Факторы и группы токсичности радионуклидов

Введение

План

Лекция №4

Тема: «Основы радиотоксикологии. Группы токсичности радионуклидов. Характеристика радиоактивных продуктов ядерного деления: стронций-90, йод-131, цезий-137, плутоний-238 и др. Лучевые поражения животных. Синдромы лучевых поражений»

 

Введение

1. Факторы и группы токсичности радионуклидов.

2. Радиотоксикология наиболее опасных для биосферы искусственных продуктов ядерного деления.

3. Лучевые поражения животных. Синдромы лучевых поражений.

 

В результате техногенной аварии на Чернобыльской АЭС (26 апреля 1986 года) территория Республики Беларусь подверглась загрязнению долгоживущими радионуклидами.

Цезием-137 загрязнено 46,45 тыс. км², или более 22% территории, стронцием-90 загрязнено 21,1 тыс. км², что составляет 10% территории. Загрязнение почвы изотопами плутония-238, 239, 240 составило около 4,0 тыс. км², или почти 2% территории.

На загрязненных территориях проживает 1,8 млн. человек, а дозовые нагрузки на население в ряде населенных пунктов составляют свыше 5 мЗв в год.

Радиотоксикология - предмет, который занимается изучением путей поступления, распределения радионуклидов, а также их выведения из организма человека и животных. Радиотоксикология изучает непосредственное действие радионуклидов на организм, их отдаленное последствие, методы и средства, препятствующие всасыванию радионуклидов и ускоряющие их выведение из организма, а также химию радионуклидов.

Радионуклиды, попав в организм, действуют как точечные источники излучения, оказывают выраженное биологическое действие. Степень выраженности этого действия на организм называется радиотоксичностью. Надо иметь в виду, что понятие «токсичность радиоактивных веществ» не совсем соответствует и совпадает смысловому содержанию термина «токсичность». Например, связанному с действием на организм химических веществ.

По данным ученого В. Ковалевского организм человека содержит до 68 химических элементов, 47 из которых являются для организма постоянными. Тело человека массой 70 кг состоит из 45,5 кг кислорода, 7 кг водорода, 2,1 кг азота, 12,6 кг углерода, 1,4 кг кальция, 0,7 кг фосфора, 200 г магния, 200 г хлора, 175 г серы, 150 г натрия, 165-130 г калия, 5 г железа и др. В организме человека содержится около 50 кг воды.

Радиотоксичность радионуклидов обусловлена видом излучения (наиболее опасными для организма являются альфа-излучатели, менее опасны бета-излучатели и еще меньше – гамма-излучатели); интенсивностью излучения, что определяется величиной энергии (ЛПЭ – линейной передачей энергии) и периодом полураспада радионуклида; типом распределения радионуклида в организме (равномерный, скелетный, щитовидный и др.); скоростью выведения радионуклида из организма (период полувыведения) и кумулятивным эффектом. Основным показателем радиотоксичности радионуклида является суммарная доза, создаваемая им в организме.

Радионуклиды как потенциальные источники внутреннего облучения разделяются (в убывающем порядке) по степени радиационной опасности на четыре группы с индексами А,Б,В,Г:

Группа А – радионуклиды с минимально значимой активностью (МЗА) 3,7 кБк (0,1 мкКи) – полоний-210, радий-226, плутоний-238, свинец-210, уран-232 и др.

Группа Б – радионуклиды с МЗА 37кБк (1мкКи) - стронций-90, йод-131, церий-144, уран-235, торий-234 и др.

Группа В – радионуклиды с МЗА 370 кБк (10 мкКи) – фосфор-32, кобальт-60, стронций-89, цезий-137, барий-140 и др.

Группа Г – радионуклиды с МЗА 3700кБк (100 мкКи) – тритий, углерод-14, фтор-18, хром-51, железо-55 и др.

Под минимально значимой активностью понимают наименьшую активность открытого источника на рабочем месте, при которой еще требуется разрешение органов Государственного санитарного надзора для работы. Если активность источника ниже МЗА, названной в Нормах радиационной безопасности, специального разрешения для работы не требуется.

