Хората - и всички останали организми на Земята - се възползват от ядреното лъчение по пряк начин, без да го осъзнават. Лесно е да забравим, докато се слънчеваме, че всичко започва с ядрени реакции, отделящи енергия дълбоко в слънцето.
Слънчевата светлина произхожда от ядрени реакции, радиоактивни вещества се намират в планините и морето, а по време на вулканична дейност значително количество радиоактивност се отделя в атмосферата. Въпреки това, никога не са наблюдавани сериозни последствия за хората. (Авторски права на изображението: Alasdair Turner)
Вътрешната топлина на Земята се причинява от лъчение от естествени радионуклиди. То допринася само с около 0,05 W/m2 към енергийния поток на ниво земя, малка част от средния слънчев енергиен поток от 240 W/m2, достигащ повърхността на Земята. Въпреки това тази вътрешна топлина поддържа части от ядрото на Земята в течно състояние, позволявайки движението на континентите (тектоника на плочите), което влияе върху еволюцията на живота.
Без ядрени реакции нямаше да съществуваме.
Когато Земята се е образувала, приблизително преди 4,5 милиарда години, нивото на лъчение е било около три пъти по-високо от днешното. Следователно лъчението само по себе си не убива живота. Това тълкуване се подкрепя от факта, че нивото на лъчение по целия свят варира значително, обикновено с коефициент 10, но в някои райони с коефициент повече от 100. Хората, живеещи в тези райони с повишено естествено лъчение, по-нездрави ли са от останалите, по-податливи ли са на инфекции или имат по-кратка продължителност на живота? Отговорът е не! Следователно нивото на естественото лъчение може да варира с порядък без видими последствия за хората.
Карта, показваща нивата на естествено лъчение на различни места по света (Авторски права на изображението: S. M. J. Mortazavi/Health Research Foundation, Kyoto, Japan):
Фактът, че сме нечувствителни към такива големи вариации на естественото фоново лъчение, казва ли ни нещо? Нека помислим малко.
Реагирате ли бавно, когато видите кола, движеща се към вас? Разбира се, че не, защото без бързата ви реакция животът ви би бил в опасност. Зрението ви и много бързото предаване на подходящи сигнали към мозъка ви са от изключително значение за оцеляването ви. Същото може да се каже за слуха, обонянието или вкуса ни (иначе можем например да ядем развалена храна и да се разболеем).
Когато температурата се промени с 20% от 300K (т.нар. "стайна температура"), ние сме изложени или на замразяване, или на прекомерна горещина. И двете застрашават живота ни, затова трябва да бъдем предупредени срещу такива вариации на температурата. Следователно еволюцията е снабдила човечеството със способността да усеща много малки промени на температурата, от порядъка на около 2 градуса, т.е. по-малко от 1% от стайната температура.
Нивото на естественото лъчение може да варира не с 20%, а с около 1000% и не влияе на живота ни. Защо не сме снабдени с усещане, настроено към ядреното лъчение? Фактът, че не усещаме това лъчение изобщо, може да е най-добрият показател, че при нормални условия ядреното лъчение като такова не е вредно. От друга страна, защо ядреното лъчение, само една форма на енергия, трябва да остане опасна в еволюционния процес, когато всички останали форми се използват в развитието на организмите?
Но може би естественото лъчение и изкуственото лъчение имат различно въздействие върху нас? Може би ако се пресече определено ниво (праг) на лъчение, лъчението започва да причинява щети, които не могат да бъдат толерирани от нашите организми? Отговорът на първия въпрос е прост: лъчението винаги действа по един и същ начин и резултатът зависи от вида на лъчението, неговата доза и времето на експозиция. Ефектите зависят и от възрастта, пола, общото здравословно състояние и т.н. Вторият въпрос е много по-труден за отговор.
Изучавайки ядрените реакции, които се случват естествено около нас, учените са успели да разработят технология, която използва тези процеси по начини, от които се възползваме.
