Радіаційне забруднення. Наслідки аварії на ЧАЕС

Вирішення багатьох питань, що пов’язані з вивченням природного радіоактивного фону, характеру антропогенних радіоактивних забруднень довкілля й організму людини, а також дослідження ефектів і встановлення допустимих нормативів рівнів опромінення є теоретичними й прикладними аспектами радіоекології, одного з нових розділів загальної екології.

Термін «радіація» у науковій літературі (від лат. radiatio – випромінювання) використовуєтьсяу тому разі, коли йдеться про іонізуюче випромінювання. Іонізуюче випромінювання є природним елементом навколишнього середовища, оскільки постійно наповнює космічний простір і супроводжує життя на Землі з моменту її зародження. До складових природного фону іонізуючого випромінювання належить космічне випромінювання, радіоактивні елементи земної кори, будівельних матеріалів, повітря, продуктів харчування, а також інкорпоровані радіонукліди, що входять до складу тканин живих організмів. Космогенними радіонуклідами є вуглець – 14, тритій, берилій, нейтрони, електрони тощо. Інтенсивність космічної складової природного фону радіації залежить від висоти над рівнем моря. До прикладу, на висоті 6000 м радіаційний фон повітря є у 10 – 20 разів вищим, ніж над рівнем моря.

Група радіоактивних елементів земного (теригенного) походження представлена наступними ізотопами: уран-235, актиноуран-235, торій-232, калій-40, кальцій-48, вуглець-14, водень-3 (тритій). Найвищий рівень радіоактивності властивий кислим магматичним породам (граніт). Концентрація радіонуклідів зростає у напрямку з півночі до півдня і є вищою у більш плодючих грунтах. Природний рівень радіоактивності води передусім зумовлений вмістом радію й продукту його розпаду – радону. Установлено, що близько 70 % доз опромінення населення України від природних джерел зумовлено радоном. Це пов’язано з тим, що з півночі на південь простягається Український щит, тектонічна структура з граніту та інших порід з високою радіоактивністю.

Радіоактивність повітря визначається за концентрацією вуглецю-14, що утворюється з ядер азоту за умови впливу нейтронного випромінювання космічного походження. Поміж інших радіонуклідів повітря вагоме місце посідає також радон, який потрапляє в атмосферу внаслідок спалення кам’яного вугілля, природного газу і дифузії з поверхневих земних порід.

У продовольчій сировині рослинного і тваринного походження та виготовлених з неї харчових продуктах містяться природні радіонукліди. З рибою й іншими морськими продуктами, м'ясом, чаєм, рослинною їжею в організм надходять свинець-210 і полоній-210. Найбільшу радіоактивність серед рослинних продуктів мають горох, жито, пшениця, картопля, огірки. Яловичина є майже утричі радіоактивнішою, ніж свинина.

Відкриття явища природної і штучної радіоактивності на межі XIX-XX сторіч стало поштовхом до бурхливого розвитку багатьох нових напрямків діяльності людини. Нині важко знайти виробничу сферу, де б не використовувалися джерела іонізуючого випромінювання. Найширше вони застосовуються у промисловості, сільському господарстві, медицині, геології, наукових дослідженнях тощо. Здійснення керованої ланцюгової реакції ділення ядер урану дало можливість використовувати новий вид енергії на користь людства. Новою ерою в історії енергетики можна вважати уведення до експлуатаціі у м. Обнінську (1952) першої в світі атомної електростанції потужністю 5 тис. кВт. Історія вивчення практичного використання іонізуючого випромінювання супроводжувалась трагічними сторінками. У зв’язку з цим у м. Гамбурзі було споруджено пам'ятник, на якому викарбувані імена 110 вчених та інженерів, що загинули внаслідок променевого впливу при проведенні експериментів. Людство ніколи не забуде трагедію Хіросіми і Нагасаки (1945), що забрала життя сотень тисяч людей, Чорнобильську катастрофу (1986) і вибух на японській атомній електростанції "Фукусіма-1" (2011).

