CC BY
68
Радиоэкологическая модель транспорта радионуклидов йода и цезия по пищевым цепочкам после радиационных аварий с выбросом в атмосферу для исследований закономерностей формирования доз внутреннего облучения населения.
Часть 3. Описание, постановка и свойства блоков метаболизма
Л *11 Л *К7
радионуклидов I и Сб в органах человека
Власов О.К.
ФГБУ МРНЦ Минздрава России, Обнинск
Приводится описание, постановка и свойства блоков метаболизма радионуклидов 1311 и 137Cs в органах человека радиоэкологической модели транспорта радионуклидов йода и цезия по пищевым цепочкам после радиационных аварий с их выбросом в атмосферу. Модель позволяет учитывать влияние динамики выпадений продуктов аварии, погодных условий года аварии, возрастных, социальных и индивидуальных особенностей рационов питания населения на динамику активностей 1311 и 137Cs в организме жителей и формирование доз их внутреннего облучения. В результате исследований получены следующие результаты. Учитываемые факторы оказывают существенное влияние на разнообразие форм динамики активности 131! и 137Cs в организме человека. При реконструкции индивидуальных доз внутреннего облучения населения по данным его радиометрии необходимы знания хотя бы качественной структуры рациона людей. Отсутствие такой информации приводит к увеличению неопределённо-сти в оценках индивидуальных доз. На территории загрязнённых областей РФ вклад ингаляционного пути в активность 1311 в щитовидную железу (ЩЖ) существенно больше его вклада в активность 137Cs в теле жителей одинаковых возрастов. Максимальные величины активностей 1311 в ЩЖ жителей всех возрастов в Брянской области, приведённые к средней единичной удельной активности 1311 в облаке и осадкам за период выпадений 1 мм, были в 2 раза больше, чем в Калужской области.
Ключевые слова: модель транспорта радионуклидов йода и цезия, пищевые цепочки, радиационная авария, дозы внутреннего облучения.
В предыдущих частях настоящей работы были представлены описания, постановки и свойства агроклиматического блока [2] и блока метаболизма радионуклидов 1311 и 137Сэ в органах крупного рогатого скота (КРС) [3] радиоэкологической модели транспорта радионуклидов йода и цезия по пищевым цепочкам.
Агроклиматический блок модели позволяет проводить исследования динамики выпаде-
131 137
ния радионуклидов I и Cs на почву, загрязнения растительности кормовых культур, культурных и естественных пастбищ и сенокосов - основных источников поступления радионуклидов в организм КРС, а также однолетней и многолетней зелени - источников поступления радионуклидов в организм человека с рационом. В этом блоке учитываются основные факторы и процессы, определяющие транспорт радионуклидов по пищевым цепочкам. К ним в модели относятся:
• динамика объёмных активностей радионуклидов и форм их существования в атмосфере;
• осадки, определяющие радиоактивные выпадения на почву, растительность и её очищение от радионуклидов;
• годовой ход среднесуточных температур воздуха, влияющих на фазы развития и рост растительности, время начала выпаса и перехода КРС на стойловое содержание;
• особенности кормления и содержания КРС в переходные периоды.
Власов О.К. - зав. лаб., д.т.н. ФГБУ МРНЦ Минздрава России.
Контакты: 249036, Калужская обл., Обнинск, ул. Королева, 4. Тел.: (48439) 9-32-45; e-mail: [email protected].
Расчётные параметры и динамические выходные данные агроклиматического блока используются как входная информация:
• в блоке метаболизма радионуклидов 1311 и 137Сэ в организме КРС при исследованиях динамики загрязнения его органов и молока;
• в блоке метаболизма радионуклидов 1311 и 137Сэ в организме человека при исследованиях динамики их активности в его органах и формирования доз их внутреннего облучения. Блок метаболизма радионуклидов 1311 и 137Сэ в организме КРС позволяет проводить исследования динамики их активности в его органах с учётом основных особенностей динамики загрязнения корма, режимов содержания и кормления КРС.
Расчётные параметры и выходные данные этого блока о динамике загрязнения молока используются как входная информация в блоке метаболизма радионуклидов 1311 и 137Сэ в организме человека для исследований формирования доз его внутреннего облучения.
А. Описание и постановка
В качестве базовых моделей в блоке метаболизма радионуклидов в организме человека используются простые дозиметрические модели Публикации 56 ICRP [4], дополненные ингаляционным блоком (рис. 1).
«Йодная» модель «Цезиевая» модель
Рис. 1. Блок-схемы «йодной» и «цезиевой» моделей человека.
