A radonforrások és a kapcsolódó kockázat az expozíció és az adag szempontjából

Efstratios G. Vogiannis

1 Evyriki Modelliskola Smyrnából, Nea Smyrni, Görögország

Dimitrios Nikolopoulos

2 Számítástechnikai és Elektronikai Tanszék, Pireaus Technológiai Oktatási Intézet, Aigaleo, Görögország

Absztrakt

A radon a huszadik század elejétől kezdve a nemzetközi tudományos közösségre vonatkozik, kezdetben rádium-emanációként, majdnem a század második feleként az emberi egészséget jelentősen veszélyeztetve. Gyógyszerként való alkalmazásának kezdeti ragyogó időszakát az egészségre gyakorolt ​​hatásai miatt komoly aggodalmak követték. Az Európában, majd később az Egyesült Államokban működő bányászok voltak az elsődleges célcsoportok. Manapság konkrét bizonyíték van arra, hogy a radon és utódai tüdőrákot okozhatnak (1). Az emberi tevékenységek létrehozhatnak vagy módosíthatnak olyan utakat, amelyek növelik a beltéri radonkoncentrációt a kültéri háttérhez képest. Ezeket az útvonalakat megelőző és korrekciós intézkedésekkel lehet ellenőrizni (2). A beltéri radon és rövid életű utódai vagy aeroszolrészecskékre kötve, vagy szabadon alkotják a levegő keverékét, amely jelentős energiamennyiséget hordoz [Potenciális alfa-energia koncentráció (PAEC)]. Korábbi kutatások ebben a témakörben a PAEC-nek való kitettségre és az emberi test vagy szövetek által leadott dózisra összpontosítottak. Külön említést tettek a vízügyi dolgozók esetéről a nem megfelelő adatok miatt. Ezenkívül áttekintették a radon kockázatértékelését és az ember által a radonból és utódaiból leadott dózisra vonatkozó jogszabályokat is.

Bevezetés

A természetben előforduló radioaktív anyagok (NORM) az emberi sugárzási környezetben vannak jelen. Az elmúlt években jelentős figyelmet fordítottak a radonra, amely természetes, színtelen, szagtalan és ízetlen radioaktív nemesgáz. Három a természetben előforduló fő radon, 222 Rn, 220 Rn és 219 Rn izotóp. 222 Rn a 226 Ra közvetlen leszármazottja. Mindketten az urán (4n + 2) sorozat tagjai. A 220 Rn tóron (Tn) néven is ismert, mert a tórium (4n) sorozat tagja. Minden radon izotóp NORM. A légköri tengerszint feletti radioaktivitás legnagyobb része azonban 220 Rn-nek, és főleg 222 Rn-nek tulajdonítható. 222 Az Rn jelentősége annak köszönhető, hogy nagy a tömege (99,27%), összehasonlítva az összes radon izotóp teljes természetes keverékével. Ezért a „radon” kifejezés főleg a 222 Rn-t azonosítja, és ez az ezt követő konvenció. A radon (222 Rn) elsősorban a talajból szabadul fel, és körülbelül 10% -a a légkörbe kerül (3, 4).

218 Po, 214 Pb és 214 Bi a radon sugárterhelés szempontjából legjelentősebb utódai. A radon és az utódok komplex fizikai jelenségeken keresztül beltéren lépnek kapcsolatba az aeroszol részecskékkel. Ezek zárt térben belélegezhető radioaktív keveréket eredményeznek. A radon utódok kétféle formában jelennek meg; aeroszol részecskékre rögzítve és nem rögzítve. A radon utódok aktivitásának legnagyobb része kis átmérőjű, 0,006 és 0,2 mm közötti részecskékkel társul, átlagos átmérőjük körülbelül 0,025 mm. A radon utódok kis része, jellemzően 0,1 vagy annál kevesebb, továbbra sem kötődik és dinamikus egyensúlyban van a hozzá kapcsolódó részecskékkel. Általában a porosabb atmoszférához a csatolatlan frakció kisebb értéke és a radon magasabb koncentrációja társul a por további sugárzása miatt. A levegőben lévő radon utódok gravitáció és más folyamatok útján leülepednek a földön (3). Néhány felerősített részecske a felületeken leválik (3).

Történelmi szempontok

A radon belégzésének gyakorlata napjainkban is folytatódik. Számos magas radonszintű radont tartalmazó bánya továbbra is hozzáférhető a nyilvánosság számára. Számos ilyen található Montana – USA-ban, Csehszlovákiában, Japánban, Lengyelországban és az Orosz Nemzetközösségben. Több fürdőközpont is működik. Figyelemre méltó példa az ausztriai Badgastein fürdője, amelyben a földalatti kamrák emeletes ággyal és kísérőkkel vannak ellátva az ügyfelek gondozására (6).