Унаслідок широкого використання людиною джерел іонізуючого випромінювання в народному господарстві, радіаційний вплив на всі біологічні об'єкти, у тому числі на людину, став повсякденною реальністю.

Іонізуюче випромінювання - це будь-яке випромінювання, яке під час взаємодії з речовиною прямо або опосередковано викликає іонізацію та збудження її атомів і молекул. Випромінювання відрізняться механізмами утворення, довжиною хвилі й енергією. Розрізняють корпускулярне і фотонне іонізуюче випромінювання. Корпускулярне випромінювання – це потік елементарних частинок із масою спокою, відмінною від нуля, що утворюються при радіоактивному розпаді, ядерних перетвореннях, або генеруються на прискорювачах. Це α і β частинки, нейтрони, протони тощо. Фотонне –електромагнітні коливання, що поширюються у вакуумі з постійною швидкістю 300000 км/с (γ- випромінювання і рентгенівське випромінювання). Альфа-випромінювання є потоком позитивно заряджених ядер гелію, β-випромінювання – негативно заряджені швидкі електрони, γ-випромінювання – короткохвильове випромінювання електромагнітної природи.

Радіоактивність – це самочинне перетворення атомних ядер на ядра інших елементів, що супроводжується іонізуючим випромінюванням. Кожний вид радіонуклідів розпадається з певною швидкістю, яка характеризується періодом напіврозпаду. Період напіврозпаду – це час, протягом якого число атомів даного радіонукліду зменшується вдвоє. Кількісною мірою радіоактивного розпаду є активність. Тобто кількість розпадів атомів за одиницю часу. Одиницею активності (система СІ) є беккерель (Бк) – один розпад за секунду.

Найважливішими характеристиками будь-яких іонізуючих випромінювань є їхня проникна здатність, енергія та щільність іонізації. Іонізуюча здатність випромінювання визначається питомою іонізацією, тобто числом пар іонів, що утворюються частинкою в одиниці об'єму, маси середовища або на одиницю довжини шляху.

Проникна здатність α-променів коливається від 2,5 см у повітрі до 0,016 мм в алюмінії, у біологічній тканині становить – 0,03 мм. Ці промені легко затримуються навіть тонким шаром паперу. Проникна здатність β-частинок є значно вищою і становить у воді – 2,6 мм, алюмінії – 9,7 мм. Найвищу проникну здатність, на відстань до сотень метрів, мають γ-випромінювання. Щільність іонізації α - променів є у декілька тисяч разів більшою, ніж у β - частинок і γ - променів.

Нині основними джерелами радіоактивного забруднення біосфери є джерела антропогенного походження: випробовування ядерної зброї, аварії на атомних електростанціях, підводних човнах та виробництвах радіоактивних матеріалів тощо. Для вимірювання ступеня радіаційної небезпеки використовують такі показники: експозиційну дозу, поглинену дозу та еквівалентну дозу, які вимірюються відповідними одиницями.

Поглинена доза - енергія іонізуючого випромінювання, яка поглинулась тілом (тканинами організму), у перерахунку на одиницю маси. Вимірюється у системі СІ в греях (Гр). Ця доза не враховує того, що при однаковій поглиненій дозі α – випромінювання є більш небезпечним ніж γ- або β-випромінювання. Еквівалентна доза – це поглинена доза, помножена на коефіцієнт, який відображає здатність даного виду випромінювання пошкоджувати тканини організму. У системі СІ одиницею еквівалентної дози є зіверт (Зв), що відповідає поглиненій дозі в 1 Дж/кг (для рентгенівського, β - і γ - випромінювання).

