Определение дозового коэффициента урана, поступающего в организм человека Текст научной статьи по специальности «Математика»
Рассчитан дозовый коэффициент урана, определяющий меру риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов и тканей с учетом их радиационной чувствительности для перкутанного и ингаляционного поступлений урана в организм человека в составе гексафторида урана и продуктов его гидролиза на предприятиях атомной промышленности. Рассмотрены условия аварийного и стационарного производственного поступлений.
Похожие темы научных работ по математике , автор научной работы — Бабенко Светлана Петровна
Calculation of the Dose Factor of Uranium, Entering a Human Organism
The dose factor of uranium, determining a degree of risk of occurrence of remote consequences of irradiation of the whole human body and its individual organs and tissues, is calculated taking into account their radiation sensitivity for percutaneous and inhalation enterings of uranium in the human organism incorporated in uranium hexafluoride and products of its hydrolysis at enterprises of the nuclear industry. Conditions for the entering under emergency and stable production are considered. Refs. 11. Tabs.3.
Текст научной работы на тему «Определение дозового коэффициента урана, поступающего в организм человека»
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОЗОВОГО КОЭФФИЦИЕНТА УРАНА, ПОСТУПАЮЩЕГО В ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА
Рассчитан дозовый коэффициент урана, определяющий меру риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов и тканей с учетом их радиационной чувствительности для перкутанного и ингаляционного поступлений урана в организм человека в составе гексафторида урана и продуктов его гидролиза на предприятиях атомной промышленности. Рассмотрены условия аварийного и стационарного производственного поступлений.
Дозовый коэффициент е — характеристика радиационного воздействия, поступающего вещества на организм человека, — определяется соотношением
где Па — поступление урана по активности (активность вещества, поступившего в организм; для перкутанного поступления — активность вещества, осевшего на кожу за рассмотренный промежуток времени); Е — эффективная доза, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов и тканей с учетом их радиационной чувствительности. В соответствии с работой [1]
Е = У! —— Ни,т = У^ ———и Яя,т , ^ ^ тТ
где — т — взвешивающий коэффициент для органа или ткани Т; т- — масса этого органа; —и — коэффициент для ионизирующего излучения Л; - энергия излучения Л, выделившаяся в рассматриваемом органе;
НЕ,- = [ нп,-ПУЛ — эквивалентная доза в органе или ткани Т для излу-
чения Л, ¿о — момент поступления урана; Ни,— — мощность эквивалентной дозы в момент времени Ь в органе или ткани Т.
При вычислении Ни,— принимается [1], что для взрослого человека т = 50 лет, тогда
В работе определяется дозовый коэффициент урана, поступающего в организм в составе продуктов гидролиза газообразного гексафторида урана в
режиме стационарной производственной деятельности и в условиях аварийного выброса. Рассматривается перкутанное и ингаляционное поступление урана.
Ранее [2] оценивался дозовый коэффициент при перкутанном поступлении урана в рамках интегральной модели депонирования, не учитывающей распределения урана по отдельным внутренним органам. В настоящей работе дозовый коэффициент определяется с учетом этого распределения.
Для расчета дозового коэффициента при перкутанном поступлении урана полагаем е = ек + ео, где ек определяет вклад кожи в эффективную дозу, а ео — вклад внутренних органов. Величина ек вычислена в рамках интегральной модели, по ней рассчитана энергия а-излучения урана, поглощенная
в ткани кожи к моменту времени ¿, и число атомов урана N1(4), осевших за это время на поверхность кожи [3]:
= (ТШа/тк) ТУдАудШо^оБ (Сц-з(Л, Л^) + СЩЛ, Л2*)) =
- ТкТа - С1У^з(Л,Л1,4)+ СУ^з(Л,Л2,г) = М - /.ч •
Здесь м — коэффициент, определяющий часть энергии а-излучения, поглощаемого кожей, приходящуюся на наиболее чувствительный к воздействию излучения базальный слой; Т — весовой коэффициент для кожи; Та — весовой коэффициент для а-излучения; Шк - масса кожи; ТТа — энергия а-частицы урана; Ауд — удельная активность урана; шо — масса атома урана; ^о — плотность потока атомов урана на поверхности кожи человека, находящегося в производственном помещении (в рассматриваемой модели эта величина не зависит от времени); Б - площадь поверхности кожи; Л, С1, С2, Л1, Л2 — коэффициенты, описывающие процессы проникновения урана в глубь кожи и вывода урана из ткани кожи; <1, "0з — вспомогательные функции, определяемые соотношениями
<1 (4) = (¿2 - ¿1) #(*) + I - при 4 € [¿1, , < Ь < ;
<1^) = (¿2 - ¿1) (.ВД + 1) при Ь € [¿1, , вщь) < 4 < при 4 € аN7(4) ^ 4 ^
Ai Л + AWV А + Ai А + А
1 _ e-Ai (ia-ii)iV(i)
пРи t € [ti, %(;) < t < 7jv(t),
где ¿1 — начало нулевого рабочего дня; ¿2 — конец нулевого рабочего дня; ¿з — начало первого рабочего дня; — начало рабочего дня с номером п;
— конец рабочего дня с номером п; 7„ = а„+1 — начало рабочего дня с номером п + 1; М"^) — номер рабочего дня, на который приходится момент наблюдения
Из приведенных соотношений видно, что величина е^ (¿) не зависит от ^о, а определяется только механизмами проникновения урана в кожу и вывода его из кожи. Следует отметить, что величина е^ (¿) практически не зависит от степени обогащения урана изотопом и235.
