Фізико-хімічні властивості частинок аерозолю - патологія органів дихання у ліквідаторів аварії на чаес

Поширення перших хмар радіоактивних продуктів найближчим після аварії час на далекі відстані відбувалося в північно-західному і в західному напрямках. Пройшовши через територію СРСР 26- 27 квітня, вони досягли Польщі, Фінляндії та Швеції, а 27-29 квітня - Центральної Європи. Сильні дощі 30 квітня і 1 травня зумовили радіоактивні вологі випадання в південній частині ФРН, а також в інших країнах Центральної і Західної Європи (Ізраель Ю. А., 1990). Результати дослідження часток у випадах на території цих країн істотно заповнюють прогалини в таких даних для території СРСР. Ці частинки стали першими свідками аварії, вивчення яких дозволило зробити перші висновки про ступінь пошкодження активної зони реактора і масштаби аварії (Devell L. et al., 1986).
Важливим фактором, який разом з радіонуклідних складом часток палива і їх фізико-хімічними властивостями робить вирішальний вплив на дозиметричні характеристики аерозолю, є розподіл його активності за розмірами частинок. При описі поведінки в органах дихання аерозольних часток замість величини ефективного геометричного розміру &delta- користуються величиною аеродинамічного діаметра частинки (dae), рівного діаметру сферичної частинки одиничної щільності, яка має ту ж рівноважну швидкість гравітаційного осадження в повітрі, що і розглянута: dae = &delta- fp /&chi-, де р - щільність аерозольних часток, г / см3- &chi- - одинична щільність, рівна 1,0 г / см3.
Частинки аерозолю, що знаходяться в повітрі, мають різні розміри і активність. У більшості випадків розподіл активності аерозолю за розміром частинок описується логарифмічно нормальним розподілом, яке характеризується двома параметрами: величиною активносних медіанного аеродинамічного діаметра (АМАД), вимірюваного в мікрометрів (мкм) і безрозмірною величиною стандартного геометричного відхилення. Величина останнього параметра зазвичай лежить в межах від 2 до 4.
Від величини АМАД аерозолю залежить ймовірність затримки його частинок в тій чи іншій частині органів дихання. Основна активність аерозолю з АМАД менше 1 мкм проникає глибоко по повітроносних шляхах і затримується в альвеолярної частини легенів. Аерозольні частинки з аеродинамічними діаметрами більше 10 мкм осідають в основному у верхніх дихальних шляхах.
Геометричні розміри радіоактивних частинок, викинутих вибухом з активної зони зруйнованого реактора, варіювали в широкому діапазоні від десятих часток до сотень мікрометрів. Приблизно 30% викинутих під час вибуху радіоактивних частинок випали на поверхню грунту в межах 50-кілометрової зони навколо Чорнобильської АЕС. У безпосередній близькості від зруйнованого реактора осаджувалися найбільші частки.
Повсюдно в випадах на території країн Європи були виявлені частинки двох типів: конденсаційного і паливного. У роботі R. Broda et al. (1989) зазначено, що частинки першого типу мають приблизно сферичну форму і діаметр близько декількох мікрометрів. Частинки другого типу мають, як правило, неправильну форму і істотно більші розміри (від 20 до 600 мкм).
L. Devell (1987), виходячи з активності частинок, виявлених в Швеції, розрахував їх розміри. Для частки з першої групи активністю 10 000 Бк розрахунковий геометричний діаметр дорівнював 4,5 мкм, для частки другої групи (200 Бк ¹⁴⁴Ce) - 11 мкм. Результати розрахунків узгоджуються з результатами прямих вимірювань, виконаних R. Falk et al. (1988), згідно з якими розміри зібраних частинок лежать в діапазоні від 2,4 до 11,5 мкм. У роботі S. Lehtihen et al. (1987) наведені результати електронно-мікроскопічного дослідження часток паливного типу. Геометричні розміри частинок лежали в межах від 2 до 6 мкм при середньому значенні 3,8 мкм, що відповідає значенню АМАД 10 мкм. За повідомленням Е. J. Vapirev et al. (1990), &ldquo-гарячі частинки&rdquo-, виявлені в Болгарії, мали неправильну форму і геометричні розміри в діапазоні від 0,5 до 3 мкм. Аналіз паливних випадінь на півдні ФРН (Rudhard J. et al., 1992) показав, що геометричні розміри паливних частинок в них були близькі до 4,5 мкм (АМАД близько 16 мкм). L. Devell et al. (1986) досліджували аерозолі з високою активністю за допомогою електронного мікроскопа. Виявилося, що серед них були чисті рутенієвого частинки, що містять тільки 103Ru і 106Ru. Вони мали ідеальну правильну форму і геометричні розміри 1 мкм і менше.
