Глава 6
ЗАЩИТА ОТ ОБЛУЧЕНИЯ
Мы условились рассматривать только три вида ионизирующих излучений: α- и β-частицы и γ-кванты, наиболее распространенные, в частности, при эксплуатации ядерных реакторов. Отметим, что нам предстоит познакомиться с мерами защиты от этих излучений для двух совершенно различных категорий потенциально облучаемых лиц: персонала и населения. Для первой (категории А по терминологии «Норм радиационной безопасности») годовая допустимая доза облучения составляет 5 бэр, для второй (категории Б) — 0,5 бэр.
Таким образом, при одном и том же потоке излучения, активности или концентрации радионуклида защита населения на местности должна быть на порядок более эффективной, чем персонала на производстве. Это понятно: среди населения могут находиться беременные женщины и дети, особо чувствительные к облучению, а также профессиональные больные и инвалиды, дальнейшее облучение которых недопустимо.
Особенно существенно, что количество людей, на которых потенциально может подействовать излучение, в категории Б во много раз больше, чем в категории А. Поэтому нормы требуют всемерно ограничивать численность такого контингента и даже именуют его «отдельными лицами из населения».
Еще один, как сейчас принято говорить, срез проблемы защиты от облучения — рассмотрение ее при нормальных условиях эксплуатации ядерных энергетических установок и в аварийной ситуации. Ионизирующие α-частицы, как было отмечено выше, имеют в воздухе при нормальном атмосферном давлении очень малые пробеги — всего около 10 см.
Для защиты от них достаточно листа плотной бумаги. Кроме того, от внешнего α-излучения человека защищает естественный непроницаемый барьер — роговой слой кожи, состоящий из отмерших клеток эпидермиса. Его толщина достаточна для полного поглощения самых высокоэнергетичных α-частиц. По этим причинам внешнее α-излучение ни в нормальных, ни в аварийных условиях радиационной опасности не представляет.
Для внешнего β-излучения в организме человека рассматривают три критических органа: кожу, мышечную ткань (совместно с жировой) и хрусталик глаза, глубина расположения которых от поверхности тела соответственно 7, 100 и 300 мг/см2. Оценки степени проникновения электронов различной энергии привели к заключению, что β-частицы с энергией менее 0,1 МэВ испытывают сильное поглощение в покровных тканях, и поэтому их воздействие на критические органы можно не учитывать. Добавим, что при таких расчетах пренебрегают некоторым ослаблением β-частиц спецодеждой, используемой персоналом. При больших энергиях электроны проникают на значительные глубины в ткани организма. Установлено, что облучение в интервале энергий от 0,1 до 2 МэВ опасно для кожи, а при более высокой энергии — для хрусталика глаза.
При нормальной работе на АЭС обычно не возникает задачи защиты от β-излучения — предельно допустимые уровни внешнего облучения для электронов во много раз больше, чем для радиоактивных загрязнений поверхности. Немногочисленные протечки радиоактивных веществ, например воды I контура, обнаруживают при первом же дозиметрическом обследовании помещении, и загрязненные участки дезактивируют, снижая их удельную активность ниже допустимого уровня.
Иная ситуация близ аварийного реактора — выброс радионуклидов из облученного топлива приводит к появлению большой доли высокоэнергетичных β-излучателей, которые могут осесть на поверхностях и загрязнить здание АЭС. Если загрязнение велико и плотность радионуклидов на полах, стенах и потолках помещений высока, мощность дозы внешнего β-излучения может превысить допустимую для длительного воздействия. Как было сказано выше, для работы в полях высокоэнергетичных электронов критическим органом является хрусталик глаза. В такой ситуации для защиты глаз используют прозрачные плексигласовые щитки перед глазами или очки из обычного стекла.
Кстати, надо заметить, что для защиты глаз нужны очки именно из простого — натрового или калиевого стекла, а не свинцового; в области малых энергий свинец с высокой вероятностью конвертирует фотоны в электроны, т. е. увеличивает поток β-частиц. Поэтому при значительной доле мягкого γ-излучения (а это характерно для смеси «свежих» продуктов деления) свинцовые стекла очков будут не защищать, а дополнительно облучать глаза оператора!
При аварийных работах на IV блоке ЧАЭС на ряде особо загрязненных участков персонал был вынужден использовать очки для защиты глаз от внешнего β-излучения. В основном, однако, даже в этих экстремальных условиях главным фактором радиационной опасности было γ-излучение. Рассмотрим способы защиты от этого вида излучения. Для начала возьмем простейший случай типа изображенного на рис. 6 и на этом примере локализованного источника проиллюстрируем три возможных метода защиты — временем, расстоянием и экранировкой.
