Радиологическая безопасность населения и персонала при двухкомпонентной ядерной энергетике

В Основах государственной политики в области обеспечения ядерной и радиационной безопасности Российской Федерации на период до 2025 года и дальнейшую перспективу, утверждённых указом Президента Российской Федерации от 13 октября 2018 г. № 585 [1], подчёркивается: «11. Целями государственной политики в области обеспечения ядерной и радиационной безопасности являются: … г) обеспечение соответствующей современным требованиям защиты

Иванов В.К. – науч. рук. НРЭР, гл. радиоэколог ПН «Прорыв», Председатель РНКРЗ, чл.-корр. РАН, д.т.н., проф.; Рачков В.И. – науч. рук. НИОКР ПН «Прорыв», чл.-корр. РАН, д.т.н., проф.; Адамов Е.О. – науч. рук. ПН «Прорыв», д.т.н., проф.; Соломатин В.М. – нач. отд. гл. радиоэколога, к.б.н. АО «Прорыв». Чекин С.Ю.* – зав. лаб.; Меняйло А.Н. – вед. науч. сотр., к.б.н.; Корело А.М. – ст. науч. сотр. МРНЦ им. А.Ф. Цыба – филиал ФГБУ «НМИЦ радиологии» Минздрава России.

населения и окружающей среды от радиационного воздействия. …12. Задачами в области обеспечения ядерной и радиационной безопасности являются: а) защита в соответствии с принципом приемлемого риска населения и окружающей среды от радиационного воздействия, снижение риска отдалённых последствий техногенного радиационного облучения для здоровья человека». В Основополагающих принципах безопасности Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) [2] указывается, что «нынешнее и будущее поколения и окружающая среда должны быть защищены от радиационных рисков» ( Принцип 7). Достижение этих целей безопасности обеспечивается развитием в России новой ядерной энергетики на основе замкнутого ядерного топливного цикла (ЗЯТЦ) и реакторов на быстрых нейтронах (РБН). Одним из объектов новой ядерной энергетики является Опытно-демонстрационный энергетический комплекс (ОДЭК) в составе РБН БРЕСТ-ОД-300, модуля переработки (МП) и модуля фабрикации/рефабрикации (МФР) топлива, размещённый на территории АО «СХК» в Томской области. Развитие ОДЭК осуществляется в рамках проектного направления (ПН) «Прорыв».

Проблема радиологической защиты в рамках двухкомпонентной ядерной энергетики должна включать ключевые направления по населению, персоналу и экологии (рис. 1).

Рис. 1. Радиологическая защита населения и персонала при двухкомпонентной ядерной энергетике.

Материалы и методы

В настоящей статье радиационные риски рассчитаны для населения Томской области [3], проживающего в 30-км зоне АО «СХК», в условиях нормальной эксплуатации, а также для персонала АО «СХК» после возможных аварийных ситуаций на объектах ОДЭК.

Пожизненный атрибутивный риск (LAR) описывает пожизненное избыточное число смертей (или случаев заболеваний) в облучённой популяции по сравнению с необлучённой.

Для однократного облучения в возрасте е с эквивалентной дозой Н т в органе или ткани T пожизненный атрибутивный риск ( LAR ) заболеваемости от злокачественных новообразований (ЗНО) локализации T определяется формулой:

LAR(s, е, Н _т ) = X¹ _a°^ EAR(^s, е, а, Н _т ) • S _T (e, а)] ,                            (1)

где s - пол; е - возраст при облучении; Н т - эквивалентная доза в органе или ткани T ; EAR -избыточный абсолютный риск смертности в возрасте а при облучении органа или ткани T дозой

Ht в возрасте e для лиц пола s ; EAR =0 при a <( e + t ), t – латентный период развития ЗНО: t =10 лет для солидных ЗНО, t =2 года для лейкозов; S T – функция здорового дожития (без ЗНО с локализацией в T ) от возраста e до возраста a .

Модели радиационного риска, включая формулы EAR для различных ЗНО, были опубликованы Международной комиссией по радиологической защите (МКРЗ) в специальном издании (Публикация 103) [4]. Эти модели базируются в значительной степени на итогах многолетних эпидемиологических исследований в Хиросиме и Нагасаки после атомной бомбардировки этих городов в 1945 г. [5, 6]. Научный комитет Организации Объединённых Наций по действию атомной радиации (НКДАР ООН) разработал также модели радиационных рисков для ЗНО кости и ЗНО мозга [7].

