Естественные и искусственные источники радиации и их вклад в формирование суммарной дозы облучения населения.

Все живые организмы на Земле, в том числе и человек в естественной среде своего обитания, подвергаются действию космического излучения и радионуклидов, содержащихся в окружающей среде. Вся история возникновения и эволюции человека, насчитывающая по меньшей мере 50 тысяч поколений, протекает постоянно в условиях взаимодействия с окружающей средой, одним из многочисленных факторов которой всегда была и есть радиация. Поэтому оценивать действие малых доз облучения, сопоставимых с уровнями природного радиационного фона, необходимо с позиций общих закономерностей развития жизни на Земле, фундаментальных проблем эволюции. Радиационный фон Земли складывается из трех компонентов:

1. Излучения, от рассеянных в земной коре, почве, воздухе, воде и других объектах внешней среды естественных радионуклидов, из которых основной вклад в дозу облучения человека вносят ⁴⁰K, ²³⁸U, ²³²Th вместе с продуктами распада урана и тория. Естественный радиационный фон на поверхности Земли не является строго постоянной величиной. Его изменения связаны как с глобальными, так и локальными аномалиями. Они обусловлены циклическими колебаниями космического фона и геологических процессов. Локальные аномалии наблюдаются в отдельных районах Индии, Бразилии, Ирана, Египта, а также на территории США, Франции, СНГ, в том числе и Украины. Они являются следствием геологических процессов, когда в результате интенсивной вулканической деятельности и горообразования тяжелые естественные радионуклиды, прежде всего уран и торий, и продукты их распада, переместились из недр на поверхность Земли.

2. Космическое излучение состоит из галактического и солнечного, колебания которого в основном связаны с солнечными вспышками. Из-за сравнительно небольшой энергии, последнее мало влияет на дозу радиации у поверхности Земли, но имеет важное значение за пределами земной атмосферы. Космическое излучение достигает Земли в виде протонов и более тяжелых ядерных частиц, обладающих огромной энергией. Часть этой энергии поглощается при столкновении с ядрами атмосферного азота, кислорода, аргона, в результате чего на высотах до 20 км возникает вторичное высокоэнергетическое излучение, состоящее из мезонов, нейтронов, протонов, электронов, а также образуются так называемые космогенные радионуклиды, выпадающие на поверхность Земли с осадками. К ним относятся углерод-14, бериллий-7, натрий-22 и другие (всего 14 радионуклидов).

3. Земными источниками излучений являются более 60 естественных радионуклидов, в том числе 32 радионуклида урано-радиевого и ториевого семейства, около 11 долгоживущих радионуклидов, не входящих в эти семейства(калий-40, рубидий-87 и др.).

Основной вклад в дозу внешнего облучения вносят гамма-излучающие нуклиды радиоактивных семейств - свинец -214, висмут-214, торий-228, актиний-228, а также калий-40, находящийся в основном в верхнем слое почвы. Однако надо учитывать, что человек значительную часть времени находится в служебных или жилых помещениях, формирование доз облучения в которых происходит под влиянием двух противоположно действующих факторов. Здания, с одной стороны, экранируют, т.е. уменьшают дозы облучения от внешних источников излучения, с другой - увеличивают их за счет радионуклидов, содержащихся в строительных материалах, из которых построено здание, в том числе, приумножая дозы внутреннего облучения, в основном в связи с вдыханием радона. Показательно, что в кирпичных, каменных и бетонных домах мощность дозы в 2-3 раза больше, чем в деревянных. По подсчетам НКДАР ООН средняя эффективная эквивалентная доза внешнего облучения, которую человек получает за год от земных источников естественной радиации, составляет примерно 350 микрозивертов.

Внутреннее облучение. В среднем примерно 2/3 эффективной эквивалентной дозы облучения, которую человек получает от естественных источников радиации, поступает от радиоактивных веществ, попавших в организм с пищей, водой и воздухом. Совсем небольшая часть этой дозы приходится на радиоактивные углерод-14 и тритий, которые образуются под воздействием космической радиации. Все остальное поступает от источников земного происхождения. В среднем человек получает около 180 микрозивертов в год за счет калия-40, который усваивается организмом вместе с нерадиоактивными изотопами калия, необходимыми для жизнедеятельности организма. Однако значительно большую дозу внутреннего облучения человек получает от нуклидов радиоактивного ряда урана-238 и в меньшей степени от радионуклидов ряда тория-232.

Некоторые из них, например нуклиды свинца-210 и полония-210, поступают в организм с пищей. Они концентрируются в рыбе и моллюсках, поэтому люди, потребляющие много рыбы и других даров моря могут получать относительно высокие дозы облучения.

Десятки тысяч людей на Крайнем Севере питаются в основном мясом северного оленя (карибу), в котором оба упомянутых выше радиоактивных изотопа присутствуют в довольно высокой концентрации. Особенно велико содержание полония-210. Эти изотопы попадают в организм оленей зимой, когда они питаются лишайниками, в которых накапливаются оба изотопа. Дозы внутреннего облучения человека от полония-210 в этих случаях могут в 35 раз превышать средний уровень. А в другом полушарии люди, живущие в Западной Австралии в местах с повышенной концентрацией урана, получают дозы облучения, в 75 раз превосходящие средний уровень, поскольку едят мясо овец и кенгуру.

