Материал: Баранник Лекции по курсу Теория переноса нейтронов 2012

Причиной гибели организма обычно является поражение какоголибо одного органа, критического в данной ситуации. Ткани и органы с интенсивно делящимися клетками наиболее чувствительны к радиации. Это, в первую очередь, – органы систем кроветворения (костный мозг, селезенка) и пищеварительной системы (слизистая оболочка тонкой кишки), половые железы.

Еще в 1906 г., т.е. в самом начале изучения биологического действия ионизирующих излучений, французские исследователи И. Бергонье и Л. Трибондо отметили эмпирическую закономерность относительной чувствительности клеток. Так называемый закон Бер- гонье–Трибондо гласит, что клетки имеют тенденцию быть радиочувствительными, если у них есть три свойства:

-клетки имеют высокую скорость деления;

-клетки имеют возможность делиться долго в будущем;

-клетки не являются специализированными.

В диапазоне доз 3–9 Гр критической является кровеносная система. Гибель облученного организма наблюдается на 7–15 сутки после лучевого воздействия. Поражение кроветворения заключается в прекращении выработки клеток крови облученным костным мозгом, что проявляется и при не смертельных лучевых поражениях. Последствия проявляются с задержкой (скрытый или латентный период), так как новые клетки крови не формируются костным мозгом, а зрелые еще живут некоторое время. При этом снижается количество тромбоцитов, что является одной из причин кровоточивости (стенки сосудов становятся похожими на сито, и кровь может вытекать сквозь них). При лучевом поражении снижается также количество лейкоцитов. Все это в сочетании способствует развитию инфекционных осложнений.

При увеличении дозы радиации до 10–100 Гр организмы погибают на 3–5 сутки, то есть тогда, когда «костномозговой синдром», описанный выше, еще не успел развиться. Это происходит из-за того, что выходит из строя другой критический орган – кишечник. Он поражается и при меньших дозах, в диапазоне, когда гибель происходит из-за угнетения кроветворения, но тогда «синдром кишечника» не определяет исхода лучевой болезни, хотя и усугубляет ее тяжесть.

26

Тонкий кишечник имеет маленькие пальцеобразные выступы, называемые ворсинками. Каждая ворсинка окружена впадинами, называемыми криптами. На дне крипты находится клетка, которая производит внутренние (эпителиальные) клетки кишечника. Эти клетки медленно перемещаются вверх к выходу из крипты. Когда они добираются до поверхности, они уже полностью созревают и поднимаются дальше по ворсинке. Они защищают мелкие хрупкие капилляры, расположенные внутри ворсинки и пропускают к ним питательные вещества. Из-за трения проходящей пищи и перистальтических сокращений мышц стенки покровные клетки ресничек уносятся. На место этих клеток приходят новые из крипт.

Под действием радиации в самообновляющихся системах развиваются сходные процессы. В костном мозге проявляется временное прекращение клеточных делений, которое пропорционально дозе облучения. При этом происходит резкое опустошение костного мозга, так как процесс выхода зрелых клеток в кровь продолжается с прежней скоростью. Доля погибших клеток возрастает с ростом дозы, а восстановление клеточной массы костного мозга идет медленнее, и оно менее полноценно. В периферической крови сначала уменьшаются и исчезают самые короткоживущие формы – лейкоциты и тромбоциты, а количество долгоживущих эритроцитов снижается лишь к третьей неделе после облучения. Доза в несколько сотен бэр на кишечник может заставить клетки крипт также временно прекратить деление, как и в костном мозге. Зрелые покровные клетки кишечника при этом не пострадают. Через несколько часов эти клетки будут унесены, но взамен них новые клетки не придут. Это оголит реснички и откроет тонкую капиллярную сеть. Капилляры разорвутся, что позволит плазме крови вытекать в желудочно-кишечный тракт (ЖКТ). Произойдет процесс проникновения внутрикишечных бактерий прямо в кровоток через оголенные капилляры. Инфекция быстро распространяется по телу в то время, когда его иммунная система так сильно потрясена потерей лейкоцитов.

При дозах ниже 1000 бэр клетки крипт восстанавливаются примерно за неделю. Это позволяет перестроить реснички и закрыть капиллярную сеть. Особь выздоравливает. При дозах свыше 1000

27

бэр клетки крипт не выживают. В связи с невозможностью удалить тонкий кишечник хирургическим путем острое облучение тела дозой в 1000 бэр считается предельной для выживания.

Как отмечалось выше, процесс клеточного опустошения в кишечнике происходит быстрее, чем в костном мозге.

Рот и пищевод не радиочувствительны, как и все мышцы и соединительные ткани тела. Нужны значительные дозы, чтобы на них появились язвы. Желудок более чувствителен. При дозах в несколько сот бэр основные и пристеночные клетки понижают или прекращают полностью свою секреторную деятельность по выделению HCl и пепсина, которые помогают в пищеварении. В последующий период эти клетки опять возобновляют свою деятельность до нормального уровня. Толстый кишечник по чувствительности к облучению схож с желудком. Дозы свыше 1000 бэр приводят к образованию в нем язв.