Система дифференциальных уравнений этих моделей, описывающих динамику активностей радионуклидов в органах человека, имеет следующий вид:
= £к. .{х)0<с(а) + У&.Ядг(а)+дС .ЯтіІк(а)\зу + С'* (а)• к1ип^ы°°'1 (а), (1)
І=и, і *і
где а - возраст индивидуума, лет; О,-' я - активность I и Cs в /-ой камере, кБк; к,■,у - скорости перехода радионуклидов между камерами / и ], сут-1 (/=1 - кровь, /=7 - лёгкие);
- удельная объёмная активность радионуклида в зелени и молоке, кБк/кг; Ндг(а), ЯтШ( (а) -суточное потребление зелени и молока человеком, кг/сут (рис. 2); С'а'Сз - удельная объёмная активность радионуклида в атмосфере, кБк/м3; 3от =1 при п=т и 3от =0 при п^т; V101’(а) -
суточный объём лёгочной вентиляции, м3/сут; к!иод^Ь!оо<* - коэффициент перехода радионуклида из лёгких в кровь.
3
<?е!ет ш*-л тЬеет / Л\ . <*аег &аег и-лтЬ,аег /~\ , ?огд и-а ’тЬ'Огд /
5 • Каы' (а) + 5 5к • К'^ (а) + 5 g • М1о(1' g(а)
К^Ыо° (а) =-----------------------------------к!Ъод^---------------------------, <2>
К'ш (а)
3
К!ипд^Ыоо' = £ Г1к 5Ж , к=1
где 5е!ет , 3аег , 5огд - соответственно, относительные доли элементарной, аэрозольной и органической форм существования радионуклида в атмосфере, для 137^ 5аег =1; 8кае - соответственно, относительные доли быстро-, средне- и медленно растворимой фракций аэрозольной формы существования радионуклида в атмосфере; К'1од - дозовые коэффициенты для пищевого пути, мГр/кБк, Публикация 71 ICRP [6]; К'1оЬ - дозовые коэффициенты для ингаляционного пути с такими же соответствующими индексами для форм существования радионуклида и типов растворимостей его аэрозольной формы, мГр/кБк, Публикация 67 ICRP [5]; 1 - относительные доли быстро-, средне- и медленно растворимой фракций аэрозолей в атмосфере, перешедших в желудочно-кишечный тракт после очистки от них респираторной системы, равные 1, 0, и 0,1 соответственно (табл. 2 [5]).
Рис. 2. Суточное потребление молока и зелени городскими и сельскими жителями.
Б. Основные закономерности динамики активностей 137Cs и 1311 в организме
человека после аварии на ЧАЭС
Все дальнейшие расчёты проводились для следующего стандартного сценария входных данных:
• удельные объёмные активности Cs и I в облаке на время аварии равны 1 и 10 кБк/м ;
• время начала и окончания радиоактивных выпадений в районах взяты в соответствии с данными [1];
• 1311 в облаке существует в смеси аэрозольной, элементарной и органической форм, их доли принимались не зависящими от времени и равными 0,7, 0,15 и 0,15 соответственно;
• доли быстро-, средне- и медленно растворимой фракций аэрозольной формы 137^ и 131! принимались не зависящими от времени и равными 0,7, 0,15 и 0,15 соответственно;
• годовой ход среднесуточных температур воздуха в 1986 г. соответствовал среднеобластным данным;
• осадки за период выпадений принимались равными 1 мм;
• потребление многолетней зелени (щавеля) ограничено 30 сутками после аварии;
• смена рационов кормления в переходные периоды содержания КРС: весной от стойлового к пастбищному периоду и обратно осенью происходит в течение 7 суток.
131 137
Пример расчётов динамики поступления I и Cs в организм жителей центральных частей Брянской и Калужской областей после аварии на ЧАЭС приведены на рис. 3 и на рис. 1А-3А Приложения А.
Результаты расчётов, приведённые на рис. 3 и 1А-3А Приложения А, отражают основные особенности динамики поступления 1311 и 137^ в организм жителей, обусловленные динамикой радиоактивных выпадений и погодных условий года аварии, возрастными и социальными особенностями рационов питания городского и сельского населения.