Принадлежность радионуклидов к группе радиационной опасности определена Нормами радиационной безопасности. Каждая группа характеризуется степенью токсического действия: группа А имеет особо высокую степень токсичности; группа Б – большую или высокую токсич-ность; группа В – среднюю токсичность; группа Г – малую токсичность.

 

2. Радиотоксикология наиболее опасных для биосферы искусственных продуктов ядерного деления

 

Появление искусственных радионуклидов в биосфере Земли связано с деятельностью человека. Радионуклиды искусственного происхождения подразделяют на три группы:

1. Радиоактивные продукты ядерного деления, возникающие в реакциях деления ядер ²³⁵U, ²³⁸U, ²³⁹Pu и др.

2. Продукты наведенной активации, образующиеся в результате ядерных реакций элементарных частиц (в основном нейтронов) с ядрами атомов стабильных элементов, входящих в состав конструкционных материалов ядерных реакторов, боеголовок и др.

3. Радиоактивные трансурановые элементы, возникающие в ядерно- энергетических установках и при ядерных взрывах. Они в основном альфа-активны, высоко радиотоксичны и имеют большой период полураспада.

Стронций как элемент идентифицирован в 1790 году А. Крофордом (Эдинбург, Шотландия). Выделен в 1808 году. Свое название получил в честь Шотландии – Strontiant. Стронций – это серебристо-белый мягкий металл. Стронций относится к химическим элементам II группы периодической системы Д.И. Менделеева. Атомный номер 38. Относительная атомная масса 87,62. Температура плавления 752-797^оС, температура кипения 1366^оС. Химически активен. На воздухе окисляется при обычной температуре. Значительно распространен в природе. В земной коре его содержится 0,04 вес.%. Содержание в организме среднего человека (масса тела 70 кг): 320 мг.

Основных изотопов стронция восемь. Природный стронций состоит из четырех стабильных изотопов: Sr-84, 86, 87, 88. Стронций имеет четыре радиоактивных изотопа: Sr-82, 85, 89, 90. Наибольшее значение из них имеют два (стронций-89 и стронций-90), которые являются продуктами ядерного деления (деление урана в ядерных реакторах, взрывы атомных бомб).

Стронций-89 – бета- и гамма излучатель с периодом полураспада 50,52 дня. Группа токсичности – В (средняя токсичность). В первые месяцы после взрыва атомного заряда стронций-89 является одним из ведущих радионуклидов, определяющих суммарную бета-активность смеси продуктов деления.

Стронций-90 – бета-излучатель, имеющий период полураспада (Т_½) 29,1 года. Энергия бета-частиц 0,544 Мэв. Претерпевая бета-распад, стронций превращается в дочерний радиоактивный элемент иттрий-90 (Т_½ – 64,2 ч, бета-излучатель). Стронций-90 по токсичности относится к группе - Б (высокая радиотоксичность).

Попадая в атмосферу, стронций выпадает в виде сухих, влажных аэрозолей (осадков) на поверхность земли, на растения, в воду. Большая его часть остается в верхнем 3-5 см слое почвы (в песках проникает до 30-45 см в глубину). Активно накапливают его торф и глины. Вымывается водой, попадает в водоемы. Стронций-90 включается в компоненты биосферы, мигрирует по биохимическим цепочкам и с продуктами растительного и животного происхождения может попадать в организм человека.

В организме животных и человека стронций всасывается в желудочно-кишечном тракте (5-100%). Величина всасывания зависит от рациона, возраста животного, функционального состояния кишечника, физико-химических свойств соединения и пр. Стронций является аналогом кальция, включается в минеральный обмен, имеет скелетный тип распределения. Концентрируется преимущественно в диафизах костей. Это создает прямое облучение всего скелета и костного мозга. При этом поражается система кроветворения, развиваются лейкозы, остеосаркомы, новообразования молочных желез, яичников, гипофиза. Нарушается функция печени, почек и снижается иммунная реактивность организма.

