Текст книги "Физика в быту"

Здесь мы не будем говорить о применении радиоактивных изотопов, рентгеновского и прочих облучений при лечении онкологических заболеваний, а только о здоровых в принципе людях.

В 2019 году средняя годовая доза от медицинских обследований составила для жителя Российской Федерации 0,56 мЗв. Это около 14 % суммарной дозы от всех источников – как естественного, так и искусственного происхождения. Это весьма большой процент, причём начиная с 2013 года он с каждым годом увеличивается (эта тенденция присуща всему мировому сообществу). В США и развитых европейских странах доля медицины в облучении ещё больше. Так, в США уже в 2006 году средняя годовая доза медицинского облучения составила 3 мЗв на жителя (55 % полной эффективной дозы).

Давайте посмотрим, какую лучевую нагрузку дают распространённые медицинские процедуры. Для начала немного истории.

Период развития рентгенодиагностики во всём мире начался с 1912 года. В России первая в мире специализированная рентгенологическая клиника открылась в 1918 году. Но по-настоящему массовые рентгеновские обследования начались после второй мировой волны, когда ежегодная флюорография грудной клетки стала нормой жизни промышленно развитых стран (это было связано с ростом туберкулёза во всём мире).

При флюорографии рентгеновские лучи, прошедшие сквозь грудную клетку, создают светящееся теневое изображение на специальном флюоресцентном экране. Это изображение фотографируется с уменьшением на обычную фотоплёнку. Разрешающая способность метода невелика, к тому же используется более жёсткое (а значит, более вредное) рентгеновское излучение, чем при обычной рентгенограмме – фиксировании изображения в натуральную величину на специальной рентгеночувствительной плёнке, которая гораздо дороже. Старые аппараты для флюорографии давали дозу 0,6–0,8 мЗв за один снимок. Эти аппараты могут ещё кое-где использоваться! Доза за плёночную рентгенографию лёгких (то есть за прямой снимок на рентгеночувствительную плёнку, без посредничества экрана) меньше: 0,15–0,4 мЗв. Основные преимущества флюорографии по сравнению с рентгенографией – дешевизна и большая пропускная способность (1 человек в минуту). К 1980-м годам в большинстве развитых стран, но не в СССР, такие ежегодные флюорографические обследования были признаны нецелесообразными. Практика показала, что обнаружение рака лёгких с помощью флюорограммы почти не увеличивает шансов на выживание пациента, так как выявляет его лишь на достаточно поздних стадиях и не оправдывает облучения больших масс населения.

А в конце XX века произошла настоящая революция в рентгенодиагностике: на смену плёночным изображениям пришли цифровые. Это позволило сократить дозы облучения в 5–10 раз, одновременно повысив разрешающую способность. И флюорограммы, и рентгенограммы стали цифровыми. С каждым годом цифровых рентгеновских аппаратов становится больше. Можно надеяться, что вскоре они совсем вытеснят с рынка плёночные аппараты.

Примерные дозы облучения на современных рентгеновских аппаратах:

– плёночная флюорограмма – 0,15–0,5 мЗв,

– цифровая флюорограмма – 0,06 мЗв,

– плёночная рентгенограмма лёгких – 0,3 мЗв,

– цифровая рентгенограмма лёгких – 0,03 мЗв.

Весьма большие дозы за процедуру (2–6 мЗв) даёт рентгеноскопия – рентгеновское просвечивание с получением изображения на флюоресцентном экране в реальном масштабе времени (от 2 до 15 минут). При этом пациент может поворачиваться, что позволяет врачу видеть теневые изображения органов в разных проекциях. Сейчас вместо рентгеноскопии чаще применяется рентгенотелевизионное просвечивание, когда лучи попадают не на экран, а на усилитель рентгеновского изображения, которое затем преобразуется в оптическое (видимое) изображение и выводится на экран монитора.

