9. Измерение внутренних радиационных опасностей

9. Измерение внутренних радиационных опасностей

Радиоактивное вещество после поступления в организм человека формирует дозы облучения различных органов и тканей тела человека. В радиационной защите важно уметь оценивать уровень опасности, связанной с поступившим радиоактивным веществом. Намного тяжелее сделать это для внутренней радиационной опасности, чем для внешней радиационной опасности. Влияние излучения на отдельные органы тела тяжело определить, так как люди имеют различные анатомические (рост и комплекция), физиологические (частота и глубина  дыхания) и метаболические (скорость переваривания пищи) характеристики. В этом разделе Вы узнаете, какие делаются допущения для оценки уровня внутренних радиационных опасностей.

1.1 Стандартный человек МКРЗ и Стандартный человек, уроженец Азии, МАГАТЭ

Имеется широкое разнообразие анатомических, физиологических и метаболических параметров человека. Для целей радиационной защиты МКРЗ в Публикации 23 определила понятие Стандартный человек для описания параметров человека. Стандартный человек выбран таким образом, чтобы представлять среднего человека в широким диапазоном параметров, и предназначается для использования в качестве модели для расчетов и сравнений внутренних эффектов ионизирующего излучения. Данные в настоящее время обновляются, с использованием результатов изучения населения Европы и Северной Америки. В Приложении А даны некоторые характеристики Стандартного человека.

Однако, Стандартный человек не является достаточно хорошей моделью типичного представителя населения Азии, поэтому Международным агентством по атомной энергии (МАГАТЭ) определены соответствующие характеристики Стандартного человека, уроженца Азии.

1.2 Биологический и эффективный период полувыведения

Всякий раз, когда происходит поступление радиоактивного вещества, важно иметь представления о том, как долго это вещество задерживается в организме, для последующей оценки опасности. Как уже обсуждалось в Модуле 1.3 «Ионизирующее излучение и радиоактивный распад», радиоактивные вещества со временем распадаются по экспоненциальному закону. Так же, следует отметить, что физиологические процессы идущие в теле человека (например, мочеиспускание и испражнение) определяют выведение радиоактивных веществ из организма, при этом изменение содержания радиоактивного вещества, также описывается экспоненциальной зависимостью. Для того, чтобы рассчитать эффективную скорость, с которой радиоактивное вещество распадается и выводится из организма, нам необходимо объединить обе скорости: радиоактивного распада и биологического выведения из организма. В радиационной защите термин эффективная постоянная выведения (leff) используется для описания скорости распада и выведения радиоактивных веществ из организма. Математическое определение этого термина дано в Формуле 1.

leff = lr + lb [1]

где             leff – эффективная постоянная выведения,

lr – постоянная радиоактивного распада,

lb – постоянная биологического выведения.

Формула 1 может быть связана с эффективным, биологическим и радиоактивным периодами полураспада и полувыведения (и следовательно временем), помня, что постоянная радиоактивного распада может быть записана как:

lr = ln 2

Tr

где             lr – постоянная радиоактивного распада,

Tr – период полураспада радиоактивного вещества,

ln 2 = loge 2 = 0.693

Так как эффективная постоянная распада и выведения и постоянная биологического выведения могут быть записаны таким же образом, Формула 1 может быть представлена в виде Формулы 2:

1 = 11 [2]

Teff Tr Tb

где Teff – эффективный период полувыведения радионуклида из организма (то есть эффективное время, необходимое, чтобы содержание радионуклида в организме уменьшилась на половину от его первоначального уровня за счет радиоактивного распада и биологического выведения).

Tr – период полураспада радионуклида (то есть время, необходимое для уменьшения активности радионуклида в организме на половину его первоначального значения за счет радиоактивного распада).

Tb – биологический период полувыведения радионуклида из организма (то есть время, необходимое для уменьшения активности радионуклида в организме на половину от его первоначального значения за счет биологического выведения).

Таким образом, если известны значения Tr и Tb, то можно рассчитать Teff из Формулы 2.

Период полураспада – это физическая постоянная, которая зависит от радионуклида. Биологический период полувыведения (и следовательно, эффективный период полувыведения) зависит от химической и физической природы радиоактивного загрязнения и анатомической, физиологической и метаболической природы человека. Если радиоактивное вещество химически подобно другим химическим элементам организма, оно может их замещать. Например, стронций химически подобен кальцию, поэтому стронций-90 может замещать кальций в костях. Физическая форма загрязнения так же важна, так как определяет такую из важных характеристик вещества, как растворимость, которая непосредственно влияет на процесс поглощения его телом человека.

Пример 1 иллюстрирует, как Формула 2 может использоваться для расчета эффективного периода полувыведения радиоактивного загрязнения из организма.

Пример 1

Вопрос

Рассчитайте эффективный период полувыведения для кобальта-60, если период полураспада составляет 1.9 x 103 дней, а биологический период полувыведения – 10 дней.

Ответ

Используя Формулу 2:

1 1 +   1

Teff 1.9 x 103 10

Получим

Teff = 9.95 дней (приблизительно 10 дней)

Из Примера 1 видно, что если биологический период полувыведения и период полураспада значительно различаются, то значение эффективного периода полувыведения определяется меньшим из имеющихся значений.

В Таблице 2 даны примеры радиоактивного, биологического и эффективного периодов полураспада и полувыведения для различных радионуклидов.