Одні частини тіла (органи, тканини) є більш чутливими ніж інші. За умови однакової еквівалентної дози випромінювання імовірність виникнення раку легень є суттєво вищою, ніж у щитоподібній залозі. Опромінення статевих залоз є особливо небезпечним з огляду на ризик генетичних пошкоджень. При визначені сумарного ефекту опромінення для організму розраховується еквівалентна доза. Це сума добутків еквівалентних доз в окремих органах і тканинах на відповідні зважені фактори, котрі визначають відносний стохастичний ризик опромінення окремої тканини. Зазначені розрахунки дають можливість визначити лише індивідуально отримані дози. Сума індивідуальних еквівалентних доз опромінення певної групи населення за певний період часу називається колективною еквівалентною дозою. Кінцевий результат опромінення, крім віддалених наслідків залежить від потужності дози, тобто часу упродовж якого вона накопичена, а також характеру її розподілу.

Концентрація радіоактивних ізотопів у організмі залежить від їхнього вмісту в навколишньому середовищі. Допустимий вміст радіоактивних речовин в організмі залежить від ступеня небезпеки радіоактивних елементів у разі потрапляння всередину і визначається їхньою радіотоксичністю.

Радіотоксичність – це властивість радіоактивних ізотопів спричинювати відповідні патологічні зміни за умови їх надходження до організму. Радіотоксичність ізотопів залежить від наступних показників: 1) виду радіоактивного перетворення; 2) середньої енергії одного акту розпаду; 3) схеми радіоактивного розпаду; 4) шляхів надходження радіоактивних речовин до організму; 5) розподілу в органах та системах; 6) часу перебування радіонукліда в організмі; 7) тривалості надходження радіоактивних речовин до організму людини. Людина зазнає опромінення двома шляхами - зовнішнім та внутрішнім. Зовнішнє опромінення – це опромінення тіла людини джерелами іонізуючих випромінювань, які знаходяться поза організмом. Внутрішнє опромінення відбувається при надходженні радіонуклідів усередину організму з повітрям, їжею чи водою. Найнебезпечнішим вважається проникнення радіоактивних ізотопів інгаляційним шляхом, звідки вони потрапляють у шлунок і в легені. Через неушкоджену шкіру резорбція радіонуклідів є у 200–300 разів меншою, ніж через травний канал. Особливо легко потрапляє через шкіру ізотоп водню – тритій. Додаткове внутрішнє опромінення можливе у випадку надходження радіоактивних речовин під час споживання забруднених харчових продуктів.

Іонізуюче випромінювання має високу біологічну активність. Першим етапом біологічних ефектів є іонізація молекул і атомів. Унаслідок цього виникають вільні радикали – хімічних сполук, атоми яких несуть на своїй оболонці непарні електрони. Вплив випромінювання зумовлений дією радикалів гідропероксиду (ОН₂) та Н⁺ і ОН^-. Знижується концентрація сульфгідрильних груп, метіоніну, порушується окисне фосфорилювання, з’являються токсичні речовини (радіотоксини). Наслідком безпосереднього впливу іонізуючого випромінювання на елементи ядерних структур можуть бути хромосомні зміни і генні мутації. Розрізняють наступні ефекти впливу іонізуючої радіації на організм людини: соматичні або детерміністичні (гостра променева хвороба, хронічна променева хвороба, місцеві променеві ураження); сомато – стохатичні (злоякісні новоутворення, порушення розвитку плода, скорочення тривалості життя); генетичні (генні мутації, хромосомні аберації).

Пороговою дозою для гострого променевого ураження прийнято вважати одноразове опромінення у дозі 1 Гр. У випадку одноразового опромінення у менших дозах спостерігаються зворотні зміни функціонального стану організму. Унаслідок одноразового опромінення у дозах більших від 1 Гр виникає гостра променева хвороба. Розрізняють 4 ступені тяжкості гострої променевої хвороби. Тривале опромінення відносно малими дозами – до 0,005 Гр/добу (сумарно 0,1 – 1 Гр) може призвести до хронічної променевої хвороби. Основними проявами цього патологічного стану є вегето-судинні порушення, функціональні зміни центральної нервової системи, токсичні ураження печінки, різке зменшенням числа лейкоцитів, переродження нейтрофільних гранулоцитів тощо.

