Глава 7. Основы дозиметрии внутреннего облучения

На рисунке 7.1 представлены основные пути поступления, перераспределения и выделения радионуклидов из тела человека. Органы дыхания, желудочно-кишечный тракт (ЖКТ) и кожа – основные пути поступления радиоактивного вещества в организм. Эти органы выполняют функции барьера, препятствующего проникновению радиоактивности во внутреннюю среду организма. Часть поступившей активности удерживается этими барьерными органами и затем выводится из организма в неизмененном виде. Как правило, радионуклиды поступают в организм в составе частиц радиоактивного материала, основную массу которых составляет нерадиоактивное вещество. Барьерный орган препятствует проникновению во внутреннюю среду организма самих частиц. На поверхности барьера «окружающая среда – внутренняя среда организма» происходит выщелачивание радиоактивных атомов из частиц. Разрушаются их химические связи с субстратом, и радионуклиды проникают через барьер в составе растворенной фракции вещества частицы. На этой стадии происходит поглощение радиоактивного вещества – преобразование его химической формы и перенос в жидкости тела. На рисунке 7.1 перемещение радионуклидов в составе частиц обозначено стрелками с кружками, в преобразованной химической форме (растворенные) – простыми стрелками.

Рис. 7.1. Основные пути поступления, удержания и выделения радионуклидов

Проникшие в жидкости тела радиоактивные атомы могут переноситься жидкостями тела в органы вторичного депонирования[6], где могут удерживаться долгое время. Освобождение организма от радиоактивного вещества происходит вследствие радиоактивного распада и в результате его выделения преимущественно с мочой и калом. Выделение радиоактивного вещества с потом, выдыхаемым воздухом или со слизью носовых ходов оказывает малое влияние на динамику активности в теле человека.

Ниже описываются модели для главных путей поступления радиоактивных веществ в организм человека через органы

дыхания вследствие ингаляции аэрозолей, паров и газов;

желудочно-кишечного тракта вследствие заглатывания пищи и воды.

Неповрежденная кожа – хороший барьер против проникновения чужеродного вещества в организм человека. Как правило, радионуклиды не проникают через неповрежденную кожу в сколько-нибудь значительных количествах; усвоение через неповрежденную кожу в 200 – 300 раз меньше, чем через ЖКТ. Однако для некоторых элементов этот путь нужно иметь в виду – в первую очередь, для оксида трития, находящегося в составе тритированной воды (HTO), а также для изотопов йода. Эти нуклиды легко проникают через кожу и всасываются в кровь. Также при аварии раны на коже могут стать «воротами» для поступления радионуклидов в организм.

7.1.1. Кинетика радионуклидов в организме при

  ингаляционном поступлении

Радиоактивные аэрозоли. Считается, что из трех возможных путей поступления радионуклидов в организм (ингаляционный, пероральный и через кожу) наибольший вред человеку причиняет вдыхание загрязненного радионуклидами воздуха. Это обусловлено, в первую очередь, тем, что этот путь поступления нельзя полностью исключить подобно тому, как в случае загрязнения продуктов питания прекращают их потребление.

Наиболее сложной формой радиоактивных веществ, попадающих в организм через дыхательную систему, являются радиоактивные аэрозоли. Аэрозоли - это дисперсная система, состоящая из твердых или жидких частиц, находящихся во взвешенном состоянии в газе (обычно в воздухе). Радиоактивные аэрозоли- это аэрозоли, в состав которых входят радионуклиды. Именно радиоактивные аэрозоли в значительной степени определяют радиационную обстановку как внутри помещений, относящихся к предприятиям ядерно-топливного цикла[7], так и на окружающей их территории. Поэтому для всесторонней оценки дозы необходимо знать нуклидный состав аэрозолей, их физико-химические свойства, источники образования радиоактивных аэрозолей, а также учитывать методы улавливания аэрозольных частиц. Воздействие радиоактивных аэрозолей на организм человека осуществляется, в основном, за счет внутреннего облучения. Внешнее облучение от радиоактивных аэрозолей мало по сравнению с внутренним.

