Работа 5. токсикологические основы радиационной безопасности

5.1.° Общие сведения

Радиационная безопасность - система технических и организационных мер по защите персонала предприятий, населения и окружающей среды от воздействия проникающих излучений, направленная на обеспечение отсутствия неблагоприятных эффектов или вреда здоровью. Термин «Безопасность» не совпадает с бытовым понятием безвредности. Всё живое находится под влиянием среды, действующей в направлении разрушения биосистемы. Состояние «устойчивого неравновесия» достигается благодаря притоку энергии солнечной радиации у растений, процессов окисления у животных, поэтому даже естественные физиологические процессы дыхания в определенных условиях могут считаться вредными. Так как радиация – это постоянно действующий экологический фактор, то увеличение интенсивности радиационного фона, концентрации радионуклидов, появление изотопов, ранее не встречавшихся в окружающей среде повышает вероятность нарушения процессов защиты и «потери устойчивости» биологической системы. Корректным, с научной точки зрения, является исследование интегральных показателей риска внесения изменений в конкретные условия существования организма или популяции.

Токсикология, как наука, изучающая неблагоприятное действие опасных и вредных экологических факторов (ОВЭФ) на биологические системы, отвечает за определение условий, при которых обеспечивается безопасность, как отдельной личности, так и общества в целом. Задачей научных исследований является получение доказательств, необходимых для внедрения или ограничения новаций, связанных с ОВЭФ и увеличивающих интегральные показатели риска.

В ходе исследований разрабатываются нормативы безопасности - государственные положения для обеспечения безопасности персонала, населения, окружающей среды: "Гигиенические требования по ограничению облучения населения за счет природных источников ионизирующего излучения" (СП 2.6.1.1292-03), Основные санитарные правила обеспечения радиационной безопасности (ОСПОРБ-2000) СП 2.6.1.799-99), которые основываются на Федеральном законе от 9 января 1996 г. N 3-ФЗ "О радиационной безопасности населения" и на «Нормах радиационной безопасности» (НРБ-99 СП 2.6.1.759-99). Эти нормативные правовые акты устанавливают санитарно-эпидемиологические требования, в том числе критерии безопасности и безвредности факторов среды обитания для человека и гигиенические нормативы. Их соблюдение является обязательным для граждан, индивидуальных предпринимателей и юридических лиц. За нарушение санитарного законодательства устанавливается дисциплинарная, административная и уголовная ответственность.

5.2.° Радиация и радиоактивность

Все типы радиации можно разде­лить на электромагнитные волны (фотоны) и корпускулярное излучение. Под действием испускаемых частиц и квантов в веществах образуются положительные и отрицатель­ные ионы. Этот вид радиации называют ионизирующим излучением. Ионизацию вызывают следующие виды излучения: заряженные частицы - ядра гелия (a-частицы), ядра водорода (протоны), электроны (b-частицы), а также осколки деления ядер элементов; незаряженные нейтроны и электромагнитные кванты высо­кой энергии (g-излучение и рентгеновские лучи). Для ионизации ато­мов большинства элементов, входящих в состав молекул биологических систем, необходимо затратить энергию около 10-12 эВ, что определяет по­тенциал их ионизации. Для электромагнитных излучений это соот­ветствует частоте колебаний примерно 2420-2910 КГц и захватывает не только область собственно гамма- и ренгеновского излучений (по физи­ческой терминологии), но и частично диапазон ультрафиолетового света — дальнее жесткое ультрафиолетовое излучение (УФ-лучи).

При движении заряженных незаряженных и заряженных частиц с изначально равной энергией плотность ионизации выше для заряженных частиц, они быстрее теряют энергию. Нейтроны и электромагнитное излучение способны глубже, чем заряженные частицы, проникать в материалы, что соотносится с понятием «проникающая радиация». Тяжесть биологических последствий выше при более высокой плотности ионизации. Таким образом, биологическое действие ионизирующего излучения определяется плотностью ионизации и энергией частиц и фотонов.

Наряду с ионизацией все виды излучений обладают способностью в зависимости от энергии квантов или частиц возбуждать атомы или моле­кулы вещества и переводить их в нестабильное состояние, т.е. переме­щать электрон с внутренней на внешнюю атомные оболочки. Для этого требуется меньшая энергия, чем для ионизации, и ею обладает "ближ­ний" ультрафиолетовый свет, являющийся наиболее ярким представите­лем излучений неионизирующего типа. Оба процесса — ионизация и возбуждение – увеличивают скорость реакций с участием биомолекул и, в частности, к развитию процессов пора­жения ДНК (мутагенезу).

