Физико-химические свойства частиц аэрозоля - патология органов дыхания у ликвидаторов аварии на чаэс

Распространение первых облаков радиоактивных продуктов в ближайшее после аварии время на дальние расстояния происходило в северо-западном и в западном направлениях. Пройдя через территорию СССР 26— 27 апреля, они достигли Польши, Финляндии и Швеции, а 27—29 апреля — Центральной Европы. Сильные дожди 30 апреля и 1 мая обусловили радиоактивные влажные выпадения в южной части ФРГ, а также в других странах Центральной и Западной Европы (Израэль Ю. А., 1990). Результаты исследования частиц в выпадениях на территории этих стран существенно восполняют пробелы в таких данных для территории СССР. Эти частицы стали первыми свидетелями аварии, изучение которых позволило сделать первые заключения о степени повреждения активной зоны реактора и масштабах аварии (Devell L. et al., 1986).
Важным фактором, который вместе с радионуклидным составом частиц топлива и их физико-химическими свойствами оказывает решающее влияние на дозиметрические характеристики аэрозоля, является распределение его активности по размерам частиц. При описании поведения в органах дыхания аэрозольных частиц вместо величины эффективного геометрического размера &delta- пользуются величиной аэродинамического диаметра частицы (dae), равного диаметру сферической частицы единичной плотности, которая имеет ту же равновесную скорость гравитационного осаждения в воздухе, что и рассматриваемая: dae = &delta- fp/&chi-, где р — плотность аэрозольных частиц, г/см3- &chi- — единичная плотность, равная 1,0 г/см3.
Частицы аэрозоля, находящиеся в воздухе, имеют различные размеры и активность. В большинстве случаев распределение активности аэрозоля по размеру частиц описывается логарифмически нормальным распределением, которое характеризуется двумя параметрами: величиной активностного медианного аэродинамического диаметра (АМАД), измеряемого в микрометрах (мкм) и безразмерной величиной стандартного геометрического отклонения. Величина последнего параметра обычно лежит в пределах от 2 до 4.
От величины АМАД аэрозоля зависит вероятность задержки его частиц в той или иной части органов дыхания. Основная активность аэрозоля с АМАД менее 1 мкм проникает глубоко по воздухоносным путям и задерживается в альвеолярной части легких. Аэрозольные частицы с аэродинамическими диаметрами больше 10 мкм осаждаются в основном в верхних дыхательных путях.
Геометрические размеры радиоактивных частиц, выброшенных взрывом из активной зоны разрушенного реактора, варьировали в широком диапазоне от десятых долей до сотен микрометров. Приблизительно 30% выброшенных при взрыве радиоактивных частиц выпали на поверхность почвы в пределах 50-километровой зоны вокруг Чернобыльской АЭС. В непосредственной близости от разрушенного реактора осаждались наиболее крупные частицы.
Повсеместно в выпадениях на территории стран Европы были обнаружены частицы двух типов: конденсационного и топливного. В работе R. Broda et al. (1989) отмечено, что частицы первого типа имеют приблизительно сферическую форму и диаметр порядка нескольких микрометров. Частицы второго типа имеют, как правило, неправильную форму и существенно большие размеры (от 20 до 600 мкм).
L. Devell (1987), исходя из активности частиц, обнаруженных в Швеции, рассчитал их размеры. Для частицы из первой группы активностью 10 000 Бк расчетный геометрический диаметр оказался равным 4,5 мкм, для частицы второй группы (200 Бк ¹⁴⁴Ce) — 11 мкм. Результаты расчетов согласуются с результатами прямых измерений, выполненных R. Falk et al. (1988), согласно которым размеры собранных частиц лежат в диапазоне от 2,4 до 11,5 мкм. В работе S. Lehtihen et al. (1987) приведены результаты электронно-микроскопического исследования частиц топливного типа. Геометрические размеры частиц лежали в пределах от 2 до 6 мкм при среднем значении 3,8 мкм, что соответствует значению АМАД 10 мкм. По сообщению Е. J. Vapirev et al. (1990), &ldquo-горячие частицы&rdquo-, обнаруженные в Болгарии, имели неправильную форму и геометрические размеры в диапазоне от 0,5 до 3 мкм. Анализ топливных выпадений на юге ФРГ (Rudhard J. et al., 1992) показал, что геометрические размеры топливных частиц в них были близки к 4,5 мкм (АМАД около 16 мкм). L. Devell et al. (1986) исследовали аэрозоли с высокой активностью с помощью электронного микроскопа. Оказалось, что среди них были чистые рутениевые частицы, содержащие только 103Ru и 106Ru. Они имели идеальную правильную форму и геометрические размеры 1 мкм и меньше.