В. Georgi et al. (1987) використовували 10-ступінчастий імпактора низького тиску для оцінки розподілу часток за розмірами в чорнобильських випаданнях. Розподіл визначалося в 4 різних містах у міру просування радіоактивної хмари від Відня (Австрія) до острова Гельголанд (ФРН). Радіонукліди l03Ru, l32Te і l34, l37Cs показали дуже схожий розподіл з вмістом 80% активності в частинках з аеродинамічним діаметром менше 1 мкм. Розподіл активності 1311 по розмірам частинок виявилося близьким до розподілу природних аерозолів, при цьому більше 50% активності було виявлено на аерозолях з аеродинамічним діаметром менше 0,5 мкм. Такий розподіл автори пояснюють безперервної адсорбцией газоподібного 131I на місцевих аерозолях.
Аналіз далеких випадінь радіоактивних частинок показує, що АМАД аерозолів конденсації, мабуть, не перевищував 1 мкм, а аерозолі паливної матриці мали набагато більше АМАД - в діапазоні від 1 до 20 мкм.
Результати прямих вимірювань, виконаних на проммайданчику Чорнобильської АЕС в травні-червні 1986 року з допомогою імпактора (Попов В. І. з співавт., 1991) і пакетів волокнистих фільтрів (Будико А. К., Огородніков Б. І., Скитович В . І., 1992 Будико А. К., Огородніков Б. І., 1992) підтверджують ці висновки. Аналогічні дані отримані С. А. Богатовим з співавт. (1991а) при аналізі пилових частинок з внутрішніх приміщень &ldquo-Саркофагу&rdquo-. Аналіз більш 30 проб (Кочетков О. А. з співавт., 1991
Попов В. І. з співавт., 1991), відібраних на проммайданчику ЧАЕС в червні 1986 року за допомогою 5-ступеневого каскадного імпактора, показав, що довгоживучі альфа-активні радіонукліди містяться в повітрі приміщень і проммайданчика ЧАЕС у вигляді грубодисперсного аерозолю, розподіл якого можна описати логнормальний законом з АМАД 25-100 мкм і стандартним геометричним відхиленням, рівним 3-5. Аерозолі бета-активних нуклідів в повітрі поділялися в 1986 р на дві фракції: тонкодисперсну з АМАД = 0,1 - 0,2 мкм і грубодисперсних з АМАД = 25 - 100 мкм. У 1986 р внесок грубодисперсной фракції в об`ємну активність коливався з 12 до 98%. Мабуть, грубодисперсна фракцію аерозолю становлять частки диспергированного палива, розміри яких практично залишилися незмінними протягом всього часу, що пройшов після аварії, а мелкодисперсную - конденсаційні аерозолі.
До теперішнього часу не вдалося виявити дані прямих вимірювань величини АМАД аерозолю паливних частинок, які в квітні-травні 1986 р надходили в легені свідків аварії. Для визначення цієї найважливішої характеристики радіоактивного аерозолю були використані непрямі методи, засновані на дослідженні поведінки паливних радіонуклідів в тілі людей. Застосування цих методів при обстеженні працівників Чорнобильської АЕС і пожежників, які стали свідками аварії, а також великої групи жителів Гомельської області Республіки Білорусь дозволило достовірно оцінити АМАД аерозолю паливних частинок і суттєво доповнити картину Чорнобильської аварії. Результати цього відновлення наведені в наступному розділі.
