4. Источники ионизирующего облучения человека

4.1. Понятие о естественном радиационном фоне (ерф)

Ионизирующее излучение не является каким-либо новым фактором воздействия на человека, подобно многим химическим веществам, синтезированным человеком и ранее не существовавшим в природе.

Каждый живой организм, включая человека, в течение индивидуальной жизни (онтогенеза) и в ходе всего развития живой природы (т.е. в процессе филогенеза) подвергается воздействию ИИ от различных естественных источников, так называемого естественного радиационного фона. Естественный радиационный фон – это неотъемлемая часть (фактор) окружающей среды. Повышенный интерес ученых к ЕРФ возник сравнительно недавно - в основном после того, как человек научился управлять энергией атома. И возник он не случайно. По мере дальнейшего расширения масштабов использования атомной энергии увеличивается число людей, подвергающихся воздействию ИИ от различных источников. Поэтому при оценке опасности ИИ и установления пределов облучения крайне важно знать характер и уровни облучения от различных природных источников.

Однако до конца еще не выяснена роль ЕРФ в жизни живых организмов. Некоторые исследователи говорят о положительной роли малых доз облучения, т. е. об их стимулирующем влиянии на жизненные процессы (явление гормезиса). Это положение, не имеющее достаточного подтверждения в экспериментальных наблюдениях, расходится с современным представлением о том, что радиационный фактор не оказывает положительного влияния, как на здоровье человека, так и на другие животные и растительные организмы. Согласно данным Научного комитета по действию атомной радиации ООН (НКДАР) и МКРЗ существует, хотя и небольшой, риск для здоровья человека радиационного фактора даже на уровне фона. По В.А. Книжникову за счет ЕРФ (без фона, обусловленного пребыванием в зданиях) риск смертельного исхода от злокачественных новообразований составляет около 1%. Также часть спонтанных случаев рака и наследственных заболеваний могут быть обусловлены именно облучением от естественных источников. Все это свидетельствует о необходимости их детального изучения.

Отличительной особенностью ЕРФ является его повсеместное действие на все население земного шара и относительное постоянство его уровней в течение длительного периода времени. Вместе с тем, уровни естественного облучения существенно отличаются в разных регионах и на различной высоте над уровнем моря.

4.2. Источники облучения человека в естественных условиях

Современная классификация источников облучения человека. Понятие о природных источниках радиации

Каковы же источники ионизирующего облучения человека в естественных условиях?

Прежде всего, это природные (естественные) источники, как внеземного происхождения (космические излучения), так и наземные – радионуклиды (космогенные и земного происхождения), содержащиеся в различных объектах окружающей среды – почве, воде водоемов, растениях и т.д. (рисунок 12.1).

Согласно оценке НКДАР ООН (1994 г.) наибольший вклад (70%) в суммарную эффективную дозу облучения населения вносит ЕРФ.

Второе место в общей совокупности облучения населения в естественных условиях существования занимают облучения в медицинских целях (29%). Доля вклада от остальных источников составляет до 1 %, в том числе от испытаний ядерного оружия – 0,3%; при профессиональном облучении – 0,06%, от предприятий атомной энергетики – 0,006% и т.д. (рисунок 12.2).

Средняя эффективная доза облучения населения нашей планеты, обусловленная источниками естественной радиации, находится на уровне 2,4 мЗв/год (НКДАР, 2000 г.). Однако величина этой дозы зависит как от природных условий, так и от деятельности людей и, следовательно, в различных странах варьирует. Так, в Великобритании эта доза составляет около 2,5 мЗв/год, в США – около 3,6 мЗв/год, в России от 0,6 мЗв/год до 3,1 мЗв/год (в среднем 1,9 мЗв/год), а в странах СНГ в среднем – 5,1 мЗв/год (рисунок 12.3).

Между тем, относительную степень радиационной безопасности населения от природных источников излучения характеризуют следующие значения эффективных доз: в том случае, если их уровень составляет менее 2 мЗв/год, то считается, что облучение не превышает средних значений доз от природных источников излучения; от 2 до 5 мЗв/год - облучение относится к повышенному; более 5 мЗв/год – к высокому уровню. То есть в странах СНГ, по данным Л.А.Ильина и соавт., В.А.Книжникова, население проживает в условиях высокого естественного уровня облучения (таблица 12.1).

В Республике Казахстан сведения об уровнях облучения населения от природных источников излучения заносятся в радиационно-гигиенические паспорта территорий. Министерством здравоохранения РК совместно с Министерством охраны окружающей среды РК в 1996 г. установлен допустимый уровень радиационного фона – 33 мкР/час. В России он составляет – 20 мкР/час.

Таблица 12.1.