У людини, яка перенесла гостру чи хронічну променеву хворобу, навіть через 10 – 20 років після опромінення можуть виникати віддалені наслідки променевого ураження. До основних віддалених наслідків відносяться захворювання, що пов’язані зі змінами генетичного апарату (пошкодження хромосомного апарату й порушення механізму поділу клітин, блокування процесів відновлення та диференціювання клітин тощо), злоякісні пухлини, захворювання крові, скорочення тривалості життя.

Найбільшою за масштабами забруднення навколишнього середовища є техногенна катастрофа, яка сталася 26 квітня 1986 р. на Чорнобильській атомній електростанції (ЧАЕС) - у м. Прип'ять (Київська область). Під час вибуху і викиду радіонуклідів, який тривав близько двох тижнів, в атмосферу потрапила величезна кількість радіоактивних речовин із сумарною активністю близько 50 млн. Кі*. Склад викиду відповідав ізотопній структурі палива у реакторі, в якому переважали радіонукліди з коротким періодом піврозпаду, передусім ¹³¹J та з тих, що розкладаються тривалий час – ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr. Навіть сьогодні в Україні є райони, де вміст ¹³⁷Cs у низці харчових продуктів у 10-100 разів перевищує установлений середній рівень.

Упродовж перших днів після аварії переважали північні, північно- західні, західні і південні вітри, висота викидів сягала 1,8 км. У зв'язку з тим, що швидкість переміщення повітряних мас становила 8 – 10 м/с, радіоактивні опади були зареєстровані на відстані більш ніж за 2 тис. км від місця аварії. Загалом, підвищення рівня природного радіаційного фону спостерігалось на території багатьох держав Західної Європи, підвищився радіоактивний фон у Японії й США. Через 15 місяців після Чорнобильської катастрофи у Великобританії було виявлено надзвичайно високий рівень забруднення рослинності радіонуклідами, а також чималу концентрацію цезію в м'ясі овець.

За масштабами забруднення навколишнього середовища радіонуклідами і наслідками для населення і економіки України аварію можна класифікувати як екологічну і соціально-економічну катастрофу. Ця аварія перетворила унікальні за чистотою території Полісся у зону екологічної катастрофи. Загалом в Україні радіоактивного забруднення зазнали понад 8 % території країни (майже 50 тис. км² земель), на яких зосереджено 2,3 тис. населених пунктів дванадцяти областей. Найбільше постраждали території Київської, Житомирської, Рівненської, Чернігівської і Черкаської областей, радіоактивні опади випали також у Вінницькій, Хмельницькій, Тернопільській, Івано-Франківській, Чернівецькій, Волинській і Кіровоградській областях. Після аварії грунт був забруднений передусім йодом ¹³¹I, ¹³⁷Cs, а також ⁹⁰St, ¹⁴⁰Ba. Через кореневу систему рослин радіонукліди мігрували у сільськосподарські культури. Унаслідок забруднення кормів та води відбулось надходження радіонуклідів до м’яса та молока свійських тварин.

Понад 3 млн. людей вважаються потерпілими внаслідок цієї катастрофи, але певні дози радіоактивного опромінення отримали значно більше мешканців України. Безпосереднім результатом цієї аварії стало опромінення осіб, які брали участь у гасінні пожежі й аварійних роботах на АЕС. За інформаційними матеріалами 1986 року 237 чоловік захворіли на гостру променеву хворобу, з них у перші місяці після аварії померло 28 осіб. Близько 2 тисячі осіб отримало місцеві променеві ураження.

