Факторы и группы токсичности радионуклидов

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.