Величина е0 определяется в рамках камерной модели, представляющей собой комплекс трех составляющих:
— модели загрязнения воздушной среды производственного помещения
— модели прохождения урана через барьерный орган (кожа для перку-танного и дыхательная система для ингаляционного поступления);
— камерной модели МКРЗ распределения вещества по органам [5], использованной в работе [8] для численного расчета распределения урана, инъецируемого в плазму крови в составе продуктов гидролиза гексафторида урана.
В рамках первых двух моделей скорость ввода массы урана в плазму крови описывается соотношениями
mojoSC (1 - e-A(i-«N(t))) при a^) < t < Д
Эти соотношения были введены в программу МКРЗ [6, 8] для численного расчета депонирования в различных органах урана, вводимого в плазму крови. По программе рассчитывалось также число распадов М' атомов урана в каждом органе. По известным значениям чисел распадов М' и дополнительным сведениям о каждом органе [7] определялась эффективная доза,
формирующаяся в каждом органе, и величина ео, определяющая вклад в до-зовый коэффициент той части урана, которая прошла во внутренние органы.
При ингаляционном поступлении дозовый коэффициент рассчитывали аналогично тому, как при перкутанном поступлении рассчитывали составляющую дозового коэффициента ео, определяемую вкладом урана, поступающего во внутренние органы. Выражение для скорости ингаляционного
ввода массы урана в плазму крови получено в соответствии с моделями загрязнения производственной среды гексафторидом урана и продуктами его гидролиза [4], моделью поступления вещества, связанной с режимом производственной деятельности [7, 9] и моделью прохождения урана через дыхательную систему, рекомендованной МКРЗ [5, 10]:
где пгаз — концентрация урана в газовой фазе в рабочем помещении; па — концентрация урана в аэрозольной фазе; £ — коэффициент прохождения аэрозоля в кровь; д — объем воздуха, вдыхаемого человеком в единицу времени. Расчет величины £ для аэрозолей И02р2, присутствующих в воздухе рабочих помещений обогатительных и сублиматных производств, приведен в работе [10].
Согласно модели загрязнения производственной среды [4] получено, что для стандартных производственных условий пгаз = 4,03 • 1015 1/мз, Па = 4,79 • 1016 1/мз.
Для ингаляционного и перкутанного поступления рассчитаны значения следующих величин: масса урана, депонированного в различных внутренних органах; скорость накопления урана в мочевом пузыре; масса урана, выведенного из организма через мочевой пузырь; число распадов ядер урана, накопленных в различных органах.
В табл. 1, 2, 3 приведены данные по числу распадов в отдельных органах для стационарных производственных условий при перкутанном, ингаляционном и аварийном перкутанном поступлении урана соответственно.
Для разового поступления эффективная доза, по определению, совпадает с той, которая формируется в каждом органе по отдельности в течение 50 лет после поступления и далее суммируется по всем органам.
Для стационарного длительного производственного поступления эти две дозы не совпадают, так как при расчете эффективной дозы от каждого мгновенного поступления нужно учитывать распады, реализующиеся на протяжении 50 следующих лет после каждого такого поступления. Полная эффективная доза определяется суммированием этих вкладов и формирующаяся суммарная доза не зависит от длительности поступления, а определяется только величиной поступления урана в плазму крови. Это позволяет рассчитать эффективную дозу длительного поступления по значению эффективной дозы аварийной ситуации, умножая ее на отношение масс урана, введенного в плазму крови при этих двух видах поступлений, и отношение удельных активностей урана, использованного в эксперименте, моделирующем аварийную ситуацию, и в стационарных производственных условиях.
