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 радионуклидов 131I и 137Cs в органах человека

В предыдущих частях настоящей работы были представлены описания, постановки и свойства агроклиматического блока [2] и блока метаболизма радионуклидов 131I и 137Cs в органах крупного рогатого скота (КРС) [3] радиоэкологической модели транспорта радионуклидов йода и цезия по пищевым цепочкам.

Агроклиматический блок модели позволяет проводить исследования динамики выпадения радионуклидов 131I и 137Cs 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.

Расчётные параметры и динамические выходные данные агроклиматического блока используются как входная информация:

• •    в блоке метаболизма радионуклидов ¹³¹1 и ¹³⁷Cs в организме КРС при исследованиях динамики загрязнения его органов и молока;

• •    в блоке метаболизма радионуклидов ¹³¹1 и ¹³⁷Cs в организме человека при исследованиях динамики их активности в его органах и формирования доз их внутреннего облучения.

Блок метаболизма радионуклидов 131I и 137Cs 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 131I и 137Cs 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:

dQ Cs a =    Z k j xQ jCs ( a ) + к’Э ■ R gr ( a ) + q' mCs ■ R milk ( a ) ] • 5ц + C C ^s ■ V ^inh ( a ) • K ung ^ bo ^od ( a ) ,   (1)

dt       j=i-J j^i где a - возраст индивидуума, лет; QI’Cs - активность 1311 и 137Cs в i-ой камере, кБк; ki, j - скорости перехода радионуклидов между камерами i и j, сут-1 (i=1 - кровь, i=7 - лёгкие); q^Cs , qI;CS

- удельная объёмная активность радионуклида в зелени и молоке, кБк/кг; Rgr(a), Rmilk(a) - суточное потребление зелени и молока человеком, кг/сут (рис. 2); Ca,Cs - удельная объёмная активность радионуклида в атмосфере, кБк/м3; Sn,m =1 при n=m и Sn,m =0 при n*m; Vinh(a) -суточный объём лёгочной вентиляции, м3/сут; Klung^blood - коэффициент перехода радионуклида из лёгких в кровь.

S eem • Kffi eem (a ) + S ae • £ 8” • Kd " ( a) + S ^org • Kd™ ’ ⁰*(a )

K 7 ■ blood ( a ) =--------------------------- k = J   ing                                 ,      (2)

Kd lod ^{( a} )

K ung ^ blood = £ f i k . g ae k = 1

,

где S eem , S ^aer , S ^org - соответственно, относительные доли элементарной, аэрозольной и органической форм существования радионуклида в атмосфере, для ¹³⁷Cs S ae =1; S k ^er - соответственно, относительные доли быстро-, средне- и медленно растворимой фракций аэрозольной формы существования радионуклида в атмосфере; Kd^ing - дозовые коэффициенты для пищевого пути, мГр/кБк, Публикация 71 ICRP [6]; Kd inh - 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]; f1_k - 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]).

городской житель сельский житель

Рис. 2. Суточное потребление молока и зелени городскими и сельскими жителями.

Б. Основные закономерности динамики активностей 137Cs и 131I в организме человека после аварии на ЧАЭС

Все дальнейшие расчёты проводились для следующего стандартного сценария входных данных:

• •    удельные объёмные активности ¹³⁷Cs и ¹³¹I в облаке на время аварии равны 1 и 10 кБк/м³;

• •    время начала и окончания радиоактивных выпадений в районах взяты в соответствии с данными [1];

• • ¹³¹I в облаке существует в смеси аэрозольной, элементарной и органической форм, их до

ли принимались не зависящими от времени и равными 0,7, 0,15 и 0,15 соответственно;

• •    доли быстро-, средне- и медленно растворимой фракций аэрозольной формы ¹³⁷Cs и ¹³¹I 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.

Пример расчётов динамики поступления 131I и 137Cs 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 131I и 137Cs 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 рис. 4 приведены результаты расчётов динамики поступления 131I и 137Cs 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 137Cs 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 137Cs в организм жителей с молоком за счёт потребления КРС сильно загрязнённого сена первого укоса. После перевода КРС с сена первого укоса на мало загрязнённое сено второго укоса (рис. 5) поступление активности 137Cs в организм жителей с молоком за одну неделю уменьшается практически на порядок.

