Введение в «Ветеринарную радиологию»

Космическое излучение – этот вид ионизирующего излучения представляет поток частиц и лучей, непрерывно падающих на земную поверхность, как из космоса, так и из атмосферы Земли. Космические излучения приходят к Земле из глубин Вселенной и от Солнца. Северный и Южный полюса получают больше радиации, чем экваториальные области, из-за наличия у Земли магнитного поля, отклоняющего заряженные космические       частицы. Уровень облучения объектов растет с высотой, поскольку воздух (атмосфера) играет роль защитного экрана. Радиационный фон, создаваемый космическим излучением, дает чуть меньше половины внешнего облучения получаемого населением от естественных источников.

Космическое излучение по происхождению может быть первичное и вторичное. Первичное космическое излучение представляет собой поток частиц и лучей высоких энергий (100  МэВ и более) и определяется тремя разновидностями: галактическим и солнечным излучениями, радиационными поясами Земли.

Галактическое излучение попадает в нашу Солнечную систему из межзвездного пространства и представлено в основном протонами (до 90%) и ионами гелия (около 10%). Менее  1% составляют нейтроны, электроны, фотоны и ядра легких элементов (Li, Be, B, C, N, O, F).

Солнечное космическое излучение образуется в процессе вспышек на Солнце  и представлено ультрафиолетовым и рентгеновским излучениями, а также протонами и альфа-частицами. Солнечная активность неравномерна, в ее интенсивности различают 11 летние циклы.

Радиационные пояса Земли расположены на расстоянии 1,2-8 земных радиусов от экватора. Различают внешний и внутренний пояса. По видам излучения они представлены протонами, электронами и альфа-частицами.

Из первичного космического излучения лишь немногие компоненты достигают Земли, большинство их исчезает на высоте 20 км. Взаимодействуя с атмосферой, они образуют вторичное космическое излучение, которое состоит из всех известных в настоящее время элементарных частиц и излучений. В основном они представлены мезонами (70%), электронами и позитронами (26%), протонами (0,05%), а также быстрыми и сверхбыстрыми нейтронами, фотонами.

По энергии и составу вторичное космическое излучение (для оценки биологического действия) делят на четыре компонента:

мягкий (энергия частиц и фотонов порядка 100 МэВ);

жесткий (µ± -мезоны – 600 МэВ, протоны - > 400 МэВ, α-частицы, π± -мезоны);

сильноионизирующий (продукты ядерных расщеплений: протоны, α-частицы, дейтроны, тритоны, тяжелые осколки ядер с энергией 10-15 МэВ);

нейтронный (нейтроны различных энергий).

На уровне моря космическое излучение состоит в основном их мягкого (поглощается слоем свинца толщиной 8-10 см, железа 15-20 см) и жесткого (проходит через свинец толщиной более 1 м) компонентов.

Интенсивность космического излучения зависит от солнечной активности, географического расположения объекта (широты), и возрастает с высотой над уровнем моря.

Доза космического излучения в биологических тканях на 11% больше, чем в воздухе и составляет за сутки 1,1 мкГр. За год – 0,4 мГр.

Эффективная эквивалентная доза космического излучения за год на уровне моря для средних широт составляет 300 – 320 мкЗв. Люди, живущие на высоте 2000 м и выше, как и обитающие здесь животные, получают облучение в несколько раз больше.

Пассажир турбореактивного самолета при перелете из Москвы в Хабаровск получает дозу порядка 50 мкЗв.

В биосфере Земли содержится более 60 естественных радионуклидов. Они условно могут быть разделены на три группы:

• Радионуклиды, входящие в состав трех радиоактивных семейств: урана-радия (Т½ - 4,51·109), тория (Т½ - 1,41·1010),  актиния (Т½ - 7,07·108).
• Радиоактивные элементы не входящие в семейства, но находящиеся в земной коре и объектах внешней среды с момента образования Земли (40K, 48Ca,  87Rb).
• Космогенные радионуклиды, непрерывно образующиеся в результате взаимодействия космического излучения в атмосфере с ядрами атомов азота, водорода, кислорода и др., а затем поступающими на земную поверхность с атмосферными осадками. К ним всего относится 14 радионуклидов: 3H, 7Be, 14C, 22Na  и др.

В земной коре больше всего содержится радиоактивного изотопа 87Rb  (Т½   - 4,9 ·1010 лет, мягкий бета-излучатель), радионуклида калия меньше, но его радиоактивность выше радиоактивности суммы всех других естественных радиоактивных элементов. Тогда как  содержание урана и тория в десятки и сотни раз, а радия в миллионы раз меньше.