В. Georgi et al. (1987) использовали 10-ступенчатый импактор низкого давления для оценки распределения частиц по размерам в чернобыльских выпадениях. Распределение определялось в 4 различных городах по мере продвижения радиоактивного облака от Вены (Австрия) до острова Гельголанд (ФРГ). Радионуклиды l03Ru, l32Te и l34, l37Cs показали очень сходное распределение с содержанием 80% активности в частицах с аэродинамическим диаметром меньше 1 мкм. Распределение активности 1311 по размерам частиц оказалось близким к распределению природных аэрозолей, при этом более 50% активности было обнаружено на аэрозолях с аэродинамическим диаметром менее 0,5 мкм. Такое распределение авторы объясняют непрерывной адсорбцией газообразного 131I на местных аэрозолях.
Анализ далеких выпадений радиоактивных частиц показывает, что АМАД аэрозолей конденсации, по-видимому, не превышал 1 мкм, а аэрозоли топливной матрицы имели гораздо больше АМАД — в диапазоне от 1 до 20 мкм.
Результаты прямых измерений, выполненных на промплощадке Чернобыльской АЭС в мае-июне 1986 г. с помощью импакторов (Попов В. И. с соавт., 1991) и пакетов волокнистых фильтров (Будыка А. К., Огородников Б. И., Скитович В. И., 1992- Будыка А. К., Огородников Б. И., 1992) подтверждают эти выводы. Аналогичные данные получены С. А. Богатовым с соавт. (1991а) при анализе пылевых частиц из внутренних помещений &ldquo-Саркофага&rdquo-. Анализ более 30 проб (Кочетков О. А. с соавт., 1991-
Попов В. И. с соавт., 1991), отобранных на промплощадке ЧАЭС в июне 1986 года с помощью 5-ступенчатого каскадного импактора, показал, что долгоживущие альфа-активные радионуклиды содержатся в воздухе помещений и промплощадки ЧАЭС в виде грубодисперсного аэрозоля, распределение которого можно описать логнормальным законом с АМАД 25—100 мкм и стандартным геометрическим отклонением, равным 3—5. Аэрозоли бета-активных нуклидов в воздухе разделялись в 1986 г. на две фракции: тонкодисперсную с АМАД = 0,1 — 0,2 мкм и грубодисперсную с АМАД = 25 — 100 мкм. В 1986 г. вклад грубодисперсной фракции в объемную активность колебался с 12 до 98%. По-видимому, грубодисперсную фракцию аэрозоля составляют частицы диспергированного топлива, размеры которых практически остались неизменными в течение всего времени, прошедшего после аварии, а мелкодисперсную — конденсационные аэрозоли.
До настоящего времени не удалось обнаружить данные прямых измерений величины АМАД аэрозоля топливных частиц, которые в апреле- мае 1986 г. поступали в легкие свидетелей аварии. Для определения этой важнейшей характеристики радиоактивного аэрозоля были использованы косвенные методы, основанные на исследовании поведения топливных радионуклидов в теле людей. Применение этих методов при обследовании работников Чернобыльской АЭС и пожарных, явившихся свидетелями аварии, а также большой группы жителей Гомельской области Республики Беларусь позволило достоверно оценить АМАД аэрозоля топливных частиц и существенно дополнить картину Чернобыльской аварии. Результаты этого восстановления приведены в следующем разделе.
