Леденев Основы безопасности жизнедеятелности 2007

лителя быстрых нейтронов в одном из самых распространенных типов реакторов. Атомные ядра при поглощении нейтронов становятся неустойчивыми и, распадаясь, испускают протоны, бетачастицы и гамма-кванты. При таких ядерных реакциях могут образовываться радиоактивные изотопы разных элементов и возникает наведенная радиоактивность, в свою очередь, создающая дополнительное ионизирующее излучение (например, при наземном ядерном взрыве происходит активация грунта).

Следовательно, ионизация среды при нейтронном воздействии определяется протонами, ядрами отдачи и частицами, продуктами ядерных реакций, и зависит от энергии нейтронов, а также от химического состава облучаемого вещества. Нейтроны по величине их энергии и характеру взаимодействия со средой могут быть представлены четырьмя группами: быстрые нейтроны с энергией более 100 кэВ, промежуточные – с энергией от 100 до 1 кэВ, медленные – с энергией менее 1 кэВ и тепловые нейтроны – со средней энергией около 0,025 зВ.

Ионизирующее излучение, состоящее из частиц различного вида или частиц и фотонов, называется смешанным ионизирующим излучением.

Различают моно- и немоноэнергетическое ионизирующее излучение. Под моноэнергетическим понимается ионизирующее излучение, состоящее из частиц с одинаковой энергией.

2.3. Дозовые характеристики радиационного воздействия

Облучение – воздействие на людей ионизирующего излучения, которое может быть внешним от источников вне тела человека или внутренним от источников, попавших внутрь его организма.

Основными дозиметрическими характеристиками радиационного воздействия, критериями, определяющими меру его опасности для человека и его потомства, являются дозы облучения.

Поглощенная доза. Результат воздействия ионизирующих излучений на облучаемые объекты, в первую очередь, определяется количеством поглощенной энергии, приходящейся на единицу массы облучаемого вещества, и выражается поглощенной дозой:

D = dmdE ,

81

где dE – средняя энергия, переданная ионизирующим излучением веществу, находящемуся в элементарном объеме; dm – масса вещества в этом элементарном объеме.

Поглощенная доза является фундаментальной дозиметрической величиной.

В СИ за единицу поглощенной дозы ионизирующих излучений принят грей (Гр): 1 Гр = Дж/кг. Внесистемной единицей поглощенной дозы, которую часто используют на практике, является рад (радиационная адсорбированная доза): 1 рад = 0,01 Гр. Для целей радиационной безопасности введено понятие дозы в органе. Средняя поглощенная доза в органе:

DТ = ET , mT

где ET – полная энергия, переданная органу с массой mT.

Скорость накопления поглощенной дозы называется мощностью поглощенной дозы:

D& = dDdt ,

которая измеряется в Гр/с, Гр/ч, рад/с, рад/ч.

Эквивалентная доза. Эмпирическим путем было установлено, что для разных видов излучения биологический эффект при прочих равных условиях, в том числе и при одинаковой поглощенной дозе, оказывается различным. Под биологическим эффектом понимают генетические изменения в клетках и специфические изменения биологической ткани, например помутнение хрусталика глаза, покраснение кожи, производимые действием ионизирующего излучения. Поэтому для оценки биологического эффекта воздействия излучения произвольного состава потребовалось введение новой характеристики дозы.

Одинаковые биологические эффекты при воздействии различных видов (или энергий) частиц могут реализовываться при различных дозах. Для сравнения биологических эффектов, производимых одинаковой поглощенной дозой различных видов излучения, используют понятие относительной биологической эффективности (ОБЭ) излучения.

82

Под ОБЭ излучения понимают отношение поглощенной дозы образцового рентгеновского излучения, вызывающего определенный биологический эффект, к поглощенной дозе данного рассматриваемого вида излучения, вызывающего тот же биологический эффект.

Регламентированные значения ОБЭ, установленные для контроля степени радиационной опасности при хроническом облучении, называют взвешивающими коэффициентами WR для отдельных видов излучения. Эти коэффициенты определяют зависимость неблагоприятных биологических последствий облучения человека в малых дозах от полной линейной передачи энергии (линейная передача энергии – отношение энергии, переданной веществу первичной или вторичной заряженной частицей вследствие столкновений на элементарном пути, к длине этого пути).

