Воздействие радиации на человека

Эффекты воздействия радиации на человека обычно делятся на две категории (рис. 10):
1) Соматические (телесные) - возникающие в организме человека, который подвергался облучению.
2) Генетические - связанные с повреждением генетического аппарата и проявляющиеся в следующем или последующих поколениях: это дети, внуки и более отдаленные потомки человека, подвергшегося облучению.

Радиационные эффекты облучения человека
Соматические эффекты	Генетические эффекты
Лучевая болезнь	Генные мутации
Локальные лучевые поражения	Хромосомные аберрации
Лейкозы
Опухоли разных органов

Рис. 10. Радиационные эффекты облучения человека.

Различают пороговые (детерминированные) и стохастические эффекты. Первые возникают когда число клеток, погибших в результате облучения, потерявших способность воспроизводства или нормального функционирования, достигает критического значения, при котором заметно нарушаются функции пораженных органов. Зависимость тяжести нарушения от величины дозы облучения показана в таблице 30.

Таблица 30.

Воздействие различных доз облучения на человеческий организм
Доза, Гр	Причина и результат воздействия
(0.7 - 2) 10-3	Доза от естественных источников в год
0.05	Предельно допустимая доза профессионального облучения в год
0.1	Уровень удвоения вероятности генных мутаций
0.25	Однократная доза оправданного риска в чрезвычайных обстоятельствах
1.0	Доза возникновения острой лучевой болезни
3- 5	Без лечения 50% облученных умирает в течение 1-2 месяцев вследствие нарушения деятельности клеток костного мозга
10 - 50	Смерть наступает через 1-2 недели вследствие поражений главным образом желудочно кишечного тракта
	Смерть наступает через несколько часов или дней вследствие повреждения центральной нервной системы

Хроническое облучение слабее действует на живой организм по сравнению с однократным облучением в той же дозе, что связано с постоянно идущими процессами восстановления радиационных повреждений. Считается, что примерно 90% радиационных повреждений восстанавливается.
Стохастические (вероятностные) эффекты, такие как злокачественные новообразования, генетические нарушения, могут возникать при любых дозах облучения. С увеличением дозы повышается не тяжесть этих эффектов, а вероятность (риск) их появления. Для количественной оценки частоты возможных стохастических эффектов принята консервативная гипотеза о линейной беспороговой зависимости вероятности отдаленных последствий от дозы облучения с коэффициентом риска около 7 *10^-2 /Зв. (Таблица 31).

Таблица 31.

Число случаев на 100 000 человек при индивидуальной дозе облучения 10 мЗв.
Категории облучаемых	Смертельные случаи рака	Несмертельные случаи рака	Тяжелые наследуемые эффекты	Суммарный эффект:
Работающий персонал	4.0	0.8	0.8	5.6
Все население *	5.0	1.0	1.3	7.3

* Все население включает не только как правило здоровый работающий персонал, но и критические группы (дети, пожилые люди и т.д.)

Радионуклиды накапливаются в органах неравномерно. В процессе обмена веществ в организме человека они замещают атомы стабильных элементов в различных структурах клеток, биологически активных соединениях, что приводит к высоким локальным дозам. При распаде радионуклида образуются изотопы химических элементов, принадлежащие соседним группам периодической системы, что может привести к разрыву химических связей и перестройке молекул. Эффект радиационного воздействия может проявиться совсем не в том месте, которое подвергалось облучению. Превышение дозы радиации может привести к угнетению иммунной системы организма и сделать его восприимчивым к различным заболеваниям. При облучении повышается также вероятность появления злокачественных опухолей.
В таблице 32 приведены сведения о накоплении некоторых радиоактивных элементов в организме человека.
Организм при поступлении продуктов ядерного деления подвергается длительному, убывающему по интенсивности, облучению.
Наиболее интенсивно облучаются органы, через которые поступили радионуклиды в организм (органы дыхания и пищеварения), а также щитовидная железа и печень. Дозы, поглощенные в них, на 1-3 порядка выше, чем в других органах и тканях. По способности концентрировать всосавшиеся продукты деления основные органы можно расположить в следующий ряд:

щитовидная железа > печень > скелет > мышцы.

Так, в щитовидной железе накапливается до 30% всосавшихся продуктов деления, преимущественно радиоизотопов йода.
По концентрации радионуклидов на втором месте после щитовидной железы находится печень. Доза облучения, полученная этим органом, преимущественно обусловлена радионуклидами ⁹⁹Мо, ¹³²Te,¹³¹I, ¹³²I, ¹⁴⁰Bа, ¹⁴⁰Lа.