Фотоны излуче­ний типа СВЧ не имеют достаточно энергии для иони­зации или возбуждения атомов, но обладают значительной про­никающей способностью. С энергетических позиций следовало бы отвергнуть идею о генетическом действии СВЧ-излучения, однако, данный вопрос остается открытым в связи с тем, что в последнее время развиваются идеи об участии мишеней не ДНК-овой природы в процес­сах мутагенеза. Механизм биологического действия до кон­ца не ясен, но, во всяком случае, СВЧ-излучения могут изменять чувствительность мембранных рецепторов к регулирующим воздействиям. Возможны и другие механизмы.

Природными источниками радиации являются космические лучи и радиоактивные изотопы. Исторически первым примером техногенного источника является рентгеновская трубка – в процессе торможения заряженных частиц (электронов) металлической мишенью образуются фотоны, которые занимают спектральную область между g-излучением и ультрафиолетовыми лучами. Рентгеновские лучи возникают также и при делении ядер элементов. В целом понятие радиацияшире, чем радиоактивность.

Радиоактивность (от латинского radius – луч и activus – действенный) – способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием частиц и электромагнитных квантов.

Деление ядер радиоактивных изотопов (или радиоактивный распад) – это последовательность α- и β-превращений. При α-распаде ядро испускает a-частицу, а элемент смещается в периодической системе на 2 клетки влево; при β-распаде - на одну клетку вправо. В результате последовательных превращений образуется семейство радиоизотопов, представленное в природных источниках. Источники, не находящиеся в герметической упаковке и называемые открытыми источниками, наиболее опасны – они могут попадать внутрь организма человека и вызывать внутреннее облучение. Радиоизотопы по химическим свойствам и, следовательно, токсикокинетике (пути поступления в организм, связывание с тканями и выведение из организма) подобны стабильным элементам, однако токсикодинамика радиоизотопа определяются преимущественно его ионизирующим воздействием на клетки тканей.

5.3.°Воздействие радиации

В зависимости от уровня организации и структуры вовлекаемого в из­менение наследственного материала все спонтанные и индуцированные генетические нарушения (мутации) можно разделить следующим образом:

1. изменения внутри отдельных генов, т.е. генные мутации в уз­ком смысле этого слова, "точковые" мутации.

2. хромосомные мутации (перестройки, аберрации) - изменения в числе и структуре хромосом. Послед­ние (структурные) связаны непосредственно с поражением ДНК, несущей наследствен­ную информацию, а изменения в числе хромосом возникают в результате по­вреждения полностью или частично аппарата распределения хромосом по дочерним ядрам при делении клеток.

Изменения в генетическом аппарате могут вести как к летальным эффектам (гибель соматических и зародышевых клеток и эмбрионов), так и к наследуемой "трансформации" клеток и/или всего организма (канцерогенез, наследственные болезни). «Уязвимость» клеток меняется со временем и максимальна во время клеточного деления, так как выше вероятность мутаций. Поэтому при равных воздействиях последствия будут тяжелее для тканей с высокой скоростью деления клеток.

Роль биологического времени и мутации в соматических и в половых клетках имеют разное значение. В первом случае наследова­ние мутаций и проявление происходит в пределах одного данного облученного организма, а во втором они проявляются в последующих поколениях или отра­жаются на рождаемости, т.е. дают генетические эффекты в узком смысле этого слова.

Экспериментальные исследования (выполненные в основном на мы­шах) позволили сформулировать некоторые положения класси­ческой радиационной генетики по отношению к млекопитающим.

1. Радиационное воздействие не приводит к появлению каких-либо новых биологических феноменов, которые не возникали бы спонтанно, происходит лишь увеличение вероятности их возникновения.

2. Для индукции мутаций в какой-либо определенной соматической или половой клетке, она должна подвергнуться прямому воздействию радиации, является хорошим приближением к реальной си­туации. Именно поэтому сильное поглощение некоторых видов излуче­ний (альфа- и бета-частиц, УФ-лучей, очень низкоэнергетических рентгеновских лучей) поверхностными тканями (эпидермисом кожи, тканями глаза) предотвращает их опасное воздействие на половые или, например, кроветворные клетки организма. Однако они могут продуцировать соматические мутации в клетках кожи и глаз.

3. Характер зависимости частоты генетических повреждений в клетках от дозы определяется тем, происходит ли мутационное событие в результате од­нократного попадания или для этого требуется два события повреждения ДНК, причем они не обязательно должны осуществляться в результате про­хождения двух отдельных частиц/фотонов, а могут индуцироваться и одной частицей/фотоном. Соответственно, в первом случае теоретически предпола­гается линейная зависимость доза-эффект: во втором — нелинейная.