Рис. 3. Динамика поступления ¹³¹I и ¹³⁷Cs в организм двухлетних детей центральной части Калужской области.

Рис. 4. Динамика поступления ¹³¹I и ¹³⁷Cs 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.

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).

Рис. 6. Динамики активности ¹³¹I в щитовидной железе и ¹³⁷Cs в теле двухлетних жителей центральной части Калужской области.

Рис. 6 (продолжение). Динамики активности ¹³¹I в щитовидной железе и ¹³⁷Cs в теле двухлетних жителей центральной части Калужской области.

Проведённые расчёты показывают существенное разнообразие форм динамики активности 131I и 137Cs 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 ¹³¹I 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= "Брянская"

возраст = 5 лет время_изм = 16 суток А_изм = 20кВу

Dthjnh = 72 mGy DthJnhGrv = 117 mGy

Dth_lnhMv = 1 74 mGy Dth_v=175mGy

-----ингаляция

•-♦-• ингаляция+щавель ООО ингаляция+молоко

▲ ▲ ▲ все источники

Рис. 7 (продолжение). Динамика активностей ¹³¹I 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. 8. Динамика активностей ¹³⁷Cs 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 ¹³⁷Cs 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). 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.

Сравнительные данные о динамике активности 131I в щитовидной железе и 137Cs в теле жителей Брянской и Калужской областей разного возраста приведены на рис. 9 и 10.

Рис. 9. Динамика активности ¹³¹I в щитовидной железе жителей разного возраста Брянской и Калужской областей.

θ_pastc и θpastv – время начала выпаса общественного и частного КРС.

Рис. 10. Динамика активности ¹³⁷Cs в теле жителей разного возраста Брянской и Калужской областей.

θ_pastc и θ_pastv – 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 ¹³¹I в ЩЖ по сравнению с вкладом активности ¹³⁷Cs в теле жителей всех возрастов как Брянской, так и Калужской областей;

• •    в Брянской области величины активностей ¹³¹I в ЩЖ жителей одинаковых возрастов на времена их максимумов, приведённые к единичной удельной активности ¹³¹I 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 динамики активности ¹³¹I и ¹³⁷Cs 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 ¹³¹I в ЩЖ существенно больше его вклада в активность ¹³⁷Cs в теле жителей всех возрастов;

• •    в Брянской области величины активностей ¹³¹I в ЩЖ жителей одинаковых возрастов на времена их максимумов, приведённые к единичной удельной активности ¹³¹I 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 131I и 137Cs в организме жителей Брянской и Калужской областей

Рис. 1А. Динамика поступления ¹³¹I и ¹³⁷Cs в организм двухлетних детей центральной части Брянской области.

Рис. 2А. Динамика поступления ¹³¹I в организм взрослых жителей центральной части Калужской и Брянской областей.

Область="Брянская" Возраст = 18 лет

• ♦    ♦ ♦ ингаляция

*-^* многолетняя зелень

• □    □ □ частное молоко, ингаляция

• ■ -■-■ частное молоко, корм

А А А все. источники

• ♦ —♦—♦ ингаляция

•-•-• многолетняя зелень

• □    □ □ частное, молоко, ингаляция

• ■ -■-■ частное молоко, корм

А А А все источники

Рис. 3А. Динамика поступления ¹³⁷Cs в организм взрослых жителей центральной части Калужской и Брянской областей.

Рис. 4А. Динамика активности ¹³¹I в щитовидной железе и ¹³⁷Cs в теле двухлетних жителей центральной части Брянской области.

Рис. 5А. Динамика активности ¹³¹I в щитовидной железе взрослых жителей центральной части Калужской и Брянской областей.

Рис. 6А. Динамика активности ¹³⁷Cs в теле взрослых жителей центральной части Калужской и Брянской областей.