Таблица 32.

Органы максимального накопления радионуклидов.
Элемент	Наиболее чувствительный орган или ткань.	Масса органа или ткани, кг	Доля полной дозы *
Водород	H	Все тело		1.0
Углерод	C	Все тело		1.0
Натрий	Nа	Все тело		1.0
Калий	К	Мышечная ткань		0.92
Стронций	Sr	Кость		0.7
Йод	I	Щитовидная железа	0.2	0.2
Цезий	Сs	Мышечная ткань		0.45
Барий	Ва	Кость		0.96
Радий	Rа	Кость		0.99
Торий	Тh	Кость		0.82
Уран	U	Почки	0.3	0.065
Плутоний	Рu	Кость		0.75

* Относящаяся к данному органу доля полной дозы, полученной всем телом человека.

Среди техногенных радионуклидов особого внимания заслуживают изотопы йода. Они обладают высокой химической активностью, способны интенсивно включаться в биологический круговорот и мигрировать по биологическим цепям, одним из звеньев которых может быть человек (рис. 11).
Основным начальным звеном многих пищевых цепей является загрязнение поверхности почвы и растений. Продукты питания животного происхождения - один из основных источников попадания радионуклидов к человеку.
Исследования, охватившие примерно 100000 человек, переживших атомные бомбардировки Хиросимы и Нагасаки, показывают, что рак - наиболее серьезное последствие облучения человека при малых дозах. Первыми среди раковых заболеваний, поражающих население, стоят лейкозы (рис. 12).

Рис.11. Пути воздействия радиоактивных отходов АЗС на человека.

 

Рис. 12. Относительная среднестатистическая вероятность заболевания раком после получения однократной дозы в 1 рад (0.01 Гр) при равномерном облучении всего тела.

Распространенными видами рака под действием радиации являются рак молочной железы и рак щитовидной железы. Обе эти разновидности рака излечимы и оценки ООН показывают, что в случае рака щитовидной железы летальный исход наблюдается у одного человека из тысячи, облученных при индивидуальной поглощенной дозе один Грей.
Данные по генетическим последствиям облучения весьма неопределенны. Ионизирующее излучение может порождать жизнеспособные клетки, которые будут передавать то или иное изменение из поколения в поколение. Однако анализ этот затруднен, так как примерно 10% всех новорожденных имеют те или иные генетические дефекты и трудно выделить случаи, обусловленные действием радиации. Экспертные оценки показывают, что хроническое облучение при дозе 1 Грей, полученной в течение 30 лет, приводит к появлению около 2000 случаев генетических заболеваний на каждый миллион новорожденных среди детей тех, кто подвергался облучению.
В последние десятилетия процессы взаимодействия ионизирующих излучений с тканями человеческого организма были детально исследованы. В результате выработаны нормы радиационной безопасности, отражающие действительную роль ионизирующих излучений с точки зрения их вреда для здоровья человека. При этом необходимо помнить, что норматив всегда является результатом компромиса между риском и выгодой.

Меры защиты

Меры радиационной защиты персонала и населения регламентируются нормами радиационной безопасности (НРБ-76/87) и основными санитарными правилами (ОСП-72-87).

Меры защиты направлены на:
- предотвращение возникновения детерминированных эффектов путем ограничения облучения дозой ниже порога возникновения этих эффектов (нормирование годовой дозы);
- принятие обоснованных мер по снижению вероятности индуцирования отдаленных стохастических последствий (онкологических и генетических) с учетом экономических и социальных факторов.
Целью мер защиты является обеспечение высоких показателей здоровья населения, которые включают: продолжительность жизни, интегральные по времени характеристики физической и умственной работоспособности, самочувствие и функцию воспроизводства.

Меры защиты включают:
- снижение облучения населения от всех основных источников излучения;
- ограничение вредного действия на население нерадиационных факторов физической и химической природы;
- повышение резистентности и антиканцерогенной защищенности жителей;
- медицинскую защиту населения;
- повышение уровня радиационно-гигиенических знаний населения, психологическую помощь населению, помощь в преодолении преувеличенного восприятия опасности радиации;
- формирование здорового образа жизни населения;
- повышение социальной, экономической и правовой защищенности населения.