Рентгеновите лъчи са най-често използваното йонизиращо лъчение в диагностиката. Те са използвани в медицината в рамките на година от случайното им откриване през 1896 г. от Конрад Рьонтген. Те се прилагат като изследователски инструмент, но и в терапията. Рентгеновите снимки позволяват на лекарите да видят какво се случва вътре в човешкото тяло, без да се налага да го отварят. При типичните рентгенови изследвания дозата на лъчение е твърде ниска, за да представлява какъвто и да е риск, но трябва да сме по-предпазливи при бременни жени, тъй като потенциалният риск за плода все още се обсъжда.
Ядреното лъчение при висока доза се използва при лечение на рак. В световен мащаб годишно се провеждат повече от 5 милиона такива лечения, помагайки на тежко болни хора. Множество диагностични процедури, около 30 милиона годишно, се извършват с използването на радиоактивни вещества. Ако добавим около 2 милиарда рентгенови диагностични изследвания, мащабът на използването на йонизиращо лъчение е доста впечатляващ.
Освен това, знаете ли, че всички хирургични интервенции, изискващи асептични условия, се възползват много от стерилизацията чрез облъчване на инструментите? Спринцовки, игли за инжекции, скалпели... цялото хирургично оборудване трябва да бъде напълно стерилно, за да не бъде пациентът изложен на опасни микроби.
А какво ще кажете за продуктите за ежедневна употреба? Използвате ли козметични кремове? Определено не бихте искали крем, който е опасен за кожата ви. Процесът на хигиенизиране на такива продукти преминава през облъчване на крема преди опаковането и продажбата му.Искаме ли храна, която трае по-дълго, или семена, произвеждащи по-богати реколти? Облъчването върши работата. Вместо химикали, облъчването елиминира заразни микроби (например салмонела) и в допълнение не замърсява храната като химикалите.
Опасните насекоми могат да бъдат bekämpft чрез облъчване на част от тяхната популация, за да бъдат стерилизирани. Тези насекоми могат да се смесват с необлъчени насекоми, но не могат да се размножават. Това поддържа числеността на популацията им на по-управляеми нива.Ако пиете мляко, вероятно трябва да знаете, че пластмасовите контейнери за опаковане на млякото най-вероятно са били облъчени с гама лъчи (самото мляко се обработва по различен начин).
Ядрените електроцентрали са друго много важно приложение на ядрените реакции. Традиционните електроцентрали - горящи въглища или нефт - произвеждат много смог, което е много вредно за околната среда. Те използват изкопаеми горива, които бързо се изчерпват и, освен това, добиването им от земната кора уврежда околната среда. Използването на ядрена енергия може значително да намали количеството на парниковите газове, отделяни в атмосферата, и е необходимо много по-малко гориво, за да се получи същото количество енергия.
В археологията ядрената технология се използва за датиране на артефакти (например чрез 14C). В изкуството може да се използва лъчение, за да се определи дали обектите са истински или фалшификати. Лъчението може да ни каже и химичния състав на неизвестно вещество: лъчението възбужда атомите в веществото и ги принуждава да излъчват електромагнитно лъчение, характерно за даден атом, и по този начин показва присъствието му.
Изображение вдясно: Акселераторна масспектрометрия в Университета в Оксфорд.Това са само няколко от практическите приложения на ядрените реакции, без да споменаваме приложенията в научните изследвания. Несъмнено човечеството се възползва много от ядреното лъчение.
Колкото и полезно да е ядреното лъчение, ние се страхуваме от него и имаме основателни причини за това. Всички знаем за травматичното преживяване с Хирошима и Нагасаки - двата японски града, атакувани с атомни оръжия. За изключително кратко време огромни части от градовете са унищожени и около 200 000 души са загинали. Някои от оцелелите са развили ракови заболявания, които вероятно нямаше да се появят без ядреното лъчение от бомбите. Само в Хирошима, между 1950 и 2000 г., 46% от смъртните случаи от левкемия и 11% от смъртните случаи поради солидни ракови заболявания са причинени от лъчението от бомбите.
Разбира се, в тези случаи ядрената технология е използвана умишлено като оръжие. Въпреки това понякога могат да се случват аварии в контролирани, "безопасни" условия. Аварията в Чернобил от април 1986 г. и катастрофата в Фукушима Дайичи от март 2011 г. са отрезвяващи примери.