Beltéri radon

Talaj-kőzet szemcsékben történő keletkezése után a radon részben felszabadul. Az emanált radon a meglévő pórustérben halad és rövid vagy hosszú távolságokra vándorol. Ezt követően házcsöveken keresztül (pl. Víz és földgáz esetében) vagy építőanyagokból kerülhet az épületszerkezetekbe. Ezen utak relatív fontossága a körülményektől függ; a talajbevitel a legjelentősebb (9).

Radon az épületekben és a munkahelyeken

A radon gáz lehetséges belépési pontjait a lakásokba az 1. ábra szemlélteti. 1. Az épület radon tömegmérlegének megértéséhez különféle források különös figyelembevételére van szükség. Az amerikai családi házak medián (vagy GM) belépési aránya 20 Bq m −3 h −1 közelében van. Az egyesült államokbeli betonokból származó emanációs sebesség mérései alapján a várható emissziónak körülbelül 2-3 Bq m −3 h −1-nek kell lennie jóval alacsonyabbnak a megfigyelt sebességnél (10 Másrészt a csillapítatlan talajáramlás potenciális hozzájárulása 25 Bq m −3 h −1 mediánnal szorosan megfelel a szokásos beltéri megfigyeléseknek (11). A házak azonban olyan szerkezetekkel rendelkeznek, amelyek megakadályozzák a radon bejutását, legalábbis a diffúzió révén, amely a fő bejárati mechanizmus. Az épületépítés ennek ellenére messze a radon bejáratának legfőbb oka. Amint azt az 1., 1. ábra szemlélteti, a talaj a fő forrása a radon bejáratának az épületekben.

kockázat

Radon fő belépési pontjai egy otthonba. A, betonlapok repedései; B, tégla furnérfalak mögötti terek, amelyek üreges tömb alapon nyugszanak; C, pórusok és repedések betontömbökben; D, padló-fal ízületek; E, kitett talaj, mint az olajteknőben; F, síró (lefolyó) csempe, ha leeresztik az olajteknőre; G, habarcs ízületek; J, építőanyagok, például kőzet; K, víz (egyes kutakból). Reprodukálva a Ref. (12).

A radon mint egészségügyi veszély

Történelmi szempontok

A radon káros egészségügyi hatásait a XV. Század óta figyelték meg. Abban az időben egy Georgius Agricola (1494–1555) nevű német orvos megjegyezte, hogy a bányászok magas halálozásban szenvednek tüdőbetegségek miatt (8). Paracelsus (1493–1541) több mint 10 évig vizsgálta a kelet-európai Erz-hegység számos földalatti bányászában fellépő tüdőbetegségeket. Kutatási eredményei azt mutatták, hogy a halálesetek legfőbb oka a por és a gázok jelenléte volt a bányákban (8). Később az „Erz Mountain tüdőbetegséget” tüdőrákként azonosították. Harting és Hess 1879-ben megállapították, hogy Németország és Csehszlovákia uránbányászainak körülbelül 75% -a váratlanul elhunyt (13). Később Margaret Uhlig azt javasolta, hogy a tüdőrák másik lehetséges oka a rádium emanáció (14). 1924 és 1932 között feltételezték, hogy a radon-expozíció magas arányú tüdőrákot okozott a csecsenszlovákiai Joachimstal és a németországi Schneeberg bányászai körében (8). Pirchan és Sikl 1932-ben arra a következtetésre jutottak, hogy a rádium emanáció tüdődaganatokat okoz a jachymovi bányászok körében (8). A halálesetek több mint fele tüdőrákból származik, és a legtöbb a bányászoknál következett be, mielőtt elérték 50 éves korukat (8.

Tanulmányok földalatti bányászokról

A radon és az utódok által okozott sugárzási dózis a koncentrációtól, a szemcseméret-eloszlástól, a légzőszervi lerakódástól és a tüdő clearance-től függ. A sugárzás dózisát befolyásoló egyéb fontos paraméterek a tüdő morfometriája és a légzési jellemzők. A radon koncentrációjának mérése azonban csak az expozíció felső határának becsléséhez megfelelő. A radonból és utódaiból leadott sugárzási dózis megbízható mérésekor figyelembe kell venni, hogy a beltéri különféle levegőviszonyok okozta radon utódkoncentrációk lehetséges eltéréseit. Bár a radon és az utódok közötti tipikus egyensúlyi arány 0,4 és 0,5 közötti tartomány, a felső és a felső véglet megtalálható (21). Mindazonáltal előnyös a radon mérése, mivel az egyszerű és költséghatékony. Globálisan a radont tekinthetjük a legtöbb méréshez kapcsolódó radioaktív szennyező anyagnak. Csak az Egyesült Államokban évente körülbelül egymillió beltéri radonmérést végeznek (16, 22–26).