Те, кому довелось увидеть кинохронику о послеаварийных работах на ЧАЭС, не могли не запомнить кадры предварительного инструктажа людей, идущих на дезактивацию крыши машинного зала: «Как только выйдешь из люка, начинай считать: один, два, три и так до девяноста. Когда досчитаешь, чем бы ни был занят — бросай и бегом к люку!» Это — особо яркий пример «защиты временем» — таким жаргонным выражением часто заменяют более точное, но громоздкое «определение допустимой продолжительности работы в поле излучения». Действительно в результате предварительной радиационной разведки (дозиметристы всегда идут впереди) уточняется картограмма γ-поля на всем рабочем пространстве. Зная что и где нужно сделать, дозиметрист задает исполнителям допустимое время Т для проведения операции в поле с мощностью дозы Р — такое, чтобы не была превышена допустимая доза Д = РТ.
В помещениях аварийного IV блока мощность дозы, γ-излучения также оказалась резко неоднородной. Применяя тот же принцип защиты временем, сотрудники институтов Москвы и Киева, занятые выбором мест и установкой диагностической аппаратуры, а также «реанимацией» уцелевших контрольных приборов на IV блоке, преодолевали участки с высокой мощностью дозы за минимальное время, попросту говоря, бегом.
Когда на второй день после аварии, т. е. 27 апреля, мощность дозы в городе Припяти возросла до 1 Р/ч и стало ясно, что за следующие сутки доза облучения населения может превысить критическое значение 25 Р, было принято решение об эвакуации. Фактически это тоже защита временем: сокращение времени пребывания людей в поле γ-излучения аварийного выброса из реактора.
Другой принцип защиты от γ-излучения столь же прост и нагляден: это «защита расстоянием». Общеизвестно, что излучение точечного или локализованного источника распространяется во все стороны равномерно, т. е. является изотропным. Отсюда следует, что интенсивность I излучения уменьшается с увеличением расстояния R от источника по закону обратных квадратов, т. е. I ~ 1/R2. Следовательно, при увеличении расстояния до источника излучения в 2 раза интенсивность его уменьшается в 4 раза и т. д. Соответственно, если необходимо снять картограмму γ-поля с очень высокой мощностью дозы, это делают с максимальным удалением от такого участка. Характерные примеры использования этого метода защиты — длинная штанга γ-дозиметра «Карагач», позволяющая ввести ионизационную камеру в мощное поле без переоблучения дозиметриста, или измерение мощности дозы над аварийным реактором с помощью вертолетов, оснащенных соответствующей аппаратурой и пролетающих над ним на большой высоте.
Последний, третий принцип — защита экранированием или поглощением — основан на использовании процессов взаимодействия фотонов с веществом. Если заданы продолжительность работы, активность источника А и расстояние до него, а мощность дозы Р0 на рабочем месте оператора оказывается выше допустимой Рд, нет другого пути, как понизить значение Р0 в необходимое число раз: n = Р0/Рд, поместив между источником излучения и оператором защиту из поглощающего вещества.
Защитные свойства материалов определяются коэффициентом ослабления излучения μ для узкого пучка γ-излучения. Используя такие данные, находят главные параметры материалов защиты — слой половинного Δ или десятикратного Δ0,1 ослабления. Для ориентировки полезно запомнить, что
Защитная способность других веществ больше или меньше характерной для этих двух «эталонных» материалов в такой же степени, во сколько раз отличаются их плотности от плотности свинца или бетона. Используя значение n необходимой кратности ослабления излучения, легко определить соответствующее ему число m слоев половинного ослабления, при котором мощность дозы Р будет понижена до допустимой Рд:
Очевидно, что толщина выбранного защитного материала должна соответствовать значению энергии фотонов, определяющих радиационную обстановку. Этот параметр приходится либо измерять непосредственно, либо считать заданным.