Радон. Лишь недавно ученые поняли, что наиболее весомым из всех естественных источников радиации является невидимый, не имеющий вкуса и запаха тяжелый газ (7,5 раза тяжелее воздуха) радон.

Радон высвобождается из земной коры повсеместно, но его концентрация в наружном воздухе существенно различается в разных точках земного шара. Как ни парадоксально это может показаться на первый взгляд, но основную часть дозы облучения от радона человек получает находясь в закрытом, непроветриваемом помещении. В зонах с умеренным климатом концентрация радона в закрытых помещениях в среднем примерно в 8 раз выше, чем в наружном воздухе.

Радон концентрируется в воздухе внутри помещений лишь тогда, когда они в достаточной мере изолированы от внешней среды. Поступая внутрь помещений тем или иным путем (просачиваясь через фундамент и пол из грунта или, реже, высвобождаясь из материалов, использованных в конструкции дома), радон накапливается в нем.

Самые распространенные строительные материалы - дерево, кирпичи, бетон - выделяют относительно немного радона. Гораздо большей удельной радиоактивностью обладают гранит и пемза, используемые в качестве строительных материалов. Еще один, как правило менее важный, источник поступления радона в жилые помещения представляют собой вода и природный газ. Концентрация радона в обычно используемой воде чрезвычайно мала, но вода из некоторых источников, особенно из глубоких колодцев или артезианских скважин, содержит очень много радона.

Однако основная опасность, как это не удивительно, исходит вовсе не от питья воды даже при высоком содержании в ней радона. Обычно люди потребляют большую часть воды в составе пищи и в виде горячих напитков (кофе, чай). При кипячении же воды или приготовлении горячих блюд радон в значительной степени улетучивается и поэтому поступает в организм в основном с некипяченной водой. Но даже и в этом случае радон очень быстро выводится из организма.

Гораздо большую опасность представляет попадание паров воды с высоким содержанием радона в легкие вместе с вдыханием воздуха, что чаще всего происходит в ванной комнате.

Другие источники радиации. Уголь, подобно большинству других природных материалов, содержит ничтожные количества первичных радионуклидов. Хотя концентрация радионуклидов в различных угольных пластах различается в сотни раз, в основном уголь содержит меньше радионуклидов, чем в среднем земная кора. При сжигании угля большая часть его минеральных компонентов спекается в шлак или золу, куда в основном попадают радиоактивные вещества.

Добыча фосфатов ведется во многих местах земного шара, они используются главным образом для производства удобрений. Большинство разрабатываемых в настоящее время фосфатных месторождений содержит уран, присутствующий там в довольно высокой концентрации. В процессе добычи и переработки руды выделяется радон, да и сами удобрения радиоактивны и содержащиеся в них радионуклиды проникают из почвы в сельскохозяйственные культуры.

Источники, использующиеся в медицине. В настоящее время основной вклад в дозу, получаемую человеком от техногенных источников радиации, вносят медицинские диагностические и лечебные процедуры. Радиация используется в медицине как в диагностических целях, так и для лечения. Одним из самых распространенных медицинских приборов является рентгеновский аппарат.

Получают все более широкое распространение и новые сложные диагностические методы, опирающиеся на использование радионуклидов. Как ни парадоксально, но одним из основных способов борьбы с раком является лучевая терапия. Понятно, что индивидуальные дозы, получаемые разными людьми, сильно варьируют - от нуля (у тех, кто ни разу не проходил даже рентгенологического обследования) до многих тысяч среднегодовых “естественных” доз (у пациентов со злокачественными новообразованиями). В принципе облучение в медицине направлено на исцеление больного. Однако нередко дозы оказываются неоправданно высокими: их можно было бы существенно уменьшить без снижения эффективности лечения, причем польза от такого уменьшения была бы весьма существенна.

Наиболее распространенным видом излучения, применяющимся в диагностических целях, являются рентгеновские лучи. Согласно данным по развитым странам, на каждую 1000 жителей приходится от 300 до 900 обследований в год - и это не считая рентгенологических исследований зубов и массовой флюорографии. Менее полные данные по развивающимся странам показывают, что здесь число проводимых обследований не превышает 100-200 на 1000 жителей. В действительности около 2/3 населения Земли проживает в странах, где среднее число рентгенологических обследований составляет не более 10% от числа обследований в промышленно развитых странах.

В большинстве стран около половины рентгенологических обследований приходится на долю органов грудной клетки. Однако по мере уменьшения частоты заболеваний туберкулезом целесообразность массовых обследований в отдельных регионах снизилась. Недавно появился целый ряд технологических усовершенствований, которые при условии их правильного применения могли бы привести к уменьшению дозы, получаемой при рентгенологическом обследовании.

