Министерство образования Российской Федерации Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова Кафедра морфологии Радиация в биосфере Методическое руководство Ярославль 2001 1 Составитель: доцент В.Е. Середняков ББК Е 071.25я73 С 32 Радиация в биосфере: Метод. руководство / Сост. В.Е. Середняков; Яросл. гос. ун-т. Ярославль, 2001. 32 с. Предназначено для студентов факультета биологии и экологии, изучающих радиационную экологию. Табл. 2. Библиогр.: 9 назв. Рецензент: кафедра морфологии Ярославского государственного университета © Ярославский государственный университет, 2001 © В.Е. Середняков, 2001 2 Введение Каждый человек в течение своей жизни подвергается воздействию ионизирующего излучения. Это естественные источники радиации, техногенный радиационный фон, последствия испытаний ядерного оружия в атмосфере, медицинские обследования. Впервые вопрос об «уязвимости» природы возник в связи с использованием атомной энергии в военных целях. Очевидно, что люди должны, обязаны постоянно учитывать уязвимость природной среды, не допускать превышения пределов ее «прочности», дабы не вызвать необратимых процессов. Проблема радиации и поведения радиоактивных веществ в биосфере постоянно приковывают к себе внимание общественности и вызывают много споров. Особое беспокойство вызывают возможные последствия для здоровья людей от глобальных выпадений радиоактивных продуктов вследствие испытаний ядерного и термоядерного оружия и вероятность мелких аварий на атомных электростанциях с выбросом в атмосферу радионуклидов или катастроф типа чернобыльской. Радиация постоянно наполняет космическое пространство, радиоактивные вещества входят в состав Земли и человека. Экологическая значимость радиационного фактора несомненна. Радиоактивность существовала на Земле задолго до зарождения на ней жизни. Роль ее в истории развития организмов и экосистем не была постоянна. Изменение уровня радиации в биосфере приводило к вымиранию сообществ организмов, обладающих низкой радиационной устойчивостью, и благоприятствовало бурному развитию отдельных видов радиорезистентных организмов. Поэтому есть все основания полагать, что живые организмы должны хорошо переносить ее воздействие в том случае, если уровень последней не слишком высок. Накопление искусственных радиоактивных веществ в биосфере, а также неконтролируемое перераспределение природных радионуклидов за счет различного рода технологической деятельности привело к ситуации, когда радиоактивность и радиоактивные загрязнения пришлось рассматривать как новые факторы, нарушающие экологическое равновесие. Применение радиации в медицине стало общепринятым - от рентгенограммы сломанной кости до лечения рака. Однако до сих пор радиация может вызывать болезни. Даже флюорография, хотя и не приносит ощутимого вреда нашему организму, способна изменить нашу генетическую конституцию и привести к пагубным последствиям для потомков. До сих пор мы чувствуем себя не совсем уверенно между риском, создаваемым радиацией, и пользой ее применения. Есть ли безопасная доза? Какой риск допустим в качестве цены за приносимую пользу? К чему приведет дальнейший рост применения ионизирующего излучения? Это вопросы, на которые нельзя ответить однозначно. 3 ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ПОНЯТИЯ Радиоактивность - это свойство ядра, его способность самопроизвольно превращаться в другое ядро с испусканием частиц либо квантов энергии. Наиболее распространены альфа-распад (испускание ядер гелия), бета-распад (испускание электрона, позитрона или захват ядром орбитального электрона) и гамма-распад (испускание квантов фотонов жесткого электромагнитного излучения). Вновь образовавшееся ядро может быть как стабильным, так и радиоактивным. Причем, при каждом акте распада чаще всего выделяется энергия только одного вида. Существуют целые цепочки последовательных самопроизвольных превращений ядер (радиоактивные семейства). В природе такие цепочки существуют для нуклидов тяжелых элементов конца Периодической системы, родоначальниками (первыми членами ряда) являются уран и торий (их долгоживущие радионуклиды). Радиоактивность не дает информации о дозе радиации, о виде излучения, о его энергии. Она всего лишь указывает число распадающихся атомов. Время, в течение которого число атомов радионуклида, а следовательно, и его радиоактивность, уменьшается вдвое, называется периодом полураспада, Т1/2. За время, равное периоду полураспада из каждых ста атомов останутся неизмененными только пятьдесят, а за следующий аналогичный промежуток времени из них останутся неизмененными двадцать пять, и так далее. Радионуклиды, известные в настоящее время, имеют периоды полураспада от 10-7 до 1011 лет. Например, уран-238 – 4 470 млн. лет, а йод-131 - 8 суток. В радиоактивных семействах за время, соизмеримое с возрастом Земли, устанавливается радиоактивное равновесие, т.е. активности каждого элемента одного и того же ряда становятся одинаковыми. Это соотношение сохраняется, пока существует начальный элемент ряда. Радиоактивное равновесие существует в ториевых и урановых минералах. Концентрации дочерних продуктов при этом незначительны. Например, на 1 г урана-238 приходится 2 • 10-12 г радона-222. Единицей активности радиоактивного вещества является 1 беккерель (1 Бк = 1 расп. • с-1) и внесистемная единица кюри (1 Ки = 3,7 • 1010 Бк). Загрязнение территорий радионуклидами измеряют в Ки/км2. Невозможной для проживания считается местность с загрязнением от 1 Ки/км2 и выше. Ионизирующее излучение различают по происхождению. Электромагнитные волны - "гамма" и рентгеновские лучи. Первые испускаются радионуклидами, вторые образуются в электронном аппарате, их энергия меньше. Остальные типы ионизирующего излучения представлены частицами вещества. Нейтроны - незаряженные частицы, основные частицы ядер атомов, выделяются при цепной реакции ядерного взрыва или в ядерных реакторах. Электроны - отрицательно заряженные частицы, существуют во всех атомах. 4 Протоны - положительно заряженные частицы ядер атомов. Их масса равна массе нейтрона и почти в 2 000 раз больше массы электрона. На Земле в естественных условиях отсутствуют, в изобилии найдены в открытом космосе. Альфа частицы - два протона и два нейтрона, соединенные вместе, имеют положительный заряд, испускаются тяжелыми радионуклидами. Тяжелые ионы - ядра любых атомов, движущихся с огромной скоростью, присутствуют в космосе в больших количествах. Радиоактивные излучения характеризуются энергией. От нее и вида излучения зависит пробег в веществе (проникающая способность). Так, альфаизлучение задерживается слоем кожи, поэтому оно представляет серьезную опасность только при попадании внутрь организма. Бета излучение проникает в организм на один - два сантиметра. Гамма излучение проникает сквозь весь организм, его может задержать лишь толстый слой бетона. При попадании в вещество частица или фотон взаимодействует с его атомами и молекулами: они ионизуются, возбуждаются, энергия частицы может превратиться в тепловую энергию, возможны химические и ядерные превращения. Биологическое действие ионизирующих излучений определяется прежде всего количеством энергии, выделенной в результате взаимодействий в биологической ткани. Для оценки этого действия вводят различные дозовые характеристики. Экспозиционная доза «X» является мерой ионизирующего действия излучения, единицей ее измерения является кулон • кг-1, а внесистемной единицей - рентген (1Р = 2,58 • 10-4 Кл • кг-1). Поглощенная доза «D» - это средняя энергия излучения, поглощенная единицей массы вещества. Ее измеряют в греях (1 Гр = 1 Дж • кг-1). Внесистемными единицами являются рад (1 Гр = 100 рад) и рентген (1 Гр =100 Р). Эквивалентная доза «Н» учитывает особенности биологического действия различных излучений. Единицей ее измерения является зиверт (Зв), внесистемной единицей - бэр (1бэр = 10-2 Зв). H = k • D, где k - коэффициент, учитывающий качества излучения. При одинаковой поглощенной дозе альфа-излучение в 20 раз, а нейтронное и протонное - в 10 раз опаснее, чем бета- или гамма-излучение. Так, эквивалентная доза при поглощении 1 Гр альфа-излучения равна 20 Зв, а при поглощении 1 Гр гамма-излучения равна 1 Зв. Дозы облучения органов и тканей следует учитывать с разными коэффициентами риска, отражающими их чувствительность к излучениям. Сумма эквивалентных доз, умноженных на соответствующие коэффициенты, представляет эффективную эквивалентную дозу (измеряется также в Зв). Известно, что риск возникновения опухолей в щитовидной железе выше, чем риск возникновения опухолей в легких при одинаковых эквивалентных дозах. Наиболее чувствительные ткани – клетки крови и эмбриона. Соматические эффекты могут проявиться и в виде лучевой болезни или укорочении продолжительности жизни. Генетические эффекты могут проявиться сразу или через поколение. Эффективная эквивалентная доза характеризует индивидуальную дозу. 5 Сумма индивидуальных эффективных доз группы людей соответствует их коллективной эффективной эквивалентной дозе (измеряется в чел.