Поражающие факторы, причины их возникновения и характеристики

Связь между дозой облучения  за время до полного распада Д и уровнем радиации P(t)_зар за время заражения t_зар выражается соотношением

Д_¥  = 5 P(t)_зар t_зар.

В идеальном случае на равнинной  местности при равномерном ветре  одного направления радиоактивный  след имеет форму эллипса и  условно делится на зоны загрязнения, границы которых характеризуются  дозой излучения, полученной человеком  за время от момента образования  следа до полного радиоактивного распада вещества Д или уровнем радиации на 1 ч после аварии (рис. 4).

Рис. 4. Распределение уровней  радиации по следу радиоактивного облака 1,2 - след и ось облака, 3,4- уровни радиации вдоль и на ширине следа

При аварии, разрушении АЭС, ядерных реакторов загрязненная территория по уровням радиации делится на 5 зон:

М — зона слабого РЗМ с уровнем радиации на 1 ч после аварии Р₁ = 0,025–0,1 Р/ч;

А — зона умеренного загрязнения с уровнями радиации на границах зоны Р₁ = 0,1–1,0 Р/ч;

Б — зона среднего загрязнения с уровнями радиации на границах зоны Р₁ = 1,0–3,0 Р/ч;

В — зона опасного загрязнения с уровнями радиации на границах зоны Р₁ = 3,0–10,0 Р/ч;

Г — зона чрезмерно опасного загрязнения с уровнями радиации на внешней границе зоны Р₁ = 10,0 Р/ч.

С течением времени из-за естественного распада РВ уровни радиации на следе радиоактивного облака уменьшаются по экспоненциальному  закону:

(1)

где P₀ — уровень радиации в момент времени t₀ после аварии на АЭС, ядерных реакторах и т. д.; P(t) — уровень радиации в момент времени t, т. е. времени измерения уровня радиации или времени начала работ в зоне РЗМ; n — показатель степени, характеризующий величину спада уровня радиации и зависящий от изотопного состава радионуклидов и продолжительности их жизни. Так при ядерном взрыве n = 1,2, а при аварии, разрушении АЭС, ядерных реакторов n = 0,4–0,5 (рис. 5).

Рис. 5. Изменение уровня радиации во времени

Для ядерного взрыва уровень  радиации через 7 ч после взрыва уменьшается в 10 раз, через 2 суток — в 100 раз и через 7 недель — в 1000 раз. Уменьшение же уровня радиации в результате аварии на АЭС, ядерных реакторах происходит существенно медленнее.

Оценка дозы облучения. Зная уровень радиоактивного загрязнения местности P(t), т. е. уровень радиации на момент времени измерения или начала работ на загрязненной территории, можно определить дозу облучения Д_обл, которую получит человек за интервал времени от начала облучения (время начала работ в зоне, время входа в зону) до конца облучения (время выхода из зоны, время конца работы в зоне).

Для определения дозы облучения  можно воспользоваться выражением

(2)

После интегрирования

(3)

Если в (3) подставить P₀ из (1):  и  , то доза облучения человека при нахождении в зоне радиоактивного загрязнения

В случае ядерного взрыва, когда  показатель степени n = 1,2, выражение для определения дозы облучения имеет вид

Д_обл = 5(P_нt_н - P_кt_к),

а с учетом коэффициента ослабления K_осл, вносимого зданиями, сооружениями, выражение (3) примет вид

Если же будем рассматривать  облучение человека, находящегося на РЗМ в результате аварии, разрушения АЭС, ядерных реакторов, и показатель степени n = 0,4 по данным после аварии на ЧАЭС выражение для определения дозы облучения примет вид

Д_обл = 1,7(P_кt_к -  P_нt_н).

В общем виде с учетом коэффициента ослабления K_осл

Особенности ядерного взрыва. При ядерном взрыве используется энергия, выделяемая при цепных ядерных реакциях деления атомов тяжелых элементов (изотопов урана и плутония) или при термоядерных реакциях синтеза атомов легких элементов (изотопов водорода — дейтерия и трития) в более тяжелые элементы. Ядерный взрыв сопровождается мощной ударной волной, на которую расходуется примерно 50 % всей энергии взрыва, световым излучением, на которое расходуется примерно 35 % энергии взрыва, проникающей радиацией, на которую расходуется примерно 5 % энергии взрыва, радиоактивным загрязнением местности — это примерно 10 % всей энергии взрыва и электромагнитным импульсом, на создание которого расходуются доли процента всей энергии взрыва.

По характеру протекающих  реакций ядерные боеприпасы делятся  на атомные (ядерные), термоядерные (водородные), комбинированные (3-фазные) и нейтронные.

