Transcript SWH_4.6_Shafirkin
Slide 1
Суммарный радиационный риск в течение жизни
космонавтов после осуществления межпланетных
и орбитальных космических полетов
Шафиркин А.В.
Государственный научный центр РФ – Институт медикобиологических проблем РАН, Москва, Россия
«Влияние космической погоды на человека в космосе и на Земле»
Международная конференция
Институт космических исследований РАН, Москва, Россия
4-8 июня 2012
Slide 2
Slide 3
Нами в рамках работ по программе Президиума РАН в 20052007 гг. рассмотрены результаты хронических экспериментов и
данные длительных эпидемиологических наблюдений состояния
здоровья
профессиональных
групп
и
населения,
подвергающихся хроническому воздействию ряда факторов
таких как: ионизирующие излучения (ИИ), электромагнитные
поля радиочастот (ЭМП РЧ) низкой нетепловой интенсивности.
Оценена опасность химического загрязнения окружающей
среды и длительного социального стресса.
Проведено
сопоставление
рисков
воздействия
рассматриваемых факторов различной интенсивности
и
оценено их влияние на состояние здоровья населения России.
Подтверждено положение Г.Селье о неспецифической
реакции организма при длительном действии различных
стрессорных факторов, когда после начальной активации
нейроэндокринной регуляции затем наступает значительное
истощение компенсаторных возможностей и функциональных
резервов организма.
Slide 4
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ –
ИНСТИТУТ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИХ
ПРОБЛЕМ РАН
ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ
МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ
ИМ. Н.Н. БУРДЕНКО
А.В. Шафиркин, А.С. Штемберг,
И.Э. Есауленко, В.И. Попов
ЭКОЛОГИЯ, СОЦИАЛЬНЫЙ СТРЕСС,
ЗДОРОВЬЕ НАСЕЛЕНИЯ И
ДЕМОГРАФИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ РОССИИ
ВОРОНЕЖ – 2009
Slide 5
В ГОСТе 25645.201-83 «Безопасность радиационная экипажа
космического аппарата в космическом полете работе. Термины и
определения» для приведения сложного характера облучения в
космическом пространстве к условиям стандартного радиационного
воздействия при расчетах радиационного риска для космонавтов введено
понятие обобщенной дозы Н.
Алгоритм ее вычисления записывается в виде:
__
Н[Зв] = D[Гр] КК КВ КР •••,
где _
D -среднетканевая поглощенная доза;
КК -коэффициент качества излучения, определяемый на основе
регламентированной его зависимости от ЛПЭ;
КВ -коэффициент временной неравномерности
радиационного
воздействия, учитывающий влияние мощности дозы и характера
распределения дозы во времени на радиобиологический эффект.
КР -коэффициент равноценности радиационного воздействия,
учитывающий макропространственное распределение поглощенных доз
по телу и приводящий эффекты неравномерного облучения к условиям
равномерного радиационного воздействия.
Slide 6
Поскольку выход непосредственных, ближайших радиационных
эффектов в процессе осуществления полета с одной стороны, а также
возможных неблагоприятных отдаленных последствий с другой стороны
связан с формированием патологии в существенно различных
критических системах организма, отличающихся временем развития
поражения, его локализацией, скоростью протекания восстановительных
процессов, значение обобщенной дозы следует вычислять отдельно на
основе своего набора коэффициентов соответственно для ближайших
эффектов НБ и отдаленных последствий НО :
n _
НБ = ( Di ККБi КВБi КРБi ) КМБ
i=1
n _
НО = ( Di ККОi КВОi КРОi ) КМО
i=1
Этот новый дозиметрический функционал позволяет осуществить
переход от сложного характера облучения в условиях космического
пространства к условиям стандартного радиационного воздействия.
Slide 7
Зависимость ОБЭ излучений от
линейной передачи энергии (ЛПЭ)
ОБЭ, отн. ед.
25
МКРЗ 26
20
ГОСТ
25645.218-90
Поражение
ЖКТ
Поражение
кроветворения
ХА лимф.чел.
15
10
ХА эпит. хруст.
5
0
1
10
100
ЛПЭ, кэВ/мкм
1000
Slide 8
Эффективность радиационного воздействия в
зависимости от мощности дозы в %
Эффективность в %
100
МЛЖ
Крупные
млекопитающие
10
0,01
0,1
1
10
100
Мощность дозы, Гр/сут
1000
Slide 9
Рис. 4.5. Относительное снижение эффективности протяженных радиационных воздействий
излучений с низкими значениями ЛПЭ с уменьшением мощности дозы при длительностях
облучения более 5-10 суток
Slide 10
Радиационный риск длительных космических полетов
Программа полетов к Марсу и разработка конструкции
Марсианского корабля проводились в КБ С.П. Королева в начале 60-х
годов параллельно с первыми пилотируемыми полетами.
Проработки некоторых вариантов показали, что если использовать
двигательный комплекс, состоящий из модулей большой и малой тяг и
включающий жидкостной реактивный двигатель (ЖРД) и ядерноэнергетическую двигательная установку (ЯЭРДУ), то можно
значительно сократить время пребывания в РПЗ и продолжительность
всей экспедиции до 615 суток.
В этом случае радиационную опасность для экипажа в основном
представляют ГКЛ и СКЛ. Протоны и электроны РПЗ перестают
представлять существенную опасность ввиду быстрого пересечения
марсианским кораблем РПЗ.
Обобщенная доза от ГКЛ определялась на основе значений
мощности среднекостномозговой дозы или близкого к ней значения
среднетканевой дозы.
_
__
DКМ
-t
DГКЛ
-t
ГКЛ
НБ = ________ (1-e
) ___________ (1 - e )
- постоянная восстановления на уровне организма, равная 0,02
1/сут .
Slide 11
При рассмотрении конкретной защиты космического аппарата (КА) для расчетов
доз использовали представленные в литературе зависимости мощности
среднетканевой эквивалентной дозы ГКЛ для шарового фантома,
представляющего стандартизованную модель тела человека, от толщины
защиты для периодов максимума и минимума СА.
Для периода максимума и минимума СА выражение для мощности
среднетканевой эквивалентной дозы (сЗв/сут) в зависимости от толщины
защиты Х космического аппарата из алюминия (г/см2) имеет вид:
_
DГКЛ = 1 / 365 [5 exp(-X / 6.45) + 24 exp (-X / 85.5)]
-максимум СА
_
DГКЛ = 1 / 365 [41.5 exp(-X / 2.8) + 48 exp (-X / 85.5)]
-минимум СА
Галактическое космическое излучение характеризуется относительно жестким
спектром. Оно слабо ослабляется с толщиной защиты, Как это следует из
представленных уравнений дозы за год для периода минимума СА оказываются
достаточно высокими и в 2 – 2, 5 раза превышают величины доз для периода
максимума СА. Поэтому реальный полет к Марсу планируется проводить
именно в период максимума СА. При этом вес физической защиты марсианского
корабля будет существенно меньшим и в большей степени связан с системами
жизнеобеспечения.
Степень опасности воздействия СКЛ можно представить на основе расчетов
локальных эквивалентных доз за различными толщинами защиты от ряда СПС
19-22 солнечного цикла, а также среднетканевых эквивалентных доз, которые
представлены в таблице 4.
Slide 12
Л ок ал ь н ы е и ср едн етк ан ев ая эк в и вал ен тн ы е дозы от и н тен си в н ы х С П С 19-22
сол н еч н ы х ц и к л ов за р азл и ч н ы м и тол щ и н ам и защ и ты , сЗв
Д ата
СПС
23.02.
1956
31.08.
1956
16.07.
1959
12.11.
1960
04.08.
1972
07.08.
1972
19.10.
1989
2
С р едн етк ан ев ая
доза
(ш ар овой
ф ан том )
61
Х ар ак тер и сти к а
Т ол щ и н а защ и ты и з ал ю м и н и я , г/см
СПС
Ж ест- Ф л ю ен с 0,5
1
3
5
10
20
к ость ,
МВ
9
196
10
750
443
186
120
62
33
144
2,5 10
7
25
13,9
5,0
2,9
1,3
0,8
1,7
106
9,1 10
8
1360
680
187
94
33
10,3
51
124
10
1200
645
204
111
44
16,5
60
85
7,8 10
9
15500
6800
1560
700
200
51
458
54
4,0 10
8
1600
540
67
19,4
3,6
0,4
17
66
2,3 10
9
7000
2590
420
156
34
5,7
113
9
Slide 13
Выживаемость,
пробиты
Из литературных данных установлено,
что зависимость вероятности гибели в
пробитах от дозы острого
кратковременного облучения в ближайшие
60 суток после облучения может быть
записана в виде:
y1 = 1,8 + 0,97 10-2 НБ,
где НБ – обобщенная доза, сЗв,
а y1 – пробит – смещенное на 5 единиц
значение верхнего предела интеграла
вероятности (y1 = х +5 ).
Таким образом, дозы облучения,
приводящие к 1%, 10%, 50 % и 90 %
гибели относительно здоровых мужчин,
составляют 90, 200, 330 и 460 сЗв
соответственно.
Вероятность выживания в пробитах от
дозы острого облучения будет
определяться на основе выражения :
y = 8,2 - 0,97 10-2 НБ.
На рис. 16 представлены кривые
вероятности выживания в пробитах для
человека в зависимости от дозы острого
кратковременного облучения.
Выживаемость мужчин при равномерном
облучении в различных дозах
9
8
7
6
5
4
3
2
1
Langham,1967
НКДАР,1988
Козлова,1956
Раевский,1959
Бонд,1974
Расчет
0
100
200
300
400
Поглощенная доза, сГр
500
Рис.16 Зависимость выживаемости
мужчин в ближайшем периоде от
дозы при равномерном остром
облучении. Пунктиром представлена
кривая для больных людей,
облучавшихся в клинике с
терапевтической целью
Slide 14
В
каждой из разыгрываемых методом
Монте-Карло историй межпланетного
полета исследуемой продолжительности
выбирали максимальные значения
обобщенных доз и определяли риск
смертности для отдельных периодов по
60 суток и для всей длительности полета.
Затем рассчитывали среднее значение
риска на основе 104 историй.
Slide 15
Демографический и радиационный риск для космонавтов в возрасте 40 лет в процессе
межпланетного полета за различной толщиной защиты радиационного убежища
(максимум СА, Хбо=1г/см2)
0,04
Р(дем-40)
Хру=1г/см2
Хру=5г/см2
Хру=10г/см2
Хру=20г/см2
Хру=50г/см2
Риск, отн. ед.
0,035
0,03
0,025
0,02
0,015
0,01
0,005
0
0
5
10
15
20
25
Длительность полета, мес.
30
35
40
Slide 16
Радиационный риск в процессе полета, как и
демографический риск, существенно возрастают с
увеличением возраста космонавтов. Эти риски для
50-ти летнего космонавта более, чем в 3 раза
превышают риски для 30-ти летнего.
Rrad(Т0) = Rrad(40) exp [0,062 (T0 –40)]
Однако, следует отметить, что отношение
радиационного риска к демографическому не
зависит от возраста космонавтов и длительности
полета, а зависит только от толщины
радиационного убежища.
