭС состоит из реакторного корпуса, где размещен ядерный реактор, и турбинного зала, где находятся турбина и генератор. Через паропровод пар из реактора поступает к турбине, вращает ее, а генератор переводит энергию вращения в электрическую. Излишки тепла через трубу выбрасываются в атмосферу и так называемый водоем-охладитель, являющийся одновременно и источником воды для получения пара. Это тепло можно использовать для обогрева жилья, теп­ лиц, водоемов, в которых круглый год выращивается рыба, и для других хозяйственных нужд.

Причины аварии на Чернобыльской АЭС. Ответить на вопрос о причинах аварии на Чернобыльской АЭС непросто. До настоящего времени среди специалистов нет единого мнения, но совершенно очевидно, что авария не была случайностью, как считают одни из них, или совершенно невероятным стечением нарушений, допущенных персоналом станции при эксплуатации ядерного реактора накануне аварии, которые его разработчики считали невозможными и поэтому не предусмотрели соответствующей такой ситуации системы защиты. Действительно, со стороны персонала были сделаны недопустимые отклонения от правил эксплуатации реактора. В нарушение техники безопасности проводился производственный эксперимент, при котором реактор должен был работать в режиме, резко отличавшемся от обычного. Программа эксперимента не была согласована

сконструкторами реактора и соответствующими контролирующими организациями. Эксперимент сознательно проводился

сгрубыми нарушениями различных технических требований, свидетельствующими о недостаточно высокой квалификации руководства и персонала станции.

Но подобная потенциально небезопасная энергетическая установка (в частности, ядерный реактор) должна быть сконструирована таким образом, чтобы не произошла авария ни при каких условиях. То есть, если при эксплуатации реактора допускаются отклонения от инструкции либо ошибки, он должен останавливаться или переходить на безопасный режим работы. Поэтому одной из основных причин аварии многие считают несовершенную конструкцию реактора. Этот тип реактора является устарелым, характерным для ранних конструкций, какие уже давно не строятся в других странах. Безусловно, нельзя сбрасывать со счетов и нарушения в режиме эксплуатации, допущенные инженерно-техническим персоналом станции. После аварии на всех реакторах типа РБМК не только на Чернобыльской АЭС, но и других, где они установлены (Ленинградская, Смоленская, Курская, Белоярская, Троицкая, Игналинская АЭС), проведен комплекс защитных противоаварийных мероприятий, которые значительно повышают надежность их работы. Здесь необходимо подчеркнуть, что хотя во время аварии

3. Источники радиоактивных веществ и ионизирующих излучений на Земле 83

на Чернобыльской АЭС и было выброшено огромное количество радиоактивных веществ, атомного взрыва на ней, как, кстати, и при всех авариях на АЭС и других предприятиях ЯТЦ, не было. На Чернобыльской АЭС произошло несколько газо-па- ровых взрывов и взрывов смеси водорода и кислорода, которые выделяются при работе реактора. Именно они обусловили разрушение реактора, пожар и подъем радиоактивных веществ на большую высоту под влиянием горячих потоков воздуха.

Причины аварии на АЭС «Фукусима-1». На АЭС установлены шесть ядерных реакторов типа BWR – реактор с кипящей водой. В этом типе реакторов его рабочий объем, в котором находятся твэлы, заполнен водой. В результате ядерной реакции, идущей в твэлах, выделяется тепло и вода закипает. Пар, нагретый до 285 °С, под давлением 75 атмосфер по трубопроводу поступает в турбинный зал, вращает турбины и вырабатывает электроэнергию. Отработанный пар охлаждается до воды и с помощью насосов вновь подается в активную зону реактора. 11 марта 2011 г. из-за землетрясения отключилась электроэнергия и насосы перестали работать. Эта ситуация предусмотрена конструкторами реактора и тотчас были включены дизельные насосы. Однако, следующая за землетрясением необычайно мощная волна цунами вывела их из строя. Вода перестала поступать в реактор, твэлы оголились, перегрелись и начали плавиться. При взаимодействии перегретого пара с металлическими конструкциями реактора стал выделяться водород, который скопился в здании и взорвался, приведя к разрушению оболочки реакторов второго, третьего и четвертого энергоблоков, пожарам и выбросам радиоактивности в окружающую среду. Следует отметить и другие места, насыщенные радиоактивными веществами в результате работы предприятий ядерного топливного цикла. Так, на Урале в регионе Челябинска в течение 1949–1952 гг. высокорадиоактивные жидкие отходы без очистки удалялись с военных предприятий, выполняющих программу ядерной защиты, непосредственно в систему р. Теча. Всего было сброшено 1.2×1016 Бк 90Sr и 1.3×1016 Бк 137Сs. За период 1967–1970 гг. там же, на Урале, произошло загрязнение территории около 1800 км2 посредством ветрового переноса радиоактивности с берегов оз. Карачай, которое использовалось для удаления радиоактивных отходов. Всего было разнесено 6×1012 Бк 90Sr и 1.7×1013 Бк 137Сs. Именно в том регионе произошла вышеупомянутая авария в г. Кыштым. Известно также о ядерных авариях на предприятиях по производству оружейного плутония в Додоново вблизи Красноярска и в районе г. Томск. В последнем случае авария произошла 6 апреля 1993 г. на Сибирском радиохимическом комбинате. В ее результате около 250 км2 территории, расположенной на север от предприятия, были загрязнены 90Sr, 137Сs и 239Рu. Таким образом, загрязнение