Самым большим достижением в разработке методов рентгеновской диагностики стала компьютерная томография (КТ). Томография, хоть магнитная, хоть рентгеновская – это получение послойных изображений части тела (срезов). Для получения таких срезов стол, на котором лежит пациент, поступательно перемещается, а узкий рентгеновский луч сканирует тело слой за слоем. Излучение, прошедшее сквозь тело, преобразуется в электрические сигналы, которые записываются и передаются на монитор компьютера. Имея достаточное число срезов (300–400, иногда и более), компьютер может создать 3D-реконструкцию органов.

В настоящее время именно КТ вносит самый большой вклад в коллективную медицинскую дозу – более половины. За последние 15 лет этот вклад возрос почти в 10 раз! Такой гигантский вклад связан не с большим числом процедур КТ, а с большими индивидуальными дозами при каждой процедуре. В 2019 году КТ-исследования составляли всего 4,5 % от общего числа рентгеновских обследований, в 2020 году в связи с наступлением пандемии число процедур КТ возросло минимум вдвое. Эффективная доза за одно исследование колеблется от 0,1 мЗв (при томографии конечностей) до 30 мЗв (при томографии органов брюшной полости с контрастом). А 30 мЗв – это доза, эквивалентная тысяче цифровых рентгенограмм (или полторы предельных годовых дозы работника атомной промышленности). Самое распространённое сейчас КТ грудной клетки даёт 4–6 мЗв за процедуру, то есть пятилетний рекомендуемый лимит на диагностическое медицинское облучение.

Специалисты не советуют назначать столь «нагрузочные» процедуры, как рентгеноскопия и КТ, без настоятельной необходимости.

В ряде развитых стран (США, Японии, Германии) доза облучения от КТ-исследований в пересчёте на одного жителя в 5 раз выше, чем в России.

Казалось бы, это дела давно минувших дней: ведь ядерные взрывы в атмосфере прекращены развитыми странами к 1980 году; Индия и Пакистан осуществили разовые испытания в конце 1990-х. Но плоды всех этих взрывов мы пожинаем до сих пор.

Испытания ядерного оружия привели к глобальным экологическим последствиям, повысив радиационный фон практически на всей поверхности земного шара. В атмосферу, а затем и в биосферу, впервые попали радиоактивные вещества техногенного происхождения.

Особенно большой вред нанесли ядерные взрывы в атмосфере. Всего было произведено около 550 таких взрывов. Их пик пришёлся на 1954–1958 и 1961–1962 годы. Бóльшая часть радиоактивного материала при надземном взрыве выбрасывается не только в тропосферу (прилегающий к земле слой атмосферы), но и в стратосферу (самые высокие слои атмосферы), где остаётся многие месяцы и годы, медленно опускаясь и рассеиваясь по всей земной поверхности. Но всё же на Северное полушарие, где проводилось большинство испытаний, выпала бóльшая часть радиоактивных осадков. Среди них основной вклад в длящееся по сей день облучение дают три долгоживущих изотопа: углерод-14, цезий-137 и стронций-90. Период полураспада углерода-14 равен 5730 лет, цезия и стронция – около 30 лет. Цезий и стронций медленно смывались с поверхности, уходили с подземными водами, а затем попадали в растения через корневую систему. В итоге они накапливались в зерновых продуктах, картофеле, сене и мясе, меньше – в овощах и фруктах. В 1963–1964 годах содержание цезия и стронция в продуктах питания было во много раз выше обычного. Попав в организм, цезий оседает в костной ткани, а стронций – в мышечной. Они облучают органы и ткани изнутри и очень медленно выводятся. К концу XX века распалось около половины радиоактивных цезия и стронция, выпавших в те годы, к настоящему времени – около трёх четвертей. А чрезвычайно опасный углерод-14 задержится в биосфере на тысячелетия. До сего дня мы не получили всей дозы облучения, вызванного радиоактивными осадками, а будем получать её ещё много лет.

В 1965–1990 годы смертность от раковых заболеваний возросла в СССР на 12,5 %, а в Новосибирской области и Алтайском крае, граничащих с Семипалатинским ядерным полигоном, – более чем на 30 %.

Эти лишние проценты – «эхо» ядерных взрывов.