Slide 17
К обоснованию суммарного радиационного
риска для космонавтов в течение всей их жизни
Кратко материалы 14-летнего эксперимента
на большой партии собак, облучавшихся
непрерывно от 3 до 6 лет в режиме,
моделирующем радиационное воздействие на
космонавтов от ГКЛ, и подвергавшихся
каждые 4 месяца суточному облучению,
моделирующему распределенное воздействие
протонов СКЛ.
Slide 18
Slide 19
dN клеток в ед. объема
крови х 1000
Костномозговой резерв гранулоцитов (КМРГ) у
собак в процессе облучения с различной
мощностью дозы
8
7
6
5
62 сЗв/год
4
125 сЗв/год
188 сЗв/год
3
Контроль
2
0
10
20
30
40
50
60
Срок от начала облучения, месяцы
70
80
Slide 20
Slide 21
Отдаленные нарушения по результатам 14-летнего ХЭ на собаках при
моделировании дозовых нагрузок на космонавтов при полете на Марс
-через 2 гола от начала облучения после первоначальной активации
адаптационных процессов и значительного напряжения регуляторных систем
наблюдали выраженные морфологические изменения в коре головного мозга,
в частности в гипоталамусе и гипофизе, отмечали нарушения
нейроэндокринной регуляции, резкое снижение гормональной активности;
-несколько позже отмечали нарушения в системе кровообращения,
обусловленные в частности склеротическими изменениями сосудов сердца,
легких, печени, и почек, что нарушало кровообращение ведущих органов и
систем;
-выявлены нарушения терморегуляции и выраженное снижение физической
работоспособности собак.
Все это свидетельствовало о значительном ускорении процессов старения
животных, что подтверждают данные о заметном сокращении
продолжительности их жизни.
Серьезное снижение резервов организма, зависимое от мощности дозы и
длительности облучения, выразилось в значительном снижении скорости
восстановления поражения, как в системе кроветворения и сперматогенеза,
так и в восстановлении показателей ССС после применения физической
нагрузки.
Slide 22
Slide 23
Наблюдаемое в экспериментах
с протяженным
облучением животных со сравнительно большими
значениями мощностей доз и при повторных острых
воздействиях
радиации
снижение
скорости
восстановления радиационного поражения связывалось
нами со снижением компенсаторных резервов организма.
На основе этого постулата была разработана также
модель
радиационной
скорости
смертности
млекопитающих,
позволяющая
описать
характер
трансформации зависимости коэффициентов смертности
животных от их возраста, наблюдаемый в экспериментах
с острыми и хроническими облучениями.
Slide 24
Резервы организма и коэффициенты смертности от
возраста
Суммарный объем компенсаторных резервов
организма человека от возраста (отн. ед.)
в ряде стран (1990-1994гг)
Зависимость коэффициентов смертности от
возраста для мужского населения ряда стран
1
Япония
СЭВ
Россия
1000
0,1
Коэффициент смертности
Суммарный объем резервов организма, отн.ед.
10000
100
0,01
Япония,1991
Яп(расч)
Россия(расч)
0,001
Страны СЭВ(расч)
Страны СЭВ
10
Россия,1990
Россия,1994
0,0001
0
1
10
20
30
40
50
60
Возраст, годы
0
10 20
30
40
50 60
Возраст, годы
70
80 90
10
0
70
80
90
100
Slide 25
Закономерности изменения суммарного объема
компенсаторных резервов организма и
коэффициентов смертности в зависимости от возраста
для возрастов, превышающих 25 лет
Slide 26
к
к
Коэффициенты смертности
мышей от их возраста после
острого облучения в различных
дозах 1/сут
0,01
Коэффициенты
смертности
0,001
0,0001
Контроль
1 Гр
3 Гр
5 Гр
0,00001
100
300
500
700
Возраст мышей, сут
900
Slide 27
Коэффициенты смертности,
1/сут
Коэффициенты смертности мышей от возраста при их
облучении с различной мощностью дозы
0,1
0-0,3
сГр/сут
1,3
2,6
0,01
6
12
24
0,001
0,0001
100
32
56
300
500
700
900
Возраст мышей, сут.
1100
Slide 28
Алгоритм расчета суммарного радиационного риска в течение жизни космонавтов
и оценки возможного сокращения продолжительности жизни в результате
радиационного воздействия в межпланетном космическом полете
Функция дожития, обычно используемая в демографии для когорты в возрасте
t и определяющая вероятность дожить к какому-то возрасту Т, обычно
представляется следующим уравнением:
T
V(T) = exp {- µ()d}=exp{-[µ(t)/0]·[exp{0(T-t)}-1]}
t
Следующее уравнение относится для людей в случае радиационного
воздействия в обобщенной дозе Н. Оно в соответствии с моделью радиационной
скорости смертности, рассмотренной выше, отличается множителем eхр(ВН0).
T
Vrad (T) = exp {-µrad () d}= exp{-[µ(t)/0] exp(BH0) [exp{0(T-t)}-1]},
t
где µrad () = µ() eхр (ВН0).
Коэффициент В установлен на основе представленных в литературе
радиобиологических данных и составляет 0,36 1/Зв.
Суммарный радиационный риск в течение всей жизни космонавтов к
возрасту Т=70 лет равен разности функций дожития R= V(T) - Vrad (T), а
сокращение средней предстоящей продолжительности жизни (СППЖ) можно
вычислить на основе уравнения:
_ _
∞
∞
ΔT = T – Trad = ∫ V()d - ∫ Vrad()d
t
t
Slide 29
На рис. 18 и 19 представлены расчетные значения суммарного радиационного риска
для космонавтов к возрасту 70 лет и сокращения продолжительности предстоящей жизни
после завершения межпланетного полета различной продолжительности в период
максимума СА при различных толщинах радиационного убежища и для двух толщин
защиты бытовых отсеков (ХБО) равных 1 и 50 г/см2 алюминия.
Суммарный радиационный риск в течение жизни
космонавтов после завершения межпланетного полета за
различной толщиной защиты радиационного убежища Хру
( максимум СА, Хбо=1г/см2 и Хбо=50г/см2)
0,25
Хру=1г/см2
Хру=5г/см2
Хру=10г/см2
Хру=20г/см2
Хбо=50г/см2
0,15
7
СППЖ, годы
Риск, отн. ед.
0,2
Сокращение предстоящей продолжительности жизни (СППЖ) у
космонавтов после межпланетного полета за различной
толщиной защиты Хру (максимум СА, Хбо=1г/см2 и
Хбо=50г/см2)
8
0,1
Хру=1г/см2
6
Хру=5г/см2
Хру=10г/см2
5
Хру=20г/см2
4
Хбо=50г/см2
3
2
0,05
1
0
0
0
10
20
30
Длительность полета, мес.
40
Рис. 18. Суммарный радиационный
риск космонавтов к возрасту 70 лет
после завершения межпланетного полета
различной продолжительности в период
максимума СА при различных толщинах
радиационного убежища ХРУ.
0
10
20
30
40
Длительность полета, мес.
Рис.
19.
Сокращение
предстоящей
продолжительности после завершения
межпланетного
полета
различной
продолжительности в период максимума СА
при различных толщинах радиационного
убежища ХРУ..
Slide 30
Из данных, представленных на рисунке
видно, что суммарный радиационный риск
для космонавтов в возрасте 40 лет в 2,7 раза
выше, чем риск опухолей (если использовать
минимальные оценки риска опухолей, то
разница составит 7 раз). С увеличением
возраста эта разница увеличивается. Для
возраста 50 лет суммарный радиационный
риск оказывается больше риска опухолей в
3,7 и 8,9 раз.
Суммарный радиационный и канцерогенный риски в течение
жизни после осуществления 2-х годового межпланетного
полета (макс. СА, Хбо=30 г/см2)
0,05
0,045
0,04
Риск, отн. ед.
На рис. 20 приводятся в зависимости от
возраста космонавтов сравнительные данные
расчетов суммарного радиационного риска и
риска развития опухолей в течение их жизни
после
завершения
двухгодового
межпланетного полета, осуществляемого в
период максимума СА при
некотором
промежуточном гипотетическом варианте
защиты бытовых отсеков (Хбо=30 г/см2).
Риск сумм.
0,035
0,03
Риск опух.(макс)
0,025
Риск опух.(мин)
0,02
0,015
0,01
0,005
0
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Возраст космонавтов, годы
Рис.20.
Зависимости
суммарного
радиационного риска и риска развития
опухолей в течение жизни космонавтов
от их возраста
после завершения
двухгодового межпланетного полета,
осуществляемого в период максимума
СА.
Slide 31
Характер отдаленной патологии, связанной с нарушениями
системы кровообращения, повышением частоты гипертонии,
инфарктов и инсультов у лиц, подвергнутых бомбардировкам в
Хиросиме и Нагасаки, у работников П/О «Маяк» Челябинской
обл., начинавших работу в период становления предприятия в
1948-1950 гг, у ликвидаторов аварии на ЧАЭС подтвердил
наличие заметного радиационного риска, не связанного с
развитием опухолей. Отмечено заметное увеличение частоты
заболеваемости ЦНС и сердечно-сосудистой системы и более
раннее развитие этой патологии в более молодых возрастных
группах, что свидетельствует об ускоренном старении и
возможном сокращении предстоящей продолжительности жизни.
Slide 32
Ранее нами оценены значения радиационного риска при полете
к Марсу с использованием двигательного комплекса, состоящего
из модулей большой и малой тяги, включающего жидкостной
реактивный двигатель (ЖРД) и ядерно-энергетическую
двигательную установку (ЯЭРДУ).
Были
рассчитаны
средние
величины
эквивалентных
среднетканевых и обобщенных доз от ГКЛ и СКЛ и средние
величины суммарного радиационного риска за экспедицию с
использованием метода статистических испытаний Монте-Карло
с рассмотрением 104 историй полетов. Однако это было сделано
для простых предположений изотропного падения излучений на
космический аппарат простой сферической формы с различной
толщиной защиты, в геометрическом центре которого
располагались фантомы – стандартизованные модели тела
человека.
Slide 33
Для уточнения реальных дозовых величин, а также возможных значений
суммарного радиационного риска за экспедицию нам необходимо рассмотреть
конкретные
современные
конструкции
основного
пилотируемого
марсианского орбитального корабля (МОК) на трассе полета Земля-Марс с
оборудованием, корабля возвращения на Землю (КВЗ), взлетно-посадочного
комплекса (ВПК), а также скафандра при нахождении космонавтов на
поверхности Марса.
Для определения величин эквивалентных доз в различных органах
рассматривали случаи размещения шарового и антропоморфного, фантомов,
представляющих собой стандартизованные модели тела человека в различных
отсеках космических аппаратов, рассчитывали функции экранированности
различных органов космонавтов с определением распределения толщины
защиты по различным геометрическим осям и использовали глубинные
распределения доз от источников космических излучений, которые мы
использовали в прежних работах, построенные на основе моделей ГКЛ, РПЗ и
СКЛ.
Slide 34
Slide 35
В настоящее время в проекте предусматривается использование
сравнительно простых экологически чистых электрореактивных
двигателей малой тяги с использованием солнечной энергии и
отказаться от ядерно-энергетических установок на борту.