биосферы радиоактивными веществами продолжается. Потенциальными источниками радиоактивных веществ в окружающей среде являются ядерные реакторы и атомное вооружение затонувших подводных лодок, затопленных с целью захоронения отработавших судовых реакторов, еще содержащих ядерное горючее, утерянные искусственные спутники, снабженные ядерными реакторами, как, например, два советских спутника из серии «Космос».

3.2.Источники ионизирующих излучений

Всоответствии с классификацией источников радиоактивных веществ можно выделить естественные и искусственные источники ионизирующих излучений. К естественным источ­

никам следует отнести излучения естественных, или природных радионуклидов, а также космическое излучение. К искус­ ственным – излучения искусственных радионуклидов, а также специальных технических сооружений, установок и приборов – генераторов ионизирующих излучений.

3.2.1. Естественные источники ионизирующих излучений

Естественные источники ионизирующих излучений за счет внешнего и внутреннего излучения естественных радионуклидов и внешнего космического излучения создают на Земле относительно постоянное фоновое облучение всех объектов окружающей среды.

Излучения естественных радионуклидов. Из природных первичных радиоактивных нуклидов основной вклад в дозу внешнего γ-облучения дают γ-излучающие нуклиды уранорадиевого и ториевого рядов, а также 40К. В первом 99% дозы определяется излучением 214Pb и 214Bi, во втором – главным источником излучения являются 228Th и 228Ас. Внутреннее облучение живых организмов обусловливается радионуклидами, попадающими с воздухом, пищей и водой. Теоретически – это все естественные радиоактивные элементы и радиоактивные изотопы нерадиоактивных элементов, но из них наиболее высокий вклад в дозу дают 40К, 14С, 87Rb, 210Ро, 226Ra, 222Rn и 220Rn. Основными источниками внешнего облучения космогенного происхождения являются 7Ве, 22Nа и 24Nа, внутреннего – 3Н и 14С (табл. 3.3). В связи с тем, что различные организмы способны по-разному поглощать и накапливать в своих тканях и органах отдельные радиоактивные элементы, вклад внутреннего облучения в общее облучение, в отличие от внешнего, может существенно варьировать.

3. Источники радиоактивных веществ и ионизирующих излучений на Земле 85

Космическое излучение. Космическое излучение, как уже выше упоминалось, состоит из галактического и солнечного. В нем выделяют также первичное и вторичное космическое излучение. Первичное космическое излучение представляет собой поток частиц высоких энергий, приходящих на Землю из меж­ звездного пространства. Оно состоит преимущественно из ядер водорода – протонов (примерно 79%) и ядер гелия – α-частиц (около 20%). В неизмеримо меньших количествах в нем присутствуют нейтроны, электроны, фотоны, ядра некоторых легких и тяжелых (с атомными массами до 60) элементов (лития, бериллия, бора, углерода, азота, кислорода, фтора, неона, магния, железа и некоторых других).

Основная часть первичного космического излучения возникает в пределах нашей Галактики в результате ядерных и термоядерных процессов, сопровождающих извержения и испарения материи при звездных взрывах и образовании сверхновых звезд. Это и есть галактическое космическое излучение. При солнечных вспышках возникает солнечное космическое излучение. Возраст галактического космического излучения, т.е. время его прохождения из Галактики до Земли, составляет до 106–107 лет. Этим объясняется практически полное отсутствие в его составе нейтронов, которые образуются в больших количествах при всех типах ядерных процессов, но успевают распасться. Низкое содержание электронов и фотонов в составе галактического излучения связано с их поглощением космической пылью в галактическом пространстве.