• Зв). Коллективную эффективную эквивалентную дозу, которую получают многие поколения людей от какого-либо радиоактивного источника за все время его существования, называют ожидаемой (полной) коллективной эффективной эквивалентной дозой. Приращение экспозиционной, поглощенной или эквивалентной дозы в единицу времени называют мощностью соответствующей дозы (Гр•с-', Р•с-1, Зв•с-1). ЕСТЕСТВЕННЫЙ РАДИОАКТИВНЫЙ ФОН Естественная радиация в биосфере вносит основной вклад во внешнее и внутреннее облучение организма (~ 80%). Ее составляющими являются радиация земного происхождения и космическое излучение. Естественным источником радиации на Земле являются радиоактивные вещества, входящие в ее состав. В земной коре они могут быть рассеяны или сконцентрированы в виде месторождений (от 0,0005 до 84 г на 1 т земной коры). От них зависит уровень радиации в конкретных местах земного шара. В некоторых участках проживания на Земле он повышен до 800 раз по сравнению со средним значением. Радиоактивные вещества образовались и постоянно вновь образуются без участия человека. Это прежде всего долгоживущие радиоактивные элементы, появившиеся одновременно с формированием планет Солнечной системы (40К, 87RЬ, 147Sm и др.). Сюда же относят радиоактивные семейства во главе с ураном и торием, а также образующиеся под действием космического излучения радионуклиды 2H, 3H, 7Ве, 14С, 22Na и другие. Всего известно более 300 естественных радионуклидов. Столь широкое представительство в природе радиоактивных нуклидов свидетельствует прежде всего о постоянном контакте всего живого на Земле, включая и человека, с радиоактивными веществами. Поскольку по химическим свойствам радиоизотопы не отличаются от стабильных изотопов, они следуют вместе с ними в соответствии с химическими и биологическими законами круговорота в природе по всем биологическим и пищевым цепочкам. Так в организм человека радионуклиды поступают через продукты питания, питьевую воду и вдыхаемый воздух. Их "вклад" в облучение организма ничтожен. Так у взрослого человека массой 70 кг содержится в среднем около 7•10-4 г 238U; 5•106 г 235U; 7•10-1 г 232Th; 2,5•10-10 г 232Ra; 3•10-3 г 40К; а также 14С, 3H, 210Po, 210Pb. В тканях человека устанавливается относительно постоянная концентрация естественных радионуклидов, так как их поступление внутрь организма соответствует их выводу из него. Поскольку они непрерывно поступают в организм и выводятся из него, изменение содержания долгоживущих естественных радионуклидов в продуктах питания, воде и воздухе нарушает уровень установившегося равновесия у человека. Около 70% 210Pb и 210Po от их общего количества в организме человека сосредоточено в скелете. Концентрация 210Po в легких ку6 рящего человека в три раза больше, чем у некурящего. Всего от земных радиоактивных нуклидов человек получает ~ 99% внутреннего облучения. Вклад в проблемы радиационной экологии вносит и космос. Звезды, по современным научным представлениям, представляют собой огромные природные термоядерные реакторы, в которых происходит синтез химических элементов, поэтому звезды являются мощными источниками космического излучения. Космическое пространство буквально пронизано различными видами излучения, наиболее распространенными носителями которого являются фотоны и нейтрино. Облака межзвездного вещества представляют собой гигантскую область сильно ионизированной плазмы с радиусом до 200 световых лет. В состав космических лучей входят: движущиеся со скоростью света протоны - 92%, ядра гелия - 6%, ядра элементов от лития до урана - 1% и электроны - 1%, а также электромагнитное излучение (гамма-кванты) - 0,1%. Средняя плотность потока космических лучей ~2,5 частицы•см-2•с-1 и в зависимости от 11-летнего цикла солнечной активности она меняется от 2 до 4,5 частицы•см-2•с-1 . Космическое излучение является важным фактором эволюции вещества в открытом космосе - нуклеосинтеза: образования молекул и их фрагментов. Предполагается, что процесс синтеза элементов Солнечной системы мог сопровождаться космическими явлениями, происходящими за ее пределами. Естественный синтез тяжелых радиоактивных ядер завершился около 5 млрд. лет тому назад, т.е. накануне образования солнечной системы, возраст которой оценивают в 4,6 млрд. лет. За это время вещество на Земле эволюционировало от пылегазовой туманности до сложных белковых структур. На протяжении всего этого времени эволюционный процесс и все экологические земные проблемы были прочно связаны с космосом, который был и остается источником космического излучения и вещества. При взаимодействии космических лучей с молекулами газовой атмосферы Земли возникает вторичное космическое излучение: фотоны, электроны, протоны, нейтроны, мезоны и другие частицы. Уровень космического излучения на Земле не везде одинаков, он растет с высотой из-за уменьшения толщины защитного экрана атмосферы. При подъеме с уровня моря на высоту полета авиалайнера доза облучения возрастает до 30 раз. Кроме того, полярные области Земли облучаются из космоса сильнее, чем экваториальные области, защищенные геомагнитным полем. Содержание радионуклидов в биосфере Земли на протяжении всей ее истории постоянно менялось за счет убыли радиоактивных ядер в процессе распада, извержения вулканических пород, за счет функционирования природных ядерных реакторов, а также при прохождении Солнечной системы через облака космической пыли. Тот факт, что все виды флоры и фауны Земли, в том числе высших животных, включая млекопитающих и человека, возникли и эволюционно развивались на протяжении сотен миллионов лет при постоянном воздействии естественного (природного) радиационного фона, оставался вне внимания большинства населения. Поэтому важным является осознание того, что радиа7 ция - один из многих естественных факторов окружающей среды. Естественный радиационный фон составляет в среднем 0,95 миллиЗв/год, а максимальный – до 5,0 миллиЗв/год. РАДИОАКТИВНЫЙ ФОН В ПОМЕЩЕНИЯХ Радиоактивность в помещениях от радона и продуктов его распада составляет примерно 3/4 годовой индивидуальной эффективной эквивалентной дозы от земных источников радиации и 1/2 от всех естественных источников радиации. Вышеназванный газ образуется при распаде радия в основном в виде радона-222, который выделяется из земной коры повсеместно и имеет период полураспада 3,8 суток. Этот процесс называют эманация радона. При этом человек большую часть дозы излучения получал, находясь в здании, поскольку население промышленно развитых стран около 80% времени проводит внутри жилых и производственных помещений. Внутри зданий радон попадает вследствие просачивания через фундамент из грунта, а также за счет эманирования из строительных материалов стен, пола, потолка, выполненных из естественных пород (всего до 60 кБк/сут). Сжигание прородного газа на кухне (особенно из баллонов) и пользование горячей водой в ванной дают эмиссию радона до 20 кБк/сут. Радиоактивность возрастает при круглосуточном отоплении помещений природным газом. Радон тем сильнее концентрируется в помещении, чем тщательнее они изолированы от внешней среды, т.е. чем меньше они проветриваются. При этом в северных странах его в 8 раз больше, чем в тропиках. А в квартирах первого этажа - в 3 раза больше, чем на пятом этаже. Содержание радионуклидов в стройматериалах имеет широкий диапазон значений (от 2 до 4700 Бк • кг-1). Радиоактивность строительного камня зависит от использованной для его производства горной породы. Наиболее высокие удельные активности естественных радионуклидов характерны для пород вулканического происхождения (гранит, туф, пемза), а наиболее низкие — для карбонатных пород (мрамор, известняк) (табл. 1). Песок и гравий, как правило, имеют удельную активность естественных радионуклидов, близкую к средней для почв или земной коры. Для керамзита, так же как и для глин и красного кирпича, характерна умеренно повышенная удельная активность радионуклидов. В силикатном кирпиче она в несколько раз ниже, чем в красном (глиняном) кирпиче (до 330 Бк • кг-1). Для бетона характерен достаточно большой диапазон вариаций радиоактивности, обусловленной прежде всего радионуклидами наполнителей (до 570 Бк • кг-1). Одни и те же стройматериалы, добываемые или производимые в разных странах, могут значительно различаться по удельной активности. Наибольшее содержание радиоактивных веществ установлено в шведских, норвежских и финских материалах. Особого внимания заслуживают материалы, изготовленные из отходов промышленности (золы, шлаки, фосфогипс, красный шлак от переработки бокситов, доменный шлак и др.). Среднее значение активности в отечественных стройматериалах близко к среднему значению этой величины 8 для почв и приблизительно в 1,5 раза ниже среднего значения для земной коры (табл. 1). Таблица 1 Удельная активность естественных радионуклидов в породах, почве и земной коре (Бк • кг-1). 