Комплекс с использованием почти 400 двигателей имеет высокую
надежность и минимальную массу. Его проще, чем какой-либо
другой собрать на околоземной орбите [3]. Несмотря на
увеличение продолжительности экспедиции, которая может
составить от 730 до 900 дней, эта концепция марсианской
экспедиции обладает основным
главным преимуществом высокой вероятностью благополучного возвращения экипажа.
Slide 36
Основные характеристики межпланетного комплекса по концепции РКК.
Рассматривается различная тяговооруженность от 0,00006 до 0,0001 единиц для
медленной и более быстрой раскрутки марсианского корабля (МК) в РПЗ. Для более
медленного варианта раскрутки в РПЗ в соответствии с данными [4], принимается, что
тяговооруженность марсианского корабля на момент отлета составляет 0,00006.
Использование двигателя малой тяги влечет за собой необходимость рассмотрения
большего круга вопросов по оценке радиационной опасности и суммарного
радиационного риска для членов экипажа, поскольку увеличивается длительность
полета и возникает необходимость учета радиационного воздействия от протонов РПЗ.
И то, и другое требует дополнительной радиационной защиты и оценок суммарного
радиационного риска в результате полета. [2, 5, 6].
Нами было оценено время нахождения КА во внутреннем и внешнем РПЗ. Так, при
раскрутке с опорной круговой орбиты высотой 500 км время нахождения во внутреннем
РПЗ составляет ~50 cуток при тяговооруженности КА a 0 ,00006 . Время нахождения во
внешнем РПЗ (16378 –36378 км) при том же значении тяговооруженности составляет ~32
суток. Увеличение тяговооруженности пропорционально уменьшает длительность
пребывания в РПЗ и уменьшает дозу облучения протонами РПЗ. Если увеличить
тяговооруженность до 0,0001, то длительность раскрутки в протонном поясе снизится в
1,67раз.
Slide 37
1000
Dср.тк.мин.СА
Dср.тк.макс.СА
Величины доз, сЗв
Dэкв.мин.СА
Dэкв.макс.СА
Ho,мин.СА
Ho,макс.СА
100
10
0
10
20
30
40
50
60
Толщина защиты КА из алюминия г/см2
Кривые ослабления локальной эквивалентной, среднетканевой и
обобщенной доз от протонов при раскрутке в РПЗ с использованием
двигателей малой тяги (α=0.00006) для полетов в периоды максимума
и минимума солнечной активности (СА)
Slide 38
90
Нгкл-1год,мин.СА
80
Нгкл-1год,макс.СА
Нгкл-2года,макс.СА
70
Нгкл-2,5года,макс.СА
Hрпз.макс.СА,α-мин
Обобщенная доза, сЗв
Hрпз.макс.СА,α-макс
60
50
40
30
20
10
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Толщина защиты КА из алюминия, г/см2
Рис.2. Зависимость обобщенных доз от ГКЛ и РПЗ при длительностях полета 1;
2 и 2,5 года в периоды минимума и максимума СА при тяговооруженности двигателей
0,00006 и 0,0001 от толщины защиты КА
Slide 39
Таким образом, суммарный радиационный риск в максимальном случае 900
суточного полета с минимальной скоростью раскрутки в РПЗ при толщинах
бытовых отсеков марсианского корабля 10; 15; 20; 25 и 30 г/см2 составит 12,5;
10,7; 9,4; 8,3 и 7,5%, а сокращение продолжительности жизни 4,2; 3,6; 3,1; 2,8 и
2,5 года соответственно. В случае использования двигателей с более мощной
тягой, энерговооруженностью 0,0001 и при длительности полета 730 дней
суммарный радиационный риск будет на 2-3 % ниже и составит
соответственно 9,2; 8,0; 7,0; 6,1 и 5,7 %, а СППЖ на 1-1,5 года меньше.
Следует, однако, учитывать, что в марсианскую экспедицию будут отобраны
космонавты, имеющие значительный опыт длительных орбитальных полетов,
которые в течение также длительного периода проходят медицинские
обследования, в том числе неоднократные рентгенологические обследования.
Таким образом к моменту отбора космонавтов к марсианской экспедиции
величины суммарных накопленных эквивалентных доз космонавтов составят
около 30 сЗв и суммарный риск до полета уже может быть оценен равным 4 %,
а оцениваемая величина сокращения ПЖ на1,3 года.
Slide 40
Итоговый суммарный риск в течение жизни космонавта составит около
15 %, а возможное сокращение продолжительности жизни –около 5 лет. Это в
1,5 раза превышает предельное значение риска для космонавтов за всю
профессиональную деятельность, согласно нормативному документу по
радиационной безопасности, принятому в 2004 г. применительно к
орбитальным полетам.
При рассмотрении вопросов радиационной безопасности, оптимизации
защиты и надежности осуществления экспедиции следует иметь ввиду, что вопервых, увеличение толщины защиты марсианского корабля в среднем на 510 г/см2 алюминия приведет к снижению суммарного радиационного риска
всего на 1,3 и 2,4 % при экспедиции 900 суток с двигателем меньшей тяги и на
1,0 и 1,9 % при полете в течение 730 дней с максимальной скоростью
раскрутки. Снижение оцениваемой величины суммарного радиационного
риска от представленного выше максимального значения 15% составит
незначительную величину, хотя в тоже время резко увеличится вес
марсианского корабля, что существенно снизит надежность экспедиции и
выполнение необходимой полетной программы.
Slide 41
Оценка радиационной опасности для членов экипажей при осуществлении
орбитальных космических полетов на основе расчетных методик и данных
бортового и индивидуального дозиметрического контроля
Среднетканевые поглощенные дозы от ГКЛ и радиационных поясов
Земли (РПЗ) в результате осуществления орбитальных полетов на
ОС МИР были оценены на основе расчетов доз в отсеках станции и
внутри стандартизованного фантома и уточнены по результатам
бортовой дозиметрии и измерениям индивидуальных доз у членов
экипажей в конце полета
Дозы от солнечных космических лучей (СКЛ) внутри орбитальных
станций, как показали расчеты методом Монте - Карло для
реальных толщин защиты ОС и с учетом коэффициента ослабления
дозы (К) за счет отклонения протонов магнитным полем Земли,
оказались почти на 2 порядка ниже, чем суммарная доза от ГКЛ и
РПЗ. Поэтому при оценках суммарного радиационного риска дозы
от СКЛ пока не учитывались
Slide 42
На основе расчетных значений доз по глубине шарового фантома, доз на кожу,
КТС, среднетканевых доз с учетом реальной циклограммы и экспериментального
определения индивидуальных доз космонавтов за 28 экспедиций на станции «Мир»
установлены значения коэффициентов перехода от показаний канала Д2 радиометра Р16 к среднетканевой поглощенной дозе КПС в фазах минимума и максимума СА,
которые составили соответственно 0,35 и 0,70 от дозы, установленной по показанию
камеры Д2 радиометра Р-16. Для периодов перехода от фазы минимума СА к фазе
максимума СА и обратного перехода можно принять среднее значение коэффициента
перехода КПС, равное 0,52.
Нами проведены оценки дополнительного вклада локальных и альбедных
нейтронов в величину суммарной эквивалентной дозы. Применительно к определению
эквивалентной дозы на кроветворные органы или среднетканевой эквивалентной дозы
вклад нейтронов в суммарную дозу от ГКЛ и РПЗ может составлять 15-20 %. Таким
образом, максимальная оценка суммарного значения среднетканевой эквивалентной
дозы за полет (сЗв) может быть определена с использованием данных бортовой
дозиметрии на основе следующего уравнения:
D=D(P-16) • КПс • KK • 1,2
(1)
где D(P-16) - поглощенная доза за полет по каналу Д-2 радиометра Р-16, (сГр);
КПС –коэффициент перехода от показаний радиометра Р-16 к среднетканевой
поглощенной дозе; КК – средние значения коэффициента качества космических лучей,
которые равны 2,1 и 2,6 для периодов минимума и максимума СА (см. рис.)
Slide 43
Зависимость коэффициентов качества космических излучений на орбите станции
МИР в различные периоды СА (на основе расчетов и измерений спектров ЛПЭ)
Slide 44
Динамика изменения мощности дозы внутри станции МИР за 28
основных экспедиций по данным ионизационной
камеры Д2 радиометра Р-16
D , м к Гр/с у т к и
800
600
400
200
0
01.01.87
01.01.89
01.01.91 01.01.93
01.01.95
01.01.97
01.01.99 01.01.01
Дата
Аппроксимация усредненных по месяцам среднесуточных
мощностей поглощенных доз, измеренных на станции «МИР».
Slide 45
Расчетные значения среднетканевых эквивалентных доз для космонавтов в
результате годового полета на ОС «МИР» в различные периоды СА и возможные
отдаленные последствия по результатам, представленным в литературе
Цикл солнечной активности
Минимум Промеж. СА Максимум СА
СА
Среднетканевая эквивалентная доза, сЗв 19,3
17,6
16,0
Суммарный радиационный риск в 1,93
1,76
1,6
течение жизни, %
Риск,% развития опухолей в течение
жизни у космонавтов в возрастах
То=30 лет
1,03
0,92
0,85
То=40 лет
0,67
0,61
0,55
То=50 лет
0,52
0,48
0,43
Ожидаемое сокращение
продолжительности жизни (годы) у
космонавтов в возрасте То=30 лет
0,67
0,61
0,55
То=40 лет
0,59
0,54
0,49
То=50 лет
0,51
0,47
0,43
Slide 46
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ
Slide 47
240
Мощность дозы мкГр/сут
220
200
180
160
140
мкГр/сут (М КС)
мкГр/сут (М ир)
120
100
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Номера экспедиций
9
10
11
12
Рис.8.14 Средние значения мощностей поглощенных доз за 1-11-ую экспедиции МКС и
за 1-8 экспедиции на станции «Мир» в период максимума СА по каналу
Д-2 радиометра Р-16
Slide 48
Измерения, проведенные на МКС в последующих 2-11-ую
экспедицию с помощью ионизационной камеры Д-2 радиометра Р-16,
датчиков приборов ДБ-8 и «Пиле», расположенных в различных
отсеках станции, спектрометрического оборудования, включая
тканеэквивалентный пропорциональный счетчик ТЭПС и прибор
«Люлин»,
подтвердили
на
основе
построения
функции
экранированности различных отсеков станции, что
в связи с
добавлением оборудования, защищенность РС МКС увеличилась.
Защищенность от ионизирующего космического излучения
внутренних отсеков космического аппарата определяется не только
толщиной оболочки, но и массой вещества оборудования, запасами
воды и пищевых контейнеров. Анализ функций экранированности по
отсекам станции показывает, что защищенность увеличивается в
большей степени, чем на станции «Мир» и в среднем по оценкам,
представленным в работе (Цетлин В.В., и др.,2006), она в 1,4 раза
выше. Оценки, проведенные для последующих экспедиций, показали,
что снижение мощности дозы в отсеках РС МКС по сравнению с
уровнями, характерными для станции «МИР», составило 1,5 раза, но
это частично можно объяснить снижением высоты орбиты МКС.
