4.1. РАДИАЦИОННАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА БЛАГОРОДНЫХ ГАЗОВ
Атомная энергетика является одним из источников загрязнения атмосферы газообразными радиоактивными веществами.
Выброс или непредвиденная утечка газов может быть при авариях на атомных реакторах, из хранилищ радиоактивных отходов или на заводах но регенерации ядерного горючего.
Поступление короткоживущих радиоактивных газов в атмосферу создает проблемы локальной защиты населения, проживающего вблизи атомных предприятий, а выброс долгоживущих радиоактивных газов может привести к глобальному загрязнению атмосферы.
Радиоактивные благородные газы в воздухе могут быть в виде паров, аэрозолей и сложных соединений, которые по своей природе могут быть твердыми или газообразными веществами.
Ядерные реакторы могут быть источниками выбросов 41Ar, 83Kr и 133Xe; 41Ar образуется при захвате нейтронов 40Ar, содержание его в воздухе составляет 0,93%· Величина выброса 41Ar в атмосферу на ядерных реакторах зависит от конструкции реактора. Наибольший выброс в атмосферу 41Ar— до 59,2Х103 Бк/сут наблюдается на графитовых реакторах с воздушным охлаждением.
При нарушении герметичности твэлов основная радиоактивность выбросов определяется газообразными продуктами деления— радиоактивными изотопами Кг и Хе. На реакторах с кипящей водой выброс Kr и Хе достигает 9,25-1013 Бк/сут [138].
Помимо ядерных реакторов радиоактивные газы Kr и Хе могут поступать в атмосферу при подземных ядерных взрывах. Исследование струи радиоактивных газов показало, что интегральная мощность их составила 46,62-1012 Бк/ч спустя 74 ч после взрыва [110].
Глобальное загрязнение атмосферы 85Kr происходит в результате ядерных взрывов, регенерации ядерного горючего и на установках по получению плутония из облученного урана. В настоящее время основным источником загрязнения атмосферы 85Kr являются заводы по регенерации ядерного горючего.
Исходя из предположения, что мощность ядерных энергетических установок во всем мире к 2000 г. достигнет уровня 2000 ГВт, концентрация 85Kr в атмосферном воздухе составит примерно 3,7· 104 Бк/г криптона или 15,91-10-2 Бк/л воздуха. Оценка роли глобального рассеяния в атмосфере 85Kr при выбросе его предприятиями мировой ядерной энергетики показала, что он влияет на электрическое состояние атмосферы, характеризуется ценообразованием и соответствующим увеличением электрической проводимости атмосферы.
Если к 2000 г. прогнозируемая средняя глобальная концентрация 85Kr в нижней атмосфере достигнет приблизительно 11,1 Бк/м3, то при значении новообразования 5-105 пар ионов/ (м3-с) сопротивление тропосферного столба воздуха может уменьшиться на 10%, Это может привести к росту положительного ионного потока, направленного к Земле, изменению пространственного распределения летних осадков средних широт и ливневых осадков экваториальной и периэкваториальной зон, росту образования аэрозольных частиц из газов и изменению циклонической деятельности над Атлантикой Эти эффекты могут быть усугублены дополнительным поступлением техногенного 3H 5Kr может быть связан с твердыми и жидкими атмосферными аэрозолями, свободно переноситься с влагой атмосферы, перераспределяться при выпадении осадков и захватываться твердыми аэрозолями со слабыми сорбционными свойствами (например, корунд) ( 14].
По данным Кнехта и Броуна производство 85Kr в ядерных реакторах может варьировать от 7,4 до 22·105 Бк/ГВт(эл.)-год в зависимости от топливного цикла. В ряде производств эта величина может составлять до 12-10 Бк/ГВт(эл.) в год.
Для регенерационного завода производительностью 2000 т/год на стадии растворения отработавшего горючего концентрация 85Kr варьирует от 0,037 до 37· 1010 Бк/м3. Общее количество 85Kr, выделяющегося в процессе регенерации и иммобилизации, составляет от 3,7-10 14 до 3,7-10"5 Бк/сут.