Все  аэрозольные системы можно классифицировать по двум основным признакам: по агрегатному состоянию дисперсной фазы (пыли, дымы, туманы) и по размеру частиц, составляющих аэрозольную систему (высокодисперсные, тонкодисперсные, грубодисперсные). Радиоактивные аэрозоли подразделяются на короткоживущие и долгоживущие в зависимости от периода полураспада нуклида, который содержат частицы.

Модель органов дыхания. Современная дозиметрическая модель органов дыхания человека была предложена МКРЗ для целей радиологической защиты в 1994 г. Она описывает поведение радиоактивных веществ в органах дыхания «условного человека», представляющего шесть возрастных групп: новорожденных, годовалых младенцев, 5-, 10-, 15-летних детей и подростков, а также взрослых людей (население и персонал). Модель позволяет вычислять дозы на отдельные участки органов дыхания. Это делает возможным учесть и различную радиочувствительность тканей органов дыхания и неоднородность их облучения.

Рис. 7.2. Органы дыхания

В дозиметрической модели органы дыхания представлены двумя отделами и пятью областями. Их схематическое изображение приведено на рис. 7.2. Воздух вдыхается через нос и рот и спускается в легкие по трахее и по разветвляющимся, как дерево, трубкам - бронхам и бронхиолам. На конечных бронхиальных веточках «бронхиального дерева» находятся альвеолы - крохотные мешочки, заполненные воздухом. Средняя плотность легких составляет около 0,26 г/см³, поскольку они состоят из миллионов таких мельчайших мешочков. В стенках альвеол находятся кровеносные и лимфатические капилляры. В альвеолах тканевый барьер между кровью, находящейся в капиллярах, и воздухом в альвеолярных мешочках составляет несколько микрон, что позволяет кислороду воздуха диффундировать в кровоток, а углекислому газу выходить из кровотока в просвет альвеолы и вместе с выдыхаемым воздухом покидать организм человека. По сравнению с атмосферным воздухом выдыхаемый воздух всегда обогащен углекислотой и обеднен кислородом.

Осаждение радиоактивных частиц в органах дыхания человека. Осаждение в органах дыхания радиоактивных частиц, поступивших ингаляционным путем, определяется аэродинамическими свойствами аэрозольных частиц. При рассмотрении осаждения частиц в дыхательных путях все отделы дыхательной системы представляются последовательностью фильтров, захватывающих взвешенные частицы при вдохе и выдохе. Осаждение частиц на фильтре происходит за счет двух конкурирующих процессов – аэродинамического и термодинамического осаждения.

Аэродинамическое осаждение представляет собой процессы гравитационного и инерционного осаждения, оно характерно для частиц с диаметром от 0,5 мкм и более. Аэродинамическое осаждение определяется конфигурацией воздухопроводящих путей, скоростью движения и диаметром частицы. В диапазоне диаметров частиц от 0,5 до 100 мкм дисперсность вместо эффективного геометрического размера характеризуется активностным медианным аэродинамическим диаметром (АМАД) d_ae, который определяется как диаметр сферической частицы единичной плотности, имеющей такую же скорость гравитационного осаждения в воздухе, что и рассматриваемая частица:[8]

(7.1)

где d - геометрический размер частицы; r - плотность аэрозольных частиц, г/см³; c - единичная плотность, равная           1,0 г/см³.

Как правило, частицы аэрозоля, взвешенные в окружающем воздухе, имеют различные аэродинамические размеры. В большинстве случаев распределение активности (массы) аэрозоля по размеру частиц n _A(d_ae) отвечает логарифмически нормальному закону распределения[9]

,

(7.2)

где АМАД – аэродинамический медианный по активности диаметр, мкм; – стандартное геометрическое отклонение, значение которого принимается равным 2,5[10].