Вторичное космическое излучение образуется в результате взаимодействия первичного, которое, как упоминалось выше, обладает необычайно высокой энергией, с ядрами нуклидов, входящих в состав воздуха. Оно имеет сложный состав и состоит практически из всех известных в настоящее время элементарных частиц (протонов, электронов, нейтронов, фотонов, пионов, мюонов, мезонов и многих других). Их энергия достаточно высока для того, чтобы индуцировать последующие ядерные превращения. В результате развития таких каскадных процессов количество вторичных частиц космического излучения в атмосфере резко возрастает. Космическое излучение имеет высокую интенсивность в основном за пределами земной атмосферы. На высоте примерно 40–50 км преобладает первичное космическое излучение. Максимальная интенсивность вторичного космического излучения наблюдается на высоте 20–25 км. С уменьшением высоты его интенсивность падает и достигает минимума на уровне моря. В первую очередь это относится к солнечному излучению, которое по сравнению с галактическим обладает значительно меньшей энергией и существенно поглощается и рассеивается в земной атмосфере. Высокоэнергетическое галактическое излучение более или менее беспрепят-

ственно проходит через атмосферу, но его относительный вклад в компонент космического излучения невелик. У поверхности Земли космическое излучение состоит в основном из фотонов, электронов и позитронов с энергией до 106 эВ. Это слабоионизирующий, относительно низкоэнергетический и слабопроникающий компонент космического излучения. Высокоэнергетическая и сильнопроникающая составляющая космического излучения обусловлена мю-мезонами с энергиями до 6×108 эВ. Высокой энергией до 107 эВ обладают также нейтроны космического излучения, но их вклад в общий поток космического излучения, достигающего Земли, как выше отмечалось, невелик – до 1%. Совершенно естественно, что интенсивность космического излучения зависит от географического расположения объекта и возрастает с высотой над уровнем моря. Так, если у поверхности Земли мощность дозы, формируемая за счет космического излучения, составляет 0.02–0.04 мкЗв/ч, то в пределах до 10 км она через каждые 1.5 км высоты удваивается. И жители высокогорных селений, расположенных на высоте 2–5 км, получают за счет космического излучения дозу, в 5–10 раз большую. На высоте 10–12 км, соответствующей трассам сверхвысотных самолетов, мощность дозы достигает 3–5 мкЗв/ч. На высоте 20 км, где осуществляют полеты сверхзвуковые самолеты типа «Конкорд», при минимальной солнечной активности мощность дозы в зависимости от геомагнитной широты местности меняется в пределах 5–15 мкЗв/ч, а в периоды повышенной активности Солнца она может возрастать в несколько раз. Эти мощности доз могут формировать уже весьма ощутимые человеком уровни облучения и поэтому для летного состава таких самолетов устанавливаются определенные нормативные уровни. Для большинства стран он составляет 0.05 Зв/год. Для пассажиров же, осуществляющих, например, трехчасовой полет на сверхзвуковом самолете из Европы в Америку, доза облучения имеет всего 0.05 мЗв. С дальнейшим увеличением высоты в области разреженной атмосферы этот фактор не играет существенной роли, и на высоте 200-400 км в зоне полета искусственных спутников Земли и космических кораблей мощность дозы едва достигает 20 мкЗв/ч, т.е. совсем незначительно превышает таковую на высоте 20–30 км. Поэтому при кратковременных орбитальных полетах на такой высоте космонавты получают совсем небольшую дозу дополнительного облучения. Для средних широт на уровне моря на открытой местности доза космического излучения составляет примерно 300 мкЗв/год. Все живые организмы постоянно подвергаются воздействию ионизирующих излучений от этих двух естественных источников – излучения природных радиоактивных веществ и изотопов и космического излучения. Именно они образуют так называемый естественный радиационный фон.

3. Источники радиоактивных веществ и ионизирующих излучений на Земле 87

Следовательно, естественный радиационный фон – это ио­ низирующее излучение, состоящее из излучения природных ра­ диоактивных веществ на поверхности Земли, в приземном слое атмосферы и других объектах окружающей среды, а так­ же космического излучения. Это та естественная радиационная обстановка, в которой по меньшей мере последние миллионы лет существовало и развивалось все живое на нашей планете. Существует небезосновательная точка зрения, что естественный радиационный фон является одним из главных факторов естественного мутагенеза, играющего ведущую роль в эволюции живых организмов, и одной из причин возникновения злокачественных новообразований и наследственных заболеваний.