Отношение приращения дозы к интервалу времени называется мощностью дозы. Линейный характер зависимости доза-эффект наблюдается, если высокие мощности радиации вызывают много актов иониза­ции/возбуждения в небольшом объеме, что приводит к множественному поражению генетических структур даже при прохождении через ядро еди­ничной частицы и возникновению условий для взаимодействия первичных повреждений с их последующей фиксацией в виде определенных мутаци­онных изменений. В случае нелинейной дозовой зависимости для появления мутации необходимо взаимодейст­вие двух повреждений.

Кроме того, при низких мощностях доз возрастает значение процессов репа­рации повреждений. Эти явления приводят к возникновению эффекта мощности дозы, в соответствии с которым считается, что определенная доза, данная с более низкой мощно­стью дозы вызывает меньше мутаций, чем та же доза при более высокой мощ­ности дозы.

5.4.°Риски отдаленных последствий

Учет характера дозовой зависимости и наличия эффекта мощности дозы оказывается важным при переносе данных, полученных в экспери­ментах на реальные ситуации облучения человеческих популяций. Наибольшим при­знанием у специалистов в настоящее время пользуется гипотеза о беспо­роговом характере индукции генетических повреждений, по крайней ме­ре, ионизирующей радиацией.

Благодаря процессам репарации радиационных повреждений происходит «взаимодействие» биообъекта и излучения, а задача описания дозовой зависимости требует изучения как характеристик непосредственно излучения, так и облучаемого биообъекта. В отличие от порогового детерминированного эффекта тя­жесть которого зависит от дозы, эффект отдаленных последст­вий является стохастическим (вероятностным). Вероятность того, что у каждого из облученных будет в течение года обнаружен эффект отдаленных последствий, называется радиационным риском.

Зна­чения радиационного риска сопоставля­ют с рисками, которые характе­ризуют степень опасности окружающей среды, т.е. ее экологическое каче­ство. Кроме того, становится возмож­ной стоимостная оценка ущерба и со­поставление его с выгодой, получаемой от применения ио­низирующих излучений. Применение концепции «ущерб — вы­года» позволяет провести оптимизацию радиационной защиты от наружного или внутреннего облучения.

Для получения статистически достоверной информации о случаях возникновения радиационно индуцированного рака или генетических аномалий при облучении малыми дозами необхо­дим труднодостижимый уровень медицинского контроля населе­ния. Международной комиссией по радиологической защите и Научным комитетом по действию атомной радиации ООН (НКДАР ООН) принята концепция о линейной зависимости риска (индивиду­альную вероятность смерти в результате отдаленных последст­вий облучения), от дозы в области ма­лых доз, а также об отсутствии порога для этой зависимости.

Рекомендуется принимать комплекс мер для снижения реального риска до как можно более низких значений, которые достижимы с учетом экономических и социальных факторов. Например, расходы на снижение реального риска нa предприятиях атомной энергетики США соответствуют 1000 долларов на 1 бэр. Если расходы на снижение индивидуальной дозы облучения превосходят этот порог, то от соответствующих мероприятий отказываются, считая их неразумными. Область безусловно приемлемого риска расположена при значениях R, не превосходящих 1·10^-6 год^-1. Такие ситуации не воспринимаются человеком как потенциально опасные.

Аналогичный подход принят в НРБ-99.

5.5 °Основные понятия дозиметрии

Активность

Мерой количества радиоактивного вещества является его активность, которая измеряется числом спонтанных ядерных пре­вращений за единицу времени. Единицами активности является беккерель (Бк), кюри (Ки) и мг-экв Ra. Активность, соответ­ствующая 1 Бк, - один распад в секунду. 1 Ки - 3,7*10¹⁰ рас­падов в секунду. 1 мг-экв Ra равен 1 мКи.

Радиоизотопы элемента различают и обозначают числом, соответствующим атомной массе, слева сверху от символа элемента. Скорость распада изотопа характеризуют величиной, называемой периодом полураспада Т_1/2. Период полураспада Т_1/2. – это время, в течение которого из имеющегося количества радиоактивных ядер распадается половина. Так, для изотопа урана U-238 Т_1/2 =4,5*10⁹ лет, для радия Ra-226 Т_1/2 =1590 лет, для радона Rn-222 Т_1/2 = 3,8 суток, а для курчатовия Ku-261 Т_1/2 = 0,3 сек. Таким образом , если имеется 1г радия Ra-226, то через 1590 лет останется 0,5 г , ещё через 1590 лет – 0,25 г.