Рядом авторов (Lehtihen S. et al., 1987- Vander Wisk A. et al., 1987- Toivinen H. et. al., 1987- Cuddihy R. et al., 1989) проводились исследования материала частиц с помощью различных рентгеновских анализаторов. Ими было показано, что частицы второго типа состоят преимущественно из оксидов урана и С, Si, Zr. R. Cuddihy с соавт. (1989), кроме названных элементов, в частицах второго типа обнаружили также В, Са, Р, А1 и хлор, который, вероятно, выделялся в результате высокотемпературной реакции между топливом и элементами конструкции или частицами почвы, попавшими в зону реактора. A. Van der Wisk с соавт. (1987) показали, что субстратом топливных частиц является диоксид урана.
Частицы, собранные с почвы в 30-километровой зоне ЧАЭС, имели сходный состав. По сообщению В. Черкизяна с соавт. (1994), в их составе были обнаружены около 20 элементов. Данные этой работы для основных элементов приведены в табл. 2. В частицах были также обнаружены Sm,
Сг, V, Ru, Pr, Th, Hf, Yb и La в концентрациях менее 900 ppm. Элементы Sm, Cr, Hf, Th и La в малых количествах были обнаружены и в образцах почвы. Часть элементов, обнаруженных в частицах, отсутствовала в образцах почвы, в которых были обнаружены частицы. Это позволяет рассматривать их как потенциальные маркеры частиц второго типа. Следует отметить, что авторы этой работы никак не объясняют отсутствие Si в пробах почвы, что заставляет относиться с осторожностью к их оценкам элементного состава почвы. В табл. 3 приведены также результаты исследования топливосодержащих масс внутри разрушенного четвертого блока Чернобыльской АЭС, выполненные в 1988—1989 гг. С. А. Богатовым с соавт. (1991). Кроме элементов, приведенных в таблице, в составе топливосодержащих масс были обнаружены Мп, Сг, В, V (0,1 — 0,9%), а также Та, W, Cu, Sn, Sb, Nb, Gd, La, Cd, Be, P (<0,01%).

Таблица 3
Содержание основных элементов в топливосодержащих массах, топливных частицах и в образцах почвы 30-километровой зоны ЧАЭС
241" />
(а) С. А. Богатов с соавт., 1991.
(б) В. Черкизян с соавт., 1994.

В большинстве работ дается лишь только качественное описание растворимости радиоактивных частиц, образованных в результате аварии на ЧАЭС. Например, в работе R. Broda et al., (1989) говорится, что лишь незначительная часть радиоактивного материала могла быть растворена. В работе Е. А. Bondietti, J. N. Brantley, (1986) показано, что лишь незначительная часть аэрозолей растворялась в СНCl3, при этом 134-137Cs и 103-I06Ru оказались менее растворимыми, чем продукты глобальных выпадений.
R. Cuddihy et al. (1989) изучали растворимость аэрозолей, образованных в результате аварии на ЧАЭС. Исследовались частицы, снятые в конце мая 1986 г. с деревянного контейнера, установленного на железнодорожной платформе и находившегося в момент аварии приблизительно в 80 км от Чернобыля. Образцы частиц помещали в жидкую среду, сходную по ионному составу с легочной жидкостью. Данные по растворимости представляются в виде 2 экспонент. В каждом случае 10% начальной радиоактивности переходило в раствор в течение нескольких часов. Оставшаяся активность (90%) растворялась медленно с ТБ = 160 суток. Этот характер поведения наблюдался для каждого радионуклида как в частицах второго типа (фрагменты топлива), так в частицах, состоящих только из 141Се, ¹⁴⁴Ce+144Рг и 95Zr+95Nb, в некоторых частицах еще присутствовал 140Ba+140La.