Важно отметить, что рекомендованные к использованию в области радиационной защиты модели риска радиационно-обусловленных ЗНО, кроме дозы облучения, зависят также и от нерадиационных параметров: пола и возраста облучаемых лиц.

С целью реализации современных технологий по оценке радиационно-обусловленных канцерогенных рисков в рамках ПН «Прорыв» разработан программный модуль РОЗА (Радиологическое Обеспечение ЗАщиты) [8], который приказом Министерства цифрового развития включён в единый реестр российских программ (номер регистрации 2442).

Результаты и обсуждение

В действующих Нормах радиационной безопасности (НРБ-99/2009) [9] отмечается, что для населения в условиях нормальной эксплуатации источников ионизирующего излучения пределы доз облучения в течение года устанавливаются в пределах пожизненного риска 5x10 -5 , что должно соответствовать облучению с эффективной дозой примерно 1 мЗв. Как показывает формула (1), пожизненный риск (LAR) зависит от возраста при облучении. На рис. 2 показана эта зависимость величины LAR от пола и возраста при облучении населения Томской области в дозе 1 мЗв. Риск 5x10 -5 характерен для возрастной группы ~40 лет (оба пола в среднем). Но, например, для девочек в возрасте до 5 лет риск увеличивается в 4 раза и становится равным 2x10 -4 .

2,5E-04

2,0E-04

Рис. 2. Пожизненный атрибутивный риск (LAR) смертности от ЗНО после однократного внешнего облучения с эффективной дозой 1 мЗв, в зависимости от возраста при облучении и пола.

Защита нынешнего поколения

С учётом радиологической обстановки в 30-км зоне АО «СХК» дана оценка лучевых нагрузок у населения [10] (рис. 3, 4).

Рис. 3. Карта-схема поверхностной активности ¹³⁷Cs в почвах 30-км зоны АО «СХК», кБк/м².

Рис. 4. Карта-схема поверхностной активности ⁹⁰Sr в почвах 30-км зоны АО «СХК», кБк/м².

На рис. 5, 6 показана величина пожизненного атрибутивного риска (LAR) онкосмертности для женщин и мужчин, проживающих в 30-км зоне АО «СХК». Полученные результаты свидетельствуют, что в условиях нормальной эксплуатации ОДЭК величина канцерогенного риска смертности для женщин в 60 раз ниже допустимого уровня НРБ-99/2009 (5x10 -3 ), а для мужчин -в 70 раз ниже нормативных значений. Из приведённых рисунков ясно видна возрастная зависимость радиационных эффектов.

Губино

Попадейкино

Возраст на начало облучения и поступления радионуклидов в организм, лет

Михайловка

Моряковский Затон       Нагорный Иштан         Надежда

Самусь

Северск

Тимирязевский          Томск

Рис. 5. Пожизненный атрибутивный риск онкосмертности от хронического облучения женщин в 30-км зоне АО «СХК» в условиях нормальной эксплуатации РУ БРЕСТ-ОД-300, МП и МФР.

6,00E-05

Возраст на начало облучения и поступления радионуклидов в организм, лет

Губино

Михайловка

Моряковский Затон       Нагорный Иштан         Надежда

Попадейкино

Самусь

Северск

Тимирязевский          Томск

Рис. 6. Пожизненный атрибутивный риск онкосмертности от хронического облучения мужчин в 30-км зоне АО «СХК» в условиях нормальной эксплуатации РУ БРЕСТ-ОД-300, МП и МФР.

Ниже приведено сравнение избыточных рисков развития ЗНО, обусловленных факторами радиационной и нерадиационной природы (рис. 7). На примере ЗНО лёгкого, которые составляют 17% от всех ЗНО в России, показано, что канцерогенные риски, связанные с факторами загрязнения воздуха нерадиационной природы (твёрдые взвешенные частицы), могут многократно превышать уровень существующих в стране канцерогенных рисков, связанных с радиационным воздействием.

Рис. 7. Отношение риска рака лёгкого населения в РФ от уровня загрязнения воздуха (А) и радиационного воздействия (Б): R=А/Б.