Экспозиционная доза

Исторически первыми методами измерения активности и были методы основанные на ионизации воздуха или других сред. Эти методы и опирающиеся на них способы оценки воздействия применяются и в современных приборах. Для количественной оценки ионизирующего излучения используется понятие экспозиционной дозы, характеризующую степень ионизации воз­духа под влиянием излучения.

Взаимодействуя с веществом, частица теряет свою энергию, причем плотность ионизации резко возрастает к концу пробега. Для тяжелых заряженных частиц существует одно­значная связь между энергией частицы и ее пробегом. Основной энергетической единицей является электронвольт (эВ), равный кинетической энергии электрона, прошедшего разность потенциалов 1 В. Высокими считаются энергии порядка 1 МэВ (10⁶ эВ). Характерные значения энергии a-частиц находятся в диапазоне значений до 10 МэВ. Величина пробега таких частиц в воздухе не превышает 10 см, а в биологической ткани 100 мкм. Скорость электронов, образующихся в результате b-распада существенно выше, чем более тяжелых заряженных частиц с одинаковой кинетической энергией, т.к. последняя пропорциональна массе (отношение масс покоя про­тона и электрона равно 1836). Поэтому плотность ионизации, создаваемой b-частицами, намного меньше, чем для других за­ряженных частиц, а пробег — больше. Пробег электронов, имеющих энергию 5,0 МэВ достигает 20 м в воздухе и 2,5 см в воде.

Гамма излучение имеют более высокую проникающую способность. Возможны следующие виды взаимодействия g-квантов с веществом: поглощение связанными в атоме элек­тронами (фотоэффект), рассеяние электронами (эффект Комптона), а также поглощение в кулоновском поле ядра с образованием пары электрон-позитрон. Воздух - смесь газов (преимущественно азота N₂ и кисло­рода 0₂) с малыми атомными номерами, и поэтому в широком диапазоне значений Eg, (20 кэВ - 23 МэВ) доминирующим эф­фектом взаимодействия является эффект Комптона. Поскольку электронам азота и кислорода при рассеянии на них фотонов пере­дается энергия, намного превосходящая их энергии связи, эти электроны считаются свободными. Для g-излучения, испускаемого радионуклидом Со-60 (Е_g = 1,33 МэВ), макси­мальная энергия, передаваемая комптоновским электронам, равна 0,9 МэВ. Именно эти электроны ионизируют молекулы азота и кислорода и имеют мак­симальный пробег, равный 3,4 м. Поэтому g-излучение называется косвенно ионизирующим.

Экспозиционная доза X является ионизационным эквивалентом энергии, передан­ной g-квантами массе m сухого воздуха, находящегося при нор­мальных физических условиях (273 К; 0,1 МПа ). Средняя энергия электрона ε, необходимая для создания одной пары ионов в воздухе, равна 33,85 эВ. Число пар ионов (положительных и отрицательных зарядов), созданных на длине пробега, определяется отношени­ем начальной энергии комптоновского электрона к значению ε и для данного случая составляет 2,6·10⁴. Единицей экспозиционной дозы в системе СИ является Кл/кг. Более употребительной единицей является 1 рентген (сокращенно 1 Р). При ее определении используется физическая система единиц. В соот­ветствии с этой системой областью передачи энергии g-излучения является объем воздуха, равный 1 cм³, а заряд электрона измеряется в электростатических единицах (е = 4,8·10^-10 эл.ст.ед. заряда). Единице экспозиционной дозы 1 Р соответствует обра­зование за пределами рассматриваемого объема одной электро­статической единицы заряда в результате полного торможения комптоновских электронов, образующихся в этом объеме и вы­летающих из него.

Используя соотношение между единицами заряда в этих системах (1 Кл = 3·10⁹ эл.ст.ед.), а также плотность воздуха ρ_в при нормальных физических условиях (ρ_в =1,293·10^-3 г/см³), получим, что 1 Кл/кг равен 3880 Р. Полученное значение намного превосходит смертельную до­зу, соответствующую однократному наружному облучению всего тела (600 Р), поэтому применение специальной единицы экспо­зиционной дозы является более удобным. Кроме того, практи­чески все имеющиеся дозиметры калиброваны именно в этих единицах.

Применение ионизационных камер для измерения экспозиционной дозы позволяет решать практические задачи дозиметрии рентгеновского и g-излучения, так как процесс ионизация воздуха хорошо моделирует ионизацию воды и мышечной ткани (ионизация пропорциональна поглощенной энергии и слабо зависит от мощности излучения).