Начнём с того, что атомная энергетика – не только атомные электростанции (АЭС), это весь ядерный топливный цикл. Он начинается с добычи и обогащения урановой руды, из которой после переработки и очистки производится ядерное топливо, и только потом реализуется основная цель – высвобождение энергии в процессе цепной реакции деления. Отработанное на АЭС топливо является ценным ресурсом: из него извлекают уран и плутоний, а также целый ряд продуктов деления, которые применяются в промышленности, медицине и научной работе. Завершающей стадией цикла является, как правило, захоронение радиоактивных отходов, образующихся практически на всех стадиях цикла.

Что такое обогащение урана? В естественной смеси изотопов урана цепная реакция невозможна. Для распространённых реакторов на медленных нейтронах требуется довести долю чрезвычайно редкого изотопа урана-235 до 5 %, а для современных реакторов-размножителей – до 15 %. Этот процесс и называют обогащением. Обогащение урана – очень длительный и дорогостоящий процесс, связанный к тому же с радиоактивным загрязнением окружающей среды.

В будущем, по мере накопления запасов плутония (трансуранового элемента номер 94, получаемого в реакторах-размножителях), ядерным топливом будет служить смесь естественного урана с плутонием.

На каждом этапе ядерного топливного цикла происходит выделение в окружающую среду радиоактивных веществ, причём основное загрязнение связано с добычей и обогащением урановой руды, а также с переработкой отработанного топлива. Так, дополнительные дозы облучения жителей, проживающих вокруг предприятий по переработке ядерного топлива на расстоянии до 200 км, могут достигать 65 % естественного радиоактивного фона. А население, живущее вблизи АЭС, при её нормальной эксплуатации получает дозу менее процента от естественного фона. Если же «размазать» получаемые от всего ядерного цикла дозы облучения по всему населению Земли, то получится около 1 мкЗв в год на человека, то есть несколько сотых процента дозы, полученной от всех естественных источников.

Одна из главнейших проблем атомной энергетики – радиоактивные отходы. Это долгоживущая «мина»: радиоактивные вещества могут достигнуть биосферы спустя сотни тысяч и даже миллионы лет, и всё еще представлять для неё угрозу. Обсуждаются разные стратегии захоронения радиоактивных отходов: на дне океана, на необитаемых островах, в ледяных толщах Антарктиды или Гренландии, даже в космосе. Разные страны реализуют разные технологии в отношении отходов ядерных технологий. Предпочтение отдаётся строительству подземных хранилищ в стабильных геологических формациях (как правило, в скальных породах). Россия планирует начать строительство такого глубинного хранилища в Нижнеканском массиве скальных пород неподалёку от Енисея после 2030 года, а пока что там строится подземная исследовательская лаборатория на глубине 500 метров. В общем, проблема пока не решена.

Сама по себе АЭС – это весьма чистое производство. Зато очень опасны аварии на любых ядерных объектах. За всё время существования таких объектов произошло около 400 аварий разной степени опасности, многие из них сопровождались утечкой радиоактивных веществ. Международная шкала ядерных событий выделяет 7 уровней (категорий) опасности. Риск облучения населения возникает при уровнях, начиная с четвёртого. Вот перечень самых масштабных аварий, начиная с 5-й категории.

1952 год, Канада – первая в мире радиационная авария 5-й категории. Частичное расплавление ядерного реактора в Чок-Риверской лаборатории произошло из-за ошибок оператора и сбоев в системе аварийной остановки.

1957 год, СССР – «Кыштымская авария» 6-й категории. Она оставалась самой масштабной ядерной аварией в мире до наступления Чернобыльской. Производственное объединение «Маяк», расположенное в закрытом городе Челябинск-40, производило компоненты для ядерного оружия, а также занималось переработкой радиоактивных отходов. В одной из ёмкостей для хранения высокоактивных отходов из-за выхода из строя системы охлаждения произошёл взрыв. В атмосферу были выброшены цезий-137 и стронций-90 (те самые изотопы, о которых мы говорили в связи с ядерными взрывами). На заражённой территории проживало около 270 тысяч человек.

1957 год, Великобритания – авария 5-й категории на атомном реакторе в Уиндскейле. Из-за ошибок персонала произошёл пожар, и затем – крупный выброс радиоактивных веществ.

