Радиация

Радиация - неотъемлемая часть окружающей нас среды. Она попадает в окружающую среду из природных источников и из источников, созданных человеком (деятельность атомных станций и испытания ядерного оружия). К природным источникам радиации относятся: космическое излучение, радиоактивные породы, радиоактивные химические вещества и элементы обнаруженные в пище и воде. Ученые называют все эти виды природной радиации термином "радиационный фон".

Другие формы радиации поступают в природу в результате деятельности человека. Люди получают различные дозы радиации из таких источников, как, например, медицинский или стоматологический рентген. Кроме того, радиация попадает в природу вследствие эксплуатации атомных станций, проведения научных исследований, использования некоторых продуктов в быту и испытаний ядерного оружия.

В первую очередь нас интересует ионизирующее излучение. Ионизирующим его называют, потому что энергии такого излучения достаточно для того, чтобы выбивать электроны из атомов и тем самым производить ионы. Кроме того существует еще и неионизирующая радиация. Это радиоволны, микроволновое и инфракрасное излучение. Из ионизирующей радиации особый интерес для нас представляют нейтроны, альфа-излучение, бета-излучение и гамма-излучение. Нейтроны - это незаряженные (положительно или отрицательно) частицы, которые находятся в каждом атоме, за исключением атома водорода. Нейтроны поддерживают цепную реакцию в ядерном реакторе. Альфа-излучение (альфа-частицы) - это поток положительно заряженных ядер гелия. Альфа-частицы содержат два протона и два нейтрона. Бета-излучение (бета-частицы) представляет собой поток электронов (отрицательно заряженных частиц) или их античастиц позитронов. Гамма-излучение - это электромагнитные волны, которые содержат больше энергии, чем рентгеновское излучение (Edelson). Все эти виды излучения несут в себе различные количества энергии и потому по-разному действуют на человека. Как это происходит, мы рассмотрим ниже.

Фоновая (природная) радиация и ее дозы

Так как космическая радиация попадает на землю из космоса, то естественно, что уровень этой радиации выше в верхних слоях атмосферы. Очевидно, что человек, живущий на высокогорье, получает большую дозу космической радиации по сравнению с человеком, живущим на уровне моря. Средняя доза, получаемая человеком, живущим на высоте уровня моря - около 26 миллибэр в год, в то время как доза того, кто живет на высоте 3200 метров над уровнем моря, составит около 125 миллибэр. Миллибэр - это единица измерения поглощенной дозы радиации (Environment, p.7).

Радиоактивные материалы, встречающиеся в естественной природе - в почве и камнях, - тоже излучают радиацию. Человек, живущий в каменном доме, например, получает более высокую дозу радиации, чем человек, живущий в деревянном доме. Пример камня с относительно высокой радиоактивностью - это гранит. Человек, стоящий около гранитной стены в течение года, может получить более 200 миллибэр радиации (Edelson). В большинстве случаев естественная радиация природных камней и минералов значительно ниже.

С 1984-го года особую тревогу ученых вызывает один из источников естественной радиации, называемый радоном. Радиоактивный газ, без цвета и запаха, просачивающийся в здания домов из подземных залежей урана, стал большой проблемой в США и Европе. Американское Агентство по охране окружающей среды считает, что радон занимает второе после курения место в ряду причин, вызывающих рак легких. По мнению правительственных экспертов отрицательное воздействие радона на здоровье людей значительно превосходит воздействие от радиации, выброшенной в окружающую среду атомными станциями.

