Оценка доз β-облучения щитовидной железы коров по γ-фону в области её расположения

Авария на предприятиях ядерного цикла может быть причиной загрязнения сельскохозяйственных угодий продуктами ядерного деления, состав которых со временем изменяется [1]. С пастбищной травой радионуклиды поступают в организм, что приводит к внутреннему облучению животных, и, как следствие этого, к снижению продуктивности. Для минимизации негативных последствий в животноводстве необходима сортировка облучённых животных для дальнейшего хозяйственного использования. Было установлено, что после скармливания дойным коровам растворимых продуктов ядерного деления поглощённые дозы облучения щитовидной железы в десятки раз превышали дозы тотального γ-облучения, а также дозы облучения скелета и желудочно-кишечного тракта [2]. Известно, что до 25% из общей активности аварийного выброса в начальный период после аварии на Чернобыльской АЭС было обусловлено радиоактивными изотопами йода, накопление которых привело к развитию гипо- и атиреоза сельскохозяйственных животных [3, 4]. Накопление радиоизотопов йода в щитовидной железе приводит к разруше-

Саруханов В.Я.* – гл. специалист, к.б.н.; Снегирев А.С. – мл. науч. сотр., к.б.н.; Епимахов В.Г. – ст. науч. сотр., к.б.н. НИЦ «Курчатовский институт» – ВНИИРАЭ.

На территориях Хойнинского, Брагинского и Наровлянского районов Гомельской области в начальный период после аварии на Чернобыльской АЭС накопленные дозы общего γ-облучения коров могли достигать 2,9 Гр, а поглощённые дозы β-облучения щитовидной железы – до 300 Гр [4, 8]. Дозу облучения на щитовидную железу коров можно оценить, используя как математические модели, так и по формуле, представленной в работе Marks и соавт. [9]. В обоих случаях для этого необходимо знать активность поступившего в организм радиоактивного изотопа йода [9, 10]. Опыт ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС показал, что ветеринарные специалисты в начальный период могли измерить только радиационный фон на местности и в области щитовидной железы животных. Так, после аварии на Чернобыльской АЭС, мощность дозы в области щитовидной железы была в несколько раз выше по сравнению с γ-фоном на местности за счёт накопленных железой радиоизотопов йода.

Период полураспада 131I составляет около 8 сут с испусканием β-частиц и γ-излучения. Мощность дозы, создаваемая γ-излучением на единицу активности, зависит от схемы распада – числа фотонов, приходящихся на один распад, энергии фотонов и активности радионуклида. Мощность дозы γ-излучения единичной активности можно всегда определить по γ-постоянной, характеризующей данный радионуклид, а по мощности дозы, им создаваемой, также можно рассчитать его активность. Величина мощности экспозиционной дозы от радиоактивного источника прямо пропорциональна активности радионуклида и обратно пропорциональна квадрату расстояния до него. Кроме этого, разные радионуклиды при одинаковой активности создают разную величину экспозиционной дозы, что учитывается при учёте γ-постоянной [11, 12]. Следовательно, по γ-фону в области щитовидной железы с учётом динамики распада изотопа можно реконструировать активность 131I в органе, а по активности рассчитать поглощённую дозу в органе. Следует отметить, что β-облучение щитовидной железы в дозе 300 Гр приводит к полной дегенерации её паренхимы. Следовательно, максимальная доза, полученная щитовидной железой, не может существенно превышать это значение ввиду прекращения избирательного накопления изотопа.

Цель работы состояла в оценке дозы β-облучения щитовидной железы коров от 131I по уровню γ-фона в её области.

Материалы и методы

Работа была выполнена на 45 головах крупного рогатого скота, эвакуированного из 30-км зоны отселения в населённые пункты Погонное, Молочки, Массаны и Чамки Гомельской области. Кроме того, в работе использовали 15 голов крупного рогатого скота, эвакуированного из Ветков-ского района Гомельской области в виварий института (доза β-облучения 30 Гр). Для реконструкции активности 131I использовали формулу зависимости мощности дозы γ-излучения от активности изотопа [11, 12].

N = ^,                                         (1)

где N – мощность дозы в области щитовидной железы; A – активность изотопов йода; K γ – γ-посто-янная для ¹³¹I; R – расстояние до радиоактивного источника.

Для дозиметрических исследований использовали радиометр ДП-5А. согласно инструкции по его эксплуатации. Дозы облучения на щитовидную железы рассчитывали по формуле, представленной в работе [9]. Параллельно поглощённые дозы облучения рассчитывали по реконструированным данным активности 131I с использованием математической модели [10].