Таблица 2

Период полураспада, биологический и эффективный периоды полувыведения для некоторых радионуклидов

Радионуклид Критический орган Tr

(дней)

Tb

(дней)

Teff

(дней)

60Co Все тело 1.9 x 103 10 10
90Sr Все тело 1.1 x 104 1.1 x 104 5.5 x 103
137Cs Все тело 1.1 x 104 70 70

Значение взяты из Medical Effects of Ionizing Radiation, Mettler and Moseley, 1985

1.3 Дозовые коэффициенты

Уровень внутренней опасности зависит от величины дозы, которая формируется радиоактивным загрязнением в организме. Дозовые коэффициенты для Стандартного человека определены с использованием данных о стандартном человеке и моделей человеческого тела, описывающих, как оно работает. Дозовые коэффициенты (h) определяются в Зв/Бк и определяют дозу на все тело (ожидаемую эффективную дозу), создаваемую поступившим радиоактивным веществом.

Дозовый коэффициент (h) определяется как ожидаемая эффективная доза на беккерель поступления.

Ожидаемая эффективная доза на беккерель поступления для определенного радионуклида зависит от способа поступления. Величины h для перорального и ингаляционного поступления для различных радионуклидов  определены для профессионально облучающихся работников, и даны в Публикации МКРЗ 68 и в Таблице II-III Основных норм безопасности МАГАТЭ.

Значения h для лиц из состава населения, в которое входят различные возрастные группы, также опубликованы в Основных нормах безопасности МАГАТЭ (Таблицы II-VI и II-VII) и Публикациях МКРЗ 71 и 72.

Отметим, что пока не существует дозовых коэффициентов для Стандартного человека, уроженца Азии. Поэтому в этом модуле используются дозовые коэффициенты для Стандартного человека из Основных норм безопасности МАГАТЭ.

1.4 Предел годового поступления

Внутренняя радиационная опасность может быть оценена путем сравнения количества радиоактивного вещества, которое может поступить в организм с количеством, которое формирует дозу, равную основному годовому дозовому пределу (в настоящее время для профессионально облучаемых работников этот предел дозы составляет 20 мЗв в год). Эта позволяет нам оценить величину, называемую предел годового поступления (ПГП).

ПГП определяется как активность радионуклида в беккерелях, которая при поступлении в организм Стандартного человека, вызовет ожидаемую эффективную дозу, равную основному дозовому пределу, рекомендованному МКРЗ.

Математически ПГП (в беккерелях) для отдельного радионуклида рассчитывается с использованием Формулы 4:

ПГП = L [4]

h

где                  L – основной предел эффективной дозы за год,

h – ожидаемая эффективная доза на беккерель поступления (в единицах Зв/Бк).

В Примере 2 приведен расчет ПГП при профессиональном внутреннем облучении.

Пример 2

Вопрос

Рассчитайте ПГП для ингаляционного поступления при профессиональном внутреннем облучении, вызванного использованием открытого источника на основе фосфора-32, если дозовый коэффициент h (ингаляционный)  составляет 2.9 x 10-9 Зв/Бк.

Ответ

Основной предел доз при профессиональном облучении составляет 20 мЗв, то есть 0.02 Зв.

Используя Формулу 4:

ПГП (ингаляционное) = 0.02 = 6.9 x 106 Бк

2.9 x 10-9

Таким образом, ингаляционное поступление 6.9 x 106 Бк фосфора-32 равно одному ПГП и, следовательно, также равно ожидаемой эффективной дозе за год 20 мЗв.

Несколько примеров ПГП при профессиональном внутреннем облучении приведено в Таблице 3.

Таблица 3

Предел годового поступления при профессиональном внутреннем облучении при работе с различными радионуклидами.

Radionuclide

Радионуклид

ПГП для ингаляционного поступления* (Бк) ПГП для перорального поступления (Бк)
32P 6.9 x 106 8.3 x 106
60Co 1.2 x 106 5.9 x 106
90Sr 2.6 x 105 7.1 x 105
99mTc 6.9 x 108 9.1 x 108
131I 1.8 x 106 9.1 x 105
137Cs 3.0 x 106 1.5 x 106

* Эти значения соответствуют значениям, рекомендованным в Основных нормах безопасности МАГАТЭ, с наименее возможным всасыванием из легких.

Дозы, полученные человеком вследствие поступления радиоактивного вещества, могут быть ограничены в терминах долей ПГП или в миллизивертах. Пример 3 иллюстрирует эту концепцию.

ПРИМЕР 3

Вопрос

Работник случайно проглатывает 1.48 x 106 Бк кобальта-60. Оцените полученную работником дозу (используя модель Стандартного человека);

а) в терминах ПГП.

б) в миллизивертах.

Ответ

Используя Таблицу 3: для перорального поступления

5.9 x 106 Бк = 1 ПГП для перорального поступления

Тогда

Доля ПГП для перорального поступления = 1.48 x 106 = 0.25 ПГП

5.9 x 106

Если 1 ПГП эквивалентен ожидаемой эффективной дозе в 20 мЗв, то 0.25 ПГП эквивалентно ожидаемой эффективной дозе в 5 мЗв.

Следовательно, полученная доза может быть выражена в таких различных терминах как:

а) 0.25 ПГП    или

б) 5 мЗв.