 Все типы природных вод (океаны, моря, озера, реки, пруды) содержат радиоактивные  элементы. Больше содержится урана, тория и радия в подземных водах. Во флоре и фауне концентрация естественных радионуклидов, как правило, ниже, чем в почвах, на которых произрастает растительность и обитают животные.  Это связано с коэффициентом перехода радионуклидов из почвы в растения и далее в организм животных, а также со степенью усвоения их. Радионуклиды могут попасть в атмосферу и, прежде всего в результате выветривания земных пород и разложения органических веществ.

Существенное значение в облучение населения играют радионуклиды рубидий и радон. Радон поступает в приземный слой атмосферы из почвы, а также вследствие распада радиоактивных семейств.

В настоящее время имеется относительное равновесие между поступлением радионуклидов в сферу круговорота и их количеством, которое выбывает за счет образования осадочных пород и радиоактивного распада.

2. Фоновая доза облучения

Фоновая доза обусловлена внешним и внутренним облучением биологических объектов, включая человека и животных,  различными  источниками радиоактивного излучения.  Внешнее облучение происходит от космического излучения, естественных и искусственных радиоактивных  источников из окружающей среды. Нормативный уровень гамма-фона (мощность экспозиционной дозы) считается до 20 мкР/ч.

 Внутреннее облучение связано  с поступлением радионуклидов  в организм человека и животных, прежде всего по пищевым и кормовым цепочкам, а также с воздухом и через кожу.

На высоте уровня моря мощность поглощенной дозы от космического излучения составляет примерно 3,2 мкрад/ч или за год поглощенная доза достигает значения 28 мрад. Надо учитывать, что с увеличением высоты интенсивность космического излучения возрастает и дозы на выстоте 2-3 км больше в 3-6 раз, чем над уровнем моря.

Поглощенная доза от природных радионуклидов при внешнем облучении имеет широкие пределы и для населения составляет около 32 мрад в год. Общая годовая поглощенная доза внешнего облучения от  естественных источников может доходить до 60 мрад (28 мрад + 32 мрад) и более. Эффективная эквивалентная доза получаемая населением за год от внешнего облучения составляет около 0,7 мЗв.

На Земле имеются места (г. Гуаранари в Бразилии, штат Керал в Индии и др.), где жители получают дозы до 1600 мрад, что значительно выше обычных доз.

При внутреннем облучении поглощенные дозы в основном обусловлены радионуклидами 40K и 222Rn и составляют порядка 30 мрад. Эффективная эквивалентная доза получаемая населением  за год при внутреннем облучении составляет около 1,5 мЗв. Суммарная годовая эффективная эквивалентная доза получаемая населением от внешнего и внутреннего облучения от естественной радиоактивности составляет около 2,2 мЗв.

 Однако при учете фонового  облучения следует учитывать  дозы, которые человек и животные  могут получить от техногенных  и искусственных источников излучения. В Великобритании человек ежегодно  при рентгенологических исследованиях  получает около 100 мрад, от излучения телевизора – 10 мрад, отходов атомной промышленности - около 3 мрад. Таким образом, происходит накопление фоновой дозы облучения, которая имеет широкие пределы. В целом общая поглощенная доза, получаемая человеком за год, составляет от 90 до 240 мрад.

Общая эффективная эквивалентная доза за год, получаемая населением от различных источников,  может составлять 2,4 – 2,5 мЗв.

В последние годы появляется все больше данных, указывающих на то, что радиационный фон связан с появлением спонтанных опухолей разного вида и мутаций, обусловленных повреждением хромосом.

3. Источники радиоактивного  загрязнения внешней среды

К основным искусственным источникам загрязнения внешней среды относятся:

1. Урановая промышленность.
2. Ядерные реакторы.
3. Радиохимическая промышленность.
4. Места переработки и захоронения радиоактивных отходов.
5. Использование радионуклидов в народном хозяйстве.
6. Ядерные взрывы.

Урановая промышленность занимается добычей, переработкой, обогащением урана и приготовлением ядерного топлива. Основным сырьем является уран–235, которого содержится в природном уране 0,7%. 235U под действием тепловых нейтронов испытывает реакцию деления. И поэтому на каждом из этапов производства урановой промышленности возможно загрязнение окружающей среды. Сохраняется опасность загрязнения среды   при транспортировке и хранении радиоактивных материалов.

Ядерные реакторы в своих активных зонах содержат большое количество радиоактивных веществ. Аварии реакторов могут быть вызваны разрушением контура теплоносителя и оболочки твэлов, расплавлением активной зоны и др. При работе реакторов в них образуется до 20% газообразных и летучих веществ, которые частично могут попасть в атмосферу.

После крупных аварий на американской АЭС "Три Майл Айленд" (1979) и Чернобыльской АЭС (1986) на всех российских атомных электростанциях был выполнен комплекс мер, исключающих повторение таких тяжелых ситуаций. В настоящее время завершаются модернизация и техническое перевооружение энергоблоков АЭС первого поколения, что позволило не только существенно повысить уровень их безопасности, но также дало возможность обеспечить продление проектного срока эксплуатации на 5-10 лет.

Главной задачей, стоящей перед атомной энергетикой России на ближайший период, являются обеспечение высокого уровня безопасности АЭС и поддержание достигнутого уровня производства электроэнергии с последующим ростом.

Радиохимическая промышленность. Отработанные твэлы поступают на предприятия регенерации ядерного топлива, где выделяют уран, плутоний и другие продукты деления урана, которые могут быть использованы в качестве источников излучения (открытые и закрытые источники). Потенциально такие предприятия являются источниками загрязнения внешней среды за счет радиоактивности сточных вод и радиоактивных газов.

Места переработки и захоронения радиоактивных отходов. Согласно экспертным оценкам, на начало ХХI века ежегодное количество отходов атомной промышленности в США может составить 4250 т, что эквивалентно массе отходов, которые могли бы образоваться при взрыве 8 млн. атомных бомб типа сброшенных на Хиросиму. Время хранения радиоактивных отходов до их полной безопасности примерно составляет 20 периодов полураспада каждого вида содержащегося в отходах радионуклида (для цезия-137 – около 640  лет, для плутония-239 – 490 тыс. лет).

Радиоактивные отходы собираются к местам переработки  и хранения специальными транспортными средствами, в частности в России специально оборудованными поездами, автотрейлерами и судами. Это позволяет безопасно доставить радиоактивные отработанные материалы к местам их постоянного хранения.  Таким местом в России является предприятие «Маяк» (Челябинск). Новое хранилище отходов ядерного топлива будет построено в Железногорске. В отличие от существующего, где ядерные «сборки» находятся под водой, новое хранилище будет «сухим» (это более безопасно). Такие хранилища относительно надежны и безопасны, так как содержат огромные активности (авария в 1957 г. вблизи г. Кыштым на Южном Урале).

Использование радионуклидов в народном хозяйстве. Радиоактивные вещества в виде открытых и закрытых источников широко применяются в промышленности, медицине, сельском хозяйстве и других отраслях народного хозяйства. Радиоактивные излучения от источников могут создавать опасность загрязнения внешней среды при плохом их хранении и сбережении. Наибольшее загрязнение создают радиоизотопные лаборатории, работающие с радионуклидами в открытом виде. Все это в целом приводит к потенциальному накоплению радионуклидов во внешней среде.

Ядерные и термоядерные взрывы. При ядерных взрывах осуществляется реакция деления ядер тяжелых элементов (235U, 239Pu, 233U, 238U), возникающая в результате действия на них нейтронов. При ядерных взрывах образуется около 250 изотопов (225 радиоактивных) 35 элементов. Дополнительным источником радиоактивного загрязнения местности в районе взрыва служит наведенная радиоактивность (активация), обусловленная воздействием потока нейтронов, образующихся при цепной реакции деления урана или плутония, на ядра атомов веществ окружающей среды. При термоядерных взрывах происходит реакция синтеза (слияние ядер легких элементов – дейтерия и трития и образование более тяжелого ядра – гелия, происходящее при десятках миллионов градусов) возникает интенсивный поток нейтронов, вызывающий образование большоко количества продуктов активации (тритий, бериллий, углерод и др.).

 Наибольшее загрязнение продуктами  радиоактивного распада произошло  в результате взрывов атомных и ядерных бомб (их испытания). Максимум этих испытаний приходится на два периода: первый – на 1954-1958 годы, второй – 1961-1962 годы. К 1963 году, когда был подписан СССР и США Договор о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, космическом пространстве и под водой (не был подписан Францией и Китаем, которые еще провели серию ядерных взрывов в атмосфере), в атмосфере уже находились продукты взрывов общей мощностью свыше 170 Мегатонн (это примерно мощность взрыва 8500 атомных бомб, сброшенных на Хиросиму). В настоящее время действует мораторий на подземные испытания, они обычно не сопровождаются образованием радиоактивных осадков. Однако геополитическая обстановка в мире, научно-технических прогресс  свидетельствуют о вероятном возобновлении в ближайшие годы испытаний ядерного оружия, а также увеличивается вероятность применения ядерного оружия в конфликтных ситуациях и применения террористскими организациями так называемых «грязных» бомб (содержащих радиоактивные вещества).