1979 год, США – авария 5-й категории на АЭС в Тримайл-Айленд, связанная опять-таки с ошибками персонала. Работники АЭС заглушили реактор, но не учли, что энергия продолжает выделяться из-за распада радиоактивных продуктов деления, и этой энергии оказалось достаточно для расплавления оболочки реактора. Радиационные последствия для населения и окружающей среды были несущественными, однако именно эта авария стала началом широкого общественного движения протестов против атомной энергетики. После этой аварии вплоть до 2012 года никто в США не получал лицензии на возведение АЭС, не были запущены и десятки уже согласованных к тому моменту атомных станций.

1985 год, СССР – авария ядерной энергетической установки на атомной подводной лодке в бухте Чажма Японского моря (5 категория), повлёкшая за собой гибель одиннадцати человек и облучение сотен людей.

1986 год, СССР – самая крупная в мировой истории радиационная катастрофа на Чернобыльской АЭС (Украина), 7 категория. Авария произошла во время тренировочных учений по причине недостаточной компетентности персонала и несовершенства конструкции реактора. В результате взрыва сразу пострадали от радиации 134 человека, находившиеся на месте аварии. 28 пожарных скончались от лучевой болезни в первые 3 месяца, ещё 16 умерли в течение 18 лет от разных причин: пневмонии, лейкоза, инфаркта. После взрыва на большой территории (в основном Черниговской, Гомельской, Брянской областей) выпало много радиоактивного йода. Поступая в организм через кожу, дыхательные пути, пищу, он накапливался в клетках щитовидной железы. За короткий промежуток времени его дозы составили 300 мЗв и более. В связи с этим почти у 500 детей в скором времени развился рак щитовидной железы. В следующие 18 лет ещё у 30 тысяч детей были обнаружены изменения щитовидки, в том числе опухоли.

2011 год, Япония – авария 7-й категории на АЭС «Фукусима-1». Пожалуй, это единственная авария, в которой не замешан «человеческий фактор»: ошибки и оплошности людей. В данном случае виноваты природные факторы: землетрясение и вызванное им цунами. Только два человека из персонала станции получили потенциально опасные дозы 500 мЗв. Но рыбу в тех краях запрещено ловить до сих пор. По прогнозам, полная ликвидация последствий может занять до сорока лет.

Британский совет по исследованиям окружающей среды (NERC) в 2007 году опубликовал результаты своего исследования по последствиям катастрофы в Чернобыле. Вывод сделан неожиданный: последствия этой аварии для населения намного менее серьёзны, чем принято считать. Разрушительный эффект чернобыльской радиации сопоставим с воздействием загрязнения воздуха, курения и ожирения.

До 1988 года мировая атомная энергетика набирала обороты. В 1988 году атомные электростанции произвели 17 % от всей электроэнергии на Земле. Но к 2018 году их доля в энергетике упала до 10,2 %. В США и развитых европейских странах атомная энергетика постепенно сворачивается: старые АЭС закрывают, новые не строят. В Германии к 2022 году должна прекратить работу последняя из 21 построенных там АЭС. В России же доля электроэнергии, производимой на АЭС, продолжает медленно, но верно расти. В наше время она составляет около 19 % всей электроэнергии и сопоставима с долей, производимой гидроэлектростанциями. Но основную часть (более 60 %) электроэнергии в России по-прежнему производят тепловые электростанции (ТЭС), сжигающие ископаемое топливо.

Общемировое сокращение атомной энергетики – следствие всеобщего страха перед ядерными катастрофами. Но есть ли достойная альтернатива «мирному атому»?

Начнём с того, что все страны считают главной мировой проблемой глобальное потепление, а потеплению способствуют выбросы углекислого и других парниковых газов, основная часть которых связана с сжиганием угля и природного газа. Переход на биотопливо проблему не решит, ведь при сжигании пальмового и соевого масла, которые используют для получения энергии, углекислоты выделяется больше, чем от угля. Ветровые и солнечные станции вряд ли станут основными источниками электроэнергии из-за непостоянства и нерегулируемости световых и ветровых потоков, а также меньшей рентабельности. Но если довести долю атомной энергии в мире хотя бы до 50 %, уровень парниковых газов в атмосфере сам начнёт снижаться.