Считается, что с начала XIX в. естественный радиационный фон во многих странах и континентах, главным образом Европе и Северной Америке, стал возрастать. Это явилось результатом деятельности человека и активной индустриализации хозяйства, которая привела к поступлению из недр земли на поверхность и во всю окружающую среду вместе с такими полезными ископаемыми, как каменный уголь, нефть, строительные материалы, руды металлов, минеральные удобрения, большого количества естественных радиоактивных веществ. Например, за последние 100 лет наблюдается 50-крат- ное увеличение содержания 226Rа в промышленных центрах. В местах добычи многих полезных ископаемых, отнюдь не радиоактивных руд, отмечается возрастание в несколько раз концентраций многих естественных радионуклидов, в первую очередь 226Rа, 238U, 232Тh. В радиусе немногих десятков километров от тепловых электростанций, в особенности работающих на каменном угле, регистрируется увеличение содержания не только 14С, но и 40К, 238U, 226Ra, 210Рb, 210Ро и некоторых других радионуклидов. Возрастает содержание 40К при внесении в почву калийных удобрений, урана – при внесении фосфорных удобрений, так как залежи фосфоритов содержат, как правило, в высоких концентрациях 238U и продукты его распада. Наблюдаемое при такой деятельности человека повышение уровня излучения за счет естественных радионуклидов называется технологически повышенным естественным радиационным фоном (ТПЕРФ).

В различных регионах Земли мощность естественного радиационного фона варьирует в основном в пределах от 0.05 до 0.15, составляя в среднем 0.1 мкЗв/ч, т.е. примерно 10 мкР/ч. Вклад в него космического излучения, несколько зависящего от широты местности, на уровне моря относительно постоянен – 0.01–0.03 мкЗв/ч. Остальная часть, определяемая излучением естественных радионуклидов, варьирует в более широких пределах, так как зависит от их содержания в поверхностных горизонтах земной коры. Известны регионы, где именно за счет

высокого содержания в почвах и породах урана, тория, радия и других естественных радиоактивных элементов, радиационный фон может в десятки раз превышать обычный. Такие регионы получили название естественных радионуклидных анома­ лий. В Бразилии, в городах Гуарапуава и Посус-ди-Калдас, радиационный фон составляет 1–2 мкЗв/ч. На юге Индии, в штате Керала, около 70 тыс. чел. проживают на узкой прибрежной полосе на монацитовых песках с большим содержанием тория. Радиационный фон в этом регионе достигает 1 мкЗв/ч. В Иране, вблизи небольшого городка Рамсер, где на поверхность поч­ вы выходят богатые радием водные источники, он достигает 5–10 мкЗв/ч. Подобных радионуклидных аномалий на территории СНГ нет, но известны регионы с мощностью естественного радиационного фона 0.3–0.5 мкЗв/ч в республиках Коми, Саха, Карелии, Узбекистан, Украине. Они имеются во Франции, Германии, Португалии, Чехии, Швеции, США, Канаде, Южноафриканской Республике, Конго, Нигерии, Мадагаскаре, Австралии и других странах.

Компонентом естественного радиационного фона следует считать и внутреннее облучение живых организмов за счет радионуклидов, попадающих вовнутрь растения, организм животных и человека с воздухом, водой, элементами питания. Теоретически – это излучения всех 70 естественных радиоактивных изотопов 25 элементов, так как даже α-излучающие радионуклиды, радионуклиды, излучающие низкоэнергетические β-частицы, которые практически не влияют на живые организмы извне, при попадании внутрь могут становиться мощными источниками локального облучения клеток и тканей. До 2/3 дозы естественного облучения человек получает именно за счет внутреннего облучения и только 1/3 – внешнего облучения природных радионуклидов и космического излучения.

3.2.2. Искусственные источники ионизирующих излучений

Образовавшиеся в результате атомных взрывов, отходов и выбросов предприятий атомной энергетики искусственные радионуклиды становятся дополнительными источниками ионизирующих излучений. Определенный вклад в облучение населения вносят используемые с различной целью, но прежде всего в медицинской практике генераторы ионизирующих излучений.

Излучения искусственных радионуклидов. К ним относят излучения поступивших в окружающую среду искусственных радионуклидов от испытаний атомного оружия и работы предприятий атомной энергетики. В настоящее время на Земле нет ни одного региона, ни одного элемента биосферы, где бы ни присутствовали искусственные радионуклиды бомбового, или оружейного, происхождения. Распространенность радионукли-

3. Источники радиоактивных веществ и ионизирующих излучений на Земле 89

дов, источниками которых являются атомные электростанции и некоторые другие предприятия подобного типа, более локализирована. Тем не менее, радионуклиды чернобыльского происхождения обнаруживаются практически во всех частях северного полушария. В период свежих выпадений продуктов ядерного деления в поглощенную дозу и внешнего, и внутреннего облучения существенный вклад вносят коротко- и среднеживущие радионуклиды, такие (по значимости) как 131I, 106Ru-106Rh, 134Сs, 144Се, 95Zr. Однако в настоящее время основным источником внешнего облучения является 137Сs, ведущими источниками внутреннего облучения – 90Sr, 137Сs, 239Рu, в меньшей степени – 240Рu и 241Аm.