Slide 49
Коэффициент качества
4
3
2
1
0
01.01.01
01.01.02
01.01.03
01.01.04
01.01.05
01.01.06 Дата
Рис. 8.15. Динамика среднемесячных значений коэффициента качества в различных
местах РС МКС: Толстая линия – канал D1 радиометра Р-16, тонкая линия– около
стола, пунктирная линия – около центрального поста, точками – в правой каюте
(Бондаренко В.А.,2008),
Slide 50
МУ 2.6.1. 44-03-2004
ФЕДЕРАЛЬНОЕ КОСМИЧЕСКОЕ АГЕНСТВО
ФЕДЕРАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИХ И
ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ПРОБЛЕМ ПРИ
МИНИСТЕРСТВЕ ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
2.6.1. Ионизирующее излучение, радиационная безопасность
ОГРАНИЧЕНИЕ ОБЛУЧЕНИЯ КОСМОНАВТОВ
ПРИ ОКОЛОЗЕМНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ПОЛЕТАХ
(ООКОКП-2004)
Суммарный радиационный риск в течение жизни космонавтов
(астронавтов) в %, риск развития опухолей в %, ожидаемое сокращение
продолжительности жизни в годах при ограничениях доз за карьеру,
принятых разными космическими агентствами.
Отдаленные
последствия
Суммарный
радиационный
риск, %
Сокращение
продолжительности
жизни,
годы
Риск
опухолей
Методические указания МУ 2.6.1. 44-03- 2004
Риск
опухолей
Издание официальное
Риск
опухолей
Москва
2004
Страна
Возраст
Доза за карьеру, Зв
годы
0,6 0,7 0,9 1,0 1,2 1,5 2,9
Примечан
ие
Россия 30
40
50
6,0 7,0 9,0 10 12 15 30
Те же значения
Те же значения
Россия 30
40
50
2,0 2,4 3,1 3,4 4,1 5,0 10
1,8 2,2 2,8 3,1 3,7 4,5 9,0
1,6 1,9 2,4 2,7 3,2 3,9 7,8
Расчет на
основе
среднетканевой
дозы
Расчет на
основе
среднетканевой
дозы
США
25
2,6 3,0 3,8 4,3 5,2 6,4 12,5
NASA
Япония
Россия
27-29
30
3,0 3,5 4,5 5,0 6,0 7,5 14,5
2,8 3,2 4,2 4,6 5,6 6,9 13,5
NASDA
США
35
1,8 2,1 2,7 3,0 3,6 4,5 8,7
США
Япония
Россия
45
36-39
40
1,2 1,4 1,8 2,0 2,4 3,0 5,8
1,8 2,1 2,7 3,0 3,6 4,5 8,7
1,9 2,2 2,8 3,1 3,7 4,7 9,0
США
55
0,6 0,7 0,9 1,0 1,2 1,5 3,0
Япония
Россия
40
50
1,5 1,8 2,3 2,5 3,0 3,7 7,3
1,4 1,7 2,2 2,4 2,9 3,6 7,0
Slide 51
Характеристика
процесса адаптации по
выраженности
напряжения РС
«Норма». Удовлетворительная адаптация
(УА), умеренное
напряжение РС
(состояния 1-3)
Активная адаптация (АА),
выраженное и
резковыраженное
напряжение РС
(донозологические
состояния 4-5)
Неудовлетворительная
адаптация (НА),
выраженное и резковыраженное перенапряжение РС (преморбидные
состояния 6-7)
Срыв адаптации
(состояния болезни 8-10
Состояние процесса
адаптации, оцениваемое по
глубине изменений
показателей
функциональных систем
(ФС)
«Норма». Физиологическая
адаптация
Зона адаптивного
восприятия
Отклонение
показателей
от
нормы М0
(единицы σ)
В пределах
0 – 0,5σ
0,00-0,02
0,00-0,05
Максимальная
Активная адаптация (АА)
Выраженность реакций ФС
и компенсаторных
процессов. Сохранение
изменений в ближайшем
периоде последействия
Зона экстремальных
изменений и их сохранение
длительное время.
Репаративная регенерация
В пределах
от 0,5σ до σ
0,02-0,08
0,05-0,20
Сниженная
В пределах
от σ до 2,0 σ
0,04-0,12
0,20-0,50
Значительное
снижение
устойчивости
Более 2 σ
Более, чем
0,08-0,15
Более
0,50
Зона поражения
Необратимые изменения
Значения ОЛП
Для
Для
человека
живот(в возрастах
ных
20 - 60 лет)
Характеристика
устойчивости
организма
Возможна гибель
при функц.
нагрузках
(Григорьев А.И., Баевский
Измеров И.Ф., Саноцкий И.В.,1976;
Шафиркин
А.В.,
Короткевич
А.О.,
Р.М., 2001, 2007)
Савин Б.М.,1979; Шандала М.Г.,1989;
Штемберг А.С., 2000; Васин А.Л.,
Пальцев Ю.П., Рубцова Н.Б., Походзей Л.В. Шафиркин А. В., 2006, 2007;
и др.,2003
Васин А.Л., 2008
Slide 52
Формирование радиационного поражения в системе кроветворения мышей на
основе ОЛП при их хроническом гамма-облучении в течение 120 суток - А
и до конца жизни – Б (Praslicka M, Chlebovsky O, 1973;
Kalina I, Praslicka M, Petrovicova J, 1975,1977)
Развитие поражения и восстановления в
системе кроветворения мышей при их
хроническом облучении в течение 120 суток с
различной мощностью дозы
Развитие поражения в системе кроветворения
мышей при их хроническом облучении с
различной мощностью дозы
1
1
20 сГр/сут
27 сГр/сут
36 сГр/сут
53 сГр/сут
0,8
0,7
50 сГр/сутки
0,9
Логарифмический показатель,
отн. ед.
Логарифмический показатель,
отн. ед.
0,9
25 сГр/сутки
80 сГр/сутки
0,8
0,7
0,6
0,6
0,5
0,5
0,4
0,4
0,3
0,3
0,2
0,2
0,1
0,1
0
0
0
50 100 150 200 250 300 350
Время от начала облучения, сутки
0
50
100
150
Время от начала облучения, сутки.
Slide 53
Динамика изменения эффективной остаточной дозы Dэф (сГр) и значения логарифмического показателя
[!lg(N/No)!] x 100 по концентрации лейкоцитов в контроле и в 5 группе (188 сГр/год)
Dэф, сГр и [!lg(N/No)] x100
35
Dэф ГКЛ+СКЛ
Лог пок (5 группа)
Лог пок (контр. гр.)
30
25
20
15
10
5
0
0
180
360
540
Срок от начала эксперимента, сутки
720
900
1080
Slide 54
Формирование эффективного поражения у крыс (Def) при их
гамма- облучении с различной мощностью дозы
Эффективная доза, Гр
8
7
ЛД 50/30
6
300 сГр/сут
100 сГр/сут
50 сГр/сут
5
10 сГр/сут
5 сГр/сут
4
3
2
1
0
1
10
100
Время от начала облучения, сут
dDef/dt= K(γ) γ(t)
-[λ0 + λp(γ,t)]t
при
dDef/dt= K(γ) γ(t) – β0 e
Def(t-τ) при
1000
t ≤τ
t >τ
Slide 55
Увеличение толщины защиты на Российском сегменте МКС с
неизбежностью приведет к увеличению вклада в суммарную
эквивалентную дозу от нейтронов уже не на 20 %, как мы
принимали для полетов на станции «Мир», а уже по крайней мере
на 30 %. Кроме того, данные, представленные в работе
(Бондаренко В.А.,2008), показывают, что расчетные и измеренные
значения коэффициентов качества также являются более
высокими и превышают ранее представленные значения для
станции»Мир» приблизительно на 15-20 %. (см рис.8.15). Таким
образом, расчетные
на основе уравнения (8.11) значения
среднетканевой эквивалентной дозы составят 0,93 (с точностью до
10 %) от значений для станции «Мир». Поэтому значения рисков
отдаленных неблагоприятных последствий для космонавтов
после завершения годового полета на МКС будут приблизительно
теми же самыми, которые представлены в таблице 8.3. для
станции «МИР»
Slide 56
В настоящее время являются наиболее значимыми, по крайней
мере, две проблемы в отношении точной и совокупной оценки
радиационной опасности
для космонавтов длительных
межпланетных полетов.
Одна проблема состоит в том, что сохраняется значительная
неопределенность в значениях коэффициентов ОБЭ ускоренных
тяжелых заряженных частиц и нейтронов в отношении поражения
структур коры головного мозга, эпителия хрусталика и ряда
других
тканей
применительно
к
оценке
отдаленных
неблагоприятных последствий, а также оценке риска развития
опухолей.
Отмеченные в литературе значения коэффициентов ОБЭ для
этих видов излучений достигают 40 и даже 100, что в 2-5 раз
превышает максимальные значения в нормативных документах
Публикации 26 и 60 МКРЗ и ГОСТ 25645.218-90.
Slide 57
Вторая проблема связана с необходимостью установления значения
коэффициента КМо, определяющего кратность усиления возможных отдаленных
радиационных эффектов за счет дополнительного длительного стрессорного
воздействия нерадиационных факторов, присущих космическому полету.
Коэффициент модификации в выражении для обобщенной дозы и расчетов
радиационного риска должен быть представлен в дозовом выражении. До
настоящего времени расчеты радиационного риска проводились при значении
КМО равном 1.
Сопоставление рисков неблагоприятных эффектов при хроническом
воздействии ионизирующих излучений, ЭМП СВЧ, химического загрязнения
воздушного бассейна в ряде регионов с развитой промышленностью и
транспортной сетью, длительного социального стресса, сопровождающегося
значительной психо -эмоциональной напряженностью, выполненное нами в
2005 г по программе Президиума РАН «Фундаментальная наука- медицине»,
показало, что последний фактор может оказаться в несколько раз более
травматичным, приведет к более ускоренному старению, увеличению скорости
смертности и сокращению продолжительности жизни, чем воздействие
рассмотренных экологических факторов.
Slide 58
Таким образом значение коэффициента КМО, входящего в
выражения для обобщенной дозы, за счет комплексного
воздействия радиационных и нерадиационных факторов полета
может оказаться также заключенным в диапазоне 2-3 или даже
больше.
Представленные
в докладе материалы показывают
необходимость существенно большей защиты межпланетного
корабля при полете к Марсу, чем рассматривалось ранее (повидимому, потребуется толщина защиты бытовых отсеков от 30 до
40 г/см2 алюминия). Необходимо очень тщательно подойти к
проблеме нормирования
радиационного воздействия на
космонавтов применительно к полету на Марс и учитывать риск
отдаленной неопухолевой патологии в большей степени, чем
только риск развития канцерогенеза.
Slide 59
В последних проектах марсианских космических аппаратов (КА) было
принято решение отказаться от ядерно-энергетических установок на борту.
Как отмечал в своих интервью, посвященных полету к Марсу, главный
научный сотрудник Ракетно-космической корпорации «Энергия», профессор
Леонид Горшков [3] при наземных испытаниях ЯЭРДУ дают мощную
радиоактивную струю, которую трудно изолировать от атмосферы. Кроме того
реакторы на борту необходимо удалять от жилых отсеков и сооружать
большую пассивную физическую защиту, что малоэффективно применительно
к задачам экспедиции и необходимостью размещения полезного научного
оборудования, топлива, продуктов питания.