226 Ra 78 18 33 85 30 18 67 104 26 10 - 40 85 25 33 Порода / Удельная. активность Гранит Диабаз Базальт Кварцепорфир Кварцит Известняк, мрамор Глинистый сланец Боксит Песок, гравий Глина Мергел Почва Земная кора 218 Th 74 18 26 96 33 15 67 333 22 30 - 110 59 28 39 40 К 999 148 370 1517 629 37 666 740 333 480 - 520 777 529 656 В отношении материалов с повышенным содержанием естественных радионуклидов может возникать необходимость ограничения их применения в строительстве. Однако отсутствие систематических данных о всех новых материалах не позволяет своевременно дать информацию о их удельной радиоактивности. Очень высокие концентрации радона регистрируют последнее время все чаще. Так, превышение радона в 5 000 раз, по сравнению с наружным воздухом, обнаружено в последние годы в некоторых домах в Швеции, Финляндии, Великобритании, США. Однако причиной возрастания содержания радона внутри помещения является не только строительный материал, но также грунт под зданием. Поэтому в некоторых деревянных домах концентрация радона даже выше, чем в кирпичных, хотя дерево выделяет совершенно ничтожное количество радона по сравнению с другими материалами. Содержание радона в воде зависит от источника водоснабжения, колеблется от нуля до 100 млн. Бк • м-3. Много радона может содержать вода из глубоких скважин или артезианских колодцев. При кипячении воды большая часть радона улетучивается. Даже поступающий с некипяченой водой радон быстро выводится из организма. В то же время при пользовании горячим душем повышается концентрация радона в воздухе ванной комнаты до 40 раз, при этом он и продукты его распада попадают в легкие вместе с паром. В разных помещениях одного дома радиоактивность неодинакова, может отличаться в несколько десятков раз. Радон в основном проникает в дом вместе 9 с воздухом, который вытягивается из почвы, вследствие разницы в давлениях внутри и вне дома. Эта разница (- 0,0001 атм) возникает отчасти благодаря эффекту «дымохода», связанному с тем, что. теплый воздух всегда стремится подняться. Воздух проходит в помещение через различные щели, например вокруг оконных и дверных рам, а также труб и электропроводки. Разницу в давлениях может создавать также ветер. Вместе с воздухом в помещение проникает радон. Скорость его поступления зависит от проницаемости почвы по отношению к воздушному потоку, а также от других геологических и метеорологических факторов и особенностей конструкции зданий. В большинстве домов воздух обновляется за один - два часа. Такой обмен сопровождается постоянной утечкой энергии. В то же время уплотнение дверных и оконных рам, заделывание щелей в корпусе зданий приводит к снижению скорости вентиляции, а следовательно, к повышению количества различных примесей, и радона в том числе, внутри помещения. И наконец, химические взаимодействия с частицами, взвешенными в воздухе, с различными поверхностями также влияют на концентрацию радона и продуктов его распада (свинца, висмута). Совокупная изменчивость скоростей поступления, скорости вентиляции и скоростей химических реакций и дает огромный диапазон концентраций этих веществ. В США, например, они варьируют в пределах четырех порядков - от нескольких Беккерелей на кубический метр воздуха до 10 000 и более при среднем значении 50 Бк • м-3. Средний уровень радиации в помещении соответствует дозе облучения, примерно в три раза превышающей ту, что человек получает в течение всей жизни при рентгеновском и другом медицинском обследовании. Те, кто живут в домах с большим содержанием радона, получают пропорционально большую дозу облучения. Только в США это сотни тысяч людей, и они получают за год примерно такую же дозу радиации, что и жители Чернобыля в результате поступления радиоактивных веществ в атмосферу. По этим оценкам, средняя концентрация радона в американских домах должна давать заболевания раком легких в одном случат из 250, что соответствует вероятности 0,4%. Во многих странах уже около 10 лет ведется работа, причем в ранге государственных программ по выявлению и оздоровлению таких мест и таких домов. В Великобритании выявлено 20 тыс. домов с повышенным содержанием радона. Домовладельцы обеспечены памяткой о том, как избавиться от этого неблагоприятного фактора. Меры защиты несложные и недорогие: вентиляция подпольного пространства, герметизация полов и вентиляция помещения. Облицовка стен и пола керамической плиткой, полимерными материалами до 10 раз уменьшает скорость попадания радона в помещение. По оценкам специалистов, в России подлежит еще выявить несколько миллионов жителей, которые, сами того не ведая, получают дозу больше, чем в Чернобыльской зоне. Именно среди них от радонового рака умирает ежегодно около 15 тыс. человек. На шкале риска смертельных заболеваний «радон в помещении» стоит в числе главных (наряду с курением). В решение проблемы «радона» должны быть вовлечены строители, производители энергии, товаров широкого потребления, специалисты в области демографии, метеорологии, географии — все, кто зани10 мается или проявляет интерес к проблемам здоровья, сохранения окружающей среды. Важно отношение и самих жильцов, которые не осведомлены о потенциальных опасностях для здоровья в их доме, в частности, радонового фактора, как, впрочем, и других тоже. Ответственность за последствия должна разделять вся цепочка лиц - от инженера, архитектора и строителя до представителей местного самоуправления и жильцов. Для корректной оценки радиационного фона в жилых помещениях требуется специальная аппаратура, позволяющая измерять низкие удельные активности естественных радионуклидов в объектах внешней среды. Применение же радиометрического контроля строительных материалов, а также повышение эффективности вентиляционных систем открывает возможности регулирования одного из основных (~50%) природных источников излучения. По современным оценкам, концентрация радона в домах варьирует в пределах четырех порядков. Особого внимания заслуживают случаи аномально высоких значений, объемных активностей радона в отдельных домах. Максимально зарегистрированные значения объемной активности радона составляют 20 000 Бк•м-3 (Швеция). Среднее значение колеблется в зависимости от стран от 6 до 60 Бк•м-3. Около 1% населения проживает в домах, в воздухе которых содержится более 100 Бк•м-3 (0,6 бэр•год-1); 0,01% живущих в зданиях с повышенным содержанием радона дышат воздухом, имеющим радиоактивность до 400 Бк•м-3. До 1990 г. ни в одной стране не устанавливались нормативы на содержание радона и дочерних продуктов распада в зданиях. Между тем, эпидемиологические исследования, проведенные в последние десятилетия, выявили относительно высокие значения доз, получаемых отдельными группами населения за счет радона и его дочерних продуктов, находящихся в воздухе жилых помещений. В связи с этим проблема радона приобрела существенное значение. В настоящее время в ряде стран приняты нормы допустимых концентраций радона внутри помещений. Соответствующие нормативы для существующих и проектируемых зданий приведены в таблице 2. Таблица 2 Нормативы равновесной концентрации радона в воздухе жилых помещений, Бк•м-3 Страна Существующие здания 100 400 80 400 200 200 200 Швеция Финляндия США Канада Германия Великобритания Россия 11 Проектируемые здания 100 100 100 Международная комиссия по радиационной защите 200 100 ТЕХНОГЕННО ИЗМЕНЕННЫЙ РАДИОАКТИВНЫЙ ФОН В последние десятилетия в результате антропогенной деятельности постоянно происходит перераспределение естественных радионуклидов в окружающей среде (добыча и переработка полезных ископаемых, сжигание органического топлива, использование удобрений, производство и использование строительных материалов, обращение с технологическими отходами). Кроме того, появилось несколько сотен новых отсутствующих в природе радионуклидов за счет ядерных реакций, осуществляемых человеком. Искусственные радионуклиды стали неотъемлемым компонентом биосферы. Таким образом, жизнь на Земле сегодня существует и развивается под воздействием техногенно измененного радиационного фона. Известно, что извлеченный из земли каменный уголь содержит меньше радионуклидов, чем земная кора в среднем. Радиоактивные загрязнения от сжигания каменного угля обусловлены выбросом в атмосферу содержащихся в нем радионуклидов 40К и членов рядов 238U и 232Тh. При сжигании происходит концентрирование радионуклидов в золе, часть которой в виде «летучей золы» проходит через фильтрующие системы, и шлаке. Однако установить обогащение радионуклидами приземного воздуха вокруг угольных электростанций, в пробах снега, в поверхностном слое почвы удавалось редко. Так, активность радия в леднике, расположенном в 150 км от промышленного центра в Польше, оказалась в 50 раз выше в пробах льда, образовавшегося за последние 80 лет. Эффекты концентрирования есть в верхних слоях почвы при сравнении промышленных и сельских районов. В 30-сантиметровом слое почвы в радиусе 20 км от угольной электростанции годовой прирост количеств тория, радия и 40 К составляет доли процентов от естественных их концентраций. В целом для населения Земли вклад их в годовую коллективную эффективную эквивалентную дозу составляет около 2 000 чел.