Для определения биологического воздействия различных видов излучения на биологические ткани, в том числе ткани и органы человека, была введена так называемая эквивалентная доза HT ,R ,

которая вычисляется как произведение поглощенной дозы D в органе или ткани на соответствующий взвешивающий коэффициент WR для данного вида излучения:

HT ,R = WR DT ,R .

Взвешивающие коэффициенты WR для отдельных видов излучений, используемые при расчете эквивалентной дозы, приведены в табл. 2.2 (см. НРБ-99 [13]).

При одновременном воздействии различных видов излучения с различными взвешивающими коэффициентами эквивалентная доза определяется как сумма эквивалентных доз для этих видов излучения:

HT = ∑HT ,R ,

R

где HT ,R – эквивалентная доза для излучения типа R.

Единица для эквивалентной дозы в СИ та же, что и поглощенной дозы, а именно Дж/кг, но со специальным наименованием – зиверт (Зв). Названа в честь Рольфа Зиверта – известного шведского ученого, первого председателя Международной комиссии по

83

радиологической защите, внесшего большой вклад в различные области радиационной безопасности. Иными словами, зиверт – единица эквивалентной дозы любого вида излучения в биологической ткани, которое создает такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 Гр образцового рентгеновского или γ- излучения. В качестве образцового излучения обычно принимают рентгеновское излучение с граничной энергией 200 кэВ. Предпочтительной единицей эквивалентной дозы является миллизиверт. Эквивалентная доза допустима к применению при ее значениях, не превышающих нескольких сотен миллизиверт при облучении всего тела человека.

	Таблица 2.2
Вид излучения	WR
Фотоны любых энергий	1
Электроны любых энергий	1
Нейтроны с энергией:
менее 10 кэВ	5
от 10 до100 кэВ	10
от 100 кэВ до 2 МэВ	20
от 2 до 20 МэВ	10
более 20 МэВ	5
Протоны, кроме протонов отдачи, с энергией более 2 МэВ	5
Альфа-частицы, осколки деления, тяжелые ядра	20

Внесистемная единица эквивалентной дозы – бэр (биологический эквивалент рада). Бэр – единица эквивалентной дозы любого вида излучения в биологической ткани, которое создает такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 рад образцового рентгеновского, или γ-излучения. Таким образом, 1 бэр = 0,01 Зв.

Эквивалентная доза, отнесенная к единице времени, называется мощностью эквивалентной дозы:

H&T = dHdtT .

Предпочтительной единицей мощности эквивалентной дозы является мкЗв/ч вне зависимости от размера величины.

84

Эффективная доза. Разные органы или ткани имеют разные чувствительности к излучению. Известно, например, что при одинаковой эквивалентной дозе облучения возникновение рака в легких более вероятно, чем в щитовидной железе, а облучение гонад (половые железы) особенно опасно из-за риска генетических повреждений. Поэтому в последние годы для случаев неравномерного облучения разных органов или тканей тела человека введено понятие эффективной дозы Е.

Для определения этой величины необходимо ввести понятие риска. Риск – вероятность возникновения неблагоприятных последствий для человека (частота смертельных случаев, снижение продолжительности жизни, частота возникновения профессиональных заболеваний, травматизма, нетрудоспособности и т.д.) вследствие облучения, аварии или другой причины, проявление которой носит стохастический характер.

Эффективная доза E – величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов с учетом их радиочувствительности.

Эффективная доза E определяется как сумма произведений эквивалентной дозы в органе или ткани Т на соответствующий взвешивающий коэффициент WT для данного органа или ткани:

E = ∑WT HT ,

T

где HT – средняя эквивалентная доза в органе или ткани Т, а WT – взвешивающий коэффициент для органа или ткани Т, представляющий собой отношение стохастического риска смерти от отдаленных последствий облучения Т-го органа или ткани к риску смерти от равномерного облучения всего тела при одинаковых эквивалентных дозах. Таким образом, WT определяет весовой вклад данного органа или ткани в риск неблагоприятных последствий для организма при равномерном облучении:

∑WT =1 .

T

Эффективная доза так же, как эквивалентная доза, измеряется в зивертах.

85

В табл. 2.3 приведены, рекомендованные для проведения расчетов радиационной защиты Нормами радиационной безопасности (НРБ-99), взвешивающие коэффициенты WT для тканей и органов.