Ларайя приводит данные по выбросу 85Kr во время аварии на АЭС. Через 15 мин после аварии на втором блоке АЭС Три-Майл-Анленд в плановом порядке было выброшено в атмосферу 16,48· 1012 Бк 85Kr. В последующие месяцы было произведено дополнительно несколько выбросов приблизительно 22,2-10” Бк, а 14—15 августа 1980 г. 29,6· 10” Бк. В сентябре, октябре, ноябре и декабре 1980 г. суммарный выброс составил соответственно 99,9; 55,5; 44,4; 27,7-1010 Бк, а в феврале и марте 1981 г. 40,7; 20,7· 1010 Бк соответственно.
Вудард и Поттер считают, что во время аварии на АЭС Три-Майл-Айленд общин выброс искусственных радиоактивных газов составил 37· 1016 Бк. Максимальная доза оценена в 0,75 Зв, причем 66% дозы формировалось в первые 1,5 сут, а 22% — в последующие 2 сут. Наибольший вклад в суммарную активность дал 133Xe —81%, 133тХе —2%, 135Хе— 25%, 136Хе — 1%, 85Kr —0,6%.
4.2. АРГОН
Аргон — химический элемент нулевой группы Периодической системы Д. И. Менделеева с атомной массой 39,944, порядковым номером — 18. Открыт в 1894 г. Рэлеем и Рамзаем. Название получил от греческого слова argos — недеятельный.
Известно несколько изотопов аргона от 36Ar до 4,Ar. Наибольший интерес представляет 4,Ar. Это β-, γ-излучатель. Энергия β-частиц 1,98 МэВ, γ-квантов 1,293 МэВ, период полураспада 1,83 г. В природе встречается в свободном виде, главным образом в воздухе. В литературе имеются сведения о кинетике выделения 37Ar из бедренной кости человека.
Леах с соавторами исследовали кинетику выделения 37Ar трех высушенных обезжиренных образцов бедренной кости человека. Выделяющийся газ из образца кости отбирался через каждые 5 мин в течение 20 ч после облучения. Выделение аргона описывается суммой трех экспонент с временами полувыведения 2, 20 и 300 мин, причем с первым периодом выделяется 60—80% всего высвобождающегося аргона. Предполагается, что аргон выходит по каналам, образованным ядрами отдачи. Различия в скорости выхода аргона в экспериментах in vitro и из тела in vivo (85—90%) и (30—35%) за первые 30 мин обусловлены процессами между его выходом из кости и попаданием в крупные вены. Предполагается захват 37Ar липидами костного мозга. Этот процесс может быть ответственным за наличие экспонент с большим временем полувыведения при вдыхании 37Ar.
По данным А. Д. Туркина ПДВ 41Ar в атмосфере составляет 18,5· 1013 Бк/сут.
КРИПТОН
Криптон — химический элемент нулевой группы Периодической системы элементов Д. И. Менделеева с атомной массой 83, 66, порядковым номером — 36. Открыт в 1898 г. английскими химиками Рамзаем и Траверсом. Обычный криптон состоит из шести изотопов: 78Kr, 80Kr, 83Kr, 83Kr, 54Kr, 56Kr. Изотопы криптона образуются в результате деления ядер Ω5ϋ медленными нейтронами и при спонтанном делении 23U. Известны радиоактивные изотопы криптона от взKr до 89Kr. Наибольший интерес представляет 85Kr. Это β-, γ-излучатель. Eβ=0,67 МэВ. T1/2—0,15 МэВ. Τ1/2—10,76 лет. Экспериментальные исследования на животных и опыты на добровольцах показали, что *5Kr относительно быстро выделяется из организма.
По данным Вилларда экскреция 85Kr у крыс происходит с двумя периодами: Ί\ — Ί мин (45%) и Г2 = 60 мин (55%). Накопление ®5Кг в различных органах овец в порядке убывания концентрации: жировая ткань, надпочечники, почки, кишечник, мышцы, печень и кости. На беременных овцах установлено, что концентрация 85Кг на 72—123 сут. беременности достигает равновесия в крови матери и плода через 1 ч после ингаляции. Криптон в организме плодов распределяется более равномерно, чем в организме матери. Содержание 85Kr в пробах плаценты было значительно больше, чем в различных тканях плода.