В 1989 г. в Институте биофизики Л. Г. Лаппа исследовала транспортабельность радионуклидов из аэрозольных проб, отобранных на промплощадке ЧАЭС по методике В. Ф. Хохрякова и С. И. Сусловой, основанной на 2-суточном диализе аэрозольной пробы в изотоническом растворе хлорида натрия. Образцы пыли отбирали на аэрозольные фильтры внутри &ldquo-Саркофага&rdquo-. Известно, что все соединения цезия относятся к классу растворимых, однако полученные результаты показали, что от 25 до 50% цезия в аэрозоле находилось в нерастворенной форме, то есть в составе частиц топлива, а остальная часть — в обычной, растворимой форме — в составе частиц аэрозоля конденсации. Такое соотношение между двумя формами аэрозоля соответствует коэффициентам фракционирования в пределах от 2 до 4, действительно наблюдавшимся в районе станции для цезия (Израэль Ю. А., 1990). Анализ этих фильтров позволил сделать вывод о том, что образцы пыли представляют собой частицы топливосодержащей матрицы, смешанные с неактивным носителем и небольшим количеством продуктов активации. Кроме этого в аэрозоле присутствуют частицы конденсационного происхождения. Массовая доля частиц топлива в аэрозоле составляет в среднем 0,07%, что соответствует данным С. А. Богатова с соавт. (1991а).
В 1990—1991 гг. было проведено специальное исследование кинетики диализа радионуклидов из проб, полученных в помещениях &ldquo-Саркофага&rdquo- (Кутьков В. А. с соавт., 1993). Прочность связи осколочных радионуклидов с урановой матрицей проявилась в том, что в аэрозольных пробах с промплощадки ЧАЭС (июнь 1986 г.), в легких и покровных тканях погибших свидетелей аварии на ЧАЭС, а также в аэрозольных пробах из помещений &ldquo-Укрытия&rdquo- (1990—1991 гг.) были обнаружены труднорастворимые соединения изотопов иода и цезия, совершенно не свойственные этим элементам в обычных условиях. Во всех пробах обнаружены маркеры топливных частиц. Соотношение между активностью гамма-излучающих продуктов деления и активностью ¹⁴⁴Ce в пробах статистически значимо не отличалось от этого соотношения в представительной топливной частице на момент измерения проб (июнь 1992 г.). Полученные результаты хорошо коррелировали с оценками транспортабельности радионуклидов из аэрозольных проб, полученных в 1986 г. на промплощадке ЧАЭС (Кочетков О. А. с соавт., 1991). За 6 лет, прошедших после аварии, транспортабельность радионуклидных маркеров топливных частиц — ¹⁴⁴Ce и трансурановых элементов не изменилась, что указывает на сохранение структурной прочности топливной матрицы для аэрозольных частиц, которые можно обнаружить в посещаемых помещениях &ldquo-Укрытия&rdquo-. Выщелачивание радионуклидов из пробы исследовали в течение 122 суток после начала диализа. Результаты анализа содержания l37Cs и суммы а-излучателей в растворе были использованы для определения постоянной перехода радионуклидов из пробы в раствор. Обнаружено, что более 70% 137Cs находится в пробе в слаборастворимой форме с постоянной выщелачивания 0,00210,0011/сут. Остальной цезий в 20 раз более подвижен. Постоянная диализа суммы а-излучателей из проб равна 0,00510,002 1/сут. Различие постоянных выщелачивания l37Cs и суммы &alpha--излучателей не является статистически достоверным (р > 0,05), что подтверждает предположение о том, что эти радионуклиды находятся в одинаковой физико-химической форме, являясь связанными топливной матрицей. По обобщенным данным о переходе в раствор Pu и Cs постоянная выщелачивания радионуклидов из топливных частиц оценивается величиной 0,00310,002 1/сут.
Полученные результаты хорошо коррелируют с результатами исследования растворимости осколочных радионуклидов из аэрозолей оксидов урана, выполненных по аналогичной методике оценки растворимости аэрозолей in vitro (Eidson F. F., Griffith W. C. Jr., 1984- Dua S. K., Maniyan C. G., Kotrappa P., 1987). Доля транспортабельной формы радионуклидов в матрице окиси-закиси урана при производстве уранового концентрата по данным F. Е Eidson и W. С. Jr. Griffith (1984) не превышает 30%. Согласно S. К. Dua с соавт. (1987) быстрая компонента выщелачивания осколочных радионуклидов и плутония из аэрозолей над бассейнами выдержки отработанного ядерного топлива не превышает 40%.