Разработанная модель позволяет воспроизводить и более сложные сценарии. Так, на
131 137
рис. 4 приведены результаты расчётов динамики поступления I и Cs в организм взрослых жителей центральной части Брянской области при запрете на потребление молока в период от 10 до 60 суток после аварии. В сценарии предполагается также, что после окончания пастбищного сезона источником загрязнения 137^ корма КРС будет сено сначала первого, а затем до окончания стойлового периода сено второго укоса. Переход от одного вида корма к другому в переходные периоды происходит в течение недели.
Из данных на рис. 4 видно, что после начала стойлового периода содержания КРС происходит быстрое увеличение поступления активности 137^ в организм жителей с молоком за счёт потребления КРС сильно загрязнённого сена первого укоса. После перевода КРС с сена перво-
137
го укоса на мало загрязнённое сено второго укоса (рис. 5) поступление активности Cs в организм жителей с молоком за одну неделю уменьшается практически на порядок.
131 137
Рис. 3. Динамика поступления I и Cs в организм двухлетних детей центральной
части Калужской области.
131 137
Рис. 4. Динамика поступления I и Cs в организм взрослых жителей центральной части Брянской области при введении запрета на потреблении местного молока и потреблении КРС сена первого и второго укосов в период стойлового содержания осенью-зимой 1986-1987 гг.
Область = "Брянская"
Время после аварии, сутки
А А А трава пастбищ трава сенокосов + ++ сено первого укоса ■ ■ ■ сено второго укоса А А А начало стойлового сезона А А А биомасса травы сенокосов
Рис. 5. Динамика биомассы травы сенокосов и удельной активности 137Cs в траве пастбищ и сенокосов Брянской области.
Учитываемые факторы оказывают существенное влияние и на динамику активностей радионуклидов в организме жителей рассматриваемых областей (рис. 6 и рис. 4А-6А Приложения А).
131 137
Рис. 6. Динамики активности I в щитовидной железе и Cs в теле двухлетних жителей
центральной части Калужской области.
131 137
Рис. 6 (продолжение). Динамики активности I в щитовидной железе и Cs в теле двухлетних жителей центральной части Калужской области.
Проведённые расчёты показывают существенное разнообразие форм динамики активности 1311 и 137^ в организме человека, обусловленное учитываемыми факторами, и в особенности структурой его рациона: пил, не пил молоко, ел, не ел зелень. При реконструкции индивидуальных доз внутреннего облучения населения по данным его радиометрии эти особенности указывают на необходимость знания хотя бы качественной структуры рациона измеряемых людей. При отсутствии такой информации неопределённость в оценках индивидуальных доз может составлять разы (рис. 7 и 8).
Рис. 7. Динамика активностей 1311 и дозы внутреннего облучения щитовидной железы сельских индивидуумов с разными типами рационов питания при их нормировке на данные радиометрии (время измерения 16 и 50 суток после аварии, измеренная активность 20 кБк).
Dth_Inh - доза в ЩЖ за счёт ингаляции; Dth_InhGrv - доза в ЩЖ за счёт ингаляции и многолетней зелени; Dth_InhMv - доза в ЩЖ за счёт ингаляции и частного молока; Dth_v - доза в ЩЖ.
Рис. 7 (продолжение). Динамика активностей 1311 и дозы внутреннего облучения щитовидной железы сельских индивидуумов с разными типами рационов питания при их нормировке на данные радиометрии (время измерения 16 и 50 суток после аварии,
измеренная активность 20 кБк).
Dth_Inh - доза в ЩЖ за счёт ингаляции; Dth_InhGrv - доза в ЩЖ за счёт ингаляции и многолетней зелени; Dth_InhMv - доза в ЩЖ за счёт ингаляции и частного молока; Dth_v - доза в ЩЖ.
Область = "Калужская" возраст = 18 лет время_изм = 50 суток А_изм = 20кЕ^ ОЬс^_1пЬ = 67 тОу ОЬс^_1пЬСп/ = 133 тйу ОЬ(1_1пЬМу = 224 тОу = 22-1 тОу
сельский житель
30
10
<
20 40 60 80 100
Время после аварии, сутки
120
ингаляция ингаляция+щавель ингаляция+молоко все источники
Рис. 8. Динамика активностей 137^ и дозы внутреннего облучения всего тела сельских жителей с разными типами рационов питания при их нормировке на данные радиометрии (время измерения 20 и 50 суток после аварии, измеренная активность 20 кБк).
Dbd_Inh - доза за счёт ингаляции; Dbd_InhGrv - доза за счёт ингаляции и многолетней зелени; Dbd_InhMv - доза за счёт ингаляции и частного молока; Dbd_v - доза всего тела.