Распределение по органам доз, сформированных за 50 лет производственной деятельности, и дозовый коэффициент урана при
перкутанном поступлении в стационарных производственных условиях
Орган Число М' распадов, накопленных за 50 лет Доза тт при £ = 50 лет и т = 0
Почки 1,08-107 1,18-10 5
Поверхность трабеку-лярной кости 4,13-Ю6 1,49-10
Объем трабеку-лярной кости 1,18-Ю8 9,68-Ю"6
Поверхность кортику-лярной кости 3,35-106 9,53-10
Объем кортику-лярной кости 3,45-108 3,93-10
Печень 1,79- 10у 6,75-Ю"6
Мягкие ткани 1,14-Ю8 1,86-10—5
при £ = 50 лет и т = 0 во всех внутренних органах
Эффективная доза Е, Зв, при £ = 50 лет и т = 50 лет во всех внутренних органах
Примечание. Ау = 10
поступление по активности за 50 лет через кожу.
Распределение по органам доз, сформированных за 50 лет производственной деятельности, и дозовый коэффициент урана при ингаляционном поступлении в стационарных производственных условиях
Орган Число М' распадов, накопленных за 50 лет Доза ^Т^Зв тт при £ = 50 лет и т = 0 Доза V ^^А^Зв ' тт т при £ = 50 лет и т = 0 во всех внутренних органах Эффективная доза Е, Зв, при £ = 50 лет и т = 50 лет во всех внутренних органах Пд, Бк Е £ = п? Зв/Бк
Почки 9,45-10® 1,04-10
Поверхность трабеку-лярной кости 3,68-10° з-ю
Объем трабеку-лярной кости 1,02-Ю11 8,46-10
Поверхность кортику-лярной кости 2,91-109 8,25-10
Объем кортику-лярной кости 3,02-1011 3,42-10
Печень 1,57-Ю10 5,94-10
Мягкие ткани 9,98-Ю10 1,64-10
Примечание. Ау = 10 1Бки • л 1, Пд — поступление по активности за 50 лет через дыхательную систему.
Распределение доз по органам через 50 лет после разового ввода урана согласно камерной и интегральной моделям
Орган Число М' распадов, накопленных за 50 лет Доза т-т Доза V ^^А^Зв ГПт во всех внутренних органах Па, Бк Е £0 = Тт? Зв/Бк Е £к Тт? Зв/Бк е, Зв/Бк
Почки 3,6-10® 3,98-10
9 1Д4-10"11 1,51-10 9
Поверхность тра-бекуляр-ной кости 1,3-10® 1,08-Ю"6
Объем трабеку-лярной кости 4,05-107 1,08-10
Поверхность кор-тикуляр-ной кости 1,04-106 3,39-Ю"6
Объем кортику-лярной кости 1,73-108 2,98-Ю"7
Печень 7,44-10® 1,97-Ю"6
Мягкие ткани 6,48-107 1,07-10
Кожа 1,96-108 1,74-10
Примечание. Разовое поступление по = 1 • 1021 1/м3; Па — поступление по активности на кожу за 50 лет.
В результате проведенных расчетов получено, что в рассмотренной аварийной ситуации поступление урана в плазму крови составляет m = 4,05 х х 10-3 мг, а его накопление за 50 лет производственной деятельности в плазме крови m = 1,54 мг при перкутанном и m = 1,36 • 103 мг при ингаляционном поступлении. Удельные активности урана для указанных случаев соотносятся как 1:70.
Полученные значения эффективной дозы и дозового коэффициента приведены в табл. 2 и 3.
Аналогичный расчет эффективной дозы и дозового коэффициента проведен для периода поступления в течение двух дней от начала производственной деятельности для перкутанного и ингаляционного поступлений. Получены следующие результаты:
— значение дозового коэффициента для перкутанного поступления урана примерно в 150 раз меньше, чем для ингаляционного;
— дозовый коэффициент практически не зависит от длительности и положения промежутка времени в течение периода производственной деятельности, для которого вычислялась эффективная доза, что соответстветствует теоретическим выводам;
— в аварийных ситуациях дозовый коэффициент в несколько раз меньше, чем в стационарных производственных условиях, что связано с различием в режимах дезактивации кожи. Это означает, что изменение времени, через которое после выброса гексафторида урана реализуется дезактивация кожи, приведет к изменению дозового коэффициента в аварийных условиях.