Результаты и обсуждение

Щитовидная железа у крупного рогатого скота располагается в области шеи, по бокам трахеи и гортани. Форма правой и левой доли щитовидной железы в виде неправильного треугольника, а весь орган имеет вид двулопастного массивного образования с перешейком. Правая и левая доли плотно прилегают к трахее и слегка к пищеводу, длиной 6-7 см, шириной 4-5 см, массой от 15 до 42 г (в среднем 30,0 г). Щитовидная железа покрыта висцеральным листком внутренней фасции шеи, образующим капсулу органа, грудино-подъязычной и грудино-щитовидной мышцами, а также подкожной клетчаткой и кожей [13, 14]. Нашими исследованиями установлено, что расстояние от блока детектирования прибора до трахеи и гортани, на которых расположена щитовидная железа, с учётом толщины кожи и подкожной клетчатки составляет 12-15 см. Радиометрические измерения показали, что в первые дни после чернобыльской аварии мощность дозы в области щитовидной железы коров составила 30±4 мР/ч в деревне Погонное, а в деревнях Молочки, Массаны и Чамков – 350±90; 500±130 и 750±160 мР/ч соответственно (рис. 1). Радиационный фон на местности колебался от 10±2 до 120±20 мР/ч.

Была рассчитана активность 131I, инкорпорированного в щитовидной железе коров, из населённых пунктов Погонное, Молочки, Массаны и Чамки. Активность 131I в щитовидной железе взрослых животных составила 3,5; 36,5; 52,1 и 78,3 мКи соответственно. Поглощённые дозы, рассчитанные с помощью формулы, представленной в работе Marks и соавт. [9], составили 10,5; 128; 182 и 273 Гр соответственно. Использование математической модели показало, что поглощённые дозы у животных из вышеуказанных населённых пунктах, определённые с использованием математической модели, составили 2,7; 148; 212 и 318 Гр соответственно (рис. 2).

Следовательно, значения, полученные с помощью математической модели, были выше, чем с использованием формулы [9]. Однако, эти различия не принципиальны, т.к. в деревне Погонное доза облучения в обоих случаях не превышает 10,5 Гр, а в остальных населённых пунктах значение расчётных доз, полученных обоими способами, колеблется от 128 до 318 Гр. В этом диапазоне доз наблюдается почти полная дистрофия паренхимы щитовидной железы и, как следствие этого, нарушение гормонального статуса животных.

Таким образом, поглощённые дозы облучения щитовидной железы (сотни Гр), полученные обоими способами, оказались близки по значению.

Рис. 1. Мощность дозы γ-облучения в области щитовидной железы коров (Хойникский район).

Рис. 2. Дозы облучения щитовидной железы коров (Хойникский район).

Через 12 сут после аварии наблюдалось снижение радиационного фона в населённом пункте Массаны с 120 до 10 мР/ч. Несмотря на это, интенсивность излучения в области щитовидной железы доходила до 256±34 мР/ч. Через 2 сут имело место некоторое снижение интенсивности излучения в области щитовидной железы, однако, эти изменения были в пределах погрешности измерения (рис. 3).

Рис. 3. Мощность дозы γ-облучения в области щитовидной железы коров (Хойникский район).

С учётом радиоактивного распада инкорпорированного радиоизотопа йода поглощённая доза на щитовидную железу у этих животных составила 417 Гр. Так как поглощённая доза на щитовидную железу 300 Гр приводит к полной деструкции её паренхимы, следовательно, значения выше этого показателя не имеют смысла и могут расцениваться как доза 300 Гр.

Для определения зависимости дозы β-облучения щитовидной железы от мощности дозы γ-излучения в её области нами были рассчитаны значения активности изотопов йода по заданным значениям γ-фона от 10 до 900 мР/ч (расстояние от поверхности кожи до щитовидной железы 15 см). На следующем этапе исследования по полученным значениям активности 131I была рассчитана доза β-излучения щитовидной железы коров как с помощью модели, так и с использованием формулы определения дозы β-облучения щитовидной железы [9, 10]. В дальнейшем по известным соотношениям видов излучения данного изотопа были определены дозы β-облу-чения на щитовидную железу. Как видно из представленных на рис. 4 данных, зависимость дозы β-облучения щитовидной железы от мощности дозы в её области, рассчитанная как по формуле, так и с помощью математической модели, имеет линейный характер и описывается уравнениями: по формуле – y=0,3631x+0,5361 и по модели – у=0,4252х–0,0002, где у – доза β-облучения щитовидной железы; х – значение γ-фона в области щитовидной железы в мР/ч (рис. 4).

Величина свободного члена в полученных уравнениях не оказывает существенного влияния на конечный результат, им можно пренебречь, а значения коэффициентов при переменной х с учётом ошибки можно округлить до 0,4. В этом случае дозу облучения можно рассчитать по формуле:

D p = 0,4 x x _Y . (2)

Как было отмечено выше, при дозе β-облучения 30 Гр не наблюдается значительных изменений в организме животных, а при дозах от 60 до 80 Гр может наблюдаться в ряде случаев полное восстановление организма. При дозах 100 Гр и выше восстановление гормонального статуса организма не наблюдается. Используя полученную зависимость, можно определить мощность доз, соответствующих дозам β-облучения щитовидной железы 30; 60; 80 и 100 Гр. Мощ- ность дозы γ-излучения в этом случае составит 75; 150; 200 и 250 мР/ч. Следовательно, по этой формуле или по представленному графику можно оперативно оценить поглощённую дозу на щитовидную железу и, как следствие этого, провести ветеринарную сортировку облучённых животных.