В случаях аварийных ситуаций принимаются дополнительные меры защиты, обеспечивающие снижение дозы облучения населения загрязненной территории и включающие:
- отселение жителей (временное или постоянное);
- отчуждение загрязненной территории или ограничение проживания и функционирования населения на этой территории;
- дезактивацию территории, строений и других объектов;
- систему мер в цикле сельскохозяйственного производства по снижению содержания радионуклидов в местной растительной и животной пищевой продукции;
- нормирование, радиационный контроль и выбраковку сельскохозяйственных и природных пищевых продуктов с последующей переработкой их в радиационно чистые продукты, а также снабжение населения радиационно чистыми пищевыми продуктами;
- внедрение в практику специальных правил поведения жителей и ведения ими приусадебного хозяйства.
Дополнительные меры также включают оптимизацию медицинского обслуживания населения и снижение доз облучения от других источников, в частности за счет ограничения поступления радона в жилые и производственные помещения.

Заключение

В заключение без комментариев приведем табл.34 основных факторов, угрожающих здоровью и жизни людей по данным статистического анализа экспертов США. Риск, связанный с воздействием радиации, небольшой, но им не следует пренебрегать.

Таблица 34.

Число случаев с летальным исходом в год в США.
Курение	150 000
Употребление спиртных напитков	100 000
Автомобили	50 000
Огнестрельное оружие	17 000
Электричество
Мотоциклы
Плавание
Хирургическое вмешательство
Рентгеновское облучение
Железные дороги	1 950
Велосипеды	1 000
Охота
Бытовые травмы
Работа в полиции
Гражданская авиация
Атомная энергия
Альпинизм
Лыжи

В табл 35 приведены данные о профессиональной вредности различных видов энергетики (смертности и инвалидности при производстве 1 ГВт электроэнергии в год). Цифры соответствуют смертности, цифры в скобках - инвалидности при производстве 1 ГВт/год электроэнергии в расчете на 100000 населения. Данные международного института прикладного системного анализа (Вена).
В табл.36 приведены сведения о некоторых -радиоактивных ядрах.

Таблица 35.

Профессиональная вредность различных видов энергетики.
Стадия	Топливный цикл
Угольный	Газовый	Ядерный	Нефтяной
Добыча	0.12-1.6 (16-191)	0.10-0.16 (16-17)	0.47 (9.9)	0.0033-0.1 (0.26-100)
Обработка	0.05-0.09 (5.3-6.5)	0.0004-0.004 (0.05-0.14)	0.06 (2.1)	0.01-0.1 (3.7-7.0)
Транспортировка	0.014-1.2 (0.2-0.26)	0.01 (1.1-1.2)	0.01 (0.10)	0.05-0.07 (0.3-6.0)
Преобразование	0.03-0.45 (4.0-6.0)	0.009-0.02 (1.1-16)	0.15 (1.9)	0.013-0.02 (1.5-16)
Снятие с экспуатации	---	---	0.04 (0.10)	---

Таблица 36.

Физические характеристики некоторых -радиоактивных ядер.
Элемент	T1/2	E max, МэВ	Элемент	T1/2	E max, МэВ
12B	0.02 сек	13.37	56Cr	5.4 мин	1.5
11С	20.3 мин	0.97	52Mn	5.7 сут	0.57
13N	9.96 мин	1.2	56Mn	2.6 час	2.85
18N	0.63 сек	9.4	53Fе	8.6 мин	3.0
17F	66.6 сек	1.74	62Cо	1.5 мин	2.88
24Nе	3.38 мин	1.99	65Ni	2.55 час	2.13
21Nа	23 сек	2.52	68Cu	30 сек	3.5
27Mg	9.5 мин	1.75	71Zn	2.4 мин	2.4
28Al	2.3 мин	2.88	66Ga	9.4 час	4.15
31Si	2.62 час	1.48	68Gа	68.3 мин	1.90
30P	2.5 мин	3.24	65Gе	30.9 сек	3.7
31S	2.72 сек	4.42	79As	9.1 мин	2.15
33Сl	2.5 сек	4.55	73Sе	7.1 час	1.7
37K	1.2 сек	5.14	75Br	1.7 час	1.7
44Sс	3.9 час	1.47	87Kr	78 мин	3.8
45Са	163 сут	0.25	88Rb	17.8 мин	5.3
51Ti	5.8 мин	2.14	92Y	3.5 час	3.63
46V	0.43 сек	6.03	89Nb	1.9 час	2.9

Примеры решения задач

Задача 1.
Рассчитать суммарную активность трития, образовавшегося в результате испытания ядерного оружия до 1970 г., если общий эквивалент ядерных взрывов составил 220 Мт.
Решение.
Образование трития при испытании ядерного оружия составляет 2.6*10¹³ Бк/Мт.
До 1970 г. общий эквивалент ядерных взрывов составил 220 Мт.
Образование трития:
220 Мт * 2.б*10¹³ Бк/Мт = 5.7*10¹⁵ Бк.