В настоящее время в проекте предусматривается использование
сравнительно простых экологически чистых электрореактивных двигателей
малой тяги с использованием солнечной энергии. Комплекс с использованием
почти 400 двигателей имеет высокую надежность и минимальную массу. Его
проще, чем какой-либо другой собрать на околоземной орбите [3]. Несмотря на
увеличение продолжительности экспедиции, которая может составить от 730 до
900 дней, эта концепция марсианской экспедиции обладает основным главным
преимуществом -высокой вероятностью благополучного возвращения экипажа
[3, 4]..
Slide 60
Радиационный риск в течение жизни, отн.
ед.
0,25
0,2
0,15
0,1
Россия 40-70;V(t)=0,391
Россия 40-65;V(t)=0,52
США 40-75;V(t)=0,548
0,05
Япония 40-75;V(t)=0,663
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
Обобщенная доза, Зв
Рис.3. Зависимость суммарного радиационного риска для космонавтов России,
астронавтов США и Японии в возрасте 40 лет от величины обобщенной дозы.
Slide 61
Нами на основе рассчитанных значений
среднетканевых эквивалентных доз при
осуществлении межпланетного космического
полета (в предположении, что эквивалентные
дозы во всех органах одинаковы) и материалов,
представленных в литературе о моделях
канцерогенного риска, проведены также оценки
радиационного риска развития опухолей в
течение жизни космонавтов, начинающих полет
в различном возрасте.
Для канцерогенного риска получены
максимальная и минимальная оценки без учета
и с учетом соответственно коэффициентов
редукции дозы, обусловленных малыми
значениями мощности дозы.
Slide 62
Нами
были
рассчитаны
средние
величины
эквивалентных среднетканевых и обобщенных доз от
ГКЛ и СКЛ и средние величины суммарного
радиационного риска за экспедицию с использованием
метода статистических испытаний Монте-Карло с
рассмотрением 104 историй полетов. Однако это было
сделано для простых предположений изотропного
падения излучений на космический аппарат простой
сферической формы с различной толщиной защиты, в
геометрическом
центре
которого
располагались
фантомы – стандартизованные модели тела человека.
Slide 63
Рис. 1. Схема антропоморфного
фантома.
Цифрами
обозначены
представительные точки: 1, 5 – 13, 17 –
20 – представительные точки КТС;
3, 4 - представительные точки ХГ;
14 – 16 – представительные точки
ЖКТ;
2 – представительная точка ЦНС;
21,22 – представительные точки КЖ.
Slide 64
На основе анализа СПС 19 и 20-го солнечных циклов разработан
нормативный документ ГОСТ 25645.134-86 «Лучи космические
солнечные. Модель потоков протонов». На основе этого документа, а
также с использованием ряда других ГОСТ-ов и Методических
указаний по проблеме «Безопасность радиационная экипажа
космического аппарата в космическом полете» (БРЭКАКП) проводили
расчеты эквивалентной дозы в теле космонавтов от СКЛ при
осуществлении полета к Марсу, равноценной дозы и величин
обобщенной дозы, используемой для расчетов радиационного риска.
В промежутках между воздействиями после i-1 события обобщенная
доза НБ (t) уменьшается в связи с реализацией восстановительных
процессов по экспоненциальному закону:
скл
скл
HБ (t) = HБ (ti-1) exp [- β (t - ti-1)]
После реализации i-го события обобщенная доза возрастает на
величину обобщенной дозы от этого события:
скл
скл
скл
HБ (ti ) = HБ (ti-1) exp[- β (ti - ti-1)] + HБ(ti)
Slide 65
Радиационный риск для космонавтов в возрасте 40 лет в
межпланетном полете (МП) и полете на станции "МИР" в
различные периоды СА (Хбо=10 г/см2)
0,009
0,008
МП.мин.СА
Риск, отн.ед
0,007
МП.макс.СА
0,006
МП.пром.СА
МИР-мин.СА
0,005
МИР-макс.СА
0,004
0,003
0,002
0,001
0
0
5
10
15
20
25
30
Длительность полета, мес.
35
40
Суммарный радиационный риск в течение жизни
космонавтов после осуществления межпланетных
и орбитальных космических полетов
Шафиркин А.В.
Государственный научный центр РФ – Институт медикобиологических проблем РАН, Москва, Россия
«Влияние космической погоды на человека в космосе и на Земле»
Международная конференция
Институт космических исследований РАН, Москва, Россия
4-8 июня 2012
Slide 2
Slide 3
Нами в рамках работ по программе Президиума РАН в 20052007 гг. рассмотрены результаты хронических экспериментов и
данные длительных эпидемиологических наблюдений состояния
здоровья
профессиональных
групп
и
населения,
подвергающихся хроническому воздействию ряда факторов
таких как: ионизирующие излучения (ИИ), электромагнитные
поля радиочастот (ЭМП РЧ) низкой нетепловой интенсивности.
Оценена опасность химического загрязнения окружающей
среды и длительного социального стресса.
Проведено
сопоставление
рисков
воздействия
рассматриваемых факторов различной интенсивности
и
оценено их влияние на состояние здоровья населения России.
Подтверждено положение Г.Селье о неспецифической
реакции организма при длительном действии различных
стрессорных факторов, когда после начальной активации
нейроэндокринной регуляции затем наступает значительное
истощение компенсаторных возможностей и функциональных
резервов организма.
Slide 4
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ –
ИНСТИТУТ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИХ
ПРОБЛЕМ РАН
ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ
МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ
ИМ. Н.Н. БУРДЕНКО
А.В. Шафиркин, А.С. Штемберг,
И.Э. Есауленко, В.И. Попов
ЭКОЛОГИЯ, СОЦИАЛЬНЫЙ СТРЕСС,
ЗДОРОВЬЕ НАСЕЛЕНИЯ И
ДЕМОГРАФИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ РОССИИ
ВОРОНЕЖ – 2009
Slide 5
В ГОСТе 25645.201-83 «Безопасность радиационная экипажа
космического аппарата в космическом полете работе. Термины и
определения» для приведения сложного характера облучения в
космическом пространстве к условиям стандартного радиационного
воздействия при расчетах радиационного риска для космонавтов введено
понятие обобщенной дозы Н.
Алгоритм ее вычисления записывается в виде:
__
Н[Зв] = D[Гр] КК КВ КР •••,
где _
D -среднетканевая поглощенная доза;
КК -коэффициент качества излучения, определяемый на основе
регламентированной его зависимости от ЛПЭ;
КВ -коэффициент временной неравномерности
радиационного
воздействия, учитывающий влияние мощности дозы и характера
распределения дозы во времени на радиобиологический эффект.
КР -коэффициент равноценности радиационного воздействия,
учитывающий макропространственное распределение поглощенных доз
по телу и приводящий эффекты неравномерного облучения к условиям
равномерного радиационного воздействия.
Slide 6
Поскольку выход непосредственных, ближайших радиационных
эффектов в процессе осуществления полета с одной стороны, а также
возможных неблагоприятных отдаленных последствий с другой стороны
связан с формированием патологии в существенно различных
критических системах организма, отличающихся временем развития
поражения, его локализацией, скоростью протекания восстановительных
процессов, значение обобщенной дозы следует вычислять отдельно на
основе своего набора коэффициентов соответственно для ближайших
эффектов НБ и отдаленных последствий НО :
n _
НБ = ( Di ККБi КВБi КРБi ) КМБ
i=1
n _
НО = ( Di ККОi КВОi КРОi ) КМО
i=1
Этот новый дозиметрический функционал позволяет осуществить
переход от сложного характера облучения в условиях космического
пространства к условиям стандартного радиационного воздействия.
Slide 7
Зависимость ОБЭ излучений от
линейной передачи энергии (ЛПЭ)
ОБЭ, отн. ед.
25
МКРЗ 26
20
ГОСТ
25645.218-90
Поражение
ЖКТ
Поражение
кроветворения
ХА лимф.чел.
15
10
ХА эпит. хруст.
5
0
1
10
100
ЛПЭ, кэВ/мкм
1000
Slide 8
Эффективность радиационного воздействия в
зависимости от мощности дозы в %
Эффективность в %
100
МЛЖ
Крупные
млекопитающие
10
0,01
0,1
1
10
100
Мощность дозы, Гр/сут
1000
Slide 9
Рис. 4.5. Относительное снижение эффективности протяженных радиационных воздействий
излучений с низкими значениями ЛПЭ с уменьшением мощности дозы при длительностях
облучения более 5-10 суток
Slide 10
Радиационный риск длительных космических полетов
Программа полетов к Марсу и разработка конструкции
Марсианского корабля проводились в КБ С.П. Королева в начале 60-х
годов параллельно с первыми пилотируемыми полетами.
Проработки некоторых вариантов показали, что если использовать
двигательный комплекс, состоящий из модулей большой и малой тяг и
включающий жидкостной реактивный двигатель (ЖРД) и ядерноэнергетическую двигательная установку (ЯЭРДУ), то можно
значительно сократить время пребывания в РПЗ и продолжительность
всей экспедиции до 615 суток.
В этом случае радиационную опасность для экипажа в основном
представляют ГКЛ и СКЛ. Протоны и электроны РПЗ перестают
представлять существенную опасность ввиду быстрого пересечения
марсианским кораблем РПЗ.
Обобщенная доза от ГКЛ определялась на основе значений
мощности среднекостномозговой дозы или близкого к ней значения
среднетканевой дозы.
_
__
DКМ
-t
DГКЛ
-t
ГКЛ
НБ = ________ (1-e
) ___________ (1 - e )
- постоянная восстановления на уровне организма, равная 0,02
1/сут .
Slide 11
При рассмотрении конкретной защиты космического аппарата (КА) для расчетов
доз использовали представленные в литературе зависимости мощности
среднетканевой эквивалентной дозы ГКЛ для шарового фантома,
представляющего стандартизованную модель тела человека, от толщины
защиты для периодов максимума и минимума СА.
Для периода максимума и минимума СА выражение для мощности
среднетканевой эквивалентной дозы (сЗв/сут) в зависимости от толщины
защиты Х космического аппарата из алюминия (г/см2) имеет вид:
_
DГКЛ = 1 / 365 [5 exp(-X / 6.45) + 24 exp (-X / 85.5)]
-максимум СА
_
DГКЛ = 1 / 365 [41.5 exp(-X / 2.8) + 48 exp (-X / 85.5)]
-минимум СА
Галактическое космическое излучение характеризуется относительно жестким
спектром. Оно слабо ослабляется с толщиной защиты, Как это следует из
представленных уравнений дозы за год для периода минимума СА оказываются
достаточно высокими и в 2 – 2, 5 раза превышают величины доз для периода
максимума СА. Поэтому реальный полет к Марсу планируется проводить
именно в период максимума СА. При этом вес физической защиты марсианского
корабля будет существенно меньшим и в большей степени связан с системами
жизнеобеспечения.
Степень опасности воздействия СКЛ можно представить на основе расчетов
локальных эквивалентных доз за различными толщинами защиты от ряда СПС
19-22 солнечного цикла, а также среднетканевых эквивалентных доз, которые
представлены в таблице 4.
Slide 12
Л ок ал ь н ы е и ср едн етк ан ев ая эк в и вал ен тн ы е дозы от и н тен си в н ы х С П С 19-22
сол н еч н ы х ц и к л ов за р азл и ч н ы м и тол щ и н ам и защ и ты , сЗв
Д ата
СПС
23.02.