Поруч авторів (Lehtihen S. et al., 1987 Vander Wisk A. et al., 1987 Toivinen H. et. Al., 1987 Cuddihy R. et al., 1989) проводилися дослідження матеріалу частинок за допомогою різних рентгенівських аналізаторів . Ними було показано, що частинки другого типу складаються переважно з оксидів урану і С, Si, Zr. R. Cuddihy з співавт. (1989), крім названих елементів, в частинках другого типу виявили також В, Са, Р, А1 і хлор, який, ймовірно, виділявся в результаті високотемпературної реакції між паливом і елементами конструкції або частками грунту, що потрапили в зону реактора. A. Van der Wisk з співавт. (1987) показали, що субстратом паливних частинок є діоксид урану.
Частинки, зібрані з ґрунту в 30-кілометровій зоні ЧАЕС, мали подібний склад. За повідомленням В. Черкізяна з співавт. (1994), в їх складі були виявлені близько 20 елементів. Дані цієї роботи для основних елементів наведені в табл. 2. В частинках були також виявлені Sm,
Сг, V, Ru, Pr, Th, Hf, Yb і La в концентраціях менше 900 ppm. Елементи Sm, Cr, Hf, Th і La в малих кількостях були виявлені і в зразках ґрунту. Частина елементів, виявлених в частинках, була відсутня в зразках ґрунту, в яких були виявлені частинки. Це дозволяє розглядати їх як потенційні маркери частинок другого типу. Слід зазначити, що автори цієї роботи ніяк не пояснюють відсутність Si в пробах грунту, що змушує ставитися з обережністю до їх оцінками елементного складу грунту. У табл. 3 наведені також результати дослідження паливовмісних мас всередині зруйнованого четвертого блоку Чорнобильської АЕС, виконані в 1988-1989 рр. С. А. Богатовим з співавт. (1991). Крім елементів, наведених в таблиці, в складі паливовмісних мас були виявлені Мп, Сг, В, V (0,1 - 0,9%), а також Та, W, Cu, Sn, Sb, Nb, Gd, La, Cd , Be, P (lt; 0,01%).

Таблиця 3
Зміст основних елементів у паливовмісних масах, паливних частинках і в зразках ґрунту 30-кілометрової зони ЧАЕС
241 "/>
(А) С. А. Богатов з співавт., 1991.
(Б) В. Черкізян з співавт., 1994..

У більшості робіт дається лише тільки якісне опис розчинності радіоактивних частинок, утворених в результаті аварії на ЧАЕС. Наприклад, в роботі R. Broda et al., (1989) говориться, що лише незначна частина радіоактивного матеріалу могла бути розчинена. У роботі Е. А. Bondietti, J. N. Brantley, (1986) показано, що лише незначна частина аерозолів розчинялася в СНCl3, при цьому 134-137Cs і 103-I06Ru виявилися менш розчинними, ніж продукти глобальних випадінь.
R. Cuddihy et al. (1989) вивчали розчинність аерозолів, утворених в результаті аварії на ЧАЕС. Досліджувалися частки, зняті в кінці травня 1986 року з дерев`яного контейнера, встановленого на залізничній платформі і знаходився в момент аварії приблизно в 80 км від Чорнобиля. Зразки частинок поміщали в рідку середу, подібну за іонним складом з легеневою рідиною. Дані по розчинності представляються у вигляді 2 експонент. У кожному разі 10% початкової радіоактивності переходило в розчин протягом кількох годин. Частина, що залишилася активність (90%) розчинялася повільно з ТБ = 160 діб. Цей характер поведінки спостерігався для кожного радіонукліда як у частинках другого типу (фрагменти палива), так в частинках, що складаються тільки з 141Се, <sup>144</sup>Ce + 144Рг і 95Zr + 95Nb, в деяких частинках ще присутній 140Ba + 140La.