о

400 s m о is

00 ■—

=Ф

E о c по модели     y = 0,4252x - 0,0002

R² = 1

Мощность дозы в области щитовидной железы, мР/ч

Рис. 4. Зависимость дозы β-облучения щитовидной железы от мощности дозы в области щитовидной железы.

В случае аварии на атомной электростанции между принятием решения по разработке защитных мероприятий и организации сортировки облучённых животных может пройти определённое время. С учётом периода полураспада ¹³¹I реконструкция значений дозы β-облучения щитовидной железы может быть не всегда корректной. С учётом установленной ранее зависимости мощности дозы γ-излучения ( N 0 ) от активности радиоизотопа и закона радиоактивного распада была получена зависимость мощности дозы γ-излучения в области щитовидной железы коров через определённый промежуток времени t ( N t ):

N_o = N_tx _е ° ^693х^ . (3)

С использованием данной формулы был построен график (рис. 5) изменения мощности дозы γ-излучения в мР/ч во времени t (сут). Динамика показателя удовлетворительно аппроксимируется линейной функцией:

N_t = t(0,18+ 0,65) . (4)

Использование приведённых выше зависимостей позволяет реконструировать мощность дозы γ-излучения в области щитовидной железы коров (взрослых животных) и по графику рис. 4 или по формуле (2) определить дозу β-облучения щитовидной железы в более поздний период после инкорпорации изотопов йода в щитовидной железе.

Рис. 5. Зависимость мощности дозы γ-излучения от срока исследования.

Заключение

Таким образом, основным поражающим фактором для животных в начальный период после аварии на АЭС являются радиоактивные изотопы йода, накопление которых в щитовидной железе приводит к её деструкции, степень которой зависит от поглощённой дозы. Облучение щитовидной железы в дозе 30 Гр существенно не влияет на гормональный статус и продуктивность животных. Такая доза близка по значению к D 0 , при которой погибает около 70% тиреоци-тов, однако гормональный статус животных значительно не изменяется за счёт компенсаторной секреции тиреоидных гормонов оставшимися тиреоцитами. После β-облучения щитовидной железы в дозах от 30 до 60 Гр возможно восстановление гормонального статуса животных. В диапазоне доз от 100 до 300 Гр наблюдается почти полное прекращение выработки тиреоидных гормонов, а паренхима щитовидной железы может заместиться соединительной тканью. Нарушение гормонального статуса и обмена веществ у облучённых животных приводит к снижению продуктивных и воспроизводительных качеств сельскохозяйственных животных [2, 4, 6, 15].

Дозу β-облучения щитовидной железы коров можно оценить как с помощью математических моделей, так и путём расчёта по формуле [9, 10]. Однако, в обоих случаях необходимо знать активность инкорпорированных в органе радиоизотопов йода. Опыт ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС показал, что ветеринарные специалисты в начальный период могли измерить только радиационный фон на местности и в области щитовидной железы животных [11, 12]. Было установлено, что при использовании как математической модели, так и формулы, опубликованной в источнике Marks и соавт. [9], получены, по сути, аналогичные результаты. По графику зависимости поглощённой дозы β-излучения на щитовидную железу от мощности дозы γ-излучения можно оперативно оценить суммарную дозу облучения щитовидной железы. При дозе β-облучения щитовидной железы до 30 Гр животные могут быть использованы без ограничения, а при дозе 100 Гр и выше животные должны быть подвергнуты убою в течение 45 сут после реализации соответствующих мероприятий по снижению уровня 137Cs в мышцах, который, наряду с радиоизотопами йода, является продуктом ядерного деления урана. Животные должны содержаться на чистых кормах или на рационе с применением различных сорбентов для снижения уровня 137Cs в мышцах [1]. Оценка доз β-облучения щитовидной железы позволяет установить очерёдность убоя животных. Поглощённые дозы β-облучения 30, 60 и 100 Гр соответствуют мощности дозы γ-излучения в области щитовидной железы 75, 150 и 250 мР/ч. Следовательно, при мощности дозы γ-излучения до 100 мР/ч в первые несколько суток взрослые животные могут быть использованы без ограничения. Картина поражения щитовидной железы у животных вследствие инкорпорации 131I аналогична той, которая развивается на территориях, эндемичных по стабильному йоду. Предложенный подход расчёта дозы β-облучения щитовидной железы может быть использован для сортировки животных. Доза β-облучения в значительной степени зависит от морфометрических показателей щитовидной железы, которые обусловлены породой, возрастом, продуктивностью животных, а также и сезоном года [16]. Поэтому дозы β-облучения, рассчитанные по графику на рис. 4, являются ориентировочными, а способ расчёта применим только для взрослых животных.

Авторы статьи благодарят И Игнатьева Ю.Н\ и Сидоренко С.А. за помощь в расчётах поглощённых доз в -облучения щитовидной железы коров.