3.3._Биологическое действие излучений

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.