1956
31.08.
1956
16.07.
1959
12.11.
1960
04.08.
1972
07.08.
1972
19.10.
1989
2
С р едн етк ан ев ая
доза
(ш ар овой
ф ан том )
61
Х ар ак тер и сти к а
Т ол щ и н а защ и ты и з ал ю м и н и я , г/см
СПС
Ж ест- Ф л ю ен с 0,5
1
3
5
10
20
к ость ,
МВ
9
196
10
750
443
186
120
62
33
144
2,5 10
7
25
13,9
5,0
2,9
1,3
0,8
1,7
106
9,1 10
8
1360
680
187
94
33
10,3
51
124
10
1200
645
204
111
44
16,5
60
85
7,8 10
9
15500
6800
1560
700
200
51
458
54
4,0 10
8
1600
540
67
19,4
3,6
0,4
17
66
2,3 10
9
7000
2590
420
156
34
5,7
113
9
Slide 13
Выживаемость,
пробиты
Из литературных данных установлено,
что зависимость вероятности гибели в
пробитах от дозы острого
кратковременного облучения в ближайшие
60 суток после облучения может быть
записана в виде:
y1 = 1,8 + 0,97 10-2 НБ,
где НБ – обобщенная доза, сЗв,
а y1 – пробит – смещенное на 5 единиц
значение верхнего предела интеграла
вероятности (y1 = х +5 ).
Таким образом, дозы облучения,
приводящие к 1%, 10%, 50 % и 90 %
гибели относительно здоровых мужчин,
составляют 90, 200, 330 и 460 сЗв
соответственно.
Вероятность выживания в пробитах от
дозы острого облучения будет
определяться на основе выражения :
y = 8,2 - 0,97 10-2 НБ.
На рис. 16 представлены кривые
вероятности выживания в пробитах для
человека в зависимости от дозы острого
кратковременного облучения.
Выживаемость мужчин при равномерном
облучении в различных дозах
9
8
7
6
5
4
3
2
1
Langham,1967
НКДАР,1988
Козлова,1956
Раевский,1959
Бонд,1974
Расчет
0
100
200
300
400
Поглощенная доза, сГр
500
Рис.16 Зависимость выживаемости
мужчин в ближайшем периоде от
дозы при равномерном остром
облучении. Пунктиром представлена
кривая для больных людей,
облучавшихся в клинике с
терапевтической целью
Slide 14
В
каждой из разыгрываемых методом
Монте-Карло историй межпланетного
полета исследуемой продолжительности
выбирали максимальные значения
обобщенных доз и определяли риск
смертности для отдельных периодов по
60 суток и для всей длительности полета.
Затем рассчитывали среднее значение
риска на основе 104 историй.
Slide 15
Демографический и радиационный риск для космонавтов в возрасте 40 лет в процессе
межпланетного полета за различной толщиной защиты радиационного убежища
(максимум СА, Хбо=1г/см2)
0,04
Р(дем-40)
Хру=1г/см2
Хру=5г/см2
Хру=10г/см2
Хру=20г/см2
Хру=50г/см2
Риск, отн. ед.
0,035
0,03
0,025
0,02
0,015
0,01
0,005
0
0
5
10
15
20
25
Длительность полета, мес.
30
35
40
Slide 16
Радиационный риск в процессе полета, как и
демографический риск, существенно возрастают с
увеличением возраста космонавтов. Эти риски для
50-ти летнего космонавта более, чем в 3 раза
превышают риски для 30-ти летнего.
Rrad(Т0) = Rrad(40) exp [0,062 (T0 –40)]
Однако, следует отметить, что отношение
радиационного риска к демографическому не
зависит от возраста космонавтов и длительности
полета, а зависит только от толщины
радиационного убежища.
Slide 17
К обоснованию суммарного радиационного
риска для космонавтов в течение всей их жизни
Кратко материалы 14-летнего эксперимента
на большой партии собак, облучавшихся
непрерывно от 3 до 6 лет в режиме,
моделирующем радиационное воздействие на
космонавтов от ГКЛ, и подвергавшихся
каждые 4 месяца суточному облучению,
моделирующему распределенное воздействие
протонов СКЛ.
Slide 18
Slide 19
dN клеток в ед. объема
крови х 1000
Костномозговой резерв гранулоцитов (КМРГ) у
собак в процессе облучения с различной
мощностью дозы
8
7
6
5
62 сЗв/год
4
125 сЗв/год
188 сЗв/год
3
Контроль
2
0
10
20
30
40
50
60
Срок от начала облучения, месяцы
70
80
Slide 20
Slide 21
Отдаленные нарушения по результатам 14-летнего ХЭ на собаках при
моделировании дозовых нагрузок на космонавтов при полете на Марс
-через 2 гола от начала облучения после первоначальной активации
адаптационных процессов и значительного напряжения регуляторных систем
наблюдали выраженные морфологические изменения в коре головного мозга,
в частности в гипоталамусе и гипофизе, отмечали нарушения
нейроэндокринной регуляции, резкое снижение гормональной активности;
-несколько позже отмечали нарушения в системе кровообращения,
обусловленные в частности склеротическими изменениями сосудов сердца,
легких, печени, и почек, что нарушало кровообращение ведущих органов и
систем;
-выявлены нарушения терморегуляции и выраженное снижение физической
работоспособности собак.
Все это свидетельствовало о значительном ускорении процессов старения
животных, что подтверждают данные о заметном сокращении
продолжительности их жизни.
Серьезное снижение резервов организма, зависимое от мощности дозы и
длительности облучения, выразилось в значительном снижении скорости
восстановления поражения, как в системе кроветворения и сперматогенеза,
так и в восстановлении показателей ССС после применения физической
нагрузки.
Slide 22
Slide 23
Наблюдаемое в экспериментах
с протяженным
облучением животных со сравнительно большими
значениями мощностей доз и при повторных острых
воздействиях
радиации
снижение
скорости
восстановления радиационного поражения связывалось
нами со снижением компенсаторных резервов организма.
На основе этого постулата была разработана также
модель
радиационной
скорости
смертности
млекопитающих,
позволяющая
описать
характер
трансформации зависимости коэффициентов смертности
животных от их возраста, наблюдаемый в экспериментах
с острыми и хроническими облучениями.
Slide 24
Резервы организма и коэффициенты смертности от
возраста
Суммарный объем компенсаторных резервов
организма человека от возраста (отн. ед.)
в ряде стран (1990-1994гг)
Зависимость коэффициентов смертности от
возраста для мужского населения ряда стран
1
Япония
СЭВ
Россия
1000
0,1
Коэффициент смертности
Суммарный объем резервов организма, отн.ед.
10000
100
0,01
Япония,1991
Яп(расч)
Россия(расч)
0,001
Страны СЭВ(расч)
Страны СЭВ
10
Россия,1990
Россия,1994
0,0001
0
1
10
20
30
40
50
60
Возраст, годы
0
10 20
30
40
50 60
Возраст, годы
70
80 90
10
0
70
80
90
100
Slide 25
Закономерности изменения суммарного объема
компенсаторных резервов организма и
коэффициентов смертности в зависимости от возраста
для возрастов, превышающих 25 лет
Slide 26
к
к
Коэффициенты смертности
мышей от их возраста после
острого облучения в различных
дозах 1/сут
0,01
Коэффициенты
смертности
0,001
0,0001
Контроль
1 Гр
3 Гр
5 Гр
0,00001
100
300
500
700
Возраст мышей, сут
900
Slide 27
Коэффициенты смертности,
1/сут
Коэффициенты смертности мышей от возраста при их
облучении с различной мощностью дозы
0,1
0-0,3
сГр/сут
1,3
2,6
0,01
6
12
24
0,001
0,0001
100
32
56
300
500
700
900
Возраст мышей, сут.
1100
Slide 28
Алгоритм расчета суммарного радиационного риска в течение жизни космонавтов
и оценки возможного сокращения продолжительности жизни в результате
радиационного воздействия в межпланетном космическом полете
Функция дожития, обычно используемая в демографии для когорты в возрасте
t и определяющая вероятность дожить к какому-то возрасту Т, обычно
представляется следующим уравнением:
T
V(T) = exp {- µ()d}=exp{-[µ(t)/0]·[exp{0(T-t)}-1]}
t
Следующее уравнение относится для людей в случае радиационного
воздействия в обобщенной дозе Н. Оно в соответствии с моделью радиационной
скорости смертности, рассмотренной выше, отличается множителем eхр(ВН0).
T
Vrad (T) = exp {-µrad () d}= exp{-[µ(t)/0] exp(BH0) [exp{0(T-t)}-1]},
t
где µrad () = µ() eхр (ВН0).
Коэффициент В установлен на основе представленных в литературе
радиобиологических данных и составляет 0,36 1/Зв.
Суммарный радиационный риск в течение всей жизни космонавтов к
возрасту Т=70 лет равен разности функций дожития R= V(T) - Vrad (T), а
сокращение средней предстоящей продолжительности жизни (СППЖ) можно
вычислить на основе уравнения:
_ _
∞
∞
ΔT = T – Trad = ∫ V()d - ∫ Vrad()d
t
t
Slide 29
На рис. 18 и 19 представлены расчетные значения суммарного радиационного риска
для космонавтов к возрасту 70 лет и сокращения продолжительности предстоящей жизни
после завершения межпланетного полета различной продолжительности в период
максимума СА при различных толщинах радиационного убежища и для двух толщин
защиты бытовых отсеков (ХБО) равных 1 и 50 г/см2 алюминия.
Суммарный радиационный риск в течение жизни
космонавтов после завершения межпланетного полета за
различной толщиной защиты радиационного убежища Хру
( максимум СА, Хбо=1г/см2 и Хбо=50г/см2)
0,25
Хру=1г/см2
Хру=5г/см2
Хру=10г/см2
Хру=20г/см2
Хбо=50г/см2
0,15
7
СППЖ, годы
Риск, отн. ед.
0,2
Сокращение предстоящей продолжительности жизни (СППЖ) у
космонавтов после межпланетного полета за различной
толщиной защиты Хру (максимум СА, Хбо=1г/см2 и
Хбо=50г/см2)
8
0,1
Хру=1г/см2
6
Хру=5г/см2
Хру=10г/см2
5
Хру=20г/см2
4
Хбо=50г/см2
3
2
0,05
1
0
0
0
10
20
30
Длительность полета, мес.
40
Рис. 18. Суммарный радиационный
риск космонавтов к возрасту 70 лет
после завершения межпланетного полета
различной продолжительности в период
максимума СА при различных толщинах
радиационного убежища ХРУ.
0
10
20
30
40
Длительность полета, мес.
Рис.
19.
Сокращение
предстоящей
продолжительности после завершения
межпланетного
полета
различной
продолжительности в период максимума СА
при различных толщинах радиационного
убежища ХРУ..
Slide 30
Из данных, представленных на рисунке
видно, что суммарный радиационный риск
для космонавтов в возрасте 40 лет в 2,7 раза
выше, чем риск опухолей (если использовать
минимальные оценки риска опухолей, то
разница составит 7 раз). С увеличением
возраста эта разница увеличивается. Для
возраста 50 лет суммарный радиационный
риск оказывается больше риска опухолей в
3,7 и 8,9 раз.