Генераторы ионизирующих излучений. Катодная трубка, явившаяся источником Х-лучей и названная рентгеновской, дала начало производству огромнейшего количества рентгеновских аппаратов, используемых в научной сфере и производственной деятельности, но главным образом в медицине для диагностики заболеваний и радиационной терапии различных новообразований, в основном опухолей. Это был первый искусственный генератор ионизирующих излучений, действию которого подвергся человек. И как ни удивительно, но в наш индустриальный и атомный век скромные рентгеновские аппараты, используемые для массовых профилактических обследований, вносят наибольший «вклад» по сравнению с другими искусственными источниками облучения. Хотя в среднем в мире этот показатель составляет около 20% дополнительного к фоновому облучению, в некоторых странах уровень облучения населения в результате рентгенодиагностических процедур может достигать уровня естественного радиационного фона. Более высокие дозы облучения может давать радиационная терапия, диагностика заболеваний различных органов с помощью радиоактивных фармацевтических препаратов, вводимых внутрь организма. Они могут варьировать в очень широких пределах, определяемых спецификой заболеваний, частотой и продолжительностью процедур и прочими факторами.

Развитие физики высоких энергий обусловило создание большого семейства специальных установок – ускорителей заряженных частиц: линейных ускорителей, микротронов, бетатронов, циклотронов, синхротронов, фазотронов, синхрофазотронов и других до современнейших суперколлайдеров, являющихся источниками электронов, протонов, дейтронов, ионов с энергиями от долей до сотен и даже тысяч миллионов электрон-вольт (МэВ). Эти установки все больше привлекают внимание медиков. Конечно, о конкуренции с дешевыми и простыми рентгеновскими аппаратами и кобальтовыми пушками пока не может быть и речи, но уже сейчас во многих странах на смену им постепенно приходят специализированные ускори-

тели и диагностико-терапевтические комплексы на их основе. Все больше используется широкий спектр перечисленных первичных и вторичных ионизирующих излучений (фотоны, позитроны, нейтроны, пионы), развивается радиационная хирургия неоперабельных злокачественных опухолей.

Определенное место среди генераторов ионизирующих излучений занимают довольно распространенные вследствие своей сравнительной простоты, компактности и дешевизны нейтронные установки. Нейтроны в них получают при бомбардировке относительно низкоэнергетическими дейтронами (200–300 кэВ) мишени из трития. Используемые обычно для научных исследований, в частности, радиоактивационного анализа, эти нейтронные установки оказались пригодными по своим параметрам для радиационной терапии приповерхностных опухолей. Применяются они и для нейтронно-активационного анализа тканей и органов человека с диагностическими целями. С совершенствованием рентгеновских аппаратов, использованием современных методов диагностики состояния внутренних органов, в частности, компьютерной томографии, применением в радиационной терапии новых видов излучений, доза облучения, получаемая населением в результате медицинских процедур, уменьшается. Современные рентгеновские аппараты позволяют уменьшить дозу облучения в течение сеанса в 5–10 раз по сравнению с моделями 30–50-летней давности. Компьютерная томография, при которой проводится не сквозное рентгеновское облучение организма, а лишь на определенную необходимую глубину, в отдельных случаях позволяет снизить дозу в 25–50 раз. Повышение чувствительности радиометров позволяет снизить удельные концентрации изотопов при радиодиаг­ ностических процедурах. Применение в радиационной терапии опухолей специализированных ускорителей заряженных частиц и других видов излучений позволяет за счет точной локализации пучка и создания особого режима облучения избежать повреждения здоровых тканей.

Генерируют рентгеновское облучение цветные телевизоры и дисплеи электронно-вычислительных машин, но на расстоянии свыше 50 см оно практически не регистрируется. Более того, при правильной настройке и эксплуатации доза облучения от современных моделей этих приборов совсем незначительна.

Бытовые радиационные аварии и инциденты. Радиационные аварии случаются не только на предприятиях ЯТЦ и на ядерных реакторах другого предназначения. Источником значительного дополнительного облучения ионизирующей радиацией становятся ситуации, которые могут возникнуть на предприятиях неядерной промышленности, медицины, сельского хозяйства и других сфер деятельности человека, использующих источники ионизирующих излучений, а также в повседневной