Радіація та космос: що потрібно знати? («Радіаційні» секрети, які приховує космічний простір)

Ви все ще впевнені, що основним джерелом радіаційного опромінення людини є атомні електростанції?

Тоді ця серія статей для Вас… Ми розповімо про природні джерела іонізуючого опромінення, використання радіації в медицині та інші цікаві речи.

Джерела іонізуючого випромінювання умовно поділяють на дві групи – природні та штучні. Природні джерела існували завжди, а штучні людська цивілізація створила у 19 сторіччі. Це легко пояснити на прикладі двох великих вчених, які пов’язані з відкриттям радіації. Антуан Анрі Беккерель відкрив іонізуюче випромінювання урану (природне джерело), а Вільгельм Конрад Рентген відкрив іонізуюче випромінювання при гальмуванні електронів, які прискорюються у спеціально створеному приладі (рентгенівська трубка як штучне джерело). Проаналізуємо у відсотковому та цифровому еквіваленті, які дози опромінення (кількісна характеристика впливу іонізуючого випромінювання на організм людини) пересічний громадянин України отримує протягом року від різних штучних та природних джерел (рис. 1).

Рис. 1. Структура та середньозважені величини ефективної дози опромінення населення України в рік

Як бачимо, основну частину опромінення ми отримуємо з природних джерел радіації. Але чи залишилися ці природні джерела такими же, якими були на ранніх етапах цивілізації? Якщо так – можна не турбуватися, адже ми давно пристосувалися до такого опромінення. Та, на жаль, це не так. Діяльність людини призводить до того, що природні радіоактивні джерела концентруються або збільшується можливість їхнього впливу на людини.

Одним з таких місць, де збільшується можливість впливу радіації на людину є космічний простір. Інтенсивність радіаційного опромінення залежить від висоти над рівнем моря. Таким чином, космонавти, пілоти та пасажири повітряного транспорту, а також населення, що проживає у горах, отримують додаткову дозу опромінення. Спробуємо дізнатися, наскільки це небезпечно для людини, та які «радіаційні» секрети приховує космос.

Радіація в космосі: яка небезпека для космонавтів

Все почалося з того, що американський фізик і астрофізик Джеймс Альфред Ван-Аллен вирішив закріпити на першому супутнику, який був запущений на орбіту, лічильник Гейгера-Мюллера. Покази цього приладу офіційно підтвердили існування навколо земної кулі поясу інтенсивної радіації. Але звідки вона з’явилася в космосі? Відомо, що радіоактивність у космосі існує дуже давно, навіть ще до виникнення Землі, таким чином космічний простір постійно наповнювався і наповнюється радіацією. Після проведених досліджень вчені дійшли висновку, що радіація в космосі виникає або від сонця, під час спалахів, або від космічних променів, які виникають у результаті високоенергетичних подій в нашій та інших галактиках.

Було встановлено, що радіаційні пояси починаються з 800 км над поверхнею Землі та простягаються до відмітки 24 000 км. За класифікацією Міжнародної федерації аеронавтики політ вважається космічним, якщо його висота перевищує 100 км. Відповідно, найбільш уразливими в плані отримання великої дози космічного опромінення є космонавти. Чим вище вони підіймаються у відкритий космос, тим ближче вони до радіаційних поясів, отже, тим більший ризик отримання значної кількості радіації.

Науковий керівник програми Національне управління з аеронавтики і дослідження космічного простору США (НАСА) по дослідженням впливу радіації на людину, Френсіс Кучінотта якось зазначив, що найбільш неприємним наслідком від космічного опромінення під час довготривалого польоту космонавтів є розвиток катаракти, тобто помутніння кришталика ока. Більше того, існує небезпека захворювання раком. Але Кучінотта також відмічає, що після польоту не спостерігається якихось надзвичайно страшних наслідків у космонавтів. Він лише наголошує, що багато ще не відомо щодо того, як саме впливає космічна радіація на космонавтів та які реальні наслідки цього впливу.