-Зв. Особого внимания заслуживает использование зольной пыли, собираемой очистными фильтрами, в качестве добавок к бетонам или для улучшения структуры почв. В регионах, где уголь используют в индивидуальных домах для обогрева и приготовления пищи, вынос золы особенно велик из-за отсутствия фильтрующих систем. Это дает человечеству 100 000 чел.-Зв в год коллективной эффективной эквивалентной дозы. Длительное применение фосфатных удобрений, содержащих уран, торий и продукты их семейств, увеличивает радиоактивность почв на 0,25 - 1%. Радиоактивное загрязнение пищевых культур при этом незначительное. Однако, если удобрения применяют в жидком виде, пищевые продукты могут загрязняться радиоактивными веществами. Например, концентрация радия в молоке может достигать 25 Бк•м-3 по сравнению с обычными уровнями 3 - 10 Бк • м-3. Сами 12 предприятия, производящие фосфатные удобрения, способствуют повышению концентрации урана, радия, радона, тория в приземном воздухе до 14 раз по сравнению с их естественными концентрациями. Дополнительное загрязнение этими радионуклидами обусловлено сбросами в окружающую среду жидких отходов фосфатных производств, а также использованием их побочных продуктов - фосфогипса, шлаков в строительной промышленности. За год ожидаемая коллективная эффективная эквивалентная доза составит около 6 000 чел.-Зв т.е., в три раза больше, чем от тепловых электростанций. Следует отметить еще один вид облучения, опасный для человека, - это облучение от часов и других приборов со светящимися красками, содержащими радиолюминесцентные составы. Например, в Великобритании до сих пор в обращении находится 800 000 часов с циферблатом, содержащим радий. Радиоактивные вещества используются также в светящихся табло, указателях приборов. Вклад в коллективную дозу от такого рода источников сопоставим с дозой от атомной энергетики. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ЯДЕРНЫХ ВЗРЫВОВ Мощным источником загрязнения биосферы и изменения радиационного фона являются ядерные взрывы. Каждый из нас подвергается облучению радионуклидами глобальных выпадений в результате испытаний ядерного оружия. С 1945 по 1980 г. в атмосфере было осуществлено более 400 взрывов ядерных устройств США, СССР, Великобритании, Франции и КНР различного типа и мощности. В результате в биосферу выброшено 12,5 т продуктов деления, 3,4 т плутония и в меньших количествах других трансурановых элементов. В момент воздушного ядерного взрыва вследствие взаимодействия нейтронов с ядрами атомов воздуха образуются радиоактивные изотопы водорода 3Н и углерода 14С. Выброс трития примерно в 3 раза выше его равновесного содержания, а прирост углерода-14 составляет лишь 2,6%. Для сравнения следует отметить, что при взрыве атомной бомбы над Хиросимой выпало всего 1,1 кг продуктов. При взрыве радиоактивное облако, содержащее продукты ядерных реакций, поднимается на большую высоту. Она зависит от мощности взрыва, его типа (воздушный, наземный, подводный), места проведения испытаний и метеорологических условий. В тропосфере радионуклиды после взрыва остаются в среднем около месяца, опускаясь и рассеиваясь по поверхности земного шара, обычно на той же широте. Однако большая часть нуклидов пребывает в стратосфере от 3 до 24 месяцев, причем наиболее интенсивное их выпадение проис13 ходит в весенние месяцы по всей поверхности Земли, но преимущественно в северном полушарии. Наибольшее облучение человечество получило в 1963 - 1964 гг., почти 7% радиации от естественных источников. А в 1980 г. человечество получило 1% всей дозы от ядерных взрывов в атмосфере. При этом цезий-137 и стронцйй-90 (Т1/2 ~30 лет) будут давать вклад в облучение биосферы приблизительно до конца этого века, в результате человечество получит коллективную эффективную эквивалентную дозу порядка 3 600 000 чел.-Зв. При подземных испытаниях в атмосферу выделяется до 2% образующейся радиоактивности Выделившиеся в атмосферу короткоживущие нуклиды криптона и ксенона уже в виде радионуклидов цезия и стронция выпадают на Землю в течение нескольких часов. При этом, выпадение продуктов подземных взрывов носят в основном локальный характер. Оценка нынешней средней мощности эффективной эквивалентной дозы, обусловленной продуктами взрывов дала величину около 15 мкЗв • год-1 (~1% от мощности дозы, обусловленной естественным радиационным фоном 2 м3в • год-1). АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА И РАДИОАКТИВНОСТЬ В БИОСФЕРЕ Использование атомной энергии создает еще один источник поступления радиоактивности в биосферу. Атомные электростанции (АЭС) являются частью огромного производственного комплекса, называемого ядерным топливным циклом. Он включает ряд предприятий, начиная с добычи урановой руды, выделения соединений урана, обогащение их ураном-235, изготовление тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов), использование их в атомных реакторах АЭС и до переработки использованного ядерного топлива. Последнюю стадию представляет захоронение радиоактивных отходов. Все этапы этого производства способствуют загрязнению окружающей среды естественными и искусственными радиоактивными веществами. Уран получают из руды, добываемой в различных странах (Канада Франция, ЮАР, США). Производство урана в 1979 г. составляло 38 тыс.т, а в 1990 г. - 120 тыс. т. При добыче урана извлекается большое количество руды с концентрацией урана от 0,1 до 3%. При этом радиоактивность руды в тысячи раз превышает значения фона окружающей среды. Основным компонентом загрязнения является радон. На металлургических заводах при обработке и очистке уранового концентрата, а также на производствах по получению оксида или металлического урана выбросы радионуклидов в биосферу весьма малы. При работе АЭС попадание радиоактивных веществ в биосферу связано с возможной разгерметизацией отдельных ТВЭЛов. При этом некоторые радионуклиды распадаются быстро, другие живут долго. Величина радиоактивных выбросов у разных типов реакторов колеблется в широких пределах, причем в последнее время их количество уменьшается. 14 Радиоактивные выбросы АЭС и других предприятий ядерно-топливного цикла, работающих в технологически нормальном режиме, регулируются жесткими нормативами, поэтому выбросы незначительно изменяют природный фон и естественное содержание радионуклидов в природной среде. Используемые на АЭС технические меры обеспечивают высокий коэффициент удержания радионуклидов. Основную долю в выбросах радионуклидов АЭС составляют продукты деления, куда входят изотопы инертных газов, йода, стронция, цезия и тритий. Среди инертных радиоактивных газов особую значимость имеет криптон-85. Увеличение его концентрации в атмосфере может изменить в результате ионизации электропроводность воздушной среды и вызвать геофизические эффекты (уменьшение электрического заряда Земли, изменение магнитного поля и др.). В настоящее время не представляется возможным прогнозировать влияние повышения концентрации криптона на электрическое состояние атмосферы, поскольку необходим учет всех факторов, действующих на электропроводность воздуха (в частности, загрязнение атмосферы), и необходимо детальное изучение данной проблемы. На АЭС предусмотрена многобарьерная система изоляции радиоактивных веществ от окружающей среды. В нее входит: кристаллическая решетка топлива, в которой удерживаются радиоактивные продукты деления; герметичная оболочка ТВЭЛа; стенки корпуса реактора и трубопроводов с теплоносителем; всевозможные фильтры, железобетонные и стальные стены герметичных помещений, вокруг реактора и других систем АЭС, включая контейнмент-колпак, охватывающий всю реакторную установку. В нормальных условиях эти барьеры обеспечивают требуемую изоляцию радиоактивных веществ от окружающей среды. Как следствие этого, при нормальной работе АЭС население испытывает дополнительные радиационные воздействия