Рис. 8 (продолжение). Динамика активностей 137^ и дозы внутреннего облучения всего тела сельских жителей с разными типами рационов питания при их нормировке на данные радиометрии (время измерения 20 и 100 суток после аварии, измеренная активность 20 кБк).
ОЬсМпІї - доза за счёт ингаляции; Dbd_InhGrv - доза за счёт ингаляции и многолетней зелени; ОЬсМпИМу - доза за счёт ингаляции и частного молока; Dbd_v - доза всего тела.
131 137
Сравнительные данные о динамике активности I в щитовидной железе и Cs в теле жителей Брянской и Калужской областей разного возраста приведены на рис. 9 и 10.
Область = "Брянская"
0_раэ1с = 8 суток О раэЪ/ = 3 суток
50
4 О
- 30
20
10
■ Г -
0 10 20 30
Время после аварии, сутки
-------сельские жители, возраст 0,5-18 лет
А А А сельский житель, возраст 0,5 лет сельский житель, возраст 18 лет — • - городские жители, возраст 0,5-18 лет В О-П городской житель, возраст 0,5 лет ■ городской житель, возраст 18 лет
40
Область = "Калужская"
0_раэ(с =15 суток 9_раэЪ/ =10 суток
30
20
10
<
-
0 20 40
Время после аварии, сутки
-------сельские жители, возраст 0,5-18 лет
А А А сельский житель, возраст 0,5 лет сельский житель, возраст 18 лет - • - городские жители, возраст 0,5-18 лет В О-П городской житель, возраст 0,5 лет ■ городской житель, возраст 18 лет
60
131
Рис. 9. Динамика активности I в щитовидной железе жителей разного возраста
Брянской и Калужской областей.
9_paste и 9pastv - время начала выпаса общественного и частного КРС.
Область = "Брянская"
0_раз<с = 8 суток 0_разК' = 3 суток
50
4 0
- 30
20
10
■ г
0 10 20 30
Время после аварии, сутки
-------сельские жители, возраст 0,5-18 лет
А А А сельский житель, возраст 0,5 лет сельский житель, возраст 18 лет - • — городские жители, возраст 0,5-18 лет В О-П городской житель, возраст 0,5 лет ■ городской житель, возраст 18 лет
40
80
60
40
20
<
Область = "Калужская"
9_раэ1с = 15 суток 0_раэ1у =10 суток
/// /
і/ ■ С-'
н/гЯ г ^**4.
кЖ' ' -
ГЯз
50 100
Время после аварии, сутки
150
------- сельские жители, возраст 0,5-18 лет
А А А сельский житель, возраст 0,5 лет ДгА-Д. сельский житель, возраст 18 лет - • - городские жители, возраст 0,5-18 лет В О-П городской житель, возраст 0,5 лет ■ городской житель, возраст 18 лет
137
Рис. 10. Динамика активности Cs в теле жителей разного возраста Брянской и Калужской областей.
0_раБ^ и 9_ра8^ - время начала выпаса общественного и частного КРС.
Отметим следующие особенности временных зависимостей на этих рисунках:
• значительные различия в динамике активностей радионуклидов в организме сельских и городских жителей обусловлены различиями в динамике удельного загрязнения потребляемых ими молока и зелени;
• существенно больший вклад ингаляционного пути в активность 1311 в ЩЖ по сравнению с
1 37
вкладом активности Cs в теле жителей всех возрастов как Брянской, так и Калужской областей;
• в Брянской области величины активностей 1311 в ЩЖ жителей одинаковых возрастов на времена их максимумов, приведённые к единичной удельной активности 1311 в облаке и осадкам за период выпадений 1 мм, были в 2 раза больше, чем в Калужской области.
По результатам проведённых исследований можно отметить следующее:
• учитываемые факторы оказывают существенное влияние на разнообразие форм динами-
131 137
ки активности I и Cs в организме человека;
• при реконструкции индивидуальных доз внутреннего облучения населения по данным его радиометрии необходимы знания хотя бы качественной структуры рациона измеряемых людей; при отсутствии такой информации неопределённость в оценках индивидуальных доз может составлять разы;
• на территории загрязнённых областей РФ вклад ингаляционного пути в активность 1311 в ЩЖ существенно больше его вклада в активность 137^ в теле жителей всех возрастов;
• в Брянской области величины активностей 1311 в ЩЖ жителей одинаковых возрастов на времена их максимумов, приведённые к единичной удельной активности 1311 в облаке и осадкам за период выпадений 1 мм, были в 2 раза больше, чем в Калужской области.