* Кі (кюрі) –позасистемна одиниця радіоактивності речовини (1 Кі = 3,7 · 10¹⁰ Бк)

Результати медико – біологічних досліджень, що проводились упродовж тривалого періоду після аварії на ЧАЕС, дозволили встановити певні часові закономірності формування патологічних станів. У перші два роки, передусім серед дітей, у 2-3 рази підвищився рівень загальної захворюваності. Переважали захворювання дихальних шляхів, інфекційні хвороби, спостерігалось загострення деяких хронічних станів, унаслідок пригнічення функцій імунної системи. Упродовж наступних 3-5 років, найчастіше реєструвалися ендокринні хвороби (тиреотоксикоз, цукровий діабет), які раніше посідали 10-12 місця у загальній структурі захворюваності населення. Значно збільшився рівень вродженої патології. Через десять років і донині спостерігається зростання рівня онкологічних захворювань щитоподібної залози, шкіри, шлунка, крові.

Згідно з чинним в Україні законодавством, до потерпілих від наслідків аварії на ЧАЕС належать: особи, що брали безпосередню участь у ліквідації аварії і перебували у межах 30 кілометрової зони (340 тис. чол.); евакуйоване і відселене населення (близько 150 тис. чол.) і населення, що проживає на забрудненій території (близько 2,1 млн. чол.).

Відповідно до концепції безпечного проживання та Закону України «Про правовий режим території, що зазнали радіоактивного забруднення в результаті Чорнобильської катастрофи» (1991) уся територія України поділяється на чотири зони:

1. Зона періодичного радіоактивного контролю (низький рівень забруднення, 0,5 - 1 Кі/км²). Дозволено проводити збір та заготівлю грибів, ягід, лікарських рослин, сіна, а також деревини. Полювання, рибальство у природних водоймах і річках дозволяється згідно із правилами, які діють на території України. Обов'язковою є перевірка м'яса й риби на вміст у них радіоактивних речовин. У підсобних господарствах не застосовуються обмеження щодо годівлі й утримання сільськогосподарських тварин і птахів.

2. Зона посиленого радіоактивного контролю (середній рівень забруднення, 1 - 5 Кі/км²). Дозволено збір та заготівлю грибів, ягід, лікарських рослин і сіна з обов'язковим попереднім дозиметричним контролем. Заготівля деревини і використання продуктів її переролення проводиться без жодних обмежень. У підсобних господарствах рекомендується періодичний вибірковий контроль м'ясних і молочних продуктів, кормів.

3. Зона гарантованого добровільного відселення (високий рівень забруднення, 5 - 15 Кі/км²). У цій зоні заборонена заготівля грибів, ягід, лікарських рослин, хвойної рослинності й виробництво хвойно-вітамінного борошна. Обов'язковим є обмеження землекористування (рільництво, оброблення земель). Забороняється використовувати лісову деревину для опалювання житла й випасати свійську худобу.

4. Зона відчуження (надзвичайно високе забруднення). Це дослідницький полігон для боротьби з наслідками ядерних катастроф.

Грунт є найважливішим депо радіонуклідів у природному середовищі. Закріплення радіонуклідів твердою фазою ґрунту призводить до тривалого їх утримання у верхньому шарі ґрунту де містяться коріння рослин. Поступово радіонукліди пересуваються вниз по ґрунтовому профілю. З фільтраційними водами, за допомогою дифузії, вони мігрують і в горизонтальному напрямку. Таким чином, ґрунт тривалий час накопичує радіонукліди, унаслідок чого вони потрапляють у продукти харчування, а потім накопичуються в організмі людини. В Україні 3 млн. 700 тисяч га земель знаходиться у зоні радіоактивного забруднення.