Крысы Вистар в возрасте 70—80 сут. подвергались воздействию 85Кг, находясь в течение одного—четырех часов в атмосфере с концентрацией 62,9· 101 Бк/л *5Кг. Исследовали кинетику накопления в результате проникновения 8SKr в ткани организма. Содержание а5Кг во всем организме измеряли с помощью колодезного γ-счетчика для всего тела крысы. Образцы тканей измеряли методом жидкостного сцинтилляционного счета. В большинстве тканей через 2—3 ч воздействия наступает равновесное содержание с воздействующей атмосферой.
Для жировой ткани требуется четыре часа для достижения равновесия. Освобождение 85Кг из организма происходит по двум экспонентам: 40% с T1/2=4 мин и 60% с T1/2= 40 мин. Уровни 85Кг в тканях выражали в виде коэффициента распределения. представляющего отношение концентрации 85Kr в ткани, Бк/г, к концентрации 85Kr в атмосфере в Бк/м3. Наиболее высокие коэффициенты распределения обнаружены в поджелудочной железе — 0,37, в жировой ткани — 0,35, в яичниках 0,18 и в коже — 0,15; наименьшие — в скелете — 0,02, в мышце сердца и в головном мозге — 0,01. Повышенные концентрации 85Кг обнаружены в местах скопления газов в петлях кишечника. Рассчитаны поглощенные дозы (мкЗв/год) в органах от ПДК 85Кг в воздухе—11,1 · 103 Бк/мл, в поджелудочной железе — 467, в жировой ткани — 434, в яичниках — 221 и в коже— 193.
Имеются данные по изучению биологического действия 85Кг на организм крыс. Крыс линии Вистар (самок и самцов) в возрасте 126 сут. подвергали хроническому лучевому воздействию при ингаляции 85Кг в концентрации 111; 11,1; 1,11 Бк/мл. Воздействие продолжалось 24 ч в сутки 7 сут. в неделю в течение 808 сут. Рассчитанные дозы для концентрации 111 Бк/мл составляли: на поверхности кожи 14,65, в легких 0,28, в жировой ткани 0,049, в надпочечниках 0,025, в селезенке 0,0125 и в остальных органах и тканях 0,0042—0,0125 Гр. У подопытных животных не наблюдалось отклонений в изменении массы тела по сравнению с контрольными крысами. Выживаемость животных не отличалась от контроля. Общее число крыс с опухолями, а также число крыс с злокачественными опухолями достоверно не отличалось от контроля. Периодические исследования крови не выявили развития лейкоза. Установленная ДК 85Кг в воздухе, равная 11,1-103 Бк/мл, является обоснованной (Баллоу).
Баллоу и другие помещали новорожденных крысят в атмосферу 8ЯКг в течение 6 ч. Часть животных забивали через 6 ч— 8 сут. после воздействия, другая находилась под наблюдением до момента естественной гибели для изучения продолжительности жизни. Изучали влияние 85Кг на развитие эритемы, шелушение кожи, эпиляцию волос, изменение массы тела, смертность, частоту возникновения опухолей. Поглощенные дозы на поверхности составляли 10; 23,2; 47,5; 70 Гр. При дозе 70 Гр все крысята погибли от острого радиационного поражения к 11 сут. после воздействия.
Частота возникновения опухолей, преимущественно базально-клеточных карцином, была увеличена во всех группах животных при дозах от 10 до 47,5 Гр. Эффективная доза, вызывавшая развитие у новорожденных крысят базально-клеточной карциномы, была менее 10 Гр. У крысят не наблюдали развития опухолей легких, связанных с воздействием 85Кг. При этом максимальная поглощенная доза в легких была 0,5 Гр и составляла 1 % дозы на поверхности кожи.