Кроме того естественная радиация является источником поступления в окружающую среду долгоживущих радиоактивных элементов (называемых радионуклидами), таких как тритий (одна из форм водорода), калий-40 и углерод-14. Они попадают в воду, пищу и человеческое тело, но хотя эти элементы присутствуют повсюду, они оказывают сравнительно слабое воздействие на человека. Среднегодовая поглощенная доза радиации из этих источников составляет около двадцати пяти миллибэр. Искусственные источники радиации, такие как рентгеновские установки, радиоактивные медицинские препараты для диагностики и терапевтических целей, являются источниками ионизирующей радиации. Средняя поглощенная из этих источников доза радиации составляет около восьмидесяти миллибэр. Однако эта доза распространена неравномерно по телу. Так, локальная поверхностная доза от рентгена грудной клетки составляет от тридцати до пятидесяти миллибэр, в то время как локальная доза от рентгена органов брюшной полости достигает шестисот миллибэр. Для сравнения, ежегодная доза получаемая человеком вследствие испытаний ядерного оружия составляет около 4-5 миллибэр в год. (Edelson and Environment) (на момент написания первого варианта пособия - прим.ред.)

На проблему воздействия радиации на человека вследствие эксплуатации атомных станций ученые обратили особое внимание после аварии на американской станции Три майл айленд и Чернобыльской катастрофы. Жители острова, на котором находилась атомная станция, по подсчетам получили не более десяти процентов той дозы, которую они ежегодно получают из природных источников. Однако авария на Чернобыльской АЭС повлекла за собой серьезные последствия для населения и окружающей среды Советского Союза и Европы.

По данным ядерной индустрии (на момент написания первого варианта учебника - прим.ред.), средняя доза радиации, попадающей в окружающую среду в результате деятельности атомных станций (исключая инциденты), составляла лишь несколько миллибэр. Рабочие промышленности, конечно же, получали более высокую дозу.

Радиоактивные отходы (РАО) подразделяют на жидкие и твердые. Жидкие РАО подразделяют на слабоактивные (удельная активность менее 1х10-5 Ки/л), среднеактивные (удельная активность менее 1х10-5 - 1 Ки/л) и высокоактивные удельная активность менее 1 Ки/л). Твердые отходы считаются активными при удельной активности: а) 2х10-7 Ки/кг для альфа-излучения, б) 1х10-8 Ки/кг для трансурановых элементов, в) 2х10-8 Ки/кг для бета-излучения, г) 1х10-7 г-экв радия на килограмм для гамма-излучения.

Главным источником жидких радиоактивных отходов, по мнению российских экологов, являются атомные станции и радиохимические предприятия, где осуществляется переработка отработавшего ядерного топлива с атомных станций. В России переработка отработавшего ядерного топлива осуществляется на трех радиохимических предприятиях: ПО "Маяк" в городе Озерске (бывшем Челябинске-65), Сибирском химическом комбинате (СХК) в городе Северск (бывший Томск-7) и Красноярском горно-химическом комбинате (ГХК) - Железногорск (бывший Красноярск-26). За время эксплуатации этих комбинатов, по данным Госатомнадзора, на них скопилось около 416 млн/куб.метров РАО с общей активностью 2,65 млрд Ки.

Огромное количество РАО и радиоактивное загрязнение больших территорий является одним из главных аргументов ряда ученых и экологов против переработки отработавшего ядерного топлива. По их мнению "именно радиохимические производства Южного Урала и Сибири явились основным источником радиоактивного загрязнения больших территорий России в прошлом и продолжают оставаться в обозримом будущем". ("Плутоний в России: экология, экономика, политика" с.85) До настоящего момента ученые и правительства не могут найти безопасный способ хранения отходов, при котором эти вещества хранились бы сотни и тысячи лет до тех пор, пока они перестанут представлять опасность для окружающей среды.

Влияние радиации на здоровье человека

Высокие дозы радиации представляют смертельную угрозу для человека. Полученная доза в 500 бэр или больше убивает практически любого человека в течение нескольких недель. Доза в 100 бэр может привести к серьезной лучевой болезни. Радиация может также способствовать увеличению раковых заболеваний и вызывать различные дефекты плода.