Наслідками радіоактивного ураження рослин є гальмування їхнього росту, зниження врожайності, репродуктивної якості насіння й навіть його загибель. Рослини можуть забруднюватися двома шляхами: аерозольним (некореневий шлях) і кореневим (ґрунтовий шлях надходження). Існують відмінності в утриманні радіонуклідів різними частинами однієї і тієї ж рослини. Так, для ярої пшениці первинне утримання радіонуклідами становить: для листя – 41 %, стебла – 18 %, полови – 11 %, зерна - 0,6 %. Найбільша концентрація радіонуклідів у зерні (пшениці та жита) спостерігається за умови появи радіоактивних опадів у період цвітіння і молочної стиглості, більш низька – у фазі кущіння і виходу в трубку. Найбільш чутливими до радіації в різних фазах розвитку є квасоля, кукурудза, жито, пшениця; більш стійкі - льон, конюшина, люцерна, рис, томати.

Надходження ⁹⁰Sr з атмосфери на поверхню рослин практично не забруднює зерно сільськогосподарських культур із закритим насінням (горох, кукурудза). Бульби картоплі і коренеплоди столового і цукрового буряка також виявляються практично чистими, тому що стронцій при попаданні на листя незначно проникає вглиб рослин. Сильно забруднюються томати, огірки, капуста, листкові овочі. Особливістю ¹³⁷Cs є здатнісь інтенсивно проникати у тканини наземних частин рослин, включатися в метаболізм, переміщуватися всередині рослини і накопичуватися в них. Незважаючи на порівняно короткий період піврозпаду, ¹³¹І може проникати з кормом тварин у молоко, а з ним до організму людини.

Актуальною проблемою є радіоактивне забруднення лісових харчових продуктів. Саме споживання грибів і ягід зумовлює значну частку внутрішнього опромінення населення Українського Полісся. Продукти лісового походження становлять 90 % дози опромінення населення пероральним шляхом. При цьому, близько 70 % дози зумовлене використанням у їжу грибів, а 30 % ягід чорниці.

Характерним є різке зростання дози внутрішнього опромінення населення з другої половини липня до другої половини жовтня (з піком у вересні) унаслідок масового вживання грибів. У капелюшках грибів концентрація радіонуклідів є у 1,5-2 рази вищою, ніж у ніжках. Особливо це характерно для грибів із добре розвиненою ніжкою (білий гриб, підберезник, підосичники, польський гриб). Не встановлено суттєвої різниці вмісту ¹³⁷ Cs між молодими і старими грибами. Тим не менше, рекомендується збирати молоді гриби. У старих грибах можуть накопичуватися отруйні речовини тому, що інтенсивність акумуляції різних елементів збільшується у процесі росту.

Зараз в Україні опрацьовані значення допустимих рівнів питомих активностей радіонуклідів у продуктах харчування та питній воді. У грибах та ягодах дикорослих свіжих, заморожених й консервованих вміст ¹³⁷ Cs і ⁹⁰ Sr повинен становити 500 Бк/ кг та 50 Бк/кг, сушених – 2500 Бк/ кг й 250 Бк/кг відповідно. Рівень вмісту кожного з радіонуклідів у воді питній з підземних джерел водопостачання не повинен перевищувати 2 Бк/л. У сушених лікарських рослинах, фіточаях допустимі рівні питомих активностей радіонуклідів ¹³⁷ Cs і ⁹⁰ Sr становлять 200 Бк/ кг та 100 Бк/кг відповідно.

Контрольні питання.

1. Визначення поняття шуму та його фізичні характеристики.

2. Дія шуму на організм людини.

3. Визначення поняття вібрації та її види. Фізичні характеристики вібрації.

4. Біологічна дія вібрації, симптоми вібраційної хвороби.

5. Основні прояви біологічної дії ЕМП.

6. Шкідлива дія мобільних телефонів та ком’ютерної техніки.

7. Регламентування радіочастот випромінюваних мобільними телефонами.

8. Біологічна дія іонізуючого випромінювання на організм людини.

9. Наслідки аварії на Чорнобильській АЕС.

10. Допустимі рівні вмісту ¹³⁷ Cs і ⁹⁰ Sr у лікарських рослинах.