	Таблица 2.3
Орган или ткань	Заболевание	WT
Гонады	Наследственные дефекты	0,20
Костный мозг (красный)	Лейкемия	0,12
Толстый кишечник	Рак	0,12
Легкие	Рак	0,12
Желудок	Рак	0,12
Мочевой пузырь	Рак	0,05
Грудная железа	Рак	0,05
Печень	Рак	0,05
Пищевод	Рак	0,05
Щитовидная железа	Рак	0,05
Кожа	Рак	0,01
Клетки костных поверхностей	Злокачественные новообразования	0,01
Остальное	То же	0,05

При пользовании рекомендованными данными учитывать, что «Остальное» включает надпочечники, головной мозг, экстраторокальный отдел органов дыхания, тонкий кишечник, почки, мышечную ткань, поджелудочную железу, селезенку, вилочковую железу и матку. В тех исключительных случаях, когда один из перечисленных органов или тканей получает эквивалентную дозу, превышающую самую большую дозу, полученную любым из двенадцати органов или тканей, для которых определены взвешивающие коэффициенты WT, следует приписать этому органу или ткани взвешивающий коэффициент, равный 0,025, а оставшимся органам или тканям из рубрики «Остальное» приписать суммарный коэффициент, равный 0,025.

86

Наряду с перечисленными выше дозовыми характеристиками вводятся такие дозовые характеристики как эффективная (эквивалентная) годовая доза и эффективная (эквивалентная) коллективная доза.

Эффективная (эквивалентная) годовая доза – сумма эффек-

тивной (эквивалентной) дозы внешнего облучения, полученной за календарный год, и ожидаемой эффективной (эквивалентной) дозы внутреннего облучения, обусловленной поступлением в организм радионуклидов за тот же год.

Коллективная эффективная (эквивалентная) доза – мера коллективного риска возникновения стохастических эффектов облучения; она равна сумме индивидуальных эффективных доз. Единица измерения коллективной дозы – человекозиверт (чел.-Зв).

Экспозиционная доза. На практике до последнего времени используется также внесистемная единица экспозиционной дозы – рентген. Рентген – единица экспозиционной дозы фотонного излучения, при прохождении которого через 0,001293 г воздуха в результате завершения всех ионизационных процессов в воздухе создаются ионы, несущие одну электростатическую единицу количества электричества каждого знака. Использование этой дозовой характеристики не рекомендуется после 1 января 1990 г., так как экспозиционная доза была введена только для фотонного излучения, поэтому она не может использоваться в полях часто встречающегося на практике смешанного излучения разных видов. Даже и для фотонного излучения область практического использования этой величины ограничена энергией 3 МэВ.

2.4. Биологическое действие и предельно допустимые уровни ионизирующих излучений

Биологическое действие ионизирующих излучений. Вскоре после открытия биологического действия ионизирующих излучений было установлено, что любой живой объект при определенной дозе облучения погибает. Дозы фотонного излучения D, приводящие к гибели разных объектов в облученной популяции, различаются в очень широких пределах (табл. 2.4). Для человека доза фотонного излучения, вызывающая 50 %-ную вероятность гибели, равна 4,5 Гр.

87

Каждому биологическому виду свойственна своя радиочувствительность. Степень радиочувствительности сильно варьируется в пределах одного вида, а для определенного индивидуума зависит также от возраста и пола, даже в одном организме различные клетки и ткани очень сильно различаются по радиочувствительности.

Таблица 2.4

Биологический вид	D, Гр	Биологический вид	D, Гр
Обезьяны	2,5 – 6	Насекомые	10 – 100
Крысы	7 – 9	Растения	10 – 1500
Кролик	9 – 10	Дрожжи	300	– 500
Птицы, рыбы	8 – 20	Простейшие	1000	– 3000

В среднем в организме человека насчитывается 5 1013 клеток. До 20 % клеток организма интенсивно делятся. Высокая скорость деления клеток присуща костному мозгу, кишечнику, коже, роговице глаза, половым железам. Однако большая часть органов состоит из редко делящихся клеток (печень, легкие, сердце, сосуды, кости, эндокринные железы). Клетки нервной системы практически не делятся. Такие органы называют стационарными системами.

Большинство клеток млекопитающих имеют типичные размеры 10 – 30 мкм. В каждой клетке многие тысячи молекул ферментов управляют взаимодействием химических соединений. Все процессы в клетке строго функционально структурированы. В ядре клетки сосредоточены гигантские биополимерные молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), которые, по крайней мере, в период деления представляют собой две спиралевидные нити. В строго определенной последовательности две нити связаны чередующимися молекулами четырех типов оснований. Хромосомы (от греч. хромо – цвет, краски; сома – тело) – структурные элементы ядра клетки, содержащие ДНК, в которой заключена наследственная информация организма. В хромосомах в линейном порядке расположены гены (от греч. genos – род, происхождение) – единицы наследственного материала, отвечающие за формирование какоголибо элементарного признака. Совокупность генов, содержащихся в одинарном наборе хромосом данного организма, называется геномом.