Даже в пределах одной страны дозы сильно варьируют в разных клиниках. Исследования проведенные в ФРГ, Великобритании и США, показывают, что дозы, получаемые пациентами, могут различаться в сто раз. Иногда облучению подвергается вдвое большая площадь поверхности тела, чем это необходимо. Наконец установлено, что излишнее радиационное облучение часто бывает обусловлено неудовлетворительным состоянием или неграмотной эксплуатацией оборудования. Благодаря техническим усовершенствованиям можно уменьшить и дозы, получаемые пациентами при рентгенографии зубов. Это очень важно хотя бы потому, что во многих развитых странах данное рентгенологическое обследование проводится наиболее часто. Максимальное уменьшение площади рентгеновского пучка, его фильтрация, убирающая лишнее излучение, использование более чувствительных пленок и правильное экранирование - все это уменьшает дозу.

Меньшие дозы должны использоваться и при обследовании молочной железы. Введенные во второй половине 70-х годов новые методы рентгенографии этого органа уже привели к существенному снижению уровня облучения по сравнению с прежним, однако он может быть уменьшен и далее без ухудшения качества рентгенограмм. Уменьшение дозы позволило увеличить число обследований молочной железы.

Таблица C. Средние эквивалентно-эффективные дозы облучения населения развитых стран.

Обеспечение радиационной безопасности при работе с закрытыми источниками ионизирующего излучения достигается комплексом санитарно-гигиенических, инженерно-технических и организационных мероприятий, перечень которых, естественно, зависит от активности излучателя, вида используемого излучения, технологии и способов применения источников. Вместе с тем в основу всех мероприятий защитного характера положено главное требование о том, чтобы дозы облучения как персонала, так и лиц других категорий не превышали допустимых величин.

Защитные мероприятия, позволяющие обеспечить условия радиационной безопасности при применении закрытых источников, основаны на знании законов распространения ионизирующих излучений и характера их взаимодействия с веществом. Главные из них следующие:

а) доза внешнего облучения пропорциональна интенсивности излучения и времени воздействия;

б) интенсивность излучения от точечного источника пропорциональна количеству квантов или частиц, возникающих в нем за единицу времени, и обратнопропорциональна квадрату расстояния; в) интенсивность излучения может быть уменьшена с помощью экранов.

Из этих закономерностей вытекают основные принципы обеспечения радиационной безопасности: 1) уменьшение мощности источников до минимальных величин (“защита количеством”); 2) сокращение времени контакта с источником (“защита временем”); 3) увеличение расстояния от источников до работающих (“защита расстоянием”); 4) экранирование источников излучения материалами, поглощающими ионизирующие излучения (“защита экранами”).

В зависимости от вида ионизирующих излучений для изготовления экранов применяются различные материалы, а их толщина определяется мощностью излучений. Так, лучшими для защиты от рентгеновского и гамма-излучений, позволяющими добиться нужного эффекта по кратности ослабления при наименьшей толщине экранов, являются материалы с большим количеством протонов, например свинец и уран. Однако, учитывая высокую стоимость свинца и урана, могут применяться экраны из более легких материалов - просвинцованного стекла, железа, бетона, баритобетона, железобетона и даже воды. В этом случае, естественно, эквивалентная толщина экранов намного превосходит ту, которая могла бы обеспечить нужную кратность ослабления с помощью свинца или урана. Кирпич, бетон, баритобетон, железобетон и другие строительные материалы часто используются в качестве исходного сырья для изготовления экранов в тех случаях, когда экраны одновременно являются строительными конструкциями сооружений. Вода - весьма дешевый защитный материал, поэтому при создании защитных экранов для защиты от рентгеновского и гамма-излучений в первую очередь исходят из соображений технологии производства и возможных экономических затрат (стоимости экранов из тех или иных материалов).

Атомная энергетика. На конец 1990 г. в мире работало более 400 атомных реакторов. По данными НКДАР при ООН весь ядерно-топливный цикл дает ожидаемую коллективную эффективную эквивалентную дозу облучения за счет короткоживущих изотопов около 5,5 человеко-Зв на Гвт/год выработаной на АЭС электроэнергии. Так к 2000 г. годовая коллективная доза облучения от всего ядерного цикла будет составлять около 10000 человеко-Зв.

Ядерные взрывы. За последние 40 лет каждый из нас подвергался облучению от радиоактивных осадков, которые образовались в результате ядерных взрывов. Максимум этих испытаний приходится на два периода: первый на 1954-1958 годы, когда взрывы проводили Великобритания, США и СССР, и второй, более значительный, на 1961-1962 годы, когда их проводили в основном Соединенные Штаты и Советский Союз.

Наибольшее количество радиоактивных осадков наблюдалось после аварии на Чернобыльской атомной электростанции (ЧАЭС) в апреле 1986 г. Основные радионуклиды в выбросе из аварийного блока: ¹³³Xe, ⁸⁵Kr, ¹³¹I, ¹³²Tc, ¹³⁴Cs, ¹³⁷Cs, ⁹⁹Mo, ⁸⁹Sr, ⁹⁰Sr и др. Эта авария оказывала и продолжает оказывать вредное воздействие на здоровье людей, проживающих на загрязненных радионуклидами территориях, вследствие внешнего и внутреннего облучения от радионуклидов, содержащихся в продуктах питания, питьевой воде и воздухе.