Вернитесь к рис. 5 и обратите внимание на характерный минимум на кривой зависимости коэффициента ослабления γ-излучення от энергии фотонов: он приходится на область 1—3 МэВ. К сожалению, именно в этом диапазоне находятся практически все искусственные и естественные радионуклиды, при распаде которых возникают γ-кванты. В этой области, где вклад фотоэффекта уже мал, но еще несущественна доля эффекта образования пар, даже один из наиболее эффективных защитных материалов — свинец, при толщине слоя 1,3 см снижает интенсивность γ-излучения лишь вдвое. Чем легче вещество, тем большее его количество требуется для решения той же задачи. Как уже отмечалось, более легкого бетона — почти в 10 раз больше!
Именно поэтому к области чистой (а не научной!) фантастики относятся любые предложения по созданию «легкой защитной» от излучения одежды, которые часто встречаются на страницах книг и журналов, не всегда снабженных подзаголовком «фантастика». Незнание основных законов физики приводит к тому, что предложения такого рода встречаются, увы, не только на книжных страницах или газетных полосах, но и в потоке мнимых изобретений. За десятилетия работы в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова автору не раз приходилось принимать участие в экспериментальной проверке таких «чудо-костюмов» с очевидными результатами. Такова же судьба «чудо-сплавов», которые якобы поглощают γ-излучение эффективнее, чем входящие в них компоненты: как, видимо, усвоил читатель, каждому акту изменения энергии или даже направления движения фотона соответствует акт взаимодействия с атомом вещества защиты. Если мало атомов — мало случаев взаимодействий, если мал атомный вес — мала вероятность актов взаимодействия, и никакими ухищрениями законы природы не изменить!
Характерный пример использования принципа экранирования имел место в подреакторном помещении IV блока ЧАЭС, выбранном в июне 1986 г. для введения одного из первых измерительных зондов в область остатков активной зоны. Дозиметрическое обследование выявило резкую неравномерность поля и мощный локальный источник γ-излучения внутри одного из трубопроводов помещения. Экранирование такого участка листовым свинцом существенно снизило мощность дозы и позволило довести радиационную обстановку в операторской до приемлемой. Все приведенные примеры касались аварийной ситуации — при нормальной работе АЭС на ней практически нет незащищенных источников повышенной активности.
Единственная возможность выполнить «жесткие» требования радиационной безопасности при эксплуатации энергетического ядерного реактора, в котором содержатся огромные количества радионуклидов, — надежная изоляция его с помощью многобарьерной защиты (так называемой защиты в глубину). На каждой АЭС основным источником радиационной опасности являются продукты деления, образующиеся в выгорающем ядерном топливе и накапливающиеся в нем до выгрузки из реактора.
Например, в конце кампании в реакторе РМБК (реакторе большой мощности, кипящем) содержится 1500 МКи. Припомним, что источник активностью 1 Ки на расстоянии 1 м создает мощность дозы 1 Р/ч. Сопоставляя эти величины, можно ориентировочно оценить радиационную обстановку, обусловленную активной зоной такого реактора. Грубый расчет показывает, что не только вплотную к незащищенной зоне, но и в десятках метров от нее мощность дозы γ-излучения превышает тысячи рентген в час. Это означает, что незащищенный ядерный реактор смертельно опасен для человека (именно поэтому погибли пожарники, героически тушившие горящий битум на крыше машинного зала ЧАЭС вблизи аварийного реактора, взрыв которого разметал защиту).
Для защиты от проникающего γ-излучення активной зоны реактора ее окружают многометровым слоем из тяжелых материалов. Толщину защиты (чаще всего из бетона) выбирают такой, чтобы мощность дозы в постоянно обслуживаемых помещениях не превышала предельно допустимого значения. Если это условие соблюдено, персонал может выполнять свои обязанности без ограничения продолжительности рабочего времени и практически всегда без превышения допустимых доз облучения.
Характерно, что по результатам последних десятилетий годовая доза облучения персонала АЭС как в нашей стране, так и за рубежом, как правило, не превышает 0,5 бэр, т. е. в 10 раз ниже допустимой. При этом почти вся дозовая нагрузка обусловлена планово-профилактическими работами при остановленном реакторе, и тогда главным фактором радиационной опасности становятся ремонтируемые трубопроводы и оборудование, на поверхностях которых оседают долгоживущие радионуклиды, испускающие γ-излучение. Таков, в частности, Co60, средняя энергия фотонов которого составляет 1,25 МэВ.
Нормально эксплуатируемая АЭС представляет относительно малую радиационную опасность для персонала и населения как источник не только внешнего, но и внутреннего облучения. При нормальной работе АЭС население окружающей местности изолировано от ядерного топлива реактора несколькими защитными барьерами: матрицей ядерного топлива, герметичными оболочками твэлов, системами очистки выбрасываемого воздуха от радионуклидов и т. п. Эта средства коллективной защиты от радиоактивных аэрозолей и газов, т. е. от внутреннего облучения, персонал обычно дополняет средствами индивидуальной защиты, в первую очередь органов дыхания.