По мощности ядерные боеприпасы в зависимости от мощности тротилового  эквивалента делятся на боеприпасы сверхмалой мощности (мощностью до 1 кт), малой мощности (1–10 кт), средней мощности (10–100 кт), большой мощности (100 кт–1 Мт) и сверхбольшой мощности (свыше 1 Мт).

Особенностью взрыва нейтронного  боеприпаса малой или сверхмалой мощности является расход энергии на создание нейтронного потока во много  раз большего, чем при водородном или ядерном взрывах. Нейтронный поток поражает живые организмы и элементы радиоэлектронной аппаратуры.

Основные виды ионизирующих излучений. Основными видами ионизирующих излучений являются a-, b-, g-излучения и нейтроны.

a-частицы представляют собой ядра атомов гелия ив своем составе имеют два нейтрона и два протона. Энергия от 4 до 10 МэВ, пробег в воздухе 3–11 см, в биологической среде 30–130 мкм. Обладают высокой ионизирующей способностью. Проходя через вещество a-частицы взаимодействуют с электронами и ионизируют атомы и молекулы. Проникающая способность a-частиц невелика, так как они задерживаются кожным покровом, листом бумаги и т. п. Опасность облучения наступает в тех случаях, когда a-частицы поступают внутрь организма с воздухом, водой, пищей.

b-частицы представляют собой поток электронов или протонов с энергией от 0,01 до 20 МэВ. Длина пробега этих частиц в воздухе достигает десятков метров, а в биологической среде до 1 см. Следовательно, проникающая способность у b-частиц выше, чем у a-частиц той же энергии. Взаимодействуя с веществом среды распространения, b-частицы проходят вблизи ядер атомов. Под влиянием положительного заряда атомного ядра отрицательно заряженные b-частицы тормозятся и теряют часть своей энергии, которая и излучается в виде рентгеновского излучения.

g-кванты представляют собой поток корпускул лучистой энергии, не имеющих заряда, но обладающих значительной массой и энергией от 0,01 до 10 МэВ. Ионизирующая способность в тысячи раз меньше, чем у a-частиц той же энергии, но g-излучения обладают огромной проникающей способностью. Существует три вида взаимодействия g-квантов с веществом: фотоэлектрический эффект, когда g-квант передает всю свою энергию электрону атома, что позволяет разорвать связь электрона с ядром. В результате появляется свободный электрон и положительно заряженный атом, т. е. происходит процесс ионизации вещества; комптоновское рассеяние, когда g-квант передает часть своей энергии электрону, изменяет свое направление и взаимодействует с электронами других атомов. В результате такого взаимодействия появляются свободные электроны и положительно заряженные атомы; образование электронно-позитронных пар, когда g-квант, взаимодействуя с полем ядра, передает ему часть своей энергии и в результате образуется электронная пара — позитрон b⁺ и электрон b^-.

Итак, при взаимодействии g-квантов с атомами вещества, т. е. с электронами или полем ядра, происходит ионизация вещества.

Нейтроны представляют собой  незаряженные частицы с высокой  проникающей способностью и взаимодействуют  только с ядрами атомов. Существует три вида взаимодействия нейтронов  с ядрами атомов химических элементов: упругое взаимодействие, при котором  нейтрон сталкивается с ядром  атома, передает ему часть своей  энергии, изменяет свое направление  движения и смещает ядро со своего места, что нарушает структуру кристаллических  веществ — процесс необратимый; неупругое взаимодействие, при котором нейтрон проникает внутрь ядра, передает ему свою энергию и ядро само становится излучателем нового нейтрона с другой энергией, g-кванта и b-частицы, которые взаимодействуют с другими атомами вещества; захватное взаимодействие, при котором с ядрами атомов взаимодействуют медленные нейтроны. В этом случае ядро поглощает всю энергию нейтрона и излучает два новых нейтрона с другими энергиями, один g-квант, один протон и одну a-частицу.

Следовательно, при взаимодействии нейтронов с атомами вещества может изменяться структура кристаллических  веществ и происходить ионизация  вещества.

Радиационная  защита. Это уменьшение интенсивности ИИ посредством поглощения излучения экраном. Защитой от ИИ служат экраны из различных материалов, ослабляющих действие g-лучей и нейтронов. Степень ослабления ИИ зависит от свойств материала, его толщины и оценивается слоем половинного ослабления, т. е. такого слоя материала, при прохождении которого интенсивность g-лучей и нейтронов ослабляется в 2 раза.

Толщина слоя половинного  ослабления d_пол для g-квантов и нейтронов в см, определяется по формулам:

где 23 — слой половинного ослабления g-квантов водой, см; 13 — слой половинного ослабления нейтронов водой, см; r — удельная плотность вещества, г/см³.