В то время, как у ученых нет разногласий по поводу воздействия высоких доз радиации на человека, они до сих пор не пришли к согласию по поводу воздействия малых доз. Некоторые ученые считают, что безопасных доз не существует, так как в долгосрочной перспективе воздействие низких доз может иметь кумулятивный эффект. Другие утверждают, что существует нижний порог, за которым радиация не представляет вреда для человека, даже если это воздействие долгосрочное. В зависимости от того, какая из этих теорий лежит в основе анализа специалиста, зависит его оценка последствий воздействия малых доз радиации на человека.

Система измерения радиации

Система измерения радиации очень сложная. Для доступности нам пришлось упростить некоторые понятия.

В основе измерений радиации лежат четыре понятия: активность (распад в источнике), экспозиционная доза (ионизирующий эффект при столкновении с веществом), поглощенная доза (в смысле поглощенной энергии) и эквивалентная доза (воздействие радиации на живые ткани). Для каждого из этих понятий существует своя система измерений и терминология. Еще более усложняя эту информацию, добавим, что для каждого из этих понятий существуют две системы обозначений: одна общепринятая (внесистемная), вторая - международная (единицы системы СИ). Международную систему обозначений используют реже. В освещении чернобыльской аварии на Чернобыле были использованы обе системы, и это вводило людей в заблуждение). Какую бы систему вы не избрали для себя, главное - никогда не использовать обе системы в одном материале.

Общепринятые единицы измерения: кюри, рентген, рад, бэр.

Международные единицы измерения: беккерель, кулон/кг, грэй, зиверт.

Активность

Кюри (Ки) и беккерель (Бк) - единицы измерения количества распадов атомов в источнике радиоактивного излучения. 1 Ки = 3,7 х 10 в десятой степени Бк.

Экспозиционная доза

Рентген (Р) и кулон на килограмм (Кл/кг) определяют количество рентгеновского или гамма-излучения, ионизирующего газы (производящего позитивные или негативные ионы в изначально электрически нейтральном веществе). Обе единицы измеряют дозу радиации в газе с точки зрения электрической заряженности частиц и не учитывают поглощенную энергию. Рентген (Р) или кулон (Кл) - не очень хорошие единицы для замеров альфа- или бета-частиц, которые вызывают очень интенсивную, но локальную ионизацию. Один кулон на килограмм равняется 3876 рентген.

Поглощаемая доза

Рад или грэй (Гр) используют для обозначения энергии, поглощенной веществом. Рад является единицей измерения дозы, полученной веществом. Вещество получает дозу в один рад, когда один грамм вещества поглощает энергию, равную 100 эрг. Тоже и с грэем. Вещество получает дозу в один грэй, когда один килограмм вещества поглощает один джоуль энергии. 1 грэй=100 рад.

Эквивалентная и эффективная эквивалентная доза

Рад и грэй показывают какую энергию поглотило вещество, однако эти величины не объясняют, как радиация воздействует на живые ткани. Повреждения тканей, как и распределение этих повреждений, зависит от типа и энергии поглощенной радиации.

Биологический эффект эквивалентной дозы облучения выражают линейной формулой передачи энергии веществу (в английской терминологии LET). "Для расчета эквивалентной дозы поглощенную дозу умножают на коэффициент, отражающий способность данного вида излучения повреждать ткани организма". (Васильева Е.А. et al, с.41)

Рентгеновские и гамма-лучи - это электромагнитное излучение высокой частоты, поэтому эти виды энергии могут глубоко проникать в живые ткани и материалы.

Гамма-лучи могут пройти через человеческое тело или несколько сантиметров свинца.

Бета-лучи представляют собой частицы (электроны или позитроны), поэтому они могут проникнуть в тело человека через кожу лишь на несколько миллиметров.

Альфа-излучение и нейтроны - относительно крупные частицы, поэтому они обладают низкой проникающей способностью. Альфа-излучение с трудом проходит через кожу человека.