Воздух в помещениях АЭС изредка загрязняется летучими радионуклидами при протечках высокоактивной воды I контура. Концентрации радиоактивных аэрозолей, как правило, не превышают 200 ДК, и достаточный защитный эффект обеспечивают респираторы типа «Лепесток», оснащенные высокоэффективной фильтрующей тканью ФП («фильтр Петрянова»). В условиях аварийного IV блока ЧАЭС при радиационной разведке его помещений применяли такие же респираторы. Их широко использовал также персонал, проводивший дезактивационные работы на территории ЧАЭС в 30-километровой зоне, когда возникла опасность вторичного подъема ветром радионуклидов, осевших на почве в первые 10 суток после аварии. (По истечении этого срока выброс радионуклидов резко снизился в результате интенсивного забрасывания остатков реактора IV блока с вертолетов тысячами тонн специальных материалов.)
Естественно, что при аварийном выбросе из реактора требуются специальные меры радиационной защиты персонала АЭС и населения районов, прилегающих к
станции, от α-, β- и γ-излучений. В развитии крупной радиационной аварии на АЭС различают три стадии. Первая — выброс смеси летучих продуктов деления из реактора. В образующемся при этом облаке или шлейфе сначала доминируют радиоактивные благородные газы, т. е. радиоизотопы криптона и ксенона. Практическая невозможность улавливания этих химически инертных веществ и наличие мощного γ-излучения (в основном за счет большой доли короткоживущих нуклидов) исключают все возможные способы защиты населения, кроме единственного — экранировки от проникающего γ-излучения облака радионуклидов. Но где же взять такую экранирующую защиту? Ответ неочевиден, но существует: надо воспользоваться защитными свойствами жилых домов. Это может обеспечить снижение дозы внешнего γ-облучения от проходящего облака от 2—7 до 40—100 раз (рис. 13).
Рис. 13. Экранирующие свойства деревянного и каменного домов для внешнего γ-излучения. (Коэффициенты ослабления облучения в помещениях)
К сожалению, в первые часы развития аварии на ЧАЭС население не получило указания укрыться за стенами зданий или в их подвалах, и таким образом, этот фактор снижения радиационной опасности остался неиспользованным. Правда, следует отметить, что это случилось ночью, к тому же ветер относил выбрасываемые радионуклиды в сторону от города Припять в практически ненаселенные районы.
Как было отмечено выше, решение об эвакуации жителей этого крупного населенного пункта было принято по результатам дозиметрического контроля, когда мощность дозы достигла 1 Р/ч. Это позволило предотвратить облучение жителей дозами выше 25 бэр за счет прохождения облака радиоактивных газов. На второй фазе развития аварии фактором радиационной опасности становится поступление изотопов йода, в основном по пищевой цепочке «трава—корова— молоко—щитовидная железа». Этот критический путь особенно опасен для детей по причинам, о которых говорилось выше. В случае аварии на ЧАЭС проблема радиоактивного йода была обострена тем, что дата выброса совпала с периодом выгона скота на естественные пастбища. Для предотвращения переоблучения населения за счет концентрирования долгоживущего йода-131 было запрещено использовать молоко из загрязненных районов и была создана сеть радиометрического контроля молочных продуктов.
Дополнительно для защиты от внутреннего переоблучения применяли препараты стабильного йода, в частности таблетки йодистого калия, насыщавшие щитовидную железу и блокировавшие ее от накопления радионуклидов. К сожалению, население было плохо информировано о небезразличии организма к передозировке стабильного йода, и неумеренное потребление этих таблеток в ряде случаев вызвало химические токсикозы, потребовавшие медицинской помощи. Концентрация радиоактивного йода в воздухе Киева, краткое время наблюдавшаяся в период выброса из аварийного реактора, в дни, когда направление ветров способствовало такому переносу, по оценкам специалистов, могла обусловить максимальную дозу внутреннего облучения детей не больше 1 бэр. Для сравнения укажем, что по международным рекомендациям такая доза облучения не может повредить даже человеческому эмбриону в самый ранимый период его развития — период органообразования. Для него признана допустимой доза 3 бэр.