Только бетон, грунт, кирпич имеют примерно одинаковый слой половинного  ослабления. Данные по половинному  ослаблению могут быть получены из таблиц [1, 5].

Как правило, любой экран  по своей толщине отличается от толщины  слоя половинного ослабления, поэтому  для оценки эффективности ослабления ИИ экраном вводится коэффициент  ослабления проникающей радиации К_осл, показывающий во сколько раз данный экран ослабляет действие ИИ:

,

где h — толщина экрана, см.

Задаваясь коэффициентом  ослабления и зная толщину слоя половинного  ослабления, можно вычислить толщину  экрана h.

Если экран состоит  из нескольких слоев различных материалов, то суммарный коэффициент ослабления

,

где I — число слоев экрана со своими коэффициентами ослабления K_осл i.

Биологическое воздействие  ионизирующих излучений на человека. При радиоактивном облучении живых организмов в биологических тканях происходят сложные физические, химические и биологические процессы. Известно, что 75 % общего веса тканей человека составляют вода и углерод. Вода под воздействием ИИ разлагается на водород Н и гидроксильную группу ОН, которые непосредственно или через цепь вторичных превращений образуют продукты с высокой химической активностью: гидратный оксид НО₂ и перекись водорода Н₂О₂. Эти соединения, взаимодействуя с органическими веществами биологической ткани, окисляют и разрушают ее. В результате этого в организме человека нарушается нормальное течение биохимических процессов и обмена веществ, происходит разрушение лейкоцитов, эритроцитов, тромбоцитов и т. д. Все эти процессы могут быть обратимыми и необратимыми. Так, при небольших дозах облучения пораженная ткань через некоторое время восстанавливается, но большие дозы облучения при длительном воздействии могут вызывать в организме человека необратимые процессы и привести к лучевым заболеваниям.

Итак, биологический эффект зависит от суммарной дозы облучения  и времени облучения, от вида излучений, от размеров облучаемой поверхности  тела и индивидуальных особенностей человека.

Наиболее опасным является однократное внешнее облучение  человека, т. е. облучение, которому подвергается организм человека однократно или дробно в течение четырех суток, так как на пятые, шестые сутки организм человека начинает выводить радиоактивные вещества. В результате однократного облучения и в зависимости от суммарной дозы человек может получить лучевую болезнь четырех степеней.

Лучевая болезнь 1-й степени — легкая степень поражения. Наступает при однократном облучении человека суммарной дозой 100–200 бэр. Проявляется через 2–3 ч после облучения в виде несильной тошноты, слабости. Выздоровление (относительное) наступает в 100 % случаев без госпитального лечения.

Лучевая болезнь 2-й степени — средняя степень поражения. Наступает при дозе облучения 200–400 бэр. Проявляется через 1–2 ч в виде неоднократной рвоты, слабости, недомогания и незначительного повышения температуры тела. Скрытый период (период мнимого благополучия) длится 3–4 недели. Требуется госпитальное лечение. Относительное выздоровление наступает в 100 % случаев, если лечение было организовано своевременно.

Лучевая болезнь 3-й степени — тяжелая степень поражения. Наступает при дозе облучения 400–600 бэр. Проявляется через 20–30 мин. после облучения и выражается в виде многократной рвоты, значительного недомогания, повышения температуры тела до 38 °С. Такое состояние продолжается до двух суток. Скрытый период длится 10–20 суток. С первых дней наблюдается поражение слизистой рта, гипермия тела — приток крови к различным частям тела и слабый ее отток, рвота, сильное расстройство желудка, эритема кожи. Относительное выздоровление наступает у 50–80 % пораженных при лечении в специальных клиниках.

Лучевая болезнь 4-й степени — крайне тяжелая степень поражения. Наступает при суммарной дозе облучения в 600 бэр и более. Проявляется через 20–30 мин. после облучения со всеми признаками 3-й степени, но добавляется жидкий стул и температура тела повышается до 38–39 °С. Такое состояние длится 3–4 суток, затем наступает период мнимого благополучия, который длится 3–4 суток. Выздоровление наступает у 30–50 % пораженных при раннем лечении в специальных клиниках. Считается, что облучение дозой более 600 бэр приводит к летальному исходу.

Чувствительность различных  органов человека к облучению  неодинакова и самыми чувствительными  к облучению являются зародышевые  клетки (гонады), красный костный  мозг, зобная железа и т. д. Большая чувствительность кроветворных органов к ионизирующему облучению лежит в основе определения лучевой болезни. Уже при однократном облучении человеческого тела дозой в 50 бэр через сутки может резко сократиться число лейкоцитов в крови, а по истечении двух недель после облучения сокращается число эритроцитов.