Але питання захисту космонавтів від радіації у космосі завжди було у числі пріоритетних. Ще в 60-х роках минулого століття вчені розводили руками та не знали, як захистити космонавтів від космічної радіації, особливо у разі необхідності виходу у відкритий космос. В 1966 році радянський космонавт все ж таки наважився вийти у відкритий космос, але в дуже важкому свинцевому костюмі. Згодом технічний прогрес зрушив вирішення проблеми, були створені більш легкі та безпечні костюми.

Освоєння космічних просторів завжди вабило науковців, дослідників та космонавтів. Секрети нових планет можуть стати у нагоді для подальшого розвитку людства на планеті Земля, але також можуть бути й небезпечними. Саме тому політ Curiosity на Марс мав велике значення. Та не будемо відходити від основного фокусу статті і зосередимося на результатах радіаційного опромінення, зафіксованих відповідним приладом на борту марсоходу. Цей прилад знаходився всередині космічного корабля, тому його показники свідчать про реальну дозу, яку може отримати космонавт вже в пілотованому кораблі. Вчені, які опрацьовували результати вимірювань, повідомили невтішні дані: еквівалентна доза опромінення була в 4 рази більшої, від тієї, що гранично допустима для працівників атомних станцій. В Україні визначено ліміт дози опромінення для тих, хто постійно чи тимчасово працює безпосередньо з джерелами іонізуючих випромінювань у розмірі 20 мЗв.

Для вивчення найвіддаленіших куточків космосу потрібно проводити місії, які не можуть технічно здійснюватися з використанням традиційних джерел енергії. Це питання було вирішено шляхом використання ядерних джерел енергії, а саме – ізотопних батарей і реакторів. Ці джерела є унікальними в своєму роді, оскільки мають високий енергетичний потенціал, що значно розширює можливості місій у космічному просторі. Наприклад, стали можливими польоти зондів до зовнішніх меж Сонячної системи. Оскільки тривалість таких польотів досить велика, панелі сонячних батарей не придатні як джерела енергоживлення для космічних апаратів.

Зворотною стороною медалі є потенційні ризики, пов’язані з використанням радіоактивних джерел в космосі. В основному – це небезпека непередбачуваних чи аварійних обставин. Саме тому держави, які запускають космічні об’єкти з ядерними джерелами енергії на борту, докладають максимальних зусиль для захисту окремих осіб, населення і біосфери від радіологічних небезпек. Такі умови були визначені у принципах, що стосуються використання ядерних джерел енергії в космічному просторі і були прийняті в 1992 році резолюцією Генеральної Асамблеї Організації Об’єднаних Націй (ООН). У цих же принципах також визначено, що будь-яка держава, яка запускає космічний об’єкт з ядерними джерелами енергії на борту, повинна своєчасно інформувати заінтересовані країни, якщо на космічному об’єкті з’являється пошкодження і виникає небезпека повернення радіоактивних матеріалів на Землю.

Також Організація Об’єднаних Націй разом з Міжнародним агенством з атомної енергії (МАГАТЕ) розробили рамки забезпечення безпечного використання ядерних джерел енергії в космічному просторі. Вони покликані доповнити норми МАГАТЕ з безпеки керівництвом високого рівня, що враховує додаткові заходи забезпечення безпеки при використанні ядерних джерел енергії на космічних об’єктах протягом всіх етапів місій: запуска, експлуатації та виведення з експлуатації.

Чи потрібно боятися радіації при використанні повітряного транспорту?

Космічні промені, що несуть радіацію, потрапляють практично у всі куточки нашої планети, однак розповсюдження радіації проходить не пропорційно. Магнітне поле Землі відхиляє значну кількість заряджених частинок від екваторіальної зони, що зосереджує більше радіації на Північному та Південному полюсах. Більше того, як вже зазначалось, космічне опромінення залежить від висоти. Так, ті, хто проживають на рівні моря, отримують від космічної радіації у рік приблизно 0,003 мЗв, а ті, хто проживають на рівні 2 км, можуть отримати вдвічі більшу дозу радіації.

Як відомо, при крейсерській швидкості для пасажирських авіалайнерів у 900 км/год, з урахуванням співвідношення опору повітря та підйомної сили, оптимальна висота при перельоті для літака звичайно становить приблизно 9-10 км. Отже при підйомі авіалайнера до такої висоти рівень опромінення може зрости практично в 25 разів від того, яким воно було на відмітці в 2 км.