Приложение А
Результаты расчётов динамики поступления и содержания 1311 и 1370б в организме жителей Брянской и Калужской областей
131 137
Рис. 1А. Динамика поступления I и Cs в организм двухлетних детей центральной части Брянской области.
131
Рис. 2А. Динамика поступления I в организм взрослых жителей центральной части Калужской и Брянской областей.
137
Рис. 3А. Динамика поступления Cs в организм взрослых жителей центральной части Калужской и Брянской областей.
131 137
Рис. 4А. Динамика активности I в щитовидной железе и Об в теле двухлетних жителей
центральной части Брянской области.
131
Рис. 5А. Динамика активности I в щитовидной железе взрослых жителей центральной части Калужской и Брянской областей.
137
Рис. 6А. Динамика активности Cs в теле взрослых жителей центральной части
Калужской и Брянской областей.
Литература
1. Балонов М.И., Брук Г.Я., Голиков В.Ю., Шутов В.Н., Савкин М.Н., Питкевич В.А., Степаненко В.Ф., Вакуловский С.М. Оценка доз облучения населения Российской Федерации вследствие аварии на Чернобыльской АЭС: сборник методических документов /под ред. академика РАМН Г.Г.Онищенко. Санкт-Петербург, 2006. С. 8-55.
2. Власов О.К. Радиоэкологическая модель транспорта радионуклидов йода и цезия по пищевым цепочкам после радиационных аварий с выбросом в атмосферу для исследований закономерностей формирования доз внутреннего облучения населения. Часть 1. Описание, постановка и свойства агроклиматического блока модели //Радиация и риск. 2013. Т. 22, № 2. С. 16-34.
3. Власов О.К. Радиоэкологическая модель транспорта радионуклидов йода и цезия по пищевым цепочкам после радиационных аварий с выбросом в атмосферу для исследований закономерностей формирования доз внутреннего облучения населения. Часть 2. Описание, постановка и свойства блоков метаболизма радионуклидов 1311 и 137Cs в органах крупного рогатого скота //Радиация и риск. 2013. Т. 22, № 3. С. 21-39.
4. ICRP Publication 56. Age-dependent doses to members of the public from intake of radionuclides: Part 1 //Ann. ICRP. 1990. V. 20, N 2.
5. ICRP Publication 67. Age-Dependent Doses to Members of the Public from Intake of Radionuclides: Part 2. Ingestion dose coefficients. Oxford: Pergamon Press, 1993. 166 p. (Публикация 67 МКРЗ, Возраст-зависимые дозы лиц из населения от поступления радионуклидов. Часть 2. Дозовые коэффициенты при пероральном поступлении).
6. ICRP Publication 71. Age-dependent doses to members of the public from intake of radionuclides: Part 4. Inhalation dose coefficients. Oxford: Pergamon Press, 1995. 405 p. (Публикация 71 МКРЗ, Возраст-зависимые дозы лиц из населения от поступления радионуклидов. Часть 4. Дозовые коэффициенты при ингаляции).
Radioecological model for transport of radioiodine and radiocesium in food chains after radiological accidents and discharge of radioactive substances to atmosphere for study of mechanism of formation of internal radiation doses to population. Part 3. Description, formulation and properties model components for metabolism
of 131I and 137Cs in human organs
Vlasov O.K.
Medical Radiological Research Center of the Russian Ministry of Health, Obninsk
Description, formulation and properties of model components for metabolism of 1311 u 137Cs in human organs after radiological accident and atmospheric discharge of radioactive substances is described. The model allows to investigate effects of dynamics of fallout of radionuclides, weather conditions, individual characteristics of the residents, their diet, content of 131I and 137Cs in a body, as well as formation of internal radiation doses. Mentioned conditions were shown to determine dynamics of content of 131I and 137Cs in a human body. To reconstruct individual internal radiation doses by radiometry data qualitative diet characteristics should be known. Lack of the information increases uncertainty in individual dose estimating. In the affected territories of Russia the main
131 131
contributor to the internal dose is I entered the thyroid by inhalation. Maximal radioactivity of I in the thyroid was twofold higher in residents of the Bryansk region than of Kaluga region.
Key words: model of iodine and caesium radionuclides transport, food chains, radiation accident, internal doses.
Vlasov O.K. - Head of Laboratory, D.Sc., Tech. MRRC.
Contacts: 4 Korolyov str., Obninsk, Kaluga region, Russia, 249036. Tel.: (48439) 9-32-45; e-mail: [email protected].