В действующих НРБ-99/2009 [9] указано, что «при обосновании защиты от источников потенциального облучения в течение года принимаются следующие граничные значения обобщённого риска (произведение вероятности события, приводящего к облучению, и вероятности смерти, связанной с облучением): ... персонал - 2,0x10 —4 год^-1». В данной работе были рассмотрены 22 аварийных сценария на объектах ОДЭК, связанные с радиационным воздействием на персонал (табл. 1). Незначительное (до 3,03x10 —4 год^-1) превышение граничного значения риска было выявлено только для женского персонала при облучении по сценарию 11: при выбросах газовой подушки при достижении предела безопасной эксплуатации по негерметичным тепловыделяющим элементам.

В табл. 2 даны текущие оценки радиационной безопасности персонала АО «СХК» в условиях нормальной эксплуатации. Важно подчеркнуть, что средний канцерогенный риск для 1859 лиц, состоящих на индивидуальном дозиметрическом контроле (ИДК) в АО «СХК», составлял в 2022 г. только 2,7x10 —5 год^-1, что почти на порядок ниже нормативного значения 2x10 —4 год^-1.

Таблица 1

Максимальные пожизненные атрибутивные риски персонала АО «СХК» для исследованных аварийных сценариев на объектах ОДЭК, с учётом неопределённости индивидуальных доз и моделей риска (95% ВДГ LAR)

Тип аварийной ситуации	Объект ОДЭК	Номер сценария	Мужчины		Женщины
			Возраст, лет	95% ВДГ LAR	Возраст, лет	95% ВДГ LAR
	РУ БРЕСТ	1	40-44	1,20E-06	20-24	1,98E-06
	РУ БРЕСТ	2	25-29	1,17E-06	18-19	1,94E-06
	РУ БРЕСТ	3	18-19	5,05E-07	18-19	8,03E-07
	РУ БРЕСТ	4	18-19	4,61E-07	40-44	7,52E-07
Проектная	РУ БРЕСТ	5	40-44	1,16E-06	20-24	1,88E-06
авария	РУ БРЕСТ	6	30-34	1,15E-06	35-39	1,87E-06
	РУ БРЕСТ	7	20-24	4,90E-07	35-39	1,87E-06
	РУ БРЕСТ	8	40-44	4,49E-07	30-34	7,47E-07
	РУ БРЕСТ	9	40-44	1,16E-05	45-49	1,95E-05
	РУ БРЕСТ	10	18-19	7,25E-11	18-19	1,00E-10

Продолжение таблицы 1

Тип аварийной ситуации	Объект ОДЭК	Номер сценария	Мужчины		Женщины
			Возраст, лет	95% ВДГ LAR	Возраст, лет	95% ВДГ LAR
	РУ БРЕСТ	11	35-39	1,89E-04	30-34	3,03E-04
	РУ БРЕСТ	12	18-19	6,84E-07	18-19	1,11E-06
	МФР	13	18-19	3,36E-07	18-19	3,25E-07
	МФР	14	18-19	2,24E-08	18-19	2,22E-08
	МФР	15	18-19	1,21E-06	18-19	1,21E-06
Запроектная	МФР	16	18-19	1,17E-06	18-19	1,58E-06
авария	МФР	17	18-19	3,89E-08	18-19	5,46E-08
	МФР	18	18-19	1,04E-06	18-19	1,03E-06
	МП	19	18-19	2,75E-06	18-19	3,09E-06
	МП	20	18-19	7,49E-10	18-19	7,34E-10
	МП	21	18-19	2,34E-06	18-19	2,69E-06
	МП	22	18-19	8,62E-07	18-19	8,42E-07

Таблица 2

Радиационные риски персонала АО «СХК» (по данным системы АРМИР)

2007 год		2022 год
Число лиц на ИДК	2048	1859
Средняя годовая доза, мЗв	2,5	1,4
Средняя накопленная доза, мЗв	75,0	24,4
Средний стаж, лет	14	14
Средний возраст, лет	44	45
Средний риск	2,3x10 —4 год-1	2,7x10-5 год-1
Число лиц с риском более 10-3	141	2
% от числа лиц на ИДК	6,9	0

Защита будущих поколений

В Энергетической стратегии Российской Федерации на период до 2035 года, утверждённой распоряжением Правительства Российской Федерации от 9 июня 2020 г. № 1523-р [11], отмечается, что «…основные проблемы и риски развития атомной энергетики связаны со сравнительно высокими затратами на обеспечение ядерной и радиационной безопасности и с необходимостью обращения с отработавшим ядерным топливом и радиоактивными отходами с учётом требований экологической безопасности». Действительно, наблюдается значительное накопление отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) в мире (к 2040 г. масса ОЯТ может составить 550 тыс. т), однако окончательное решение этой сложной проблемы по безопасной утилизации ОЯТ до настоящего времени не найдено.

Рассмотрим её возможное решение за счёт ЗЯТЦ на базе РБН при достижении эффекта радиологической эквивалентности, когда за счёт трансмутации актиноидов выравниваются канцерогенные риски радиоактивных отходов (РАО) и природного уранового сырья [12-14].

В итоговом документе МКРЗ [4] подчёркивается (п. 157), что «…дозы в органах и тканях, а не эффективные дозы требуются для оценки вероятной индукции рака у облучённых индивидуумов». Это принципиальный вывод МКРЗ. Действительно, рассмотрим для примера канцерогенные эффекты 210Po и 230Th с одинаковыми эффективными дозами в 1 мЗв. При этом канцерогенный риск по 210Po будет составлять 4,9x10-5, а по 230Th - 7,2x10—6. Таким образом, риск индукции рака по 230Th в 7 раз ниже по сравнению с 210Po при равных эффективных дозах. Это отличие определяется разницей распределения эффективной дозы по органам и тканям. Для 230Th доза облучения в основном аккумулируется в костных тканях, а для 210Po – распределяется по организму в целом.

Радиотоксичность РАО реакторов на тепловых нейтронах (РТН) на 65% определяется радионуклидом 241Am. Существенный вклад на разных этапах выдержки в канцерогенные эффекты РАО вносят уран, плутоний, минорные актиноиды, Sr, Cs, Tc и I. Как видно из рис. 8, трансмутация минорных актиноидов при ЗЯТЦ на базе РБН на порядки снижает онкогенность РАО. В частности, по америцию канцерогенные эффекты снижаются в 213 раз, по нептунию – в 101 раз и по кюрию – в 47 раз.

Рис. 8. Снижение канцерогенных рисков РАО РБН по сравнению с ОЯТ РТН.

На рис. 9 показано, что при двухкомпонентной ядерной энергетике уже при 99-летней выдержке достигается эффект радиологической эквивалентности, когда канцерогенные риски РАО и природного уранового сырья имеют одинаковые значения (5x10 -5 год^-1) [8-10].

1,00E+00

1,00E-01

2100       2300       2500       2700       2900       3100

Календарный год

РАО       U натур

Рис. 9. Пожизненный атрибутивный риск отходов ядерной энергетики на ТР и БР и соответствующего количества природного уранового сырья.

Важно подчеркнуть, что в выпущенном недавно техническом документе МАГАТЭ [15] сделаны стратегические выводы: «Использование ЗЯТЦ на базе РБН позволяет: снизить радиотоксичность РАО в 100-200 раз; сократить время выдержки РАО с более чем 100000 лет до менее чем 1000 лет».

Как видно из рис. 10, достижение радиологической эквивалентности РАО и природного уранового сырья при ЗЯТЦ на базе РБН при выдержке в 99 лет реализуется при полном дожигании минорных актиноидов в БР. Когда не все актиноиды трансмутируются в ЗЯТЦ, время достижения радиологической эквивалентности становится неприемлемым.

Рис. 10. Время достижения радиологической эквивалентности по величине канцерогенного риска (LAR) и потенциальной биологической опасности (ПБО).

Заключение

Прогнозные значения рисков радиационного канцерогенеза, связанных с эксплуатацией ОДЭК в Томской области, для населения и персонала АО «СХК» значительно ниже текущих ограничений НРБ-99/2009 как для нормальной эксплуатации, так и для потенциального облучения при авариях.

Трансмутация минорных актиноидов при развитии ЗЯТЦ на базе РБН обеспечивает безопасность будущих поколений людей.

Таким образом, приоритетным направлением развития новой ядерной энергетики, обеспечивающим защиту нынешних и будущих поколений в соответствии с принципом приемлемого риска, является энергетика ЗЯТЦ на базе РБН.

Публикация подготовлена по результатам выполнения работ в Госкорпорации «Росатом» в рамках ПН «Прорыв.