Radon és bomlástermékeinek való kitettség

A radon és az utódok zárt térben halmozódnak fel. Radioaktív tulajdonságaik miatt a beltéri levegő sugárzó keverékké válik, jelentős mennyiségű alfa-részecske energiával. Mivel a környezeti alfa-energia jelentős paraméter a tüdőbe rakódott energia értékelésében, eddig különböző fizikai mennyiségeket vezettek be [lásd pl. (9)] a kapcsolódó paraméterek becslése érdekében. Ezen mennyiségek egy részét az alábbiakban határozzuk meg.

Az egyensúlyi ekvivalens bomlástermék-koncentrációt (EEDC) a következőképpen határozzuk meg:

ahol C1, C2 és C3 a 218 Po, 214 Pb és 214 Bi koncentrációja. Kiszámítja annak az ideális keveréknek a koncentrációját, amelyben a radon radioaktív egyensúlyban van utódaival.

A potenciális alfa-energia-koncentráció (PAEC) leírja a környezeti radon és az utódok által hordozott energia-koncentrációt, és a következő képlettel számítható:

Az x felső index azt a formát jelöli, amelyen utódok találhatók, azaz x = a utódokhoz csatolt formában, és x = u utódokhoz csatolatlan formában (27). A PAEC különbséget tesz a kötődő és a nem kapcsolt utódok között.

Az fp = cp u ∕ (cp a + cp u) csatolatlan frakció azonosítja a szövetek által a csatolatlan radon utódokból leadott energia hányadát. A csatolatlan frakció (fp) 0,5–5 nm-es nagyságú ultrafinom részecskéket vagy klasztereket tartalmaz (28, 29).

A levegőben szállított alfaenergia teljes mennyiségét munkaszinten (WL) mérjük. 1 WL megegyezik 2,0810 −5 J m −3 összes energiamennyiséggel, amely minden utódból sugárzott.

A radon és utódai közötti radioaktív egyensúly átlagos állapotát az egyensúlyi tényező (F) írja le. Az F-faktor az összes PAEC/55,9210-10 C0 aránya, ahol C0 a környezeti levegőben lévő radonkoncentráció. Az F-tényező a levegőben lévő radon utódokból átvitt energiát jelzi az átadható maximális potenciális energiához viszonyítva. Az F-faktor a belső tér jellemzőitől függően változtatható tényező. Jól leírja a rendszer dinamikáját. Például, ha a radon gyorsan bejut egy térbe, akkor az F jelentősen csökken addig az időig, amíg a radon és az utód közötti egyensúly nem érhető el, ahol az F visszatér a beltérben elfogadott szokásos 0,4 értékre.

Az expozíció kiszámítása a következőképpen történik:

Az expozíció mértéke joule köbméterenként, de a munkahelyi expozíció mérésére a legpraktikusabb mértékegység a WL Month WLM. 1 WLM egyenlő 1WL × 173 h, mert a havi munkaidő 173 óra.

A radon miatt kapott adag

A teljes PAEC kiszámítása után kísérleti mérések alapján megbecsülhető bizonyos szövetekben vagy az egész testben a radonnak való kitettség. Másrészt az effektív dózist kiszámítják a Dose Conversion Factor (DCF) (30–34) megfelelő alkalmazásával. A DCF meghatározása egy nagyon bonyolult folyamat, amely két különböző közelítéssel fut, amint az alábbiakban kifejtjük.

Epidemiológiai megközelítés

Számos epidemiológiai vizsgálat eredményeit követően eddig különböző DCF-ekre tettek javaslatot. Az ENSZ Atomsugárzás Hatásainak Tudományos Bizottsága (35) 0,17 nSv/Bq h m −3 DCF-t javasolt a 222 Rn-nek és 9 nSv/Bq h m −3-nak az EEDC222-nek való kitettség tekintetében. Az ICRP 65 4 mSv/WLM DCF-t javasolt a beltéri expozícióhoz, és 5 mSv/WLM DCF-et munkahelyi expozícióhoz. Mindkét DCF nem veszi figyelembe a szabad utódok által hordozott energiafrakciót (1).