Парниковые газы – не единственная проблема, связанная с ТЭС. При сгорании угля в атмосферу выбрасываются мельчайшие частицы сажи, которые из-за своих малых размеров не отсеиваются в дыхательных путях человека и попадают через лёгкие напрямую в кровь, становясь центрами образования тромбов и приводя к инсультам и инфарктам. Кроме того, среди выбросов ТЭС есть токсичные элементы, среди которых: чрезвычайно опасные диоксид серы, оксиды азота, а также ртуть, свинец, кадмий и многое другое. А ещё вы удивитесь, но радиоактивность одного килограмма выбросов ТЭС в 5–10 раз выше, чем одного килограмма выбросов АЭС. Это относится даже к современным ТЭС, оборудованным фильтрующими системами. Радиоактивность выбросов ТЭС связана с зольной пылью, содержащей множество радиоактивных изотопов. Облака, извергаемые трубами ТЭС – источник дополнительного облучения людей, так же как печки и камины, сжигающие уголь.

По оценкам, ежегодная смертность от заболеваний, обусловленных дымом ТЭС, гораздо выше смертности от раковых заболеваний, связанных с утечками радиоактивных веществ на АЭС.

Общее число преждевременных смертей от сжигания угля оценивают в 800 тысяч в год. В инцидентах и авариях неатомной энергетики за последние 30 лет погибло более 80 тысяч человек.

Всех преждевременных смертей от инцидентов на АЭС за всю их историю – около четырёх тысяч.

По сути, против АЭС – только общественное мнение в США и странах Европы. Опросы показывают, что в России три четверти населения относятся к атомной энергетике положительно. Именно в России, а также азиатских странах (Китае, Южной Корее) происходит развитие и совершенствование атомных технологий. Специалисты утверждают, что аварии типа Чернобыля и Фукусимы на реакторах нового поколения просто невозможны. Согласно расчётам, современные реакторы могут выдержать землетрясение магнитудой 9 и цунами высотой 14 метров.

Кстати, вернуться к строительству новых АЭС после столь долгого перерыва, скажем в США, будет так же сложно, как и к восстановлению космической лунной программы: ведь у специалистов на протяжении двух с лишним десятилетий не было опыта нового строительства в своей стране, в результате утеряны специалисты, навыки и технологии.

Не правда ли, неожиданный пункт в перечне источников техногенного облучения? Речь здесь пойдёт не о никотине и не о продуктах неполного сгорания табака, и не о том, что промышленный табак содержит тысячи вредных веществ, из которых 30 особо токсичны. Речь о радиоактивности сигаретного дыма. Вместе с этим дымом в лёгкие курильщика, а также окружающих его людей, попадают радиоактивные изотопы радия-226, полония-210 и радиогенного свинца-210. Появление этих изотопов в табаке связано с применением на промышленных табачных плантациях удобрений с высоким содержанием фосфатов. Большинство разрабатываемых фосфатных месторождений содержит уран, присутствующий в довольно высокой концентрации, а значит, там присутствуют и все члены уранового семейства, включая радий, полоний и свинец. Сигаретные фильтры задерживают лишь малую часть радиоактивных металлов. О радиоактивности сигаретного дыма заговорили сравнительно недавно, после исследований, опубликованных американскими учёными в 2008 году.

Оценки эквивалентных доз, получаемых активными и пассивными курильщиками, имеют очень большой разброс: от скромных микрозивертов в год до доз, превышающих в несколько раз установленные для техногенных источников облучения пределы. Это зависит и от сорта табака, и от масштабов курения.

Ежегодно в мире жертвами активного и пассивного курения становятся 2–3 человека из каждых 100 тысяч. От последствий радиации, включая аварии на ядерных объектах, в год умирает 0,05 человека на каждые 100 тысяч. У нас в 40–60 раз больше шансов погибнуть от табака, чем от радиации, не связанной с курением.