Взрив в АЕЦ Фукушима Дайичи - 12 март 2011 г. (Източник на изображението: NTV/Reuters).Опасностите от ядрената технология са честа тема в медиите. Често четем, чуваме или гледаме плашещи новини за ядреното лъчение. Повечето от нас са учени, че ядреното лъчение е нещо, което трябва напълно да избягваме, а страхът от лъчение се засилва от факта, че не го виждаме, не го усещаме, не го помирисваме и не го чуваме. Но колко основателни са страховете ни в действителност? Трябва ли да се страхуваме или вече е станало ирационална фобия? Ние се възползваме от ядрената енергия по стотици начини и стандартите за сигурност на ядрените съоръжения и електроцентрали са много строги и добре поддържани. Авариите са много редки.
Когато обмисляме риска, свързан с йонизиращото лъчение, разумно е първо да помислим за рисковете, по-познати за нас. Почти всяка дейност носи определен риск, понякога дори смъртоносен.
Рисковете, които поемаме, зависят и от местата, на които работим. Работейки една година в търговия, срещате 10 микрориска, в завод - до 100, в транспортната индустрия - 400, в въгледобивна мина - 800 и на нефтена платформа в открито море - 1800.
Както видяхме, рискът е неизбежна част от ежедневната ни дейност. Въпреки това сме толкова свикнали с повечето рискови фактори, че обикновено не ги помним или просто приемаме риска. Понякога много хора правят неща, за които знаят, че са рискови, но избират да не ги вземат предвид. Например ограниченията за скорост са за безопасност, но много хора избират да превишават скоростта, дори знаейки, че е опасно.
Следователно може да е разумно да се вземе предвид и това, което можем да наречем приемлив риск. Това по дефиниция е много субективно понятие, тъй като различните хора ще имат различни мнения за това, което е приемливо. Ситуациите им ще променят мненията им. Понякога хора, живеещи далеч от ядрена електроцентрала, приемат риска, свързан с наличието на такава централа, докато живеещите близо до обекта може да не го приемат. Хората, работещи в централата, ще имат съвсем различна гледна точка, тъй като колкото по-близо е тя, толкова по-лесно е да се стигне до работа.
Трябва да сме наясно и с факта, че за широкото общество изчисленията на риска въз основа на определени статистически фактори никога не са напълно убедителни. Хората са по-малко заинтересовани от средните световни стойности, но от местната си безопасност. И в случай на ядрени инсталации и евентуална терористична атака - никакви изчисления не могат да бъдат наистина полезни. Всичко, което можем да кажем, е, че при нормални условия стандартите за безопасност в ядрената технология правят ядрения риск много по-малък от риска, свързан с всяка друга технология.
Парацелз, немски лекар и философ, живял през XVI век, докато изучавал ефектите на различни химикали върху здравето, стигнал до заключението, че дозата прави отровата.
При медицинските процедури, когато лъчението се използва за диагностични цели (като рентгенови снимки), дозата е ограничена до безопасно ниво, което все пак позволява добро изобразяване на органите ни. Въпреки това, в лъчетерапията единствената цел на лекаря е да се бори с рака и използваната доза може да бъде много висока, макар и насочена към тумора, така че не представлява сериозна опасност за здравите части на организма ни. Усложненията, появяващи се след такова лечение, не са редки, но в повечето случаи са лечими.
Ето таблица, показваща микрорисковете, свързани с някои медицински диагностични процедури:| Медицинска процедура |
Типична ефективна доза [mSv] |
Риск [микрориск] |
| Рентгеново изследване на крайник | 0.01 | <0.5 |
| Дентален рентген | 0.01 | <0.05 |
| Гръден рентген | 0.02/film | 1 |
| Рентген на глава | 0.07 | 3.5 |
| Томография на глава | 2 | 100 |
| Томография на гърди | 8 | 400 |
| Костна сцинтиграфия с Tc-99m | 4 | 200 |
| Динамични изследвания на сърцето с Tc-99m | 6 | 330 |
Както може да се види, сравнително високият риск от гръдна томография не е по-голям от риска от работа една година в транспортната индустрия. Използването на тези процедури значително надвишава всякакви възможни отрицателни ефекти в почти всички случаи и освен това лекарите обикновено ги използват само като крайна мярка.