Альфа-излучение способно причинить наибольший вред человеку, но очень локально (так как не может проникнуть в организм сквозь кожу), в то время как гамма-излучение причиняет менее вреда, но поражает живые ткани глубоко и на большом расстоянии вокруг (так как обладает большой проникающей способностью).

Уровень повреждения биологического тела различными видами радиации суммируется с помощью Q фактора, который изменяется в зависимости от способности излучения или частиц производить ионы. Для рентгеновских и гамма-лучей Q фактор равняется 1. Для альфа-частиц Q равняется 10.

Для того, чтобы определить биологическую дозу (показывающую какой эффект на живое тело оказала радиация) (D), поглощенную дозу (R) в грэях или бэрах умножают на качественный фактор (Q) (D = R x Q). Эквивалент биологической дозы (D) выражают в бэрах или зивертах, в зависимости от того, в чем измерялась R, в радах или грэях.

Биологическое воздействие радиации определяется и другими факторами. Некоторые органы более восприимчивы к радиации, чем другие, и сильнее поражаются ей. Радиоактивные вещества, попавшие в организм с пищей, могут накапливаться в определенных органах. Кроме того, одни органы более жизненно важные, чем другие. Эта особенность получила название модифицирующего фактора N. Таким образом эффективную эквивалентную дозу (D), выраженная в бэрах или зивертах, чаще определяют по формуле D = R x Q x N.

Иногда, когда говорят о низких дозах радиации, для их обозначения используют миллибэр или миллизиверт. Один бэр или один зиверт равен 1000 миллибэр или миллизиверт. Один зиверт равен ста бэрам.

Допустимые уровни радиации

Большинство экспертов придерживаются мнения, что человек в среднем ежегодно получает суммарную дозу радиации равную 150-200 миллибэр. Большая часть радиации (около 80 миллибэр) поступает из естественных источников радиации или в результате медицинского облучения рентгеновскими лучами (около 90 миллибэр). Облучение, полученное вследствие проведения научных исследований составляет 1 миллибэр, от эксплуатации ядерных установок - 4-5 миллибэр, от использования бытовых приборов - 3-4 миллибэр, и из других источников - 1 миллибэр (Edelson).

Международная комиссия по защите от радиации установила максимально допустимую дозу для людей, получающих облучение на производстве, в 5 бэр (5000 миллибэр). Поскольку различные органы по-разному реагируют на радиацию, то доза в 5 бэр установлена для всего тела, репродуктивных органов и костного мозга. Для кожи, костей и щитовидной железы лимит составляет 30 бэр в год, а для конечностей - 75 бэр (Boustead).

В России систему радиационной безопасности населения регулируют два документа. Это Федеральный Закон "О радиационной безопасности населения" и "Нормы радиационной безопасности НРБ-96". Система регулирования строится на понятии дозовой нагрузки. (Васильева et al, с. 41) В соответствии с законом "О радиационной безопасности населения" допустимая дозовая нагрузка на население не должна превышать 1 мЗв/год и на персонал, эксплуатирующий источники ионизирующего излучения группы А, - не более 20 мЗв/год. (с.42)

Очевидно, что радиоактивность - это сложный предмет, и вы наверняка столкнетесь с учеными, которые будут оспаривать те или иные заключения своих коллег. Вам придется придется приложить максимум усилий, чтобы писать статьи на эту тему корректно.

Литература

1. Boustead, I., "radioactive waste disposal", in Andrew Porteous; ed., Hazardous Waste Management Handbook (London,Butterworths, 1985), pp. 281-297.

2. Edelson, Edward, Journalist's Guide to Nuclear Energy (Washington, DC, Atomic Industrial Forum, 1985).

3. Environment, December 1984, p.7.

4. Васильева Е.А. et al. "Как организовать общественный экологический мониторинг: руководство для общественных организаций." Под редакцией М.В. Хотулевой. Москва: Социально-экологический союз, 1997 (сс. 41-42)