Основные источники облучения населения СНГ и риск возникновения злокачественных новообразований со смертельным исходом (по Л.А.Ильину и соавт., В.А.Книжникову)

Источник облучения	Средняя инди- видуальная доза, мЗв/год	Риск злокачественных новообразований, число случаев / год
		на I млн.чел.
ЕРФ внеш.+внутр.облучение внешнее внутреннее	2,25 0,65 1,6	10
Рентген- и радиоизотопная диагностика	1,4	16
Стройматериалы и воздух помещений	1,4	14
Глобальный радиоактивный выпад вследствие испытания ядерного оружия	2,5х10-2	-
Удобрения	1,5х10-4	-
АЭС	1,7х10-4	-
ТЭС на угле	1,9х10-3	-
Суммарная доза облучения от всех источников	5,1	40

Из таблицы 12.1 также видно, что естественный фон обусловлен источниками, которые могут способствовать как внешнему, так и внутреннему облучению человека. Они имеют свои особенности, представляют различные степени риска для здоровья человека, поэтому мы рассмотрим их отдельно.

Рисунок 12.1. Современная классификация источников ионизирующего облучения человека

Рисунок 12.2. Доля вклада различных источников в суммарную эффективную дозу облучения населения в естественных условиях по данным НКДАР ООН (1994).

Рисунок 12.3. Среднегодовые эффективные дозы облучения населения разных стран, обусловленные источниками естественной радиации (НКДАР ООН, 2000).

Внешнее облучение может происходить за счет космического излучения, как первичного – потока мюонов, фотонов, электронов и нейтронов высоких энергий, пришедших из мирового пространства и достигших поверхности Земли, а также вторичного – рожденного этими частицами при взаимодействии с атомными ядрами атмосферы, в состав которого входят все элементарные частицы. Считается, что это излучение дает одинаковое (равномерное) облучение всех органов и тканей человека. Основными факторами, определяющими величину дозы от космического излучения, является высота над уровнем моря и в меньшей степени геомагнитная широта.

Средняя доза облучения населения за счет космического излучения на открытой местности на уровне моря равна 0,4 мЗв/год (НКДАР, 2000 г.).

Многоэтажные перекрытия современных зданий заметно уменьшают дозу космического излучения. В зависимости от этажности зданий коэффициент экранирования составляет от 14% до 40%.

Источниками природного внешнего облучения являются также радионуклиды земного происхождения, находящиеся в почве, в различных горных породах, в воде рек, морей и океанов, в атмосферном воздухе. Радионуклиды, находящиеся вне организма, излучают альфа-, бета- и гамма-лучи. Из них только гамма-излучение принимается в расчет определения дозы, получаемой человеком, вследствие их высокой проникающей способности.

Из радионуклидов земного происхождения основной вклад в дозу внешнего облучения вносят К-40 и радионуклиды радиоактивных семейств урана-238 и тория-232, находящиеся в земной коре с момента ее образования.

Годовая эффективная доза от этих источников на открытой местности составляет до 0,5 мЗв (НКДАР, 2000 г.), причем, доли вклада К-40, урана-238 и тория-232 в эту дозу составляют, соответственно, 35%, 25% и 40%.

При оценке доз внешнего облучения от природных источников следует учитывать, что на земном шаре имеются регионы, где радионуклиды земного происхождения вне помещений значительно превышают нормальный диапазон (от 3,6*10^-8 до 9,1*10^-8 Гр/ч). Районы с повышенным радиоактивным фоном имеются во многих странах. Наиболее хорошо изучены с дозиметрической точки зрения такие районы в Индии и Бразилии. В Индии наибольший интерес представляют участки земли (250х0,5 км), где преобладают моноцитовые породы. Средняя мощность поглощенной дозы в воздухе здесь составляет 4,3*10^-7 Гр/ч. В этом районе проживает около 70 тысяч человек. Примерно у 24% населения годовая доза облучения превышает 5*10^-3 Гр.

Космогенные радионуклиды (Ве-7, Nа-22, H-3, C-I4 и др.), являющиеся продуктами взаимодействия космического излучения с ядрами элементов земной природы, не вносят на поверхности Земли существенного вклада в дозу внешнего гамма-облучения.

При оценке дозы облучения человека, находящегося внутри помещения, принимается во внимание вид строительного материала здания. С одной стороны оно служит защитой от внешнего радиационного фона, а с другой – некоторые строительные материалы сами являются источниками дополнительного ионизирующего излучения. Так известно, что мощность дозы внутри каменных зданий из кирпича и гранита примерно на 30-50% выше, чем вне зданий за счет большого содержания в них естественных радионуклидов. Если учесть, что доля деревянных домов в мире составляет 20%, а каменных 80%, то средняя по всему земному шару мощность поглощенной дозы в воздухе внутри помещений будет на 20 % выше, чем на открытой местности.