Новорожденных крысят, возраст менее 2 сут, подвергали воздействию 85Кг в течение 6 ч при концентрациях: 18,5; 48,1-104 Бк и 9,62-104 Бк/мл, которые создавали дозы на поверхности кожи, измеренные с помощью термолюминесцентных дозиметров: 9,6; 23 и 47 Гр. Дозы на поверхности кожи более 9,6 Гр вызывали радиационные дерматиты, снижали прирост массы тела, уменьшали рост волос, сокращали продолжительность жизни. У крыс всех трех дозовых групп развивались базально-клеточные карциномы кожи. Самцы были более радиочувствительными, чем самки, по тесту прироста массы тела и индукции опухолей (Баллоу).
Дагле подвергал крыс воздействию β-излучения 85Кг на кожу в дозе 30,5 Гр, рентгеновского излучения в дозе 129Х10-4 Кл/кг.
Раздельное облучение β-частицами 85Кг и комбинированное воздействие с температурным фактором вызывало локальный сухой дерматит в 40% случаев. Повышение температуры окружающей среды до 36’С во время облучения крыс β-частицами от 85Кг в сочетании с рентгеновским облучением приводит к усилению лучевых повреждений кожи.
Баллоу и другие в течение 808 сут. облучали крыс 85Кг в концентрациях 1,11; 11,1; 111 Бк/мл. Эти концентрации в 1000, 10000 и 100 000 раз превышали ПДК. Изменения массы тела и смертности животных не наблюдали.
Тобиас приводит данные по накоплению и выведению 85Kr у людей. Наименьший период полувыведения 85Кг из конечностей человека составляет 2—10 мин. Этот период характеризует обмен 85Кг между кровью и васкуляризированными органами. Второй период, от 10 до 72 мин, характеризует выведение 85Кг из кистей рук и коленных суставов; третий период, от 100 до 300 мин — для кистей рук и от 190 до 870 мин — для коленных суставов.
Период выведения 85Кг из жировой ткани составляет 1,8— 3.7 ч. Выведение 85Kr из организма через легкие происходит за 30 ч. Растворимость 85Kr в жировой ткани человека при температуре 37°C 0,4 мл/г, а растворимость в крови 0,058 мл/г. Эти данные показывают, что в наибольших количествах радиоактивные газы растворяются в веществах, состоящих из высокомолекулярных соединений, таких, как жир, эритроциты.
А. Д. Туркин и другие [138] изучали закономерности накопления, распределения и выведения 8ЕКг из организма человека. Исследование проводили на мужчинах-добровольцах в возрасте от 25 до 50 лет. Испытуемых помещали в экспозиционную камеру объемом 3,1 м5. Время пребывания испытуемых в камере составляло от 0,5 до 66 ч. Нарастание содержания 85Кг в организме происходит в течение 3 ч, при повышенном содержании жировой ткани этот период увеличивается до 9 ч. Выведение 83Кг из организма имеет сложный характер. Среднее значение периода полувыведения 85Кг из легких составляет 30 с, а из жировой ткани от 1,8 до 3,7 ч. Выведение 85Кг из мышечной и других тканей занимает от 4 до 11 мин.
Скорость накопления инертных радиоактивных газов в организме человека превышает скорость их выведения. Так, накопление 85Kr в жировой ткани людей заканчивается практически через 4—5 ч, а выведение через 8—9 ч. По-видимому, более высокие темпы накопления инертных газов можно объяснить неодинаковым периодом концентраций инертных газов в крови и в насыщаемых тканях.
По данным А. Д. Туркина ПДВ 85Кг в атмосферу составляет 18,5· 1013 Бк/сут.
КСЕНОН
Ксенон — химический элемент нулевой группы Периодической системы элементов Д. И. Менделеева с атомной массой 131,3, порядковым номером —54. Открыт в 1898 г. английскими химиками Рамзаем и Траверсом. Название получил от греческого слова xenos — чужой. Обычный ксенон состоит из 9 изотопов: 125Xe, 126Xe, 128Xe, 129Xe, 130Xe, 131Xe, 132Xe, 133Xe, 136Xe. Встречается только в свободном виде. Ксенон образуется в результате деления 235U медленными нейтронами, а также при спонтанном делении 238U. Известно 20 искусственных радиоактивных изотопов Xe от 121Xe до 136Xe. Наибольший интерес представляет 133Xe. Это β-, γ-излучатель. Энергия β-частиц 0,346 МэВ, γ-квантов — 0,081 МэВ, период полураспада — 5,27 сут. 133Xe используется в медицине для изучения легочной вентиляции. В опытах на собаках изучали распределение 133Xe в органах и тканях. Отношение коэффициента растворимости 133Xe в органах и тканях собак к коэффициенту растворимости в воде составляет: в почках 1,62; печени 1,75; плазме 1,45; эритроцитах 3,75; в цельной крови 2,49; в жире 19,7. Коэффициент растворимости 133Xe в воде при температуре 37 °C равен 0,077 мл/л. Коэффициент растворимости 133Xe в жире человека составляет 1,6 мл/г, в крови 0,18 мл/г [138].