Поглощенная доза

С появлением всё более мощных источников, а также с появлением таких задач, как изучение действия на плотные конструкционные материалы пучков заряженных частиц, возникла необходимость в использовании понятия поглощенная доза. Единицы измерения поглощенной дозы - Грей (Гр [Дж/кг]) и внесистемная единица рад (100 эрг/г, 10-2 Гр.) Назва­ние «рад» является акронимом термина «radiation absorbed dose».

Определим объемный энергетический эквивалент рентгена, т.е. энергию g-излучения, переданную воздуху, находящемуся в объеме 1 см³. Найдем число пар ионов, создаваемых на длине пробега комптоновских электронов (полный заряд ионов одного знака, образованных за пределами рассматриваемого объема, ра­вен 1 эл.ст.ед. заряда). Полученное значение следует умножить на среднюю энергию образования пары ионов и результат пере­вести в энергетические единицы физической системы. Соотношение между единицей энергии в системе СИ (Джоуль) и специальной единицей (эВ) определяется зарядом электрона 1,62·10^-19 Кл. Поэтому 1 эВ равен 1,62·10^-19Дж. Переход к энергетической единице в физической системе (1 Дж = 10⁷ эрг, 1 эВ = 1,602·10^-12 эрг) осуществляется по соотношению: 2,8·10⁹ пар ионов/Р ´ 33,85 эВ/пар ионов ´ 1,62·10^-12 эрг/эВ=0,113 эрг/Р.

При таком определении единицы экспозиционной дозы и ее энергетического эквивалента области передачи и поглощения энергии имеют существенно разные пространственные масшта­бы Упрощение измерений возникающего заряда возможно при условии электронного равновесия, совмещающем указанные области в пределах объема в 1 см³. Для этой цели источник g-излучения и объем, в котором из­меряется заряд ионов, разделяют слоем воздуха, толщина кото­рого равна или превосходит максимальный пробег образующих­ся в данном слое комптоновских электронов. В результате энергия последних компенсирует энергию электронов, образующихся в из­мерительном объеме и вылетающих из него. Если создано условие электронного равновесия, то экспозиционной дозе, равной 1 рент­ген, будет соответствовать заряд в 1 эл.ст.ед., возникающий в еди­ничном объеме воздуха. Кроме того, изменяется размерность энергетического эквивалента (1 Р = 0,113 эрг/см³). Для перехода к массовому энергетическому эквиваленту следует разделить при­веденное значение на плотность ρ_в воздуха при нормальных фи­зических условиях, что дает: 1 Р = 87,3 эрг/г и 1 Р = 0,873 рад. Следует отметить, что энергетический эквивалент рентгена для воды и биологической ткани равен 93 эрг/г, т.е. является еще более близким к единице поглощенной дозы 1 рад.

Поскольку в процессах взаимодействия рентгеновского и g-излучения с воздухом и биологическими материалами много общего, то существует линейная пропорциональность между экспозиционной и погло­щенной дозами.

Массовый эквивалент позволяет оценить энергию g-излучения, которая соответствует наружному облуче­нию смертельной экспозиционной дозой взрослого человека стандартной массы в 70 кг (600 Р тождественны 367 Дж). Полученный результат наглядно по­казывает степень зависимости биологической опасности от энергетического потенциала воздействия на организм, посколь­ку энергия, равная 367 Дж, содержится в чайной ложке горя­чего кофе. Исключительно высокая биологическая опасность ионизирующих излучений объясняется передачей больших пор­ций энергии на уровне клеточного ядра. Например, значение ε = 33,85 эВ в 1300 раз выше, чем средняя энергия теплового дви­жения при комнатной температуре. Можно сравнить действие на организм ножа и одеяла, равной массы и падающих с одинаковой высоты.

Эквивалентная доза

Величина поглощенной зоны не определяет полностью биологическое дей­ствие и тяжесть возможных поражений. Дополнительно вводится понятие экви­валентной дозы, представляющей собой произведение поглощенной дозы на средний коэффициент качества излуче­ния. Для рентгеновского b- и g-излучения коэффициент качества принимается рав­ным единице. Тяжесть возможных поражений при облучении альфа-частицами значительно выше. Так как альфа-частицы отличаются наиболее быстрым поглощением (например, одеждой), то альфа-облучение возможно и наиболее биологически опасно при поступлении радио­активных веществ внутрь организма (при внутреннем облучении). Степень биологической опас­ности различных частиц тем выше, чем выше плотность ионизации, создаваемой в тканях организма.

В качестве единиц эквивалентной дозы используют зиверт (Зв, [Дж/кг]) и внесистемная единица бэр (биологический эквивалент рада, 10^-3 Зв).