| Величина | Единица | Определение | Бележки |
| Погълната доза (D) | грей (Gy) |
Енергията, погълната в средата от лъчението | 1 Gy = 1 J/kg |
| Еквивалентна доза (H) | зиверт (Sv) | H = Q × D, където D е погълнатата доза и Q е относителната биологична ефективност (ОБЕ). | Еквивалентната доза не може да се измери директно. Например ОБЕ е 1 за гама лъчение, 5-10 за неутрони и 20 за алфа лъчение. |
| Ефективна доза (E) | зиверт (Sv) | Сума от еквивалентните дози в всички определени тъкани и органи на тялото, претеглена по тъкан. | Взема предвид чувствителността към лъчение на различни телесни тъкани. 1 Sv = 1 J/kg |
| Активност | бекерел (Bq) | Брой разпадания в секунда | Тази единица е независима от вида на лъчението или неговата енергия. 1 Bq = 1 s-1 |
От изследвания на оцелели от Хирошима и Нагасаки се изчислява свръхрискът от развитие на рак на 5% на Sv. Въпреки това, предвид факта, че около 20% от смъртните случаи при хората се дължат на ракови заболявания, нормалният ни риск от заразяване с фатален рак вече е 200 000 микрориска. Това означава, че в популация от 10000 хора, облъчени с доза от 1 Sv, ще се появят 500 допълнителни случая на рак в добавка към 2000 ракови заболявания поради други причини.
Популациите, живеещи в райони с естествено високо лъчение, се изследват с цел оценка на ефектите от малки дози. Една хипотеза е, че неблагоприятните здравни ефекти от лъчението са линейно зависими от дозата, дори при най-ниски дози. Това е известно като Линейна хипотеза без праг (LNT). Нейното голямо предимство е простотата и лекотата при изчисляване на очакваните ефекти. Въпреки това, след аварията в Чернобил, оценката по LNT за броя на допълнителните ракови заболявания в САЩ поради ядрените отлагания от Чернобил е напълно погрешна и никога не са се появили допълнителни ракови заболявания поради това събитие в САЩ. Следователно, в регионите с ниска доза или факторът на риск от 5% на Sv е силно надценен, или като цяло хипотезата LNT трябва да бъде отхвърлена.Например, поглъщането на 100 таблетки парацетамол наведнъж вероятно би довело до смърт. Тогава, според хипотезата LNT, рисковият фактор, свързан с всяка таблетка, е 0,01. Означава ли това, че ако 100 души вземат само един парацетамол, един от тях ще умре? Това е малко вероятно, което предполага, че зависимостта в този случай е нелинейна.
Много вероятно е зависимостта ефект-доза също да бъде нелинейна.Ефектите от лъчение често се описват като стохастични или детерминистични ефекти. По-добро разделение би било на ранни и късни ефекти, но то не е конвенционалната терминология.
Детерминистичните ефекти са лесни за оценяване: когато дозата на лъчение надвишава определена прагова стойност, се появява неблагоприятен ефект (например изгаряния на кожата или некроза). Те предполагат високи дози и са сравнително редки. Стохастичните ефекти са следствие от чисто статистическо "попадение" на жива клетка от йонизираща частица (алфа, бета или гама) и образуването на опасни химични йони, известни като свободни радикали. Тези радикали атакуват ДНК и в резултат клетката може да започне да се дели и размножава по неправилен начин. С други думи, клетката може да мутира и да стане ракова клетка. Според това разсъждение дори и най-малката доза лъчение има шанс да бъде пагубна. И ако ефектите са статистически, тогава те могат да нарастват линейно с дозата.
| Детерминистични срещу стохастични модели | |
| При детерминистичните модели | изходът на модела е напълно определен от стойностите на параметрите и началните условия. |
| Стохастичните модели | притежават определена присъща случайност. Същите стойности на параметрите и начални условия ще доведат до ансамбъл от различни изходи. |
Въпреки това около 15000 частици преминават през телата ни всяка секунда. По време само на един медицински рентгенов преглед сме изложени на 1011 гама лъча. Тогава, въз основа на хипотезата LNT, шансът за злокачествена мутация трябва да бъде много, много нисък - около 1 частица на 30 000 000 000 000 000 (30 квадрилиона). За 70 години живот получаващият шанс да се разболее от рак поради това лъчение може да се оцени на само 1 на 900.