Dozimetrikus megközelítés

E megközelítés szerint különféle DCF-eket becsülnek in vitro az emberi légúti modellek alapján. Figyelembe lehet venni számos környezeti és személyes tényező pontos kiszámításának módját. Nagy jelentőségű tényezők az aeroszol eloszlása ​​a környezeti levegőbe (36), a belégzési sebesség és a tüdő mérete. Emberi légúti modellt mutatott be az ICRP 66. sz. Jelentése.

A hörgőszövetekbe juttatott dózist (DB) a következőképpen határozzák meg:

ahol a Du és a Dα az expozíció egységre jutó dózis értéke, mind a nem csatolt, mind a csatolt frakcióból (37). A DB-t jelentősen befolyásolják az fp variációi. Mivel az aeroszol méreteloszlás jelentősen befolyásolja az fp (29) értéket, a Dα az aeroszol méretétől és következésképpen a környezeti levegő körülményeitől függ. A Du általában egy nagyságrenddel alacsonyabb, mint a Da.

Járványtan

A Nemzetközi Rákkutató Ügynökség (IARC) 1988-ban a földalatti bányászok epidemiológiai vizsgálatai alapján a radont A-szintű emberi tüdőrákos anyagnak minősítette. Ezzel párhuzamosan számos nagyszabású lakossági epidemiológiai tanulmány indult annak érdekében, hogy megvizsgálják azokat a tényezőket, amelyek befolyásolhatják a lakossági radon miatti dózis-válasz összefüggést. Néhány elemzés egyesített elemzést tartalmazott. Különböző esettanulmány-vizsgálatok: (a) személyes interjúkat folytattak tüdőrákos betegek és kórházi kontrollok esetén egyaránt, vagy (b) kérdőíveket használtak a tüdőrák kockázatának elemzésére a dohányfogyasztáshoz igazított hazai radon-expozíció vonatkozásában. 2000 óta számos közös elemzési tanulmány jelent meg, amelyek integrálják az esetek és kontrollok alapvető egyéni adatait, és standard módszereket alkalmaznak a kiválasztási kritériumok és a statisztikai elemzések meghatározásában. Ezek a vizsgálatok azt mutatták, hogy lineáris összefüggés van a tüdőrák kockázata és a kumulatív radon expozíció között. Az azonosított késleltetési periódus 30 és 35 év között van. A lineáris expozíció – válasz összefüggés meredeksége 1,08 és 1,13/100 Bq/m 3 között mozog .

Az aeroszol méreteloszlás leírható a három modális fázis összegeként, vagy szigorúbban három független log-normális eloszlás összegeként (38). A Porstendörfer (29) hárommodális aeroszolos fázisai: (1) nukleációs mód vagy n-mód aritmetikai átlagátmérővel (AMD) 30–40 nm; (2) akkumulációs mód vagy a-mód AMD 250–450 nm-mel; és (3) durva mód vagy c-mód AMD 2000–6000 nm-mel. Porstendörfer (28) szerint a DCF értékek 6 és 39 mSv/WLM között mozogtak. Porstendörfer (29) adatokat gyűjtött és jelentett az aeroszolrészecskék eloszlásáról a sok rezidencián és munkahelyen végzett mérésekből (ábra (2. ábra) 2), valamint a kültéri levegőből. A beltéri és a kültéri levegő esetében Porstendörfer összefüggéseket ábrázolt a DCF és az fp faktor között (ábra (3. ábra).

A dóziskonverziós tényező (DCF) a nem kapcsolódó radon utódcsoportok függvényében különböző aeroszolos körülmények között működő munkahelyeken. A Porstendörfer által közölt adatokból reprodukálva (29).

A dóziskonverziós tényező (DCF) a csatolatlan radon utódcsoportok függvényében beltéri és kültéri levegőben. A wBB, a wbb és a wAl a mellkasi tüdő hörgő, hörgő és alveoláris régióinak relatív rákérzékenységi eloszlása, illetve v = inhalációs sebesség. A Porstendörfer által közölt adatokból reprodukálva (29).

A munkavállalók expozíciója és dózisa

Bányászoknak

A bányászok különféle kohorszai körében végzett kombinált elemzési epidemiológiai vizsgálatok eredményei azt mutatták, hogy a túlzott relatív kockázat 0,49–1,6/100 WLM. A kohorszok néhány jellemzője magyarázhatja a relatív kockázat változásait, beleértve a nyomon követés időtartamát, az elért életkort, a munka időtartamát, az expozíciós szintet és a tüdőrák hátterét (39).

Vízmunkásoknak