В общем, средняя суммарная эффективная доза за счет естественных радионуклидов земного происхождения с учетом внешнего облучения человека вне и внутри помещений составляет примерно 0,35мЗв.

Внутренне облучение за счет природных источников по сравнению с внешним отличается рядом особенностей:

а) если при внешнем облучении учитывается только гамма-излучение, то при внутреннем основное действие оказывают альфа- и бета-излучения, действующие непосредственно на ткани и органы;

б) большинство радионуклидов накапливается в определенных органах и тканях, что приводит к неравномерному облучению отдельных частей организма;

в) внутреннее облучение действует все время, пока радионуклиды находятся внутри организма, т.к. процесс их распада их продолжается, длительность которого зависит от периода полураспада и других характеристик элемента.

Радионуклиды биосферы поступают в организм человека через органы дыхания или через ЖКТ. Количество поступающих в организм естественных радионуклидов, а, следовательно, и доза внутреннего облучения различных органов и тканей определяется их содержанием в воздухе, воде, пищевых продуктах и других объектах окружающей среды, а также структурой деятельности человека в данной местности, характером пищевого рациона населения и другими факторами.

Среди многих космогенных радионуклидов только Н-3, Ве-7, С-14 и Nа-22 вносят небольшой вклад в дозу внутреннего облучения. Годовая эффективная доза за счет космогенных радионуклидов при внутреннем облучении составляет около 15 мк3в.

Наибольший вклад в годовую эффективную дозовую нагрузку на организм вносится через респираторный тракт – 55% (главным образом при вдыхании продуктов распада радона). То есть при вдыхании радиоактивных инертных газов максимальному воздействию подвергаются легкие. Долгоживущие продукты распада радона (²¹⁰Po и ²¹⁰Pb) также вносят заметный вклад в дозу внутреннего облучения человека. С атмосферным воздухом в организм человека поступает в среднем около 4,0 Бк/год ²¹⁰Pb и 0,9 Бк/год ²¹⁰Po.

Доза внутреннего облучения с пищей и водой в среднем составляет 0,3 мЗв/год (НКДАР, 2000 г.), а по данным некоторых исследователей достигает до 0,4 мЗв/год (Василенко О.И., 2004 др.). При этом считается, что от общего поступления естественных радионуклидов в организм человека не менее 85% составляет их поступление с пищевыми продуктами и не более 15% – с питьевой водой.

Из многочисленных радионуклидов земного происхождения ограничимся рассмотрением только тех, которые при попадании внутрь организма создают наибольший вклад в тканевую дозу.

Калий-40. Калий является важным биологическим элементом, поэтому концентрация его в организме отличается большим постоянством. Средняя массовая концентрация калия в организме составляет 2 г/кг. Радиоактивный изотоп К-40 составляет тысячные доли процента от стабильного калия. Соответствующая этим значениям годовая эффективная доза равна 180 мкЗв.

Рубидий-87. О поведении этого изотопа в окружающей среде и метаболизме в организме человека мало сведений. Предполагается, что в организме он распределяется, как и калий. Концентрация рубидия-87 в организме человека формирует годовую эффективную дозу на все тело в 6 мкЗв.

Радиоактивные семейства урана и тория. Каждое из этих семейств состоит более чем из 10 радионуклидов. Один из продуктов в каждом семействе представляет собой радиоактивный инертный газ, который называется эманацией. В семействе урана это эманация радия – радон (Rn), в семействе тория - эманация тория – торон (Tn). Среди всех природных источников именно радон и торон и продукты их распада вносят основной вклад в суммарную дозу облучения человека.

Радон и торон распространены в природе повсюду. Поступление этих радионуклидов и их дочерних продуктов (ДП) в организм человека происходит в основном во время пребывания его в помещениях. Это связано с тем, что концентрация ДП распада радона и торона в помещениях всегда выше, чем в атмосферном воздухе, и что большую часть времени люди проводят в помещении. Доза облучения населения, создаваемая радоном в воздухе, составляет 1,3 мЗв/год (Василенко О.И., 2004). Более подробно о загрязнении воздуха помещений радиоактивными газами остановимся ниже.

Технологически измененный естественный радиационный фон (ТИЕРФ)

Дополнительное облучение в глобальных масштабах от источников радиации в естественных условиях пока еще невелико и составляет около 1% коллективной дозы, обусловленной ЕРФ.

Однако при некоторых видах человеческой деятельности для отдельных контингентов этот вклад может стать существенным.

В настоящее время фоновое облучение человека не ограничивается перечисленными выше источниками радиации. В процессе разработки той или иной технологии человек может локально изменить распределение естественных источников радиации, в результате такой деятельности создаются повышенные по сравнению с естественным фоном уровни излучения, называемые технологически измененным естественным радиационным фоном (ТИЕРФ).