Суммарный радиационный и канцерогенный риски в течение
жизни после осуществления 2-х годового межпланетного
полета (макс. СА, Хбо=30 г/см2)
0,05
0,045
0,04
Риск, отн. ед.
На рис. 20 приводятся в зависимости от
возраста космонавтов сравнительные данные
расчетов суммарного радиационного риска и
риска развития опухолей в течение их жизни
после
завершения
двухгодового
межпланетного полета, осуществляемого в
период максимума СА при
некотором
промежуточном гипотетическом варианте
защиты бытовых отсеков (Хбо=30 г/см2).
Риск сумм.
0,035
0,03
Риск опух.(макс)
0,025
Риск опух.(мин)
0,02
0,015
0,01
0,005
0
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Возраст космонавтов, годы
Рис.20.
Зависимости
суммарного
радиационного риска и риска развития
опухолей в течение жизни космонавтов
от их возраста
после завершения
двухгодового межпланетного полета,
осуществляемого в период максимума
СА.
Slide 31
Характер отдаленной патологии, связанной с нарушениями
системы кровообращения, повышением частоты гипертонии,
инфарктов и инсультов у лиц, подвергнутых бомбардировкам в
Хиросиме и Нагасаки, у работников П/О «Маяк» Челябинской
обл., начинавших работу в период становления предприятия в
1948-1950 гг, у ликвидаторов аварии на ЧАЭС подтвердил
наличие заметного радиационного риска, не связанного с
развитием опухолей. Отмечено заметное увеличение частоты
заболеваемости ЦНС и сердечно-сосудистой системы и более
раннее развитие этой патологии в более молодых возрастных
группах, что свидетельствует об ускоренном старении и
возможном сокращении предстоящей продолжительности жизни.
Slide 32
Ранее нами оценены значения радиационного риска при полете
к Марсу с использованием двигательного комплекса, состоящего
из модулей большой и малой тяги, включающего жидкостной
реактивный двигатель (ЖРД) и ядерно-энергетическую
двигательную установку (ЯЭРДУ).
Были
рассчитаны
средние
величины
эквивалентных
среднетканевых и обобщенных доз от ГКЛ и СКЛ и средние
величины суммарного радиационного риска за экспедицию с
использованием метода статистических испытаний Монте-Карло
с рассмотрением 104 историй полетов. Однако это было сделано
для простых предположений изотропного падения излучений на
космический аппарат простой сферической формы с различной
толщиной защиты, в геометрическом центре которого
располагались фантомы – стандартизованные модели тела
человека.
Slide 33
Для уточнения реальных дозовых величин, а также возможных значений
суммарного радиационного риска за экспедицию нам необходимо рассмотреть
конкретные
современные
конструкции
основного
пилотируемого
марсианского орбитального корабля (МОК) на трассе полета Земля-Марс с
оборудованием, корабля возвращения на Землю (КВЗ), взлетно-посадочного
комплекса (ВПК), а также скафандра при нахождении космонавтов на
поверхности Марса.
Для определения величин эквивалентных доз в различных органах
рассматривали случаи размещения шарового и антропоморфного, фантомов,
представляющих собой стандартизованные модели тела человека в различных
отсеках космических аппаратов, рассчитывали функции экранированности
различных органов космонавтов с определением распределения толщины
защиты по различным геометрическим осям и использовали глубинные
распределения доз от источников космических излучений, которые мы
использовали в прежних работах, построенные на основе моделей ГКЛ, РПЗ и
СКЛ.
Slide 34
Slide 35
В настоящее время в проекте предусматривается использование
сравнительно простых экологически чистых электрореактивных
двигателей малой тяги с использованием солнечной энергии и
отказаться от ядерно-энергетических установок на борту.
Комплекс с использованием почти 400 двигателей имеет высокую
надежность и минимальную массу. Его проще, чем какой-либо
другой собрать на околоземной орбите [3]. Несмотря на
увеличение продолжительности экспедиции, которая может
составить от 730 до 900 дней, эта концепция марсианской
экспедиции обладает основным
главным преимуществом высокой вероятностью благополучного возвращения экипажа.
Slide 36
Основные характеристики межпланетного комплекса по концепции РКК.
Рассматривается различная тяговооруженность от 0,00006 до 0,0001 единиц для
медленной и более быстрой раскрутки марсианского корабля (МК) в РПЗ. Для более
медленного варианта раскрутки в РПЗ в соответствии с данными [4], принимается, что
тяговооруженность марсианского корабля на момент отлета составляет 0,00006.
Использование двигателя малой тяги влечет за собой необходимость рассмотрения
большего круга вопросов по оценке радиационной опасности и суммарного
радиационного риска для членов экипажа, поскольку увеличивается длительность
полета и возникает необходимость учета радиационного воздействия от протонов РПЗ.
И то, и другое требует дополнительной радиационной защиты и оценок суммарного
радиационного риска в результате полета. [2, 5, 6].
Нами было оценено время нахождения КА во внутреннем и внешнем РПЗ. Так, при
раскрутке с опорной круговой орбиты высотой 500 км время нахождения во внутреннем
РПЗ составляет ~50 cуток при тяговооруженности КА a 0 ,00006 . Время нахождения во
внешнем РПЗ (16378 –36378 км) при том же значении тяговооруженности составляет ~32
суток. Увеличение тяговооруженности пропорционально уменьшает длительность
пребывания в РПЗ и уменьшает дозу облучения протонами РПЗ. Если увеличить
тяговооруженность до 0,0001, то длительность раскрутки в протонном поясе снизится в
1,67раз.
Slide 37
1000
Dср.тк.мин.СА
Dср.тк.макс.СА
Величины доз, сЗв
Dэкв.мин.СА
Dэкв.макс.СА
Ho,мин.СА
Ho,макс.СА
100
10
0
10
20
30
40
50
60
Толщина защиты КА из алюминия г/см2
Кривые ослабления локальной эквивалентной, среднетканевой и
обобщенной доз от протонов при раскрутке в РПЗ с использованием
двигателей малой тяги (α=0.00006) для полетов в периоды максимума
и минимума солнечной активности (СА)
Slide 38
90
Нгкл-1год,мин.СА
80
Нгкл-1год,макс.СА
Нгкл-2года,макс.СА
70
Нгкл-2,5года,макс.СА
Hрпз.макс.СА,α-мин
Обобщенная доза, сЗв
Hрпз.макс.СА,α-макс
60
50
40
30
20
10
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Толщина защиты КА из алюминия, г/см2
Рис.2. Зависимость обобщенных доз от ГКЛ и РПЗ при длительностях полета 1;
2 и 2,5 года в периоды минимума и максимума СА при тяговооруженности двигателей
0,00006 и 0,0001 от толщины защиты КА
Slide 39
Таким образом, суммарный радиационный риск в максимальном случае 900
суточного полета с минимальной скоростью раскрутки в РПЗ при толщинах
бытовых отсеков марсианского корабля 10; 15; 20; 25 и 30 г/см2 составит 12,5;
10,7; 9,4; 8,3 и 7,5%, а сокращение продолжительности жизни 4,2; 3,6; 3,1; 2,8 и
2,5 года соответственно. В случае использования двигателей с более мощной
тягой, энерговооруженностью 0,0001 и при длительности полета 730 дней
суммарный радиационный риск будет на 2-3 % ниже и составит
соответственно 9,2; 8,0; 7,0; 6,1 и 5,7 %, а СППЖ на 1-1,5 года меньше.
Следует, однако, учитывать, что в марсианскую экспедицию будут отобраны
космонавты, имеющие значительный опыт длительных орбитальных полетов,
которые в течение также длительного периода проходят медицинские
обследования, в том числе неоднократные рентгенологические обследования.
Таким образом к моменту отбора космонавтов к марсианской экспедиции
величины суммарных накопленных эквивалентных доз космонавтов составят
около 30 сЗв и суммарный риск до полета уже может быть оценен равным 4 %,
а оцениваемая величина сокращения ПЖ на1,3 года.
Slide 40
Итоговый суммарный риск в течение жизни космонавта составит около
15 %, а возможное сокращение продолжительности жизни –около 5 лет. Это в
1,5 раза превышает предельное значение риска для космонавтов за всю
профессиональную деятельность, согласно нормативному документу по
радиационной безопасности, принятому в 2004 г. применительно к
орбитальным полетам.
При рассмотрении вопросов радиационной безопасности, оптимизации
защиты и надежности осуществления экспедиции следует иметь ввиду, что вопервых, увеличение толщины защиты марсианского корабля в среднем на 510 г/см2 алюминия приведет к снижению суммарного радиационного риска
всего на 1,3 и 2,4 % при экспедиции 900 суток с двигателем меньшей тяги и на
1,0 и 1,9 % при полете в течение 730 дней с максимальной скоростью
раскрутки. Снижение оцениваемой величины суммарного радиационного
риска от представленного выше максимального значения 15% составит
незначительную величину, хотя в тоже время резко увеличится вес
марсианского корабля, что существенно снизит надежность экспедиции и
выполнение необходимой полетной программы.
Slide 41
Оценка радиационной опасности для членов экипажей при осуществлении
орбитальных космических полетов на основе расчетных методик и данных
бортового и индивидуального дозиметрического контроля
Среднетканевые поглощенные дозы от ГКЛ и радиационных поясов
Земли (РПЗ) в результате осуществления орбитальных полетов на
ОС МИР были оценены на основе расчетов доз в отсеках станции и
внутри стандартизованного фантома и уточнены по результатам
бортовой дозиметрии и измерениям индивидуальных доз у членов
экипажей в конце полета
Дозы от солнечных космических лучей (СКЛ) внутри орбитальных
станций, как показали расчеты методом Монте - Карло для
реальных толщин защиты ОС и с учетом коэффициента ослабления
дозы (К) за счет отклонения протонов магнитным полем Земли,
оказались почти на 2 порядка ниже, чем суммарная доза от ГКЛ и
РПЗ. Поэтому при оценках суммарного радиационного риска дозы
от СКЛ пока не учитывались
Slide 42
На основе расчетных значений доз по глубине шарового фантома, доз на кожу,
КТС, среднетканевых доз с учетом реальной циклограммы и экспериментального
определения индивидуальных доз космонавтов за 28 экспедиций на станции «Мир»
установлены значения коэффициентов перехода от показаний канала Д2 радиометра Р16 к среднетканевой поглощенной дозе КПС в фазах минимума и максимума СА,
которые составили соответственно 0,35 и 0,70 от дозы, установленной по показанию
камеры Д2 радиометра Р-16. Для периодов перехода от фазы минимума СА к фазе
максимума СА и обратного перехода можно принять среднее значение коэффициента
перехода КПС, равное 0,52.
Нами проведены оценки дополнительного вклада локальных и альбедных
нейтронов в величину суммарной эквивалентной дозы. Применительно к определению
эквивалентной дозы на кроветворные органы или среднетканевой эквивалентной дозы
вклад нейтронов в суммарную дозу от ГКЛ и РПЗ может составлять 15-20 %. Таким
образом, максимальная оценка суммарного значения среднетканевой эквивалентной
дозы за полет (сЗв) может быть определена с использованием данных бортовой
дозиметрии на основе следующего уравнения:
D=D(P-16) • КПс • KK • 1,2
(1)
где D(P-16) - поглощенная доза за полет по каналу Д-2 радиометра Р-16, (сГр);
КПС –коэффициент перехода от показаний радиометра Р-16 к среднетканевой
поглощенной дозе; КК – средние значения коэффициента качества космических лучей,
которые равны 2,1 и 2,6 для периодов минимума и максимума СА (см. рис.)