По данным Веннер при работе в атмосфере 133Xe задержка его в органах дыхания человека составляет 4% через 1 ч и 0,5% через 10 ч экспозиции. При производстве изотопов накопление 133Xe при поступлении через кожу в теле работающих может достигать 7,4· 103 Бк.
В опытах на добровольцах изучалось накопление 133Xe при поступлении через кожу и органы дыхания. Концентрация ’’’Xe в камере составляла 18,5-103 и 18,5· 104 Бк/л. Увеличение накопления 133Xe в организме человека происходит до 20 ч, затем суммарная активность незначительно изменяется и при времени экспозиции более 20 ч становится насыщенной. Накопление 133Xe в легких происходит за 3—5 мин. Активность 133Xe в легких снижается за первые 3—5 мин примерно на 70%. затем наступает медленное выведение. Период полувыведения 133Xe из легких человека — 30 с. Насыщение крови наступает в течение 3 ч. Процесс накопления и выведения 133Xe из крови происходит практически с той же скоростью, что и из легких.
Выведение 133Xe из организма происходит в течение первых 5 мин до 90—95%.
Поступление 133Xe через кожные покровы человека составляет не более 0,4% по сравнению с поступлением через органы дыхания. Это объясняется тем, что поверхность кожного покрова человека всего 1,8 м2, а органов дыхания 70 м2. Проникновение 133Xe через кожные покровы происходит гораздо медленнее, чем через легкие. Имеются данные о биологическом действии 133Xe на организм крыс. И. А. Раппопорт и В. О. Судакова облучали крыс на установке РУМ-3 в дозе 129Х10-3 Кл/кг, затем помешали в камеру с ,33Xe. Облучение β- частицами 133Xe было в дозе 350 Гр.
Воздействие β-излучения 133Xe и рентгеновского излучения вызывает развитие денатурационных изменений в клетках необратимого характера. Сочетанное воздействие 133Xe и рентгеновского излучения в указанной дозе приводит к усилению кожного поражающего эффекта по сравнению с раздельным облучением.
При использовании 133Xe в медицинских целях для изучения легочной вентиляции необходимо строго соблюдать технику безопасности, следить за герметичностью аппаратуры.
Так, Шайх указывает, что во время работы с 20 людьми по определению легочной вентиляции использовался источник 133Xe мощностью 3,7· 106 Бк. Наблюдались утечки 133Xe и облучение персонала.
Таблица 4 1 Кинетика выведения радиоактивных газов из организма человека
Доза на легкие составила 10-5 мГр, а на кожу 0,015 мГр за время одного исследования. По данным А. Д. Туркина ПДВ 133Xe в атмосферу составляет 18,5· 10‘ч Бк/сут.
Из табл. 4.1 видно, что скорость выведения Кг и Xe из легких и крови составляет 30 с. Более медленно выводятся газы из мышц (7—42 мин) и еще медленнее из жировой ткани, от 1 до 6,2 ч.
Неотложная помощь при острых радиационных воздействиях Аг, Кг, Xe.
Вывести пострадавшего из зараженной атмосферы на свежий воздух. Вдыхание карбогена, всемерное повышение легочной вентиляции. Промывание ротовой полости и носа водой и 2%-ным раствором NаНСO3. Отхаркивающие — термопсис с содой. Солевые слабительные. Внутрь димедрол по 0,05 г. При значительном отложении продуктов распада Rb и Cs показано проведение курса лечения ферроцином по 1 г 1 — 2 раза в день на протяжении 10—15 сут.