не более 1% от естественного радиационного фона. В настоящее время в хранилищах АЭС разного типа накопилось около 37 тыс. тонн отработавшего ядерного топлива, извлеченного из реакторов. В год перерабатывают 700 — 750 тонн облученного топлива. При этом из него извлекают уран и плутоний с целью дальнейшего использования в качестве топлива атомных реакторов. Извлекаемые при переработке 90Sr 137Cs и ряд других радионуклидов частично используются в изотопных источниках тока. Остальные радионуклиды продукты деления урана и плутония являются высокоактивными отходами, которые подлежат контролируемому хранению или захоронению. Идут эксперименты по применению изотопов нептуния, плутония и трансплутониевых элементов америция и кюрия. Перед поступлением на переработку сборки тепловыделяющих элементов обычно выдерживаются в специальных хранилищах АЭС в течение длительного периода времени (от 4 месяцев до нескольких лет). Поэтому основное значение в выбросах предприятий по переработке имеют долгоживущие радионуклиды. Надежная долговременная изоляция радиоактивных отходов от биосферы является важной проблемой, от решения которой, в конечном счете, зависит 15 осуществление планов развития ядерной энергетики. Наибольшее внимание уделяется вопросам, связанным с разработкой методов обращения с высокоактивными отходами, в которых сосредоточено 99 % активности отработавших ТВЭЛов. Активность многих осколочных нуклидов сохраняется в течение сотен лет, а активность трансурановых и некоторых осколочных нуклидов, таких как 129J, 14C, 98Tc, – в течение сотен тысяч лет. В последние годы начато серьезное изучение экологической опасности трития, иода, радиоуглерода в глобальном, региональном и локальном масштабе. Вред от этих радионуклидов, проникающих в жизненно важные органы человека, не может быть оценен лишь на основе создаваемой ими дозовой нагрузки. Необходимы длительные наблюдения. Регламентирующей основой при выборе способов обращения с отходами служат рекомендации Международной комиссии по радиационной защите (МКРЗ), а также документы специальных органов в каждой стране, устанавливающие предельно допустимые уровни загрязнений природных объектов по каждому радионуклиду. В СССР таким документом являются Нормы радиационной безопасности (НРБ-76/87). На основе этих норм устанавливаются предельно допустимые выбросы вредных веществ из промышленных источников в атмосферу и гидросферу, обеспечивающие соблюдение стандартов (допустимых концентраций) на чистоту воздуха для населения, животного и растительного мира. В США применяют нормы АLАР (as low as ргасtiсаblе), т.е. столь низкие нормы сбросов радионуклидов в окружающую среду, какие только можно технически достичь. Они значительно ниже предельно допустимых и рекомендованных к МКРЗ норм, в основе которых лежит принцип АLАRА (as low as геаsопаblу асhievаble), т. е. настолько низких, насколько это целесообразно и приемлемо с учетом социальных и экономических факторов. История не знает другой отрасли промышленности, кроме атомной, к которой в самом начале ее развития предъявили бы столь жесткие требования по уменьшению ее воздействия на окружающую среду. Тем не менее не все задачи обезвреживания радиоактивных отходов доведены до технически приемлемых решений. Это задачи извлечения из газовых выбросов трития, йода, криптона, углерода, сокращения объемов образующихся в результате переработки топлива жидких отходов, разработки промышленных методов отверждения отходов высокого и среднего уровня активности с получением механически, химически, термически и радиационно стойких композиций, а также разработки способов хранения и захоронения отвержденных продуктов. Основная часть отходов образуется на двух стадиях ядерного топливного цикла: на атомных электростанциях (отходы среднего и низкого уровня активности) и в процессе переработки отработавшего ядерного топлива, а также его хранения. Переработка топлива АЭС производится с целью его регенерации для повторного использования (замкнутый ядерный топливный цикл). В открытом цикле облученное топливо отправляют на захоронение. При регенерации топлива стоит проблема обращения с высокоактивными отходами. При этом 16 используется один из распространенных подходов к решению экологических проблем - преобразование опасных отходов в нерастворимые неподвижные формы или их заключение в некорродирующие материалы. Многобарьерный принцип защиты окружающей среды от радиоактивных отходов основан прежде всего на создании иммобилизационного барьера (отверждение, остекловывание, переведение в минералоподобные керамики). В России разработана технология включения радионуклидов в стекло, отвечающее требованиям высокой химической устойчивости, низкой скорости выщелачивания радионуклидов в случае контакта с водой, термической и радиационной стойкости, обеспечивающих стабильность отходов при длительности хранения. Более прочные иммобилизующие материалы создаются на основе геохимических технологий. Такие материалы представляют керамики на основе стабильных новообразованных минералов (пирохлоров, перовскитов, цирконолитов, монацитов, содалитов и др.). Использование нержавеющей стали, меди, титана для изготовления контейнера формирует второй, «технический», барьер. Третий барьер - геологический, обеспечивается выбором места хранилища в подходящей геологической формации. Впервые он проявился при работе природного ядерного реактора в Габоне (1,8 млрд. лет назад). Основная часть продуктов деления и актинидов была поглощена глинистыми минералами. Следовательно, хранилища радиоактивных отходов следует окружать глинами с высокой ионообменной емкостью. Контейнеры с отходами могут быть также помещены в донные океанические осадки, соляные купола, пустоты в однородных вулканических породах. Можно рассматривать четыре способа изоляции отходов, в той или иной степени обеспечивающих предотвращение загрязнения биосферы радионуклидами: хранение отходов на поверхности Земли, захоронение в глубинные геологические формации, превращение долгоживущих нуклидов в короткоживущие сжиганием в ядерных реакторах, удаление в космос за пределы Земли. На практике, однако, пока используется только хранение отходов на поверхности Земли, при котором контролируемое хранение отходов осуществляют в надежно защищенных, многостенных хранилищах, обеспеченных сложными системами охлаждения, вентиляции и контроля. Удаление высокоактивных отходов в космическое пространство за пределы Земли обеспечивает наиболее полную их изоляцию от человека и окружающей среды. Однако не решена проблема надежности при запуске космических аппаратов и последствий возможного аварийного повторного входа в атмосферу капсулы с отходами. Превращение долгоживущих радионуклидов в короткоживущие и стабильные облучением в реакторе или на ускорителе можно рассматривать как заманчивую идею, позволяющую решить проблему их обезвреживания. Однако современный уровень техники недостаточен для его успешной реализации. Сегодня из способов окончательного удаления отходов из биосферы практически осуществим лишь способ захоронения контейнеров с отвержденными радиоактивными отходами в шахтные выработки в геологических глубинных устойчивых формациях. 17 Методы захоронения непереработанного топлива ядерных реакторов начали активно разрабатывать лишь недавно. В 1985 г. было сдано в эксплуатацию первое в мире хранилище для отработавшего топлива в Швеции. Хранилище сооружено в скальных породах на глубине около 50 м. Здесь топливо будет храниться 40 лет. В течение этого времени к 2020 г. будет построено хранилище для окончательного удаления топлива. Аналогичное строительство ведется в США и Канаде. К окончанию их строительства должны быть уточнены условия безопасного и надежного захоронения отходов. На АЭС производится примерно 14% электроэнерги, на ГЭС – 17%, на ТЭС – 69%. При этом дозы облучения персонала АЭС и ТЭС сопоставимы. Годовая коллективная эффективная доза облучения от всего ядерного цикла в связи с ростом производства атомной энергии возрастает от 500 чел.-Зв в 1980 г. до 10 000 чел.-Зв в 2000 г. и 200 000 чел.