Задача 2.

По санитарным нормам допустимая плотность потока быстрых нейтронов составляет:

Определить на каком минимальном расстоянии от источника, интенсивностью S=106 n/с, можно работать без дополнительной защиты.
Решение.
Плотность потока нейтронов I(r) на расстоянии r от источника определяется соотношением:

I(r) = S / 4 r2

(1)

Минимальное безопасное расстояние из соотношения (1):

Задача 3.

Индивидуальная доза облучения, полученная в результате воздействия источника ⁶⁰Со в течении 10 с, составила 100 Гр. Сколько фотонов -излучения попало при этом в организм человека, если каждый фотон теряет в тканях тела около 40 % своей энергии?
Решение.
При распаде ⁶⁰Cо образуется 2 -кванта с энергией 1.33 и 1.17 МэВ. Каждая такая пара фотонов выделит в тканях человека (1.33+1.17) * 0.4 = 1 МэВ = 1.3 *10^-13 Дж.

Для человека весом 75 кг поглощенная доза от одной пары фотонов составит

При получении дозы 100 Гр число фотонов, попавших в организм, составит

Задача 4.

Студент предполагает использовать источником ⁹⁰Sr, имеющим активность А=270МБк и содержащимся в стеклянной пробирке, в качестве защиты только плотные перчатки. Не опасно ли это?
Решение.
Е = 1.74 МэВ, масса человека М = 70 кг, = 0.1.
На один акт распада ⁹⁰Sr приходится 1 фотон с энергией 1.74 МэВ, откуда для поглощенной человеком мощности дозы Д_t получим

Предельно допустимая доза:
(ПДД)-0.1 рад/неделю=0.17*10^-6 рад/с

Работать опасно!!!

Задача 5.

Количество ⁹⁰Sr, которое ежедневно попадает с пищей в организм человека, составляет 0.94 Бк. Каково значение дозы, накопленной в костной ткани за год?
Решение.
1)Средние энергии -распада составляют 0.3-0.4 от .
В расчете возьмем 0.4.

2) Будем считать, что в организме поглощается 10% фотонов. Общее количество энергии, поглощенной в организме от одного распада: Q = (0.546+2.27)*0.4 + 1.734*0.1 = 1.3 МэВ = 1.3*1.6*10^-13 Дж = 2.08*10^-13 Дж,
(1 МэВ = 1.6*10^-13 Дж).
Согласно табл.32, доля радионуклида ⁹⁰Sr, поглощенная костной тканью, составляет 0.94 Бк*О.7 = 0.66 Бк или 5.68*10⁴ распадов в сутки, (в сутках 86400 с).

Фрагмент таблицы 32.

Биологическая активность некоторых элементов
Элемент	Наиболее чувствительный орган или ткань в организме.	Масса вещества или органа, кг	Доля полной дозы, полученная данным органом
Sr	Кость		0.7

Таким образом, в сутки костная ткань поглощает

Q=2.08*10^-13 Дж*5.68*10⁴=11.8Дж.

Доза, поглощенная в год:

365*1.88*10^-9 Дж = 4,3*10^-6 Дж.

Доза, поглощенная за год в 1 кг костной ткани:

Задача 6.

В организм человека попало 10 мг 55Fe. Найти значение поглощенной дозы за 10-летний период. Период полураспада 55Fе =-2.9 года. Q=0.22 МэВ.
Решение.
Какое количество изотопов 55Fe распалось за 10 лет?

Из 10 мг за 10 лет распалось 10 - 0.926=9.074 мг.
Число распавшихся ядер:

Количество выделившейся энергии:

Q=0.22*0.99*10²⁰=2.19*10¹⁹ МэВ=3.50*10^б Дж.

Чтобы найти энергию, отнесенную к единице массы, предположим, что облучается примерно 1/3 часть тела весом 75 кг, т.е. 25 кг. Тогда:

Это очень большая доза!!!

Задача 7.

Каково максимальное количество радионуклида ⁹⁰Sr при попадании которого в организм не будет превышена доза Д=1 мГр/год.

