3. ПРИКЛАДНАЯ ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА 3.3. Биологическое действие излучений 1 3.3. Биологическое действие излучений 3.3.1. Действие ионизирующих излучений на биомолекулы. клетки, органы, организм в целом. Лучевая болезнь человека. Фоновое облучение человека Ядерные излучения оказывают сильное поражающее действие на все живые существа от вирусов и бактерий до млекопитающих. Первичным действием излучения является ионизация макромолекул нуклеиновых кислот и белков. Существует два механизма повреждения биомолекул: в прямом механизме ядерная частица непосредственно воздействует на сами макромолекулы, которые поглощают энергию излучения. В косвенном механизме излучение производит радиолиз воды, продукты которого – свободные радикалы ОН-, Н-, НО2, Н2 ,О2 вступают с химические реакции с макромолекулами. При поглощенной дозе в 1 рад в каждой клетке осуществляются сотни тысяч актов ионизации в клеточных структурах. Под действием первичных процессов в макромолекулах в клетках возникают функциональные изменения. Некоторые клетки или одноклеточные организмы, например кишечная палочка, гибнут от единичного акта ионизации. Внутри клетки ядро и митохондрии гораздо чувствительнее цитоплазмы. Радиационное поражение клетки происходит в три этапа: физический, с образованием активных центров (ионизированные молекулы и радикалы); химический, в виде взаимодействия радикалов белков, нуклеиновых кислот с водой, кислородом, биомолекулами с образованием органических перекисей и различных реакций окисления, биохимический, состоящий в том, что освобожденые ферменты из клеточных органелл проникают через биологические мембраны, в которых увеличена их проницаемость, из-за перекисного окисления липидов, и приводят к распаду нуклеиновых кислот и белков клетки. Наиболее важные изменения в клетках: повреждение механизма деления и хромосомного аппарата клетки, блокирование процессов обновления и дифференцирования клетки, блокирование процессов размножения клеток и последующей физиологической регенерации тканей. У человека наиболее чувствительны к облучению кроветворные органы (костный мозг,селезенка, лимфатические железы), эпителий половых желез и слизистая оболочка кишечника. Кислородный эффект – увеличение поражения макромолекул. клеток и организма в целом в три раза при повышении концентрации кислорода от 0 до 30%. Лучевая болезнь человека Лучевая болезнь человека возникает в результате действия на организм человека ионизирующего излучения. В зависимости от характера 3. ПРИКЛАДНАЯ ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА 3.3. Биологическое действие излучений 2 пространственного распределения дозы различают лучевую болезнь, вызванную общим облучением или местным, по распределению дозы во времени – острую и хроническую лучевую болезнь. Развитие лучевой болезни может быть обусловлно внешним облучением или воздействием радионуклидов, поступивших внутрь организма. Так, йод 137 53 J накапливается 239 в щитовидной железе, плутоний 94 Pu – в легких, стронций 90 38 Sr – в костях. Острая лучевая болезнь имеет следующие периоды: Период формирования: фаза первичной реакции, фаза кажущегося благополучия, фаза выраженных клинических изменений, фаза непосредственного восстановления. Период восстановления 4-8 недель. Период исходов и последствий. Хроническая лучевая болезнь: 1-я степень (легкая): нервно-регуляторные нарушения сердечно-сосудистой системы и нестойкое умеренное падение количества эритроцитов и реже падение количества тромбоцитов. 2-я степень (средняя) – углубление нервно-регуляторных нарушений с появлением функциональной недостаточности пищеварительных желез, сердечно-сосудистой и нервной систем, нарушение обменных процессов, стойкое падение лейкоцитов и тромбоцитов. Симптомы лучевой болезни при кратковременном общем облучении совпадают с длительным облучением солнечным светом. Радиопротекторы – органические вещества, содержащие серу, ослабляющие биологическое действие ионизирующих излучений. Молекулы этих веществ активно вмешиваются в процесс миграции энергии, оттягивая на себя значительную часть поглощенной энергии, что резко снижает поражение микромолекул организма. Радиопротекторы действуют до облучения, и их принимают заранее. Примерами радипротекторов являются серотонин (5-окситриптамин) и цистомин (дисульфид -меркаптоэтиламин). 50% защитного действия серотонина состоит в гипоксическом действии биогенных аминов. Биогенные амины разрушают перекиси и подавляют перекисное окисление липидов в микросомах. Радиопротекторы позволяют сохранять работоспособность персонала в течение определенного времени при получении летальных доз. Фоновое облучение человека Фоновое облучение среды существовало всегда. Оно создается космическим излучением, естественными и искусственными радиоактивными веществами, содержащимися в теле человека и в окружающей среде (воздух, вода, почва). На уровне моря космическое излучение дает мощность поглощенной дозы D = 0,032 мкГр/час. Мощность эквивалентной дозы H 0,035 мкЗв/час. На высоте 4 км уже D = 0,14 мкГр/час , H = 0,2 мкЗв/час . 3. ПРИКЛАДНАЯ ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА 3.3. Биологическое действие излучений 3 Для средних широт на уровне моря на открытой местности D =2,8·10-4 Гр/год + нейтронная компонента 3,5·10-6 Гр/год. Если принять коэффициент качества для нейтронной компоненты k = 6, то эффективная эквивалентная доза космического излучения составляет H 300 мкЗв/год. Мощность поглощенной дозы в воздухе на высоте 1 м от радионуклидов внешней среды колеблется в пределах 3,7 9,4·10-8 Гр/час. В районах с повышенным 226 содержанием тория 232 90Th в почве (моноцитовые пески) или 88 Ra в воде в Индии, Бразилии, Франции, Иране D lim 2 10-6 Гр/час и 5 10-5 Гр/час соответственно. Мощность поглощенной дозы в домах из дерева 0,04 мкГр/час, из кирпича – 0,9 мкГр/час, из бетона – 0,14 мкГр/час. Эффективная доза внутренноего облучения вдвое больше дозы внешнего облучения H внутр= 1,34 мЗв/год, в основном за счет изотопов радона в воде. Дозы от искусственных источников в окружающей среде и быту Технологически повышенный естественный радиационный фон возникает при сжигании угля в электростанциях и домах. Уголь содержит 238 232 изотопы калия 40 19 K , урана 92 U и тория 90Th в равновесии с продуктами их распада. В угольной золе содержится в среднем удельная активность, показанная в табл. 3.3. Средняя удельная активность золы Нуклид Удельная активность, Бк/кг К 265 40 238 U 200 226 Ra 240 210 Pb 930 210 Po 1700 Таблица 3.3 232 90 Th 70 232 90 Th 110 228 88 Ra 130 Средняя эквивалентная индивидуальная доза облучения в районе расположения угольной ТЭС электрической мощностью 1 ГВт : H экв=1140(кости)+145(костный мозг)+420(легкие)+5,3(все тело) = 1710 мкЗв/год Население, проживающее в районе АЭС мощностью 1 ГВт ∙ год, получает эквивалентую дозу в 5–40 раз меньшую, чем в районе угольной ТЭС при зольности угля 10% и коэффициенте очистки образующейся золы 0,975. Мощности дозы облучения всего тела при полетах и от бытовых приборов приведена в табл.3.4 Следует отметить, что всякое дополнительное облучение всегда добавляется к фоновому облучению. Дозы имеют кумулятивный характер. 3. ПРИКЛАДНАЯ ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА 3.3. Биологическое действие излучений Мощности дозы облучения всего тела человека Источник излучения Самолет на 8км Часы с 226 88 Ra Активность Мощность Бк=расп/сек поглощенной дозы, мкГр/час 0,84 3 3,7 ∙ 10 0,074 4 Таблица 3.4 Мощность эквивалентной дозы, мкЗв/час 1,35 0,074 Часы с 31 H 40 ∙ 106 3,7 ∙ 10-5 3,7 ∙ 10-5 Часы с 147 61 Pm Цветной телевизор 5 см от экрана Цветной телевизор 250 см от экрана 1,5 ∙ 106 2 ∙ 10-4 2 ∙ 10-4 - 100 2,5 ∙ 10-3 100 2,5 ∙ 10-3 3.3.2. Нормы и правила радиационной безопасности (НРБ –99/2009). Основные санитарные правила (ОСП-72/80)» – основные руководящие документы в области радиационной безопасности При работе с источниками ионизирующего облучения необходимо соблюдать три принципа радиационной безопасности : Исключение всякого необоснованного облучения. Непревышение дозового предела. Снижение дозы облучения до возможно более низкого уровня. Для того чтобы предупредить соматические и свести к минимуму генетические последствия, необходимо ограничивать дозу внешнего и внутреннего облучения персонала и всего населения при применении, хранении, транспортировке радиоактивных веществ, при использовании ядерных реакторов, ускорителей заряженных частиц, рентгеновских аппаратов и других источников ионизирующих излучений. В России действует межведомственный документ, регламентирующий допустимые количественные уровни воздействия ионизирующих излучений с учетом внешнего и внутреннего облучения человека. Это новые редакции «Нормы и правила радиациооной безопасности НРБ-99/2009» и «Основные санитарные правила ОСП-72/80», которые имеют законодательный характер, а также Федеральный Закон «О радиационной безопасности населения». Нормами радиационной безопасности регламентированы: три категории облучаемых лиц Категория А – персонал (лица, непосредственно работающие с источниками излучения). Категория Б – ограниченная часть населения (лица, находящиеся на территории источников излучения). Категория В – население области, края. республики , страны, и три группы критических органов. Первичными нормативами являются предельно допустимая доза ПДД облучения работающего персонала и предельно допустивые дозы ПД категории Б (см. табл. 3.5). 3. ПРИКЛАДНАЯ ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА 3.3. Биологическое действие излучений 5 Предельно допустимые дозы ПДД не включают в себя дозы естественного фона и дозы, получаемые при медицинском обследовании и лечении. Таблица 3.5 Дозовые пределы внешнего и внутреннего облучения Группа критических органов ПДД КатегорияА мЗв/год I все тело,гонады, красный косный мозг 50 II мышцы, щитовидная железа, жировая ткань, 150 печень.почки, ЖКТракт, легкие, хрусталик глаза и др. органы (кроме Iи III) III кожный покров, костная ткань, кисти, 300 предплечья, лодыжки, стопы ПД КатегорияБ мЗв/год 5 15 30 Облучение персонала Максимальная индивидуальная эквивалентная доза облучения персонала не должна превышать ПДД за год, указанной в таблице. Доза, накопленная к возрасту 30, лет не должна превышать 12 ПДД для уменьшения вероятности генетических последствий. Лица моложе 18 лет к работе с излучением не допускаются. Аварийное облучение персонала При спасении жизни людей, для предотвращения крупной аварии и переоблучения большого числа людей допускается облучение некоторых лиц дозой, превышающей 2 ПДД или 5 ПДД. В каждом отдельном случае необходимо информировать персонал о риске и возможных последствиях переоблучения. Такое облучение может допускаться только с согласия исполнителя и с разрешения руководства. Однократное внешнее облучение свыше 5 ПДД , а также однократное поступление в организм радионуклида свыше 5 ПДД должно рассматриваться как потенциально опасное. После такого воздействия работник должен быть напрвлен на медицинское обследование. Поскольку «даже знание законов радиации не освобождает от мутации», в последнем разделе кратко рассмотрим вопросы защиты от ионизирующих излучений.