Выделяется стронций-90 из организма в основном с калом, мочой, молоком, а у птиц - с яйцом. Период полувыведения стронция-90 из мягких тканей составляет 2,5-8,5 суток, а из костей – 90-145 суток.

Цезий как элемент открыт в 1860 году Р. Бунзеном и Г.Р. Кирхгофом (Гейдельберг, Германия). Название он получил от латинского слова Caesius (небесно-голубой). Это блестящий, золотистого цвета мягкий металл. . Цезий относится к элементам I группы периодической системы Д.И. Менделеева. Атомный номер 55. Относительная масса 132,9054. Температура плавления 28,5^оС, температура кипения 670^оС. На воздухе моментально воспламеняется, хорошо растворяется в воде. В земной коре содержится 7.10^-4 вес. %. Встречается в основном в рассеянном состоянии и в минералах.

Цезий как элемент представлен 40 изотопами (с учетом ядерных изомеров) с массоваыми числами 114-145, из них радиоактивных изотопов 34. Стабильный изотоп цезия-133. Основных радиоактивных изотопов три: Cs-134, 135, 137. Наиболее значимые радиоактивные изотопы: Cs-134 и Cs-137.

Cs-134 – бета- и гамма-излучатель, период полураспада – 2,065 лет. Цезий-137 имеет период полураспада 30,17 лет. Является продуктом деления тяжелых ядер. При распаде дает бета-излучение, но дочерний элемент Ва-137 (Т_½ = 2,55 мин) при распаде дает гамма-излучение. Поэтому цезий-137 считают бета - и гамма-излучающим радионуклидом. По степени токсичности относится к группе - В (средняя радиотоксичность). В настоящее время цезий-137 является основным дозообразующим радионуклидом после аварии на ЧАЭС.

С почвой, кормом, водой, воздухом поступает в организм животных в основном через пищеварительный тракт и дыхательные пути. Степень всасыванияв желудочно-кишечном тракте достигает 100%. В обменных процессах подобен калию. Цезий-137 в организме распределяется в основном равномерно, но некоторые ткани и органы (мышцы, сердце, печень, почки) накапливают его больше.

Выводится из организма через желудочно-кишечный тракт, почки, а также с молоком, яйцом птицы (в основном через белок). Эффективный период полувыведения по цезию-137 у лактирующих коров составляет от 20 до 50 дней.

Йод как элемент открыт в 1811 году Б. Куртуа (Париж, Франция). Название элемент получил от греческого слова iodes – фиолетовый. Йод – твердый черный неметалл, с блеском (темно-серые кристаллы с фиолетовым металлическим блеском). Йод – химический элемент VII группы периодической системы Д.И. Менделеева. Атомный номер 53. Относительная атомная масса 126,90447. Температура плавления 113,6^оС, температура кипения 185^оС. Находится в природе почти повсеместно, преимущественно в виде йодистых солей натрия, кальция, магния, но рассеянно. Содержание в организме среднего человека (масса тела 70 кг): 12-20 мг.

Число изотопов (с учетом ядерных изомеров) 37. Природный йод состоит из одного стабильного изотопа – йод-127. Радиоактивных изотопов 24 – от йода-117 до йода-126 и от йода-128 до йода-139. Наиболее значимыми радиоактивными изотопами являются йод-129 и йод-131. В радиодиагностике наиболее широко применяются йод-123 и йод-125. Большинство радиоизотопов йода имеют короткий период полураспада (секунды, минуты, часы).

Йод-129 – это гамма- и бета-излучатель, период полураспада – 1,67^.10⁷ лет. Большую опасность представляет йод-131. Это также гамма- и бета- излучатель, период полураспада которого составляет 8,04 дня. По радиотоксичности относится к группе Б (высокая радиотоксичность).

Йод-131 обладает высокой летучестью и является химически активным элементом. Он включается в компоненты биосферы (почва – вода – флора –фауна) и принимает участие в биологическом цикле обмена веществ.