Поэтому для эвакуации детей из Киева, предпринятой местными властями, не было никаких объективных данных. В то же время стресс, обусловленный этой эвакуацией, по-видимому, не окажется бесследным ни для детей, ни для их родителей. Не случайно в мировой радиобиологической литературе и практике радиологических клиник родилось представление о «психогенной лучевой болезни», не подтверждаемой данными объективных анализов крови, и о радиофобии.
Наверное, неправильно было бы умолчать здесь о еще одном широко распространившемся заблуждении — о якобы лечебном действии алкоголя при лучевой болезни. К этому тоже нет никаких объективных данных. В опытах на мышах и крысах, итоги которых опубликованы в 60-х гг., показано явное снижение сопротивляемости облучению этих животных даже после ничтожных добавок алкоголя в питьевую воду. Решающим доводом является отсутствие этого продукта в рационах лечебного питания даже в специальных клиниках для лечения лучевой болезни. Если бы алкоголь оказывал дополнительный оздоровляющий эффект, неужели его пожалели бы для больных в радиологических клиниках или для пациентов, подвергаемых лучевой терапии по случаю злокачественных опухолей?! Очевидно, этот риторический вопрос не требует ответа.
Из множества данных, приведенных в предыдущих разделах, ясно, что живые организмы не беззащитны в поле излучения. Эволюция человечества, как и предшествующего ему органического мира, сопровождалась выработкой механизмов пострадиационного восстановления живых структур, и поэтому до определенных пределов облучение не вызывает вредных сдвигов в биологической ткани. Когда облучение превышает эти пределы, главной целью профилактических и, если это вызвано необходимостью, лечебных мер является поддержка защитных, восстановительных сил организма.
Набор этих средств достаточно широк — это и усиленное питание, его повышенная витаминизация (особенно витаминами В12 и С), это и умеренная физическая нагрузка, и увеличение продолжительности пребывания на свежем воздухе, и спорт и сауна — при облучении, не превышающем допустимое. При дозах, вызывающих сдвиги в кроветворении, применяют переливание крови. Наконец, при дозах, угрожающих жизни переоблученного человека (это диапазон 600—1000 бэр), используют пересадки донорского костного мозга, поскольку при столь высоких облучениях собственный костный мозг настолько опустошен, что не способен к нормальной деятельности. К сожалению, при аварии на ЧАЭС пересадки костного мозга оказались неэффективными, так как переоблучение операторов и пожарников было в значительной степени отягощено тепловыми ожогами больших участков тела.
При внутреннем переоблучении, обусловленном попаданием радионуклидов в тело человека, помимо указанных средств для случая вдыхания паров радиоактивного йода, используют введение сорбентов, избирательно поглощающих некоторые элементы (например, цеолиты селективно извлекают особо долгоживущий цезий-137), или комплексообразующие вещества, связывающие радионуклиды в соединения, препятствующие их отложению в органах человека.
На третьей, заключительной, фазе радиационной аварии максимальную потенциальную опасность представляют радиоактивные загрязнения почвы и продукции сельского хозяйства, собираемой в районе, где концентрация радионуклидов превышает допустимую. Поэтому с такой тщательностью взвешивают все факторы при рассмотрении возможности возврата жителей в населенные пункты эвакуированной 30-километровой зоны вокруг ЧАЭС. Не пренебрегают и защитными мерами от повышенного внутреннего облучения. Среди них в первую очередь следует назвать сбор и вывоз на захоронение верхнего слоя почвы из пятен с особо высокой плотностью радиоактивных загрязнений, дезактивацию и перевод радионуклидов в нерастворимые соединения, введение в почву специальных сорбентов, селективно поглощающих наиболее радиационно-опасные долгоживущие продукты деления, такие, как стронций-90 и цезий-137. К сожалению, высокая удельная активность почвы в эвакуированной зоне, значительная доля долгоживущих радионуклидов в выбросе и большая площадь загрязненных участков не позволяют надеяться на скорое возвращение 30-километровой зоны вокруг ЧАЭС к нормальной жизнедеятельности. В полной мере это относится и к городу Припять. Именно поэтому в дополнение к временному поселку Зеленый Мыс построен новый город энергетиков Славутич, с помощью которого будут эксплуатироваться действующие I, II и III блоки ЧАЭС.
Последнее изменение Tue, 19 Jun 2012 автором Dimouse
0 comments
Назад в раздел Ю.В. Сивинцев "Насколько опасно облучение"