Центральная нервная система (ЦНС) состоит в основном из нейронов. Замещение этих клеток в течение всей жизни не происходит. Эта система обычно вырабатывает и передает электрические сигналы, необходимые для сокращения сердечной мышцы при работе сердца и сокращения мышц диафрагмы при дыхании. При высоких дозах эти сигналы поступают с перебоями или прекращаются на время. Это приводит к смерти облученного индивидуума через несколько часов.

Репродуктивная система более радиоустойчива. Тем не менее, в соответствии с законом Бергонье–Трибонда производство сперматозоидов (молодых клеток спермы) у мужчин понижается или прекращается при низких дозах. Доза 250 бэр на гонады (половые органы) может привести к временной стерильности на период до года. Для полной стерильности необходима доза от 500–600 бэр. Доза 170 бэр на женские гонады приводит к стерильности на период 1–3 года. Полная стерильность наступает при дозе 300–600 бэр, в зависимости от возраста.

Таким образом, если говорить о радиочувствительности организма в целом, то она определяется чувствительностью к радиации клеток костного мозга и от их способности к восстановлению.

28

2. ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯ ДЕЛЕНИЯ ЯДЕР И НЕЙТРОННОЕ ПОЛЕ В ЯДЕРНОМ РЕАКТОРЕ

2.1. Ядерные реакции. Виды нейтронных реакций

Ядерными реакциями называется изменение ядра в результате взаимодействия между ядрами (или ядром и частицами), в том числе спонтанный распад ядра.

Стандартная запись ядерной реакции

105 B + 01n → 73 Li + 42 He

или

105 B (n,α) 73 Li

Все возможные пути протекания реакции называют выходными каналами реакции, для каждого случая указывают удельный выход реакции, связанный с вероятностью протекания реакции именно по данному пути (выходному каналу):

γ= число реакций данного i-го типа

iчисло всех возможных реакций 100% ,

маловероятно

реакции из 1000 заканчиваются подобным образом. Ядерные реакции подразделяются на:

- идущие с образованием промежуточного, составного или ком- паунд-ядра (боровский механизм – Н. Бор, 1936 г.). Реакция имеет резонансный характер и наиболее вероятна при такой энергии Е частицы, что в сумме с энергией связи Есв равна разности энергий возбужденного Е2 и основного Е1 уровня ядра-мишени:

Е + Есв = Е2 – Е1;

если энергия частицы не отвечает этому условию, то более вероятным становится потенциальное рассеяние без образования составного или компаунд-ядра;

- прямые взаимодействия (при больших энергиях бомбардирующих частиц или при их касательном проходе идет взаимодей-

29

ствие только с периферийными нуклонами ядра-мишени, потенциальное рассеяние).

Протекание той или иной ядерной реакции зависит от попадания нейтрона в сферу действия ядерных сил, связанную с эффективным микросечением реакции данного вида σ.

Эффективное микросечение реакции данного вида σ в силу сферической для ядра симметрии удара нейтроном – это площадь, ограниченная окружностью с ядром в центре, проходя внутри контура которой, единичный нейтрон вызывает реакцию данного вида (деление, радиационный захват и т.п.). Единицей измерения микросечения в системе СИ является м2, но чаще пользуются внесистемной единицей – барн: [σ] = 1 б = 10-24 см2. Величина микросечения зависит от энергии нейтрона и свойств ядра.

Микросечение образования составного ядра определяется дебройлевской длиной волны налетающего нейтрона, обратно пропорциональной его скорости λ = h/p = h/(mυ) (при ↓υ λ↑ и теоретически сечение образования составного ядра σ ~ λ↑ → ∞). Составное ядро образуется при определенном значении кинетической энергии нейтронов с ее отклонениями в пределах ширины уровня составного ядра Г. За пределами этого узкого интервала энергии составное ядро не образуется и длина волны нейтрона не играет никакой роли. Сечение при этом часто определяется геометрическим размером ядра πR2ядра ≈ 2 б, где радиус ядра с хорошей точностью Ra ≈1,21 10−13 (A)1/3[см] , где А – масса атома [а.е.м.]. В результате

зависимость сечения от энергии нейтрона приобретает резонансный характер.

Для нейтронов малых энергий для многих элементов сечение мало и лежит в пределах до 10 б (исключения есть, например, водород в несвязанном состоянии – 20 б). С ростом энергии нейтронов поперечные сечения несколько уменьшаются и стремятся к значению геометрического размера ядра πR2ядра ≈ 2 б.

В итоге, вероятность образования составного ядра S есть произведение вероятностей протекания трех следующих последовательных процессов:

1) вероятности А попадания нейтрона в сферу действия ядерных сил, связанную с эффективным микросечением реакции данного вида σ;

30