Имунната ни система ни предпазва ефективно срещу множество заболявания и чрез приемане на определени лекарства (например ваксини) знаем, че тя може да бъде активирана и да бъде готова за борба с врага, щом той се появи в тялото ни. При мишки, облъчени с относително малка доза до 200 mSv, нивото на антителата се е увеличило значително и е намаляло само след много големи дози. Всъщност мишките, облъчени с доза 0,5 - 1 Sv, са показали по-малък брой ракови заболявания от необлъчената популация мишки. Облъчването с ниска доза често се използва за лечение на рак, а високите дози лъчение, използвани в терапията на рака, се понасят по-добре, след като предварително са доставени ниски защитни дози.
Около един милион мутации се случват естествено във всяка клетка всеки ден! Около една десета от тях причиняват увреждане на двуверижната ДНК. За да оцелее, тялото ни има естествена система за поправка. Въпреки това, ако увреждането се случи много бързо и в голям мащаб, може да не е възможно да се поправи достатъчно бързо или задълбочено. Ето защо ефектите на йонизиращото лъчение зависят не само от дозата, но и от скоростта на дозата, което предполага нелинеен отговор.
Въпреки дългото изучаване на ефектите от лъчението, все още нямаме надежден рисков модел. В момента много рискови модели използват редица параметри, приспособени от експерименти, но чиято статистическа сила не е голяма. Следователно трябва да разчитаме и на здравия разум, произтичащ от наблюдение, а не от ненадеждни спекулации.
Това беше отговорът на хора, от които може да се очаква да са по-добре информирани, критични и с научна компетентност. Следователно какво можем да очакваме в случая с всички останали, чието мнение е оформено главно от масмедиите, а повечето медии обикновено преувеличават реалните рискове. Ето защо хората, често противящи се на ядрените електроцентрали поради проблеми с безопасността, ще смятат риска от използването на рентгенови лъчи за по-малък, отколкото действително е.
Това означава, че в популация от един милион хора, облъчени с доза от 1 Sv, се очакват 50000 допълнителни смъртни случая. Ако дозата се намали до 1 mSv, броят на смъртните случаи се намалява до 50, еквивалентно на 50 микрориска. Трябва да подчертаем, че последователността на нашето разсъждение изисква мигновено приложение на дозата, тъй като основата на LNT са ефектите от атомните взривове в Япония, настъпили за около 10-8 секунди.
Междувременно годишната доза от 1 mSv причинява реални икономически разходи. Оценката на Коен за разходите за хипотетично спасен живот поради такъв нисък праг на дозата се равнява на годишни разходи от 2,5 милиарда долара за американския данъкоплатец. Това може значително да се намали, ако пределът на дозата на лъчение бъде увеличен с коефициент 10, съответстващ на типичния световен диапазон на естественото ниво на лъчение.
Ние сме постоянно изложени на естествено ядрено лъчение, докато човечеството произвежда лъчение изкуствено с огромни ползи, но и с определени рискове. Ползите включват ядрена енергия, приложения в стерилизацията и медицинските процедури, помагащи за спасяването на милиони хора.
Надява се, че правителствата и общественото мнение за ядрената технология ще се развият, тъй като алтернативната енергия е много спешен проблем, а ядрената енергия е безспорно най-безопасният, най-чистият и най-ефективният начин за генериране на големи количества електричество. Ако решенията се вземат на чисто научна основа, без влиянието на политически или икономически фактори, съществува шанс, че в бъдеще ядреното лъчение ще бъде третирано на равна нога с другите рискове. Колкото по-високи са рисковете, толкова повече се страхуваме. Но колкото повече се страхуваме, толкова повече усилия трябва да се положат, за да разберем от какво се страхуваме и дали страховете ни са основателни.