88

Впроцессе деления происходит расхождение нитей ДНК и синтез на каждой нити, как на матрице еще по одной нити с сохранением последовательности оснований. В отличие от ядра, содержащего уникальные молекулы ДНК, в цитоплазме содержатся многочисленные дублирующие структуры, отвечающие за энергетику клетки, синтез белка, транспорт питательных веществ и т.д.

Вактивно делящихся клетках период между двумя клеточными делениями занимает от 12 до 48 ч. При этом на сам процесс деления приходится не более часа. Пока клетка не делится, ее системы не воспринимают факт нарушений, который возник от действия ионизирующих излучений (или от некоторых химических соединений). Однако в процессе деления в месте поврежденной ДНК образуется разрыв хромосомы и образуются фрагменты, обрывки хромосом. Новообразованная клетка, лишенная части ДНК, утрачивает способность к синтезу жизненно важных веществ и может быть обречена на гибель. Поэтому интенсивно делящиеся клетки в большей степени подвержены действию ионизирующих излучений. Вместе с тем в организме действует механизм репараций, который может «залечивать» некоторые повреждения. Это относится, прежде всего, к одноразрывным дефектам в нитях хромосом. Например, если провести облучение большой дозой в два этапа с интервалом между ними около четырех часов, то число выживших клеток млекопитающих возрастает в 2 – 3 раза по сравнению с непрерывным облучением той же дозой. Двуразрывные нарушения молекул ДНК характерны для плотноионизирующих частиц или при очень больших мощностях доз. Такие разрывы почти не «залечиваются».

Механизм биологического действия ионизирующего излучения на биологическую ткань следующий. Энергия ионизирующего излучения при прохождении через биологическую ткань передается атомам и молекулам. Это приводит к образованию ионов и возбужденных молекул. Однако это лишь первый, физический «акт драмы», разыгрывающейся в клетке. Следующий акт называется химическим этапом поражения клетки.

Воснове первичных радиационно-химических изменений молекул могут лежать два механизма: 1) прямое действие, когда данная молекула испытывает изменения за счет ионизации или возбуждения непосредственно при взаимодействии с излучением; 2) косвенное действие, когда молекула непосредственно не поглощает энер-

89

гию ионизирующего излучения, а получает ее путем передачи от другой молекулы.

Различие между прямым и косвенным действием излучения наглядно рассмотрено на примере облучения воды в работе [12].

В клетке организма ситуация значительно более сложная, чем при облучении воды, особенно если поглощающим веществом являются крупные и многокомпонентные биологические молекулы. В этом случае образуются органические радикалы D*, отличающиеся также крайне высокой реакционной способностью. Располагая большим количеством энергии, они легко могут привести к разрыву химических связей. Именно этот процесс и происходит чаще всего в промежутке между образованием ионных пар и формированием конечных химических продуктов.

Кроме того, биологическое действие усиливается за счет кислородного эффекта. Образующийся в результате взаимодействия свободного радикала с кислородом высокореакционный продукт приводит к образованию новых молекул в облучаемой системе.

Получающиеся в процессе радиолиза воды свободные радикалы и окислители, обладая высокой химической активностью, вступают в химические реакции с молекулами белка, ферментов и других структурных элементов биологической ткани, что приводит к изменению биохимических процессов в организме. В результате нарушаются обменные процессы, подавляется активность ферментных систем, замедляется и прекращается рост тканей, возникают новые химические соединения, не свойственные организму, – токсины. Это приводит к нарушению жизнедеятельности отдельных систем или организма в целом.

Индуцированные свободными радикалами химические реакции вовлекают в этот процесс многие сотни и тысячи молекул, не затронутых излучением. В этом состоит специфика действия ионизирующего излучения на биологические объекты. Никакой другой вид энергии (тепловой, электрической и др.), поглощенной биологическим объектом в том же количестве, не приводит к таким изменениям, какие вызывает ионизирующее излучение. Например, смертельная доза фотонного излучения для млекопитающих равна 10 Гр, что соответствует поглощенной энергии 10 Дж/кг. Если эту энергию подвести в виде тепла, то она нагрела бы организм человека лишь на 0,002 °С.

90