В организм животных и человека йод-131 попадает через желудочно-кишечный тракт, через органы дыхания, кожу, конъюнктиву, раны. Он хорошо и быстро всасывается из желудочно-кишечного тракта (100%) в кровь и до 60% откладывается в щитовидной железе, которая является критическим органом для йода. Концентрация его в организме составляет в соотношении: кровь – 1, почки, печень, яичники - 2-3, слюнная железа, моча – 3-5, кал и молоко – 5-15, щитовидная железа – 10000. Из организма радиоактивный йод, как и стабильный, выводится с мочой (до 70-80%), калом, молоком, а у птиц - с яйцом. У лактирующих коров с 1 л молока выделяется около 1% поступившего за день количества йода-131. При введении в организм овец и телят с кормом стабильного йода на 50% снижается последующее депонирование йода-131 в щитовидной железе.

В результате аварии на ЧАЭС из реактора было выброшено порядка 7^.10²⁰ Бк радиоактивного йода. В щитовидной железе, после попадания в организм, радиоактивный йод регистрируется спустя несколько часов, где с его участием идет образование гормонов (тироксин, трийодтиронин), регулирующих рост, обмен веществ, состояние нервной системы и многих других функций организма. Период йодной опасности после аварии на ЧАЭС продолжался 1,5-2 месяца. За это время щитовидная железа оказалась облученной у 1,5 млн. человек, в том числе у 160000 детей. К возможным отдаленным последствиям облучения щитовидной железы относятся стойкое нарушение ее функций и развитие опухолей. Опухоли могут появиться у детей спустя 10 лет с момента облучения, а у взрослых людей и через 20-30 лет.

Большинство животных с поражением щитовидной железы радиоактивным йодом в результате аварии на ЧАЭС погибли или были подвергнуты вынужденному убою.

Плутоний как элемент открыт в 1940 году Г.Т. Сиборгом, А. Валем,и Дж. У. Кеннеди (Беркли, Калифорния, США). Назван в честь планеты Плутон. Это радиоактивный серебристый металл. Атомный номер 94. Относительная атомная масса 244. Температура плавления 640 С.

Плутоний – радиоактивный химический элемент, имеет 15 изотопов. В природе существует в ничтожных количествах на поверхности Земли. Образуется из урана под действием нейтронов космического излучений и нейтронов, возникающих при спонтанном делении урана, а также в ядерных реакторах. При этом образуется изотоп плутоний –239. Это долгоживущий радиоизотоп. Период его полураспада 24390 лет. Альфа- и гамма-излучатель. Плутоний и его соединения обладают сравнительно высокой альфа-радиоактивностью и сопровождающими слабым гамма-излучением и мягким рентгеновским излучением.

По токсичности часть радиоизотопов отнесена к группе А (особо высокая радиотоксичность), а часть к группе Б (высокая радиотоксичность). Радиотоксичность плутония –239 в 100 раз больше стронция-90.

Плутоний-241 имеет период полураспада 14,4 года.

Плутоний прочно фиксируется в почве, перемещается вней медленно. В растения поступает в небольших количествах. В организме животных изотоп плутония-239 попадает ингаляционным путем, через кожу и ее повреждения, желудочно-кишечный тракт. Это гепатотропный радионуклид. У человека 45% плутония из крови депонируется в печени, из которой выводитсячерез 20 лет. Через 2-3 месяца в печени возникает цирроз, возможны гепатомы.

Плутоний-238 имеет период полураспада 87,74 года. Очень радиотоксичен, обладает высокой генетической эффективностью (резко увеличивается число хромосомных аббераций) и развмваются опухоли (остеосаркомы). У взрослых – преимущественно в конечностях, у молодняка – в голове и позвонках. Из скелета выводится медленно. Биологический период полувыведения 100 лет.

Плутоний как элемент используется как компактный источник энергии, ядерное топливо и в производстве ядерных вооружений.