У 1989 р в Інституті біофізики Л. Г. Лаппа досліджувала транспортабельність радіонуклідів з аерозольних проб, відібраних на проммайданчику ЧАЕС за методикою В. Ф. Хохрякова і С. І. Суслової, заснованої на 2-добовому діалізі аерозольної проби в фізіологічному розчині хлориду натрію . Зразки пилу відбирали на аерозольні фільтри всередині &ldquo-Саркофагу&rdquo-. Відомо, що всі з`єднання цезію відносяться до класу розчинних, проте отримані результати показали, що від 25 до 50% цезію в аерозолі знаходилося в нерозчиненій формі, тобто в складі частинок палива, а інша частина - у звичайній, розчинній формі - у складі частинок аерозолю конденсації. Таке співвідношення між двома формами аерозолю відповідає коефіцієнтам фракціонування в межах від 2 до 4, дійсно спостерігався в районі станції для цезію (Ізраель Ю. А., 1990). Аналіз цих фільтрів дозволив зробити висновок про те, що зразки пилу являють собою частинки паливовмісних матриці, змішані з неактивним носієм і невеликою кількістю продуктів активації. Крім цього в аерозолі присутні частинки конденсаційного походження. Масова частка частинок палива в аерозолі складає в середньому 0,07%, що відповідає даним С. А. Богатова з співавт. (1991а).
У 1990-1991 рр. було проведено спеціальне дослідження кінетики діалізу радіонуклідів з проб, отриманих в приміщеннях &ldquo-Саркофагу&rdquo- (Кутьков В. А. з співавт., 1993). Міцність зв`язку осколкових радіонуклідів з уранової матрицею проявилася в тому, що в аерозольних пробах з проммайданчика ЧАЕС (червень 1986 г.), в легких і покривних тканинах загиблих свідків аварії на ЧАЕС, а також в аерозольних пробах з приміщень &ldquo-Укриття&rdquo- (1990-1991 рр.) були виявлені важкорозчинні сполуки ізотопів йоду і цезію, абсолютно не властиві цим елементам в звичайних умовах. У всіх пробах виявлені маркери паливних частинок. Співвідношення між активністю гамма-випромінюючих продуктів поділу та активністю <sup>144</sup>Ce в пробах статистично значуще не відрізнялося від цього співвідношення в представницької паливної частці на момент вимірювання проб (червень 1992). Отримані результати добре корелювали з оцінками транспортабельности радіонуклідів з аерозольних проб, отриманих в 1986 р на проммайданчику ЧАЕС (Кочетков О. А. з співавт., 1991). За 6 років, що минули після аварії, транспортабельність радіонуклідних маркерів паливних частинок - <sup>144</sup>Ce і трансуранових елементів не змінилася, що вказує на збереження структурної міцності паливної матриці для аерозольних часток, які можна виявити в відвідуваних приміщеннях &ldquo-Укриття&rdquo-. Вилуговування радіонуклідів з проби досліджували протягом 122 діб після початку діалізу. Результати аналізу змісту l37Cs і суми а-випромінювачів в розчині були використані для визначення постійної переходу радіонуклідів з проби в розчин. Виявлено, що більше 70% 137Cs знаходиться в пробі в слаборозчинні формі з постійною вилуговування 0,00210,0011 / сут. Решта цезій в 20 разів більш рухливий. Постійна діалізу суми а-випромінювачів з проб дорівнює 0,00510,002 1 / сут. Різниця постійних вилуговування l37Cs і суми &alpha - випромінювачів не є статистично достовірним (р gt; 0,05), що підтверджує припущення про те, що ці радіонукліди знаходяться в однаковій фізико-хімічної формі, будучи пов`язаними паливної матрицею. За узагальненими даними про перехід в розчин Pu і Cs постійна вилуговування радіонуклідів з паливних частинок оцінюється величиною 0,00310,002 1 / сут.
Отримані результати добре корелюють з результатами дослідження розчинності осколкових радіонуклідів з аерозолів оксидів урану, виконаних за аналогічною методикою оцінки розчинності аерозолів in vitro (Eidson F. F., Griffith W. C. Jr., 1984- Dua S. K., Maniyan C. G., Kotrappa P., 1987). Частка транспортабельної форми радіонуклідів в матриці окису-закису урану при виробництві уранового концентрату за даними F. Е Eidson і W. С. Jr. Griffith (1984) не перевищує 30%. Згідно S. К. Dua з співавт. (1987) швидка компонента вилуговування осколкових радіонуклідів і плутонію з аерозолів над басейнами витримки відпрацьованого ядерного палива не перевищує 40%.