То есть ТИЕРФ – это излучение от естественных источников ИИ, которые являются результатом или усугубляются за счет тех или иных видов деятельности человека в связи с применением техники и технологии, не предназначенной для облучения. В специальной литературе ТИЕРФ также называют: технологически повышенным ЕРФ, технологически усиленным ЕРФ, техногенным радиационным фоном.

Особенностью многих вышеуказанных компонентов облучения является то, что при относительно небольших индивидуальных дозах облучения они воздействуют на большие контингенты людей и за счет этого создают значительный вклад в коллективную дозу облучения населения. Поскольку, согласно современным представлениям, последствия облучения оцениваются величиной коллективной дозы, то значимость этих компонентов необходимо оценивать по их вкладам в коллективную дозу.

Интересно рассмотреть подробнее, в какой мере деятельность человека увеличивает естественный радиационный фон и может ли это представлять какую-либо опасность для населения.

Так, средняя доза облучения за счет строительных материалов, содержащих естественные радионуклиды, составляет примерно 1/3 полной дозы облучения людей от всех источников ИИ (включая и искусственные), а в некоторых конкретных условиях и значительно больше.

В большинстве развитых стран мира в настоящее время осуществляются государственные программы обследования радиоактивности воздуха в жилых постройках. В ряде стран (США, Канада, Швеция) введены ограничения концентрации ДП распада радона в жилых зданиях.

Согласно санитарным нормам РК, допустимая концентрация радона в помещениях – 200 Бк/м³ . Однако, учитывая, что на территории Казахстана существует ряд радоноопасных площадей (урано-рудные и редкометалльные провинции, горные и предгорные районы, тектонические разломы), имеет место повышенного выделения радона из грунта и поступления его в помещения зданий. В меньших количествах он поступает в помещение из атмосферного воздуха, из водопроводной сети и горючего газа.

Концентрация радона и его ДП в воздухе помещений зависит от потока поступления радона с поверхности почвы (эксхаляции) и скорости воздухообмена. При неблагоприятных условиях концентрация радона в воздухе жилых помещений может превышать допустимые значения.

Так, по данным В.Н. Севостьянова (2004 г.) в помещениях ряда населенных пунктов Кокчетавской, Жезказганской областей концентрация радона составила 510 Бк/м³ – 4500 Бк/м³. На территории г. Алматы, для которой характерно существование обширных зон тектонических разломов, максимальное значение эквивалентной равновесной объемной активности (ЭРОА) изотопов радона в зданиях составило выше 1000 Бк/м³, а в среднем – 130 Бк/ м³ . Для Казахстана среднее значение объемной активности радона в помещениях составляет 170 Бк/ м³ , что более, чем в 4 раза превышает средний общемировой уровень, равный 40 Бк/ м³ .

Помимо почвы, источниками радона и его ДП (²¹⁴Pb, ²¹⁴Po, ²¹⁸Ро, ²¹⁴Bi) являются строительные материалы из высокорадиоактивных пород, вода из радононосных водоисточников.

В литературе описан сенсационный случай, когда в США в 1984 г. семья одного рабочего АЭС получала много лет подряд за счет эманации радия из стен жилого помещения 50 годовых доз, допустимых для профессионалов. При расследовании было обнаружено, что стройматериалы были загрязнены ураном.

В странах СНГ, включая Казахстан, исходя из гигиенических соображений, все строительные материалы классифицируются в зависимости от содержания в них естественных радионуклидов (удельной эффективной активности - Аэфф).

Согласно Нормам радиационной безопасности (НРБ-99) к 1 классу относятся строительные материалы для вновь строящихся жилых и общественных зданий с А эфф. не более 370 Бк/кг.

Ко 2 классу относятся материалы, используемые в дорожном строительстве в пределах населенных пунктов (А эфф. не более 740 Бк/кг).

К 3 классу – материалы, используемые в дорожном строительстве вне населенных пунктов (А эфф. не более 2,8 кБк/кг).

Одним из факторов повышенного естественного облучения населения могут быть также источники водоснабжения, с высоким содержанием радона. Согласно НРБ-99 норма его содержания в воде составляет 60 Бк/кг. В водопроводной воде г. Алматы, например, концентрация радона колеблется в пределах нормы – 20 – 40 Бк/кг, а в водоисточнике санатория «Алмаарасан», по предварительным данным В.Н. Севастьянова (2004 г.), - 70 Бк/кг, в воде из скважин санатория «Мерке» Жамбылской области – до 5000 Бк/кг.

Естественный радиационный фон может быть увеличен также за счет производства и применения фосфатных удобрений, газо-аэрозольных выбросов продуктов сжигания органического топлива (каменный угль, торф, нефть, газ и др.), содержащих естественные радионуклиды.