1. Нормы радиационной безопасности (НРБ-99): Гигиенические нормативы. -М.: Центр санитарно-эпидемиологического нормирования, гигиенической сертификации и экспертизы Минздрава России. - 1999. - 116 с.
2. Б а б е н к о С. П. О дозовом коэффициенте урана, поступающего перкутан-но в организм человека с газообразными продуктами // Изв. Акад. промышл. экологии. - 2005. - № 1. - С. 72-77.
3. Бабенко С. П. О расчете энергетических доз, получаемых человеком при перкутанном поступлении урана в повседневной деятельности на производствах, работающих с гексафторидом урана // Мед. радиол. и радиац. безопасность. - 2005. - 50, № 6.
4. Б а б е н к о С. П., Б а д ь и н А. В., Б а д ь и н В. И. Математическое моделирование процесса оседания UF6 и продуктов его гидролиза в присутствии силы тяжести // Изв. Акад. промышл. экологии. - 2003. - № 2. - С. 70-85.
5. I C R P Publication 66. Human respiratory tract model for radiological protection // Annals of the ICRP. - 1994. - 24, № 4.
6. Darrell R., Fisher T., Edmond Hui , Michael Yurconic, John R. Johnson. Uranium hexafluoride public risk / Letter report. Health Protection Department Pacific Northwest Laboratory; Richland, Washington 99352; PNL - 10065; report submitted August 1, 1994.
7. ICRP Publication 68. Dose coefficients for intakes of radionuclides by workers.
— Annals of the ICRP. - 1994. - 24, № 4.
8. L e g g e t t R. W., P e l l m a r T. C. The biokinetics of uranium migrating from embedded DU fragments // J. of Environmental Radioactivity, 64 (2003), 205-225. www.elsevier.com/locate/jenvrad; http://www.pdhealth.mil/downloads/The_biokinetics_of_uranium.pdf.
9. Б а б е н к о С. П. Математическая модель ингаляционного поступления токсичных веществ с продуктами гидролиза гексафторида урана в условиях повседневной производственной деятельности // Энергосбережение и водоподготов-ка. - 2005. - № 5. - С. 76-77.
10. Пределы поступления радионуклидов для работающих с ионизирующим излучением: Публикация 30 МКРЗ. Ч.1 / Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат. -1982. - 136 с.
11.Бабенко С. П., Б а д ь и н А. В. Методы определения функции распределения радиуса аэрозольных частиц уранилфторида // Атомная энергия. - 2005. - 99, № 5. - С. 353-358.
Статья поступила в редакцию 21.05.2007
Светлана Петровна Бабенко родилась в 1937 г., окончила в 1960 г. Московский государственный педагогический институт им. В.И. Ленина. Канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры "Физика" МГТУ им. Н.Э. Баумана. Автор 65 научных работ.
S.P. Babenko (b. 1937) graduated from the Lenin Moscow State Pedagogical Institute in 1960. Ph. D. (Phys.-Math.), assoc. professor of "Physics" department of the Bauman Moscow State Technical University. Author of 65 publications.
УСКОРЕННАЯ МИГРАЦИЯ ЛЕГКОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ ПО ПОЛОСАМ АДИАБАТИЧЕСКОГО СДВИГА
Рассмотрены вопросы твердожидкофазного взаимодействия металлических веществ в условиях импульсного воздействия на зону их контакта. Показано, что при воздействии электрического и ударно-волнового импульса наблюдается ускоренная миграция легкоплавких элементов в объем твердых металлов на расстояния до нескольких миллиметров без нарушения сплошности металла матрицы. Сделано предположение о том, что наблюдаемая миграция жидких металлов происходит по полосам адиабатического сдвига, возникающим в результате действия энергетического импульса одновременно с расплавлением легкоплавких металлов.
Изучению полос адиабатического сдвига (далее ПАС) в последние десятилетия уделяется довольно большое внимание. Среди относительно новых фундаментальных работ можно назвать монографию [1], в которой наряду с детальным описанием феноменологии процесса образования и особенностей микроструктуры ПАС значительное внимание уделено математическому описанию этого явления.
Хорошо известно, что понимание природы процесса формирования ПАС очень важно для прогнозирования поведения различных материалов при высокоскоростном нагружении. В проведенных исследованиях это явление использовано для объяснения наблюдаемого в ряде экспериментов аномально быстрого (доли секунды) проникания тяжелых легкоплавких элементов