-Зв в 2100 г. Однако даже при очевидном существенном приросте дозы значения их к 2100 г. не превысят 1% от естественного фона. При этом люди, проживающие вблизи АЭС, получат большие дозы, чем население в среднем. Такие оценки делают для нормально работающих ядерных установок. И конечно, дозы значительно повышаются в аварийных ситуациях. Известны последствия наиболее крупных аварий: на плутониевом заводе в Уиндскейле (Великобритания) в 1957 г., на Южном Урале (СССР) в1957 г., на АЭС «ТриМайл-Айленд» (США) в 1979 г., на АЭС Чернобыля (СССР) в 1986 г. При этом пострадали 19 регионов РФ. Наиболее загрязнены Брянская, Калужская, Тульская и Орловская области. Так в отдельных районах Брянской области облучение проживающего населения доходит до 6,73 мЗв/год. Для сравнения – в зоне отселения после аварии на ПО «Маяк» экспозиционная доза не превышает 0,5 мЗв/год. Аварии существенно различаются по объему выброса и радионуклидному составу, по тяжести последствий воздействия этих выбросов и размерам территорий, подвергшихся загрязнению долгоживущими радионуклидами и выведенными из хозяйственного использования. Основной выброс в результате аварий: в Уиндскейле и на АЭС «Три-Майл-Айленд» составляли изотопы йода, на Урале - стронций-90. В Чернобыле наравне с йодом, который существенно распространился не только по территории СССР, но и стран Восточной и Западной Европы, в большом количестве попал в биосферу цезий-137 и другие продукты деления, трансурановые элементы (всего до 70 кг продуктов деления и до 12 кг плутония). На Чернобыльской АЭС произошло разрушение активной зоны реактора вследствие нарушения персоналом порядка и режима работы установки. При этом температура в активной зоне реактора достигала 2 500°С, что обеспечивало испарение ее содержимого более месяца. Коллективная эффективная доза внешнего и внутреннего облучения от выброшенной радиоактивности составит величину ~5 - 105 чел.-Зв (это восьмая часть дозы от последствий всех ядерных испытаний в атмосфере за 36 лет). Однако при всей масштабности чернобыльской катастрофы ее последствия несопоставимы с последствиями взрывов 18 атомных бомб. По результатам печальной статистики Хиросимы и Нагасаки число погибших за один год после взрывов составило 180 тыс. человек и 160 тыс. заболевших. Общие потери достигли 6,6 млн. человеко-лет полноценной жизни, что в 5 тысяч раз превышает острые чернобыльские потери. И все же в настоящее время наиболее серьезного рассмотрения заслуживают аварийные ситуации в атомной энергетике. Масштабы возможных аварий на предприятиях ядерного топливного цикла, а не уровень воздействия на человека и окружающую среду в условиях нормальной эксплуатации сегодня в значительной степени и определяют отношение общественности к ядерной энергетике. Крупные аварии подорвали доверие общественности к утверждению специалистов о ее безопасности. Необходимы конструктивные меры, защищающие общество от возможности повторения подобных событий. В целом по частоте несчастных случаев практическое использование атомной энергии в послевоенные годы занимает место в ряду наиболее благоприятных отраслей промышленности - швейной, пищевой и ткацкой. Не изменила общей картины и чернобыльская авария. В то же время ядерная энергетика - потенциально опасная отрасль энергопроизводства. Специалисты, занятые созданием АЭС, и ранее уделяли большое внимание оснащению этих объектов разветвленной системой контроля и ограничения масштаба и локализации аварии. Тем не менее ясно, что система предупреждения и локализаций радиационных аварий на АЭС нуждается в существенном усовершенствовании в целях увеличения надежности АЭС и снижения масштаба возможных радиационных последствий. Так, в 1992 - 1993 гг. на 9 АЭС в РФ зарегистрировано 184 происшествия, причем 3 из них были близки к аварии. РАДИАЦИЯ В МЕДИЦИНЕ По последним оценкам НКДАР при ООН, основной вклад в дозу, получаемую человеком от искусственных источников радиации, вносят медицинские процедуры с использованием рентгеновского излучения и методы диагностики и лечения с применением радионуклидов. В последние годы для терапии злокачественных опухолей начинают применяться быстрые протоны, нейтроны и пи-мезоны, получаемые с помощью ускорителей заряженных частиц. Весьма эффективным терапевтическим средством является применение борсодержащих препаратов. Они хорошо концентрируются в опухолях, а один из изотопов бора 10В с большой вероятностью расщепляется под действием медленных нейтронов с испусканием альфачастицы. Наибольшее развитие получили рентгенологические обследования населения с целью диагностики заболевания. Частота обследования в течение одного года на тысячу человек - до 900 процедур в промышленно развитых странах и до 200 процедур в развивающихся странах. В первую очередь, это рентгенография, флюорография, маммография, компьютерная томография. При этом дозы не превышают 2 миллиЗв. Технические усовершенствования и повышение 19 квалификации персонала позволяют значительно уменьшать дозы облучения при этих процедурах. Сюда относят уменьшение площади рентгеновского пучка, его фильтрация, убирающая лишнее излучение, использование более чувствительных пленок, правильная экранировка, компьютерная томография, позволяющая снизить дозу облучения в 50 раз. Частота диагностических обследований с использованием радиоактивных нуклидов существенно меньше частоты рентгенологических обследований (для промышленно развитых стран - до 40 обследований, для развивающихся стран до 2 обследований на 1 000 человек в год). Вклад этого типа обследований в эффективную эквивалентную дозу в настоящее время примерно в 20 раз меньше, чем от рентгенодиагностических обследований. Поглощенные дозы, характерные для радиотерапевтического курса лечения в онкологии, довольно высоки. Они составляют 20 - 40 Зв. Это рентгеновское излучение, гамма-лучи кобальтовых «пушек», имплантация источников радиации, использование нейтронов, протонов и тяжелых ионов. В настоящее время вклад рентгенодиагностических процедур в среднюю эффективную эквивалентную дозу доминирует среди всех видов использования ионизирующих излучении в медицине и составляет примерно 20% дозы от естественной радиоактивности, или 1 000 чел.-Зв. на 1 млн. населения. При этом медицинский персонал получает дозу в тысячу раз меньшую. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ Известно, что радиация действует на организм не равномерно, а «пачками» энергии. Поэтому, даже при небольшом ее количестве, повреждения могут быть очень серьезными. Тепловая же энергия действует равномерно, и повреждения, вызванные ею, возможны лишь при довольно значительных величинах. Сказанное выше можно проиллюстрировать простым примером падения груза массой в 1 кг на бегущего кролика. И песок и камень имеют одинаковую массу. Однако, если энергия падающего песка равномерно распределяется на тело бегущего кролика и не повреждает его, то энергия камня действует локально, и последствия будут более значительные. Радиация вредна для жизни. Уже первые работы с ионизирующими излучениями привели к радиационным поражениям. Так, в 1895 г. помощник Рентгена Вильям Груббе получил радиационный ожог рук и последующее тяжелое воспалительное заболевание кожи. Ожог и долго не заживающую язву получил Анри Беккерель (пробирка с радием несколько дней пролежала в его жилетном кармане). В настоящее время известно, что вред здоровью от радиации проявляется многочисленными эффектами в виде лучевой болезни, ожогов, катаракты, бесплодия, воспалений различных органов, лейкозов, раков, поражений плода и наследственных болезней. Международная комиссия по радиационной защите придерживается концепции о вредности радиации в самых малых дозах. Любая доза увеличивает риск заболевания раком, в первую очередь страдают 20 щитовидная и молочная железы. Рак легких преобладает у курильщиков и шахтеров. В последние десятилетия в связи с проблемой загрязнения биосферы продуктами ядерных взрывов большое внимание уделяется генетическим последствиям облучения. Сейчас уже доказана наследственная природа более 500 различных заболеваний человека, среди которых диабет, гемофилия, шизофрения. От тяжелых наследственных заболеваний страдает от 2 до 3% населения земного шара. Воздействие ионизирующих излучений на гены половых клеток может вызвать образование вредных мутаций, которые будут передаваться из поколения в поколение, увеличивая «мутационный груз» всего человечества. В каждой клетке человеческого организма 46 хромосом содержат около 10 тыс. генов, поэтому, хотя вероятность возникновения мутации определенного гена мала, а в целом для клетки - значительна. Частота мутаций гена составляет до 900, а частота мутаций хромосом – до 300 случаев на миллион живых новорожденных. Одна из радиобиологических концепций основана на беспороговой гипотезе действия радиации, о беспороговой линейной зависимости генетического эффекта от дозы облучения во всем диапазоне мыслимых лучевых воздействий. Однако эта гипотеза строго не доказана, поскольку изученные эффекты лежат в области больших доз, а экстрополяция линейных зависимостей эффекта от дозы с учетом точности измерений обоих параметров может маскировать наличие порога. В радиационной генетике недавно обнаружены явления пострадиационного восстановления генетических структур, что делает гипотезу наличия порога более вероятной. О радиационной устойчивости генов говорит также факт развития и совершенствования человечества в условиях естественного радиационного фона. Известно, что любой орган нашего тела лучше переносит серию мелких доз, чем ту же суммарную дозу облучения за один прием. Известно, что во всех случаях воздействия ионизирующих излучений на живые клетки в основе первичных изменений, возникающих в них, лежит передача энергии за счет ионизации и возбуждения атомов ткани. Поглощенная энергия тратится на разрыв химических связей с образованием высокоактивных в химическом отношении соединений (свободных радикалов). Поскольку у млекопитающих основную часть массы живого организма составляет вода (у человека - около 75%), решающее значение имеет косвенное воздействие через ионизацию молекул воды и химизм последующих реакций со свободными радикалами. Непосредственно или через цепь вторичных превращений свободные радикалы, взаимодействуя с молекулами белков, ведут к разрушению клеток живой ткани в основном за счет энергично протекающих процессов окисления. В радиобиологии устойчивость организма к воздействию радиации называют его резистенцией. Наименьшей резистенцией обладают млекопитающие, наибольшей - одноклеточные организмы. Некоторые бактерии с особо высокой устойчивостью к радиации обнаружены в воде, облученной дозой 105 Гр. Что касается высших животных, то для них более важное значение имеет чувствительность к радиации отдельных систем, органов. 21 Природные биологические объекты постоянно находятся под действием космического фона. Изменение последнего имеет определенную периодичность (циклы солнечной активности), что в свою очередь сказывается на содержании радионуклидов, например углерода-14, и должно влиять на жизнедеятельность биологических объектов. С 11-летним циклом солнечной активности связывают, например, периодические колебания популяции каракуртов. В то же время известен стимулирующий эффект действия малых доз излучения. Облучение всего тела малыми дозами может уменьшить вероятность образования раковых опухолей и тормозит дальнейшее их развитие, ускоряется заживление ран, возрастает сопротивляемость организма инфекциям. Можно выделить следующие острые последствия внешнего облучения организма: смерть при дозе 10 Гр и более; острая лучевая болезнь от 1 Гр и более, причем смертность возможна с дозы 2,5 Гр, а при дозе 5 Гр погибает половина облученных. Возможны мутации соматических и половых клеток. Первые вызывают развитие опухолей, последние - повреждения генетического аппарата клеток. Повреждения организма человека, вызываемые большими дозами облучения проявляются в течение нескольких часов или дней, онкологические заболевания – спустя 10 - 20 лет, а генетические поражения в следующих или последующих поколениях, т.е. через 30 - 60 лет. Локальное облучение выявило различную чувствительность органов и тканей человека. Доза 0,1 Гр, полученная семенниками, вызывает временную стерильность, в то время как стерильность яичников наблюдается от дозы в 3 Гр. Костный мозг перестает нормально производить клетки крови с дозы 0,5 Гр. Помутнение хрусталика возможно при локальной дозе 2 Гр. Ткани эмбриона наиболее чувствительны к облучению в промежутке между восьмой и пятнадцатой неделями беременности. Поражение кожи происходит в диапазоне от 8 до 30 Гр. Почки могут выдержать суммарную дозу в 23 Гр, печень – 40 Гр, мочевой пузырь – 55 Гр, хрящевая ткань 70 Гр, если эти дозы равномерно распределить в течение месяца РАЗВИТИЕ ФЛОРЫ И ФАУНЫ. АНТРОПОГЕНЕЗ Содержание радионуклидов в биосфере не было постоянным. В отдельные продолжительные периоды отмечены увеличения радиационного фона, что связывают с увеличением содержания урана в биосфере. Эпохи интенсивного накопления урана повторялись с периодичностью в 220 млн. лет, это совпадает с периодичностью галактического года. В течение галактического года существовало еще 7 периодов уранонакопления, повторяющихся в интервале в 32 млн. лет. Такие периоды обычно связывают с космосом и земными вулканическими процессами. Это обстоятельство, как правило, ускоряло процесс мутагенеза в органическом мире. Наименее резистентные организмы вымирали. Такие эпохи играли революционную роль в интенсификации темпов эволюции. Они совпадают с переломными моментами развития органического мира докембрия, кембрия, девона, карбона, юры и других геоло22 гических периодов. При этом установлен примерно одинаковый характер смены флоры и фауны в зависимости от содержания урана в биосфере. Многочисленные новые виды возникали в эпохи радиоактивности в результате мутаций. Появление на Земле антропоидов, а затем и человека, также происходило на фоне неоднократного повышения содержания урана в биосфере. В геологическую эпоху конца палеогена - начала миоцена (примерно 28 - 30 млн. лет тому назад) отмечено уранонакопление, совпадающее с длительным, примерно в 10 млн. лет, перерывом в развитии антропоидов. Появление антропоидов с наличием признаков Homo sapiens относят к концу ээма - началу вюрма (75 тыс. лет назад), что по времени совпадает с повышением интенсивности уранонакоп-ления. Второй максимум накопления урана приходится на начало голоцена (10 тыс. лет назад). До этого в центральной и западной Европе существовали крупные стойбища охотников позднего палеолита, оставивших на стенах пещеры шедевры доисторического искусства. Для мезолита (9,5 - 7,5 тыс. лет назад) характерны редкие очаги обособленных друг от друга культур. Повышение концентрации урана в осадках соответствует интенсивному накоплению органического вещества 7 - 6 и 4 - 3 тыс. лет назад. Для этого же времени характерен ярко выраженный перерыв в культуре (на Кипр - 1,5 тыс. лет, в Египте - 1 тыс. лет, в Палестине - 1,5 тыс. лет). Перерывы в культуре связаны, по-видимому, с воздействием ионизирующей радиации на сформировавшиеся к тому времени экосистемы, одним из компонентов которых был Homo sapiens. РИСК И ПРОТИВОРАДИАЦИОННАЯ ЗАЩИТА Ионизирующее излучение является вездесущим фактором нашей среды обитания, причем среды естественной. Эту малоприятную истину специалисты осознали уже в 50-е гг. Стал ясен и грядущий повсеместный рост ее уровней, преимущества, предоставляемые ядерными технологиями, предопределили их широкое внедрение в медицину, хозяйственную и научно-техническую деятельность во всех развитых странах. Отсюда и современный радиационный фон. НКДАР приводит следующие цифры: хроническое облучение населения с мощностью дозы 1 Гр на поколение сокращает трудоспособность, как и жизнь на 50 000 лет на каждый миллион живых новорожденных среди детей первого облученного поколения. При облучении последующих поколений той же мощностью трудоспособность сократится на 340 000 лет, а жизнь – на 286 000 лет на каждый миллион живых новорожденных. Почему же специалисты всех стран, причастные к применению ядерной технологии, мирятся с ростом воздействия излучения на людей привносимым техническим прогрессом? Следует отметить, что общемировая терпимость к радиационному риску ограничена лишь такими путями применения ионизирующего излучения, которые приносят несомненную медицинскую, хозяйственную или какую-то иную пользу. Никоим образом она не распространяется 23 на разбросанные, утерянные или похищенные источники излучения. Разумна любая правильно спланированная «радиационно опасная» деятельность людей. Можно предвидеть, заблаговременно оценивать возможные отрицательные последствия и выстраивать на их пути «заградительные меры», меры более или менее совершенные (и дорогие) в зависимости от размеров вероятного ущерба. Однако обходиться без применения опасных («рискованных») технологий современное общество не может. Среди других рискованных технологий радиационная имеет преимущества. Общая культура населения и глубокие знания последствий облучения для человека подразумевают разумную терпимость к радиации, обдуманное отношение к проблеме радиационного риска. Отношение людей к той или иной опасности определяется тем, насколько хорошо она нам знакома. Засекреченность информации об атомной энергетике способствовала формированию мнения о наиболее опасном риске от этого вида деятельности. В то же время некоторые имеющиеся радиационные опасности не привлекают внимания. В большинстве стран не обсуждается вопрос о неоправданно больших дозах облучения при рентгенологических обследованиях или о риске, связанном с наличием радона в закрытых помещениях, о радиационной опасности выбросов тепловых электростанций. Любая регламентация радиационного воздействия может только ограничивать риск в некоторых приемлемых пределах, но никак не предотвращать его полностью. Исключить риск невозможно, его можно и нужно минимизировать. Это часть общей стратегии поведения людей и их сообществ в условиях осознанной неизбежности риска, опасности любой антропогенной деятельности. При авариях на объектах атомной промышленности, связанных с выбросами в атмосферу радиоактивных веществ, возможны следующие пути облучения населения: - внешнее гамма-облучение при прохождении радиоактивного облака; - внутреннее облучение при вдыхании радиоактивных аэрозолей из факела радиоактивного выброса; - контактное внешнее облучение при загрязнении одежды и кожных покровов радионуклидами; - внешнее гамма-облучение от радиоактивных веществ, осевших на поверхности земли и сооружений; - внутреннее облучение от воды и пищевых продуктов, загрязненных радиоактивными веществами за счет ветрового подъема радионуклидов с загрязненных поверхностей. Планирование защитных мероприятий в подобных ситуациях выделяет три фазы. Ранняя фаза – от начала аварии до прекращения выбросов радионуклидов в атмосферу и завершения формирования радиоактивного следа на местности. Ее продолжительность - от нескольких часов до одного месяца. Наиболее вероятные пути облучения населения следующие: внешнее - из радиоактивного облака и внутреннее - из факела выброса. При этом внешне действуют радионук24 лиды: криптон-85, ксенон-133, цезий-134 - 137; а внутренне – йод-131, плутоний-239 - 241 и америций-241. Промежуточная фаза - от завершения формирования радиационной обстановки до принятия мер по защите населения. Продолжительность этой фазы до одного года. Основную роль в облучении населения будут играть радионуклиды, выпавшие на поверхность почвы: цезий-134 - 137, цирконий-95, рутений103, - 106, ниобий-95, церий-144, барий-140. Последняя фаза - спустя год после аварии. В эту фазу наибольшую опасность для населения представляют: цезий-134 - 137, стронций-90, плутоний239, америций-241. Поскольку радионуклиды цезия и стронция являются физиологическими аналогами кальция и калия, они активно включаются в биологические цепи. При этом их роль во внутреннем облучении незначительна, но рацион питания способен увеличить скорость их всасывания на порядок, т.е. в 10 раз. Средства защиты базируются на комбинации трех факторов: времени, расстояния, экрана. Поэтому, чем дольше длится облучение, тем тяжелее последствия; чем дальше источник облучения, тем меньше доза; чем толще экран, тем эффективнее защита. Радиопротекторы позволяют человеку переносить дозу примерно в 2 раза больше смертельной. Это цистеин, цистамин, цистофос, WR-2721. Вводят их до облучения организма. Предельно допустимыми считаются дозы для персонала АЭС – 29 мкЗв, для проживающих вблизи станций - 2,4 мкЗв, для остального населения – 0,6 мкЗв в час. С учетом фаз аварии рекомендованы следующие мероприятия по защите. В раннюю фазу аварии – укрытие в помещениях и защита органов дыхания и кожи, прием радиопротекторов. Элементарная герметизация помещений подручными средствами позволяет снизить потенциальную дозу внутреннего облучения до 10 раз. Простейшие фильтры вдыхаемого воздуха - носовые платки, полотенце, одежда дают 47 - 94% очистки, а штатный респиратор – 99,5%. В защите кожи большая роль принадлежит одежде с длинными рукавами, заправленной в брюки, последние - в сапоги, куртке с капюшоном. Любое моющее средство смывает с кожи радионуклиды. Так, после однократного применения хозяйственного мыла остается не более 7% первоначальной радиоактивности. Прием радиопротекторов - средств, повышающих устойчивость организма к воздействию радиации, включает в себя прием иодистого калия. Введение его в организм за 6 и более часов до появления аэрозолей иода-131 дает 100процентную защиту. Поддерживающая доза составляет 125 мг в сутки, беременным женщинам и детям дозу снижают в 3 - 5 раз. В промежуточную и отдаленную фазы основной путь поступления радионуклидов - с водой и пищей. С поверхности почвы они проникают в глубь ее, на целинных землях - на несколько миллиметров в год, на пахотных – на глубину пахотного слоя. Глинистые и черноземные почвы замедляют процесс. Через корни растений радионуклиды попадают в стебель, листья, плоды в ко25 личестве до 1% от содержания в поверхностном слое почвы. Увеличение содержания в почве аналоговых элементов калия и кальция (для цезия-137 и стронция-90 соответственно) замедляют процесс усвоения их растениями. Песчаные почвы и слабощелочная реакция земель ускоряют, а глинистые почвы и слабокислая реакция - замедляют процесс всасывания. На сухих почвах коэффициент накопления выше, чем на увлажненных. В травянистых растениях радионуклиды концентрируются в стебле, в древесных - в листьях и хвое (до 80% активности). Зерновые культуры меньше накапливают радионуклиды, чем травы. При ведении личного хозяйства целесообразно проводить мероприятия, снижающие дозовую нагрузку у населения. Поддерживать слабокислую реакцию почв следует известкованием двойным суперфосфатом, хлористым или сернокислым калием по 3 кг на всю глубину пахотного слоя. Листья плодовых деревьев и стебли сорняков целесообразно не просто удалить с огорода, а закопать в траншеи на 1 - 2 м выше грунтовых вод. Не следует проводить выпас скота на заливных лугах, за счет талых вод радиоактивность там выше. Нельзя использовать золу в качестве удобрений и проводить заготовку сена в лесу. Молоко лучше использовать не цельное, а в виде кисломолочных продуктов. Любая кулинарная обработка пищевых продуктов снижает содержание радионуклидов в них в 1,5 - 2 раза. Накопление цезия-137 в мясе следующее: у телят – 4%, у баранов - 15%, у свиней - 25%, у кур - 100% радиоактивности суточного рациона. Высокие коэффициенты накопления радионуклидов у уток, лысух, казарок. При низкой температуре водоема рыба меньше накапливает радионуклиды, поэтому ее лучше ловить осенью и зимой. Если в водоемах есть раки, то радионуклидов мало, поскольку ракообразные являются биоиндикатором любого загрязнения водоемов. Засекреченность питает страхи. Следует значительно повысить роль общественности в оценке того риска, который ей предлагают. Возможно, люди не захотят разделять этот риск. Выход из этой ситуации - в знаниях, объективных, фундаментальных, разносторонних и надежных. Знание - лучшее "противоядие" от страха и подозрений. Чем больше люди знают о пользе радиации и об опасности, которую она влечет за собой, тем легче им будет решать вопрос о роли, которую следует отвести радиации в современном обществе. Только через всенародное обсуждение можно решать, какое количество электроэнергии должно производится АЭС, и надо ли ввозить в страну отработанное ядерное топливо для хранения. ЛИТЕРАТУРА 1. Булдаков Л.А. Радиоактивные вещества и человек. М.: Энергоатомиздат, 1990. 112 с. 2. Вредные химические вещества. Радиоактивные вещества: Справ. изд. / В.А. Баженов и др. Л.: Химия, 1990. 464 с. 26 3. Колышкин А.Е., Рыбальский Н.Г. Радиационная безопасность. М.: Экологический вестник, 1995. 47 с. 4. Крисюк Э.М. Радиационный фон помещений. М.: Энергоатомиздат, 1989. 58 с. 5. Орлова А.И. Радиоактивность и экология. Н. Новгород: Принт, 1991. 28 с. 6. Радиация. Дозы, эффекты, риск. Пер. англ. М.: Мир, 1988. 80 с. 7. Радиохимическая переработка ядерного топлива АЭС. М.: Энергоатомиздат, 1989. 120 с. 8. Руднев А.В. Радиационная экология. М.: МГУ, 1990. 208 с. 9. Холл Э. Дж. Радиация и жизнь: Пер. с англ. М.: Медицина, 1989. 256 с. 27 Содержание ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................ 3 ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ПОНЯТИЯ .................................................... 4 ЕСТЕСТВЕННЫЙ РАДИОАКТИВНЫЙ ФОН ......................................... 6 РАДИОАКТИВНЫЙ ФОН В ПОМЕЩЕНИЯХ ......................................... 8 ТЕХНОГЕННО ИЗМЕНЕННЫЙ РАДИОАКТИВНЫЙ ФОН ................. 12 ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ЯДЕРНЫХ ВЗРЫВОВ ............. 13 АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА И РАДИОАКТИВНОСТЬ В БИОСФЕРЕ .. 14 РАДИАЦИЯ В МЕДИЦИНЕ .................................................................... 19 БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ ..................................... 20 РАЗВИТИЕ ФЛОРЫ И ФАУНЫ. АНТРОПОГЕНЕЗ ............................. 22 РИСК И ПРОТИВОРАДИАЦИОННАЯ ЗАЩИТА .................................. 23 ЛИТЕРАТУРА .......................................................................................... 26 28 Радиация в биосфере Методическое руководство Составитель Середняков Владимир Евгеньевич Редактор, корректор А.А. Антонова Компьютерная верстка И.Н. Ивановой Лицензия ЛР N 020319 от 30.12.96. Подписано в печать 24.05.01. Формат 60 ×84/16. Бумага тип. Усл. печ. л. 2,6. Уч.-изд. л. 1,72. Тираж 30 экз. Заказ Оригинал-макет подготовлен в редакционно-издательском отделе ЯрГУ Отпечатано на ризографе. Ярославский государственный университет. 150000, Ярославль, ул. Советская, 14. 29