Пасажири, що здійснюють трансатлантичні польоти піддаються найбільшому опроміненню за один рейс. При перельоті зі Сполучених Штатів Америки до Європи людина може отримати додаткових 0,05 мЗв. Справа в тому, що земна атмосфера має відповідний екрануючий захист від космічного опромінення, але при піднятті авіалайнера на вищезгадану оптимальну висоту цей захист частково зникає, що призводить до отримання додаткового опромінення. Саме тому часті перельоти через океан підвищують ризик отримання організмом підвищеної дози радіації. Для прикладу, 4 таких перельоти можуть коштувати людині отримання дози в 0,4 мЗв.

Якщо говорити про пілотів, то тут ситуація складається дещо по-іншому, оскільки вони досить часто здійснюють перельоти через Атлантику. Доза опромінення пілотів авіалайнерів може перевищувати 5 мЗв на рік. По міркам України при отриманні такої дози особи вже прирівнюються до іншої категорії – людей, які безпосередньо не зайнятi роботою з джерелами iонiзуючого випромінювання, але у зв`язку з розташуванням робочих місць у приміщеннях та на промислових майданчиках об’єктів з радіаційно-ядерними технологіями можуть отримувати додаткове опромінення. Для таких осіб встановлений ліміт дози опромінення 2 мЗв на рік.

Міжнародне агентство з атомної енергії проявляє значний інтерес до цього питання. МАГАТЕ розробило ряд норм з безпеки. Проблема опромінення екіпажів повітряних суден також знайшла своє відображення в одному з таких документів. Згідно рекомендацій Агентства, відповідальним за встановлення референтного рівня дози опромінення екіпажів повітряних суден є національний регулюючий орган або інший відповідний і компетентний орган. У разі перевищення цієї дози, роботодавці екіпажу повітряного судна повинні провести відповідні заходи з оцінки доз і їх реєстрацію. Більше того, вони повинні поінформувати жінок-членів екіпажів повітряних суден про пов’язаний з впливом космічного випромінювання ризик для ембріона або плода і про необхідність раннього сповіщення про вагітність.

Чи можливо розглядати космос як місце для захоронення радіоактивних відходів?

Ми вже переконалися, що космічне опромінення, хоч і не несе катастрофічних наслідків для людства, але підвищити рівень опромінення людини може. Оцінюючи вплив космічних променів на людину, багато вчених також вивчають можливість використання космічного простору для потреб людтсва. У контексті цієї статті дуже неоднозначно та цікаво виглядає ідея захоронення радіоактивних відходів у космосі.

Справа в тому, що вчені країн, де активно використовують атомну енергетику, знаходяться у постійному пошуку місць безпечної локалізації радіоактивних відходів, які постійно накопичуються. Космічний простір теж розглядався деякими вченими як одне з потенційних місць розміщення небезпечних відходів. Наприклад, фахівці Державного конструкторського бюро «Південне», яке розташоване в Дніпропетровську, спільно з Міжнародною академією астронавтики вивчають технічні складові реалізації ідеї захоронення відходів у далекому космосі.

З одного боку, відправка радіоактивних відходів в космос дуже зручна, оскільки може здійснюватися будь-коли та в необмеженій кількості, що знімає питання про майбутнє цих відходів в нашій екосистемі. Більше того, як зазначають спеціалісти, такі польоти не потребують великої точності. Але з іншого боку, даний метод має й слабкі сторони. Основною проблемою є забезпечення безпеки для біосфери Землі на всіх етапах запуску ракетоносія. Ймовірність аварії при запуску досить висока, й оцінюється практично в 2-3%. Пожежа чи вибух ракетоносія на старті, в польоті чи його падіння може стати причиною значного розсіювання небезпечних радіоактивних відходів. Саме тому, при вивченні цього метода основна увага повинна бути прикута саме до питання безпеки при будь-яких аварійних ситуаціях.

Ольга Макаровська, заступник Голови Держатомрегулювання України; Дмитро Чумак, провідний інженер сектору інформаційного забезпечення Інформаційно-технічного відділу ДНТЦ ЯРБ, 10/03/2014