Аэродинамические размеры отражают способность аэрозольных частиц следовать по направлению воздушного потока и тем самым определяют их местонахождение в органах дыхания, а также в воздуховодах вентиляционных систем АЭС.

Термодинамическое осаждение обусловлено броуновским движением частиц, имеющих диаметр меньше 0,5 мкм. Для частиц, имеющих диаметр от 0,6 нм до 0,5 мкм, дисперсность характеризуется активностным медианным термодинамическим диаметром (АМТД)[11], который определяется как диаметр частицы единичной плотности, которая имеет такой же коэффициент диффузии в воздухе, что и рассматриваемая частица:

Для частиц с геометрическим диаметром меньше 0,1 мкм основной процесс осаждения – термодинамический, для частиц с диаметром больше 1,0 мкм – аэродинамический. Дисперсность радиоактивных аэрозолей определяется условиями образования аэрозолей и их химическим составом.

Таким образом, при вдыхании воздуха радиоактивные вещества, содержащиеся в нем, задерживаются на всем протяжении дыхательного пути, начиная от носоглотки и кончая глубокими альвеолярными отделами легких, причем глубина проникновения определяется размерами частиц.

Современные модели позволяют рассчитывать осаждение в органах дыхания аэрозольных частиц, имеющих различную дисперсность. Для этого оказалось удобным представить органы дыхания двумя отделами – экстраторакальным[12] и торакальным[13] (см. рис. 7.2). Объем и скорость вдыхаемого воздуха, а также распределение частиц по органам дыхания зависят от возраста человека и от его физической активности. Для примера в табл. 7.1 приведены значения скорости дыхания для лиц разного возраста, имеющих различную физическую нагрузку.

Таблица 7.1

Скорость дыхания при различных уровнях физической

активности

На рисунке 7.3 показано осаждение условных[14] аэрозолей в различных отделах органов дыхания стандартного[15] работника. Слизистая оболочка дыхательных путей (трахеи, бронхов и бронхиол) выстлана мерцательным эпителием, клетки кото-

Рис. 7.3. Осаждение аэрозолей в различных отделах дыхательной системы человека

рого имеют на внешней поверхности тончайшие выросты - реснички, способные сокращаться. Сокращение ресничек совершается ритмически и направлено в сторону ротовой и носовой полостей, т.е. можно сказать, что наличие мерцательного эпителия является защитной реакцией организма, благодаря которой часть аэрозольных ча-стиц, попавших в ды-

хательную систему, возвращается обратно - реснички мерцательного эпителия перемещают (со скоростью ~ 3 - 4 см/мин) к полости рта твердые частицы, попавшие в верхние дыхательные пути.

Таким образом, в процессе дыхания аэрозольные частицы вместе с воздухом через трахею и бронхи попадают в альвеолярные ткани, а оттуда (после преобразования в растворимую форму) в лимфатическую систему или кровь.

Классификация радионуклидов по скорости перехода из легких в кровь. На рисунке 7.1 схематически представлен (в числе прочих) ингаляционный путь поступления, перераспределения и выделения радионуклидов из тела человека. В легких соединение, содержащее радионуклид, может реагировать с окружающей средой, поэтому химическая форма радионуклида может измениться, например, радионуклид может стать растворимым. В этом случае радионуклид в составе растворенной фракции вещества частицы проникает через легкие (барьер) в жидкости тела.

Дальнейшая судьба вдыхаемых частиц или аэрозолей, задержанных в различных отделах дыхательного тракта, зависит от многих факторов, среди которых основным является растворимость радионуклида или его способность к гидролизу и комплексообразованию. Если радиоактивное вещество растворимо в воде и биологических средах, то оно будет хорошо и быстро всасываться и в легких. При этом хорошо растворимый радионуклид в легких не концентрируется, а значит, и не создает в них большую дозу излучения. Когда вдыхаемый воздух содержит радионуклид (или его соединение), относящийся к классу труднорастворимых, тогда этот радионуклид будет накапливаться в легких (вследствие медленного выведения этих соединений из легких).