Решение.
Наибольшее количество радионуклида ⁹⁰Sr поглощается в костях. Масса вещества кости М составляет 7 кг; доля полной полученной дозы составляет =0.7 (табл. 32). Поэтому полная энергия, выделенная в организме за год, будет составлять:

Доля ядер радионуклида ⁹⁰Sr, распадающаяся за год:

Используя схему распада радиоактивного изотопа ⁹⁰Sr, получим энергию, выделяющуюся в костях на один акт распада:

Е* = 0.1* + 0.4* = 0.1*1.734 + 0.4*(0.54 + 2.27) = 1.29 МэВ = 2.06*10¹³ Дж.

Полное число ядер изотопа:

Задача 8.

Какова поглощенная доза в организме человека в течении 10 лет, если через органы дыхания в него попало 100 мкг изотопа ²³⁹Pu? Период полураспада ²³⁹Pu равен 2.4*10⁴ лет.
Решение. Число радиоактивных ядер в 100 мкг изотопа ²³⁹Pu:

Число ядер ²³⁹Pu распавпшхся за 10 лет:

Распад ²³⁹Pu приводит к появлению трех -линий при энергиях и с вероятностями распада, указанными в таблице.

,МэВ	,%
5.107	11.5
5.145	15.1
5.157	78.3

=5.1 МэВ. Масса тела М=70 кг. Поглощенная доза:

Задача 9.

При какой концентрации плутония в воздухе n годовая доза от его попадания в легкие составит Д = 1.7*10^-6 Гр.
Для расчета принять:
1) в среднем человек вдыхает Vо = 0.01 литров воздуха в минуту;
2) в легких остается = 0.01 попавшего в организм при вдохе ²³⁹Pu;
3) первоначально плутоний в легких отсутствовал.

Решение.
Период полураспада ²³⁹Pu T_1/2 = 2.4*10⁴ лет. Средняя энергия -частиц распада 5МэВ. Масса легких = 0.5 кг. Число актов распада ²³⁹Pu за время dt:

dNp(t) = N(t)dt

(1)

где N(t) - число ядер ²³⁹Pu в момент времени t.
Изменение числа ядер ²³⁹Pu с учетом накопления и распада:

dN(t) = V0 n dt- N(t)dt

(2)

Учитывая, что вследствии большого периода полураспада вторым членом в (2) можно пренебречь, после интегрирования (2) получим:

N(t) = V0 n t

(3)

Из (3) и (1) получим число ядер распавшихся за время t:

dN_p (t)= V0 n dt

Np (t) =

(4)

Энергия Е, поглощенная в ткани легких за год:

E = Д М_Л = 1.7 * 10^-6 * 0.5 = 8.5 * 10^-7 Дж.

Число распадов ядер, необходимое для выделения энергии Е:

Из (4) получим концентрацию ²³⁹Pu в воздухе:

Рекомендуемая литература

• О.И. Василенко. - "Радиационная экология" – М.: Медицина, 2004. – 216 с.
  В книге систематически излагаются основы радиационной экологии. Описываются физические свойства ионизирующих излучений, их взаимодействие с веществом, различные источники радиации, радиационные аварии на военных и энергетических объектах, загрязнения окружающей среды, медико-биологическое действие радиации на различных уровнях, нормирование, меры защиты, неионизирующие излучения, медицинская опасность наиболее значимых радионуклидов.
• Холл Э.Дж. - Радиация и жизнь - М., Медицина, 1989.
• Ярмоненко С.П. - Радиобиология человека и животных- М., Высшая школа, 1988.
• Практикум по ядерной физике - М., Изд-во МГУ, 1980. Широков Ю.М., Юдин Н.П. - Ядерная физика -М., НАУКА, 1980.
• Василенко И.Я. - Радиационные поражения продуктами ядерного деления - Здравоохранение Белоруссии. 1986, N12., с.68.
• Информация об аварии на Чернобыльской АЭС и ее последствиях, подготовленная для МАГАТЭ - Атомная энергия, 1986. т, 61, вып. 5.,с. 301-320.
• Нормы радиационной безопасности НРБ-76/87 и основные санитарные правила работы с радиоактивными веществами и другими источниками ионизирующих излучений ОСП-72-8 7.
• Биологическое действие продуктов ядерного деления. Метаболизм и острые поражения - Радиобиология, 1992, т.32, в.1, с.69-78.
• Биологическое действие продуктов ядерного деления. Отдаленные последствия поражения - Радиобиология, 1993, т.ЗЗ, в.З, с. 442-452.

 

⇐ Предыдущая12345

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: