Технология оценки радиационных рисков ОЯТ с учётом состава смесей радионуклидов и распределений органных доз облучения

Ранее, в работах [1, 2] было показано, что радиологические риски различных составов смесей радиоактивных нуклидов при одинаковых эффективных дозах могут существенно различаться. Например, при одинаковой эффективной дозе 1 мЗв пожизненный атрибутивный радиационный риск от облучённого ядерного топлива (ОЯТ) БРЕСТ-300 и ОЯТ ВВЭР-1000 снижается до показателя природного урана после выдержки 100 и 1000 лет соответственно. Расчёты радиационных рисков выполнялись на основе новых рекомендаций Публикации 103 Международной комиссии по радиологической защите (МКРЗ) [3], учитывающей основные заключения НКДАР ООН в области радиационной эпидемиологии и радиологической защиты. Для оценки пожизненного риска используется показатель LAR (Lifetime Attributable Risk – пожизненный атрибутивный риск) [3, 4], который характеризует пожизненное число избыточных случаев заболеваний злокачественными новообразованиями (ЗНО) в облучённой популяции по сравнению с необлучённой. При расчёте LAR, кроме дозы облучения, учитывают и основные факторы, модифицирующие радиационный риск: пол, возраст при облучении, достигнутый возраст, время после облучения [3].

Основной целью данной статьи является разработка технологии оценки радиационных рисков населения от ОЯТ, которая позволит рассчитывать оптимальные процессы обращения с ОЯТ

Меняйло А.Н. - вед. научн. сотр., к.б.н.; Ловачёв С.С. - мл. научн. сотр.; Чекин С.Ю.* - зав. лаб.; Иванов В.К. - зам. директора по научн. работе, Председатель РНКРЗ, чл.-корр. РАН. МРНЦ им. А.Ф. Цыба – филиал ФГБУ «НМИЦ радиологии» Минздрава России, ООО «НПК «Мединфо».

с точки зрения минимизации времени его выдержки перед окончательным захоронением радиоактивных отходов (РАО) в состоянии радиологической эквивалентности с природным ураном.

Материалы и методы

В современных эпидемиологических моделях прогноза радиационного риска основными параметрами являются годовые коэффициенты избыточного радиационного риска на единицу дозы, а также фоновые (в отсутствие техногенного облучения) показатели (частоты) заболеваемости ЗНО и показатели смертности для исследуемой популяции. Эти параметры имеют разные значения для разных локализаций ЗНО. Качественно вышеупомянутые различия иллюстрируют рис. 1 и 2.

Локализация ЗНО

Рис. 1. Показатели заболеваемости ЗНО различных локализаций для мужского населения РФ в 2014 г. [5].

На рис. 2 приведены усреднённые по возрасту и полу коэффициенты избыточного относительного радиационного риска на 1 Зв (ERR/Зв) для ЗНО различных локализаций, оцененные по данным наблюдений за когортой лиц, переживших атомные бомбардировки японских городов Хиросима и Нагасаки (когорта LSS – Life Span Study) [6].

Радиационные риски в абсолютном выражении зависят, в частности, от произведения фонового показателя заболеваемости, коэффициента ERR/Зв и дозы облучения. Поэтому, например, для лейкемии, с коэффициентом ERR/Зв=4,4 (рис. 2) и низким фоновым показателем заболеваемости 8,3 x 10 -5 (рис. 1), годовой коэффициент избыточного абсолютного риска (EAR) для мужского населения РФ можно приблизительно оценить как EAR/3e=4,4 x 8,3 x 10 -5 =3,65 x 10 -4

кишечник                     пузырь

Локализация ЗНО

Рис. 2. Избыточные относительные годовые риски на 1 Зв (ERR/Зв) для ЗНО различных локализаций, оцененные по данным наблюдений за когортой лиц, переживших атомные бомбардировки японских городов Хиросима и Нагасаки [6].

Поэтому в Публикации 103 МКРЗ [3] подчёркивается, что «… дозы в органах и тканях, а не эффективные дозы, требуются для оценки вероятности индукции рака у облучённых индивидуумов». Это заключение МКРЗ имеет особое значение, когда речь идёт об оценке радиационных рисков ЗНО человека при воздействии на него ионизирующей радиации от смесей радионуклидов различного состава [7].

Результаты и обсуждение

При поступлении в организм человека каждый конкретный радионуклид формирует различные дозы облучения в разных органах и тканях, что необходимо учитывать при расчёте радиационных рисков. В табл. 1 приведено распределение эквивалентных доз по органам и тканям при внутреннем облучении от смесей радионуклидов, содержащихся в природном уране [8], а также в ОЯТ реакторов БРЕСТ-300 и ВВЭР-1000 после 10, 100 и 1000 лет выдержки [2]. Эквивалентные дозы в табл. 1 рассчитаны на 1 мЗв ожидаемой эффективной дозы (ОЭД) от вышеперечисленных смесей для условий их перорального поступления в организм человека. Для расчёта использовали базу данных МКРЗ [9] по дозовым коэффициентам отдельных радионуклидов.

В случаях внутреннего облучения от природного урана, ОЯТ ВВЭР и ОЯТ БРЕСТ, после 1000 лет выдержки ОЯТ, эквивалентные дозы в лёгких составили бы соответственно 0,56 мЗв, 0,09 мЗв и 0,07 мЗв на 1 мЗв ОЭД от этих смесей радионуклидов.

Распределение эквивалентных доз по органам и тканям определяется радионуклидным составом ОЯТ и путями поступления в организм человека. Однако, радиационные риски ЗНО различных локализаций определяются не только эквивалентными дозами, но и соответствующими моделями радиационных рисков по локализациям ЗНО [3].

Таблица 1

Распределение по органам и тканям эквивалентных доз (мЗв) от внутреннего облучения за счёт смесей радионуклидов, входящих в состав ОЯТ реакторов БРЕСТ-300 и

ВвЭр-1000, при пероральном поступлении с ОЭД=1 мЗв

Орган или ткань	Природный уран	ОЯТ ВВЭР			ОЯТ БРЕСТ
			Время выдержки, лет
	-	10	100	1000	10	100	1000
Пищевод	0,54	0,40	0,31	0,09	0,30	0,15	0,07
Желудок	0,56	0,42	0,33	0,10	0,32	0,16	0,07
Толстый кишечник	1,17	0,98	0,81	0,25	0,79	0,43	0,23
Печень	2,15	0,96	1,66	3,69	2,25	3,39	4,59
Лёгкие	0,56	0,50	0,31	0,09	0,30	0,15	0,07
Молочная железа	0,54	0,34	0,27	0,09	0,26	0,13	0,07
Яичник	0,56	0,52	0,57	0,76	0,49	0,66	0,68
Мочевой пузырь	0,56	0,44	0,34	0,09	0,33	0,16	0,07
Щитовидная железа	0,54	0,40	0,31	0,09	0,30	0,15	0,07
Другие солидные	0,61	0,38	0,29	0,09	0,29	0,14	0,07
Красный костный мозг	1,68	3,24	2,91	1,51	2,92	2,02	1,54
Кости	15,94	11,74	19,08	40,50	17,30	32,97	38,88

В табл. 2 приведены расчётные коэффициенты пожизненного атрибутивного радиационного риска заболеваемости (LAR x 10⁶/m3b) для различных локализаций ЗНО по основным радионуклидам, входящим в состав ОЯТ реакторов БРЕСТ и ВВЭР [2], при пероральном поступлении этих радионуклидов с ОЭД=1 мЗв. Для определения эквивалентных доз по органам и тканям использовали базу данных МКРЗ [9], а для расчёта LAR – модели радиационных рисков МКРЗ [3].

Таблица 2

Коэффициенты пожизненных атрибутивных радиационных рисков заболеваемости (LAR x 10⁶/m3b) для различных локализаций ЗНО от внутреннего облучения за счёт основных радионуклидов, входящих в состав ОЯТ реакторов БРЕСТ-300 и ВВЭР-1000 [2], при пероральном поступлении этих радионуклидов с ОЭД=1 мЗв, для взрослого мужского населения РФ [5]

Радионуклид	Локализация ЗНО
	пищевод	желудок	толстый кишечник	печень	лёгкие	мочевой пузырь	щитовидная железа	другие солидные раки	красный костный мозг	кости
241Am	0,027	0,089	0,831	2,558	0,173	0,061	0,003	0,159	6,713	0,005
243Am	0,027	0,088	0,850	2,508	0,173	0,061	0,003	0,158	6,486	0,005
14C	0,849	3,551	4,340	1,587	5,580	2,390	0,227	7,983	6,773	0,000
244Cm	0,026	0,108	1,340	3,687	0,171	0,063	0,003	0,184	8,451	0,008
245Cm	0,026	0,086	0,809	2,454	0,169	0,060	0,002	0,155	6,515	0,004
246Cm	0,027	0,086	0,778	2,500	0,171	0,060	0,003	0,156	6,558	0,004
248Cm	0,028	0,111	1,076	2,448	0,187	0,077	0,003	0,187	6,498	0,004
134Cs	0,841	3,333	4,847	1,734	5,222	2,629	0,223	8,320	6,707	0,000
137Cs	0,857	3,233	4,885	1,597	5,616	2,597	0,227	7,399	6,838	0,000
237Np	0,025	0,103	1,359	0,855	0,164	0,059	0,003	0,163	9,435	0,009
238Pu	0,024	0,086	0,720	4,294	0,158	0,058	0,003	0,162	6,729	0,003
239Pu	0,023	0,080	0,630	4,108	0,152	0,055	0,003	0,152	6,333	0,002
240Pu	0,023	0,080	0,637	4,108	0,152	0,055	0,003	0,152	6,333	0,002
241Pu	0,018	0,047	0,205	2,797	0,117	0,039	0,001	0,093	4,005	0,001
242Pu	0,023	0,081	0,635	4,067	0,152	0,056	0,003	0,154	6,406	0,002
226Ra	0,101	0,353	1,334	0,968	0,667	0,268	0,019	0,812	18,225	0,023
90Sr	0,018	0,093	1,860	0,033	0,120	0,116	0,004	0,165	36,662	0,002
230Th	0,026	0,090	0,685	0,470	0,170	0,062	0,003	0,195	8,231	0,007
234U	0,240	0,750	3,454	2,021	1,574	0,580	0,031	1,896	8,384	0,005
90	0,000	1,287	32,120	0,000	0,000	0,000	0,000	0,154	0,001	0,000

Зная коэффициенты LAR на 1 мЗв ОЭД для различных локализаций ЗНО по отдельным радионуклидам (табл. 2) и радионуклидный состав конкретной смеси, выраженный в величинах ОЭД [2, 8], можно рассчитать LAR по заболеваемости всеми ЗНО для этой смеси радионуклидов, складывая по локализациям ЗНО произведения коэффициентов LAR из табл. 2 на соответствующие величины ОЭД.

Сравнивая распределения величин LAR по локализациям ЗНО для ОЯТ различного состава с соответствующим распределением LAR для природного урана, можно детально проанализировать динамику достижения радиологической эквивалентности ОЯТ и природного урана (равенство LAR от ОЯТ и от природного урана) с точки зрения изменения структуры относительных радиационных рисков по локализациям ЗНО.