Для того, чтобы можно было нормировать поступление радионуклидов через органы дыхания в форме радиоактивных аэрозолей, их химические соединения разделены на три типа в зависимости от скорости перехода радионуклида из легких в кровь:

тип «М» - медленнорастворимые соединения – при этом соединение радионуклида выводится из легких в кровь со скоростью λ = 0,0001 сут^-1;

тип «П» - соединения, растворимые с промежуточной скоростью – при этом соединение радионуклида выводится в кровь со скоростью 0,005 сут^-1;

тип «Б» - быстрорастворимые соединения – они выводятся в кровь со скоростью 100 сут^-1;

тип «Г» - радионуклид поступает в легкие в форме радиоактивного газа или паров соединений радионуклида.

Скорость перехода радионуклида в кровь λ_б (биологическое выведение) означает величину, обратную времени Т _б, за которое количество радионуклида в легких уменьшается в е раз:  (при допущении, что выведение радиоактивных веществ из легких происходит по экспоненциальному закону).

Принадлежность радионуклида к тому или иному типу при ингаляции определяется той формой химического соединения, с какой радионуклид поступает в легкие. Так, например, наиболее медленно переходящими в кровь являются оксиды, гидроксиды и некоторые другие соединения. Некоторые радионуклиды нормируются только по одному типу растворимости, а некоторые – по нескольким. В таблице 7.2 приведено распределение соединений некоторых элементов по типам растворимости при ингаляции, принятое в НРБ-99/2009. Радионуклид, попавший в нерастворимой химической форме в легкие вместе с вдыхаемым воздухом, в дальнейшем может либо перейти в растворимую форму (тогда он будет перемещаться в соответствии со стрелками ® на рис. 7.1), либо остаться в легких, если растворения не произойдет.

Таблица 7.2

Распределение соединений некоторых элементов по типам

при ингаляции

По характеру распределения в организме человека радионуклиды разделяются на несколько (три) условных групп. Например, такие элементы как ⁹⁰Sr, ²²⁶Ra, ²³⁹Pu, ²⁴¹Am накапливаются преимущественно в костях, радионуклиды ¹⁰⁸Au и ²¹⁰Po- концентрируются в кроветворных органах и лимфатической системе, равномерно распределяются во всех органах и тканях ³Н, ¹⁴С, ⁹⁵Zr, ⁹⁵Nb, ¹⁰³Ru, ¹³⁷Cs и др.

7.1.2. Кинетика радионуклидов в организме при

пероральном поступлении

Модель, используемая для описания поведения радионуклидов в желудочно-кишечном тракте (ЖКТ) приведена на рис. 7.4. Поглощение радионуклидов в жидкости тела происходит во время прохождения радиоактивного вещества через тонкий кишечник и характеризуется величиной f ₁, которая называется коэффициентом поглощения.

Она равняется доле радионуклида, проникающего в жидкости тела за время пребывания радиоактивного вещества в тонком кишечнике. Значения коэффициента поглощения меняются в широком диапазоне: от единицы для любых соединений цезия и йода до 1×10-5 для оксидов плутония. После заглатывания вещество быстро перемещается через отделы желудочно-кишечного тракта. Соответствующие скорости равны l ST = 24 сут-1; l SI = 6 сут-1; l ULI = 1,8 сут-1; l LLI = 1 сут-1.

Рис. 7.4. Схематическое представление биокинетики вещества в желудочно-кишечном тракте

Значение величины, характеризующей выведение l_В, определяется коэффициентом поглощения радионуклида:

(7.4)

Считается, что при f ₁ = 1 вещество, попавшее в тонкий кишечник, мгновенно поглощается жидкостями тела.

7.2. Относительная радиационная опасность
радионуклидов