На рис. 3 и 4 приведены отношения величины LAR от ОЯТ реактора БРЕСТ-300 к величине LAR от природного урана при 10 и 100 годах выдержки ОЯТ соответственно. При выдержке ОЯТ 10 лет (рис. 3) радиационные риски от ОЯТ по многим локализациям ЗНО превышают радиационные риски от природного урана (отношение LAR превышает 1). Однако при выдержке 100 лет (рис. 4) LAR от ОЯТ реактора БРЕСТ превышает LAR от природного урана уже только для ЗНО печени и для лейкемии. Поэтому можно ожидать, что для всех ЗНО в совокупности радиационный риск от ОЯТ БРЕСТ станет меньше радиационного риска от природного урана уже после 100 лет выдержки ОЯТ.

Рис. 3. Отношения величины LAR заболеваемости ЗНО от ОЯТ реактора БРЕСТ-300 к величине LAR от природного урана (при 10 годах выдержки ОЯТ) для заболеваемости различными локализациями ЗНО мужского населения РФ.

Динамика изменения структуры относительных радиационных рисков по локализациям ЗНО в данном случае показывает, что критическим органом является печень. Из табл. 2 видно, что наибольшие значения коэффициентов LAR для ЗНО печени имеют изотопы плутония – порядка 4 х 10 -6 /мЗв.

Отсюда следует важный для практики обращения с ОЯТ вывод: для окончательного захоронения РАО в кратчайшие сроки из ОЯТ, прежде всего, должны быть удалены изотопы плутония.

Рис. 4. Отношения величины LAR заболеваемости ЗНО от ОЯТ реактора БРЕСТ-300 к величине LAR от природного урана (при 100 годах выдержки ОЯТ) для заболеваемости различными локализациями ЗНО мужского населения РФ.

Аналогичные расчёты LAR для ОЯТ реактора ВВЭР-1000 показывают, что радиационный риск заболеваемости для всех ЗНО в совокупности от ОЯТ реактора ВВЭР станет меньше радиационного риска от природного урана только через 1000 лет выдержки ОЯТ, т.е. радиологическая эквивалентность практически недостижима. Поэтому далее в статье динамика изменения структуры относительных радиационных рисков по локализациям ЗНО для ОЯТ реактора ВВЭР не рассматривается.

Пожизненный атрибутивный риск вычисляется на основе взвешенного среднего моделей МКРЗ для годовых избыточных рисков: EAR (аддитивная модель) (1) и ERR (мультипликативная модель) (2).

0 , 1- ( g -30 )

« EAR ( ^c )

МКРЗ                                            a                 • EAR

EAR оанокрА s,C,g,a,d ) = d . Pear (s.C ).|     I       -I1 +           I        ,

V70J       V100

0 , 1- ( g -30 )

« ^{ERR ( c} )

МКРЗ                                              I a I                Y ERR (

ERRоанокрАs,c,g,a,d) = d •Perr (s,c)-|     I       -I1 +            I         ,

V 70 J       V100 J где s – пол; с – локализация ЗНО; g – возраст при облучении; a – возраст, на который рассчитывается годовой риск (возраст дожития); d - доза облучения; pEAR, «EAR, yEAR - параметры аддитивной модели; pERR, «ERR, yERR - параметры мультипликативной модели.

При прогнозировании радиационных рисков солидных ЗНО для какой-либо конкретной популяции МКРЗ [3] рекомендует проводить процедуру «переноса риска» путём усреднения с различными весами вышеуказанных моделей для получения среднего значения избыточного абсолютного риска:

^EAR ГанокрА s,^c,g,^a,d ) = р ^{( c )-} х 0 з^а6. ⁽ s,^a,^c ) . ERR М_а^к_н^р_о³_кр ⁽ s,^c,g,^a,d ^{) + +} ( ^{1 -} p ^{( c} ) ) ^{- EAR}МКРокр. ⁽ s,^c,g,^a,d )

,

где X Заб. - показатель фоновой заболеваемости ЗНО в год для заданного пола s , достигнутого возраста a , возраста при облучении g и локализации ЗНО с ; p ( с ) - весовой коэффициент мультипликативной модели риска для локализации c .

При прогнозировании радиационных рисков заболеваемости лейкозами используется только модель аддитивного радиационного риска (4):

EAR ОДНОкр. ( s,g,a,d ) = в ( s,g ) • d • ( 1 + 0 , 7 9 - d ) • exp [ а ( s,g ) • ( a — g - 2 5 ) ] , (4)

где в и а - параметры модели.

На расчёт времени достижения радиологической эквивалентности могут оказать влияние неопределённости расчёта величин LAR. Модели радиационного риска, предложенные МКРЗ [3], содержат неопределённости, которые выражаются статистическим разбросом параметров этих моделей, в силу их оценки по эпидемиологическим данным.

Стандартные отклонения параметров модели для солидных типов рака представлены в табл. 3 (оценены по данным [10]), а для лейкозов – в табл. 4 (оценены по данным [11]).

Таблица 3

Стандартные отклонения параметров модели риска заболеваемости всеми солидными ЗНО у мужчин для модели МКРЗ [10]

Ст. откл. e mult	Ст. откл. Y mult	Ст. откл. © mult	Ст. откл. e add	Ст. откл. Y add	Ст. откл. © add
0,0457	5,4880	0,2744	6,7070	4,8780	0,2744

Таблица 4

Стандартные отклонения параметров модели для вычисления избыточного абсолютного риска заболеваемости лейкозами у мужчин [11]

Возраст при облучении	Ст. откл. в 1кт
0-19 лет	0,56
20-39 лет	1,31
> 40 лет	2,63

При расчёте LAR избыточные абсолютные риски EAR (3) и (4) суммируются по возрасту дожития с весом функции здорового дожития.

Кроме разброса параметров моделей на итоговую неопределённость LAR влияет вариабельность показателей фоновой заболеваемости и смертности, которые вносят разброс в оценку LAR как через модели годовых рисков (3) и (4), так и через функцию здорового дожития. В качестве примера на рис. 5 представлены повозрастные фоновые показатели заболеваемости ЗНО лёгких у российских мужчин и их верхние 95% доверительные границы, характеризующие географическую вариабельность данных по регионам РФ.

Расчёт времени достижения радиологической эквивалентности с учётом неопределённостей множества параметров, перечисленных выше, требует отдельного большого исследования и разработки специальных имитационных математических моделей [12, 13]. В настоящее время это обстоятельство ограничивает точность оценки требующейся степени очистки ОЯТ от тех или иных радионуклидов, но на выводы из проведённого исследования не влияет.

Рис. 5. Повозрастные фоновые показатели заболеваемости ЗНО лёгких среди мужчин РФ и их верхние 95% доверительные границы, обусловленные вариабельностью по регионам РФ.

Выводы

Рассчитана таблица коэффициентов пожизненных атрибутивных радиационных рисков заболеваемости (LAR x 10⁶/m3b) мужского населения России для различных локализаций ЗНО от внутреннего облучения за счёт основных радионуклидов, входящих в состав ОЯТ реакторов БРЕСТ-300 и ВВЭР-1000 (табл. 2).

Рассчитаны динамики изменения структуры относительных радиационных рисков (относительно природного урана) по локализациям ЗНО для ОЯТ реакторов БРЕСТ-300 и ВВЭР-1000.

На основе проведённых расчётов получен важный практический вывод: для окончательного захоронения РАО в состоянии радиологической эквивалентности с природным ураном из ОЯТ реактора БРЕСТ-300, прежде всего, должны быть удалены изотопы плутония.

Таким образом, разработана технология оценки радиационных рисков населения от ОЯТ с учётом состава смесей радионуклидов и распределений органных доз облучения, которая позволяет рассчитывать оптимальные процессы обращения с ОЯТ с точки зрения минимизации времени его выдержки перед окончательным РАО в состоянии радиологической эквивалентности с природным ураном.

На расчёт времени достижения радиологической эквивалентности могут оказать влияние неопределённости расчёта величин LAR, но такой расчёт разработки специальных имитационных математических моделей.