Slide 43
Зависимость коэффициентов качества космических излучений на орбите станции
МИР в различные периоды СА (на основе расчетов и измерений спектров ЛПЭ)
Slide 44
Динамика изменения мощности дозы внутри станции МИР за 28
основных экспедиций по данным ионизационной
камеры Д2 радиометра Р-16
D , м к Гр/с у т к и
800
600
400
200
0
01.01.87
01.01.89
01.01.91 01.01.93
01.01.95
01.01.97
01.01.99 01.01.01
Дата
Аппроксимация усредненных по месяцам среднесуточных
мощностей поглощенных доз, измеренных на станции «МИР».
Slide 45
Расчетные значения среднетканевых эквивалентных доз для космонавтов в
результате годового полета на ОС «МИР» в различные периоды СА и возможные
отдаленные последствия по результатам, представленным в литературе
Цикл солнечной активности
Минимум Промеж. СА Максимум СА
СА
Среднетканевая эквивалентная доза, сЗв 19,3
17,6
16,0
Суммарный радиационный риск в 1,93
1,76
1,6
течение жизни, %
Риск,% развития опухолей в течение
жизни у космонавтов в возрастах
То=30 лет
1,03
0,92
0,85
То=40 лет
0,67
0,61
0,55
То=50 лет
0,52
0,48
0,43
Ожидаемое сокращение
продолжительности жизни (годы) у
космонавтов в возрасте То=30 лет
0,67
0,61
0,55
То=40 лет
0,59
0,54
0,49
То=50 лет
0,51
0,47
0,43
Slide 46
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ
Slide 47
240
Мощность дозы мкГр/сут
220
200
180
160
140
мкГр/сут (М КС)
мкГр/сут (М ир)
120
100
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Номера экспедиций
9
10
11
12
Рис.8.14 Средние значения мощностей поглощенных доз за 1-11-ую экспедиции МКС и
за 1-8 экспедиции на станции «Мир» в период максимума СА по каналу
Д-2 радиометра Р-16
Slide 48
Измерения, проведенные на МКС в последующих 2-11-ую
экспедицию с помощью ионизационной камеры Д-2 радиометра Р-16,
датчиков приборов ДБ-8 и «Пиле», расположенных в различных
отсеках станции, спектрометрического оборудования, включая
тканеэквивалентный пропорциональный счетчик ТЭПС и прибор
«Люлин»,
подтвердили
на
основе
построения
функции
экранированности различных отсеков станции, что
в связи с
добавлением оборудования, защищенность РС МКС увеличилась.
Защищенность от ионизирующего космического излучения
внутренних отсеков космического аппарата определяется не только
толщиной оболочки, но и массой вещества оборудования, запасами
воды и пищевых контейнеров. Анализ функций экранированности по
отсекам станции показывает, что защищенность увеличивается в
большей степени, чем на станции «Мир» и в среднем по оценкам,
представленным в работе (Цетлин В.В., и др.,2006), она в 1,4 раза
выше. Оценки, проведенные для последующих экспедиций, показали,
что снижение мощности дозы в отсеках РС МКС по сравнению с
уровнями, характерными для станции «МИР», составило 1,5 раза, но
это частично можно объяснить снижением высоты орбиты МКС.
Slide 49
Коэффициент качества
4
3
2
1
0
01.01.01
01.01.02
01.01.03
01.01.04
01.01.05
01.01.06 Дата
Рис. 8.15. Динамика среднемесячных значений коэффициента качества в различных
местах РС МКС: Толстая линия – канал D1 радиометра Р-16, тонкая линия– около
стола, пунктирная линия – около центрального поста, точками – в правой каюте
(Бондаренко В.А.,2008),
Slide 50
МУ 2.6.1. 44-03-2004
ФЕДЕРАЛЬНОЕ КОСМИЧЕСКОЕ АГЕНСТВО
ФЕДЕРАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИХ И
ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ПРОБЛЕМ ПРИ
МИНИСТЕРСТВЕ ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
2.6.1. Ионизирующее излучение, радиационная безопасность
ОГРАНИЧЕНИЕ ОБЛУЧЕНИЯ КОСМОНАВТОВ
ПРИ ОКОЛОЗЕМНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ПОЛЕТАХ
(ООКОКП-2004)
Суммарный радиационный риск в течение жизни космонавтов
(астронавтов) в %, риск развития опухолей в %, ожидаемое сокращение
продолжительности жизни в годах при ограничениях доз за карьеру,
принятых разными космическими агентствами.
Отдаленные
последствия
Суммарный
радиационный
риск, %
Сокращение
продолжительности
жизни,
годы
Риск
опухолей
Методические указания МУ 2.6.1. 44-03- 2004
Риск
опухолей
Издание официальное
Риск
опухолей
Москва
2004
Страна
Возраст
Доза за карьеру, Зв
годы
0,6 0,7 0,9 1,0 1,2 1,5 2,9
Примечан
ие
Россия 30
40
50
6,0 7,0 9,0 10 12 15 30
Те же значения
Те же значения
Россия 30
40
50
2,0 2,4 3,1 3,4 4,1 5,0 10
1,8 2,2 2,8 3,1 3,7 4,5 9,0
1,6 1,9 2,4 2,7 3,2 3,9 7,8
Расчет на
основе
среднетканевой
дозы
Расчет на
основе
среднетканевой
дозы
США
25
2,6 3,0 3,8 4,3 5,2 6,4 12,5
NASA
Япония
Россия
27-29
30
3,0 3,5 4,5 5,0 6,0 7,5 14,5
2,8 3,2 4,2 4,6 5,6 6,9 13,5
NASDA
США
35
1,8 2,1 2,7 3,0 3,6 4,5 8,7
США
Япония
Россия
45
36-39
40
1,2 1,4 1,8 2,0 2,4 3,0 5,8
1,8 2,1 2,7 3,0 3,6 4,5 8,7
1,9 2,2 2,8 3,1 3,7 4,7 9,0
США
55
0,6 0,7 0,9 1,0 1,2 1,5 3,0
Япония
Россия
40
50
1,5 1,8 2,3 2,5 3,0 3,7 7,3
1,4 1,7 2,2 2,4 2,9 3,6 7,0
Slide 51
Характеристика
процесса адаптации по
выраженности
напряжения РС
«Норма». Удовлетворительная адаптация
(УА), умеренное
напряжение РС
(состояния 1-3)
Активная адаптация (АА),
выраженное и
резковыраженное
напряжение РС
(донозологические
состояния 4-5)
Неудовлетворительная
адаптация (НА),
выраженное и резковыраженное перенапряжение РС (преморбидные
состояния 6-7)
Срыв адаптации
(состояния болезни 8-10
Состояние процесса
адаптации, оцениваемое по
глубине изменений
показателей
функциональных систем
(ФС)
«Норма». Физиологическая
адаптация
Зона адаптивного
восприятия
Отклонение
показателей
от
нормы М0
(единицы σ)
В пределах
0 – 0,5σ
0,00-0,02
0,00-0,05
Максимальная
Активная адаптация (АА)
Выраженность реакций ФС
и компенсаторных
процессов. Сохранение
изменений в ближайшем
периоде последействия
Зона экстремальных
изменений и их сохранение
длительное время.
Репаративная регенерация
В пределах
от 0,5σ до σ
0,02-0,08
0,05-0,20
Сниженная
В пределах
от σ до 2,0 σ
0,04-0,12
0,20-0,50
Значительное
снижение
устойчивости
Более 2 σ
Более, чем
0,08-0,15
Более
0,50
Зона поражения
Необратимые изменения
Значения ОЛП
Для
Для
человека
живот(в возрастах
ных
20 - 60 лет)
Характеристика
устойчивости
организма
Возможна гибель
при функц.
нагрузках
(Григорьев А.И., Баевский
Измеров И.Ф., Саноцкий И.В.,1976;
Шафиркин
А.В.,
Короткевич
А.О.,
Р.М., 2001, 2007)
Савин Б.М.,1979; Шандала М.Г.,1989;
Штемберг А.С., 2000; Васин А.Л.,
Пальцев Ю.П., Рубцова Н.Б., Походзей Л.В. Шафиркин А. В., 2006, 2007;
и др.,2003
Васин А.Л., 2008
Slide 52
Формирование радиационного поражения в системе кроветворения мышей на
основе ОЛП при их хроническом гамма-облучении в течение 120 суток - А
и до конца жизни – Б (Praslicka M, Chlebovsky O, 1973;
Kalina I, Praslicka M, Petrovicova J, 1975,1977)
Развитие поражения и восстановления в
системе кроветворения мышей при их
хроническом облучении в течение 120 суток с
различной мощностью дозы
Развитие поражения в системе кроветворения
мышей при их хроническом облучении с
различной мощностью дозы
1
1
20 сГр/сут
27 сГр/сут
36 сГр/сут
53 сГр/сут
0,8
0,7
50 сГр/сутки
0,9
Логарифмический показатель,
отн. ед.
Логарифмический показатель,
отн. ед.
0,9
25 сГр/сутки
80 сГр/сутки
0,8
0,7
0,6
0,6
0,5
0,5
0,4
0,4
0,3
0,3
0,2
0,2
0,1
0,1
0
0
0
50 100 150 200 250 300 350
Время от начала облучения, сутки
0
50
100
150
Время от начала облучения, сутки.
Slide 53
Динамика изменения эффективной остаточной дозы Dэф (сГр) и значения логарифмического показателя
[!lg(N/No)!] x 100 по концентрации лейкоцитов в контроле и в 5 группе (188 сГр/год)
Dэф, сГр и [!lg(N/No)] x100
35
Dэф ГКЛ+СКЛ
Лог пок (5 группа)
Лог пок (контр. гр.)
30
25
20
15
10
5
0
0
180
360
540
Срок от начала эксперимента, сутки
720
900
1080
Slide 54
Формирование эффективного поражения у крыс (Def) при их
гамма- облучении с различной мощностью дозы
Эффективная доза, Гр
8
7
ЛД 50/30
6
300 сГр/сут
100 сГр/сут
50 сГр/сут
5
10 сГр/сут
5 сГр/сут
4
3
2
1
0
1
10
100
Время от начала облучения, сут
dDef/dt= K(γ) γ(t)
-[λ0 + λp(γ,t)]t
при
dDef/dt= K(γ) γ(t) – β0 e
Def(t-τ) при
1000
t ≤τ
t >τ
Slide 55
Увеличение толщины защиты на Российском сегменте МКС с
неизбежностью приведет к увеличению вклада в суммарную
эквивалентную дозу от нейтронов уже не на 20 %, как мы
принимали для полетов на станции «Мир», а уже по крайней мере
на 30 %. Кроме того, данные, представленные в работе
(Бондаренко В.А.,2008), показывают, что расчетные и измеренные
значения коэффициентов качества также являются более
высокими и превышают ранее представленные значения для
станции»Мир» приблизительно на 15-20 %. (см рис.8.15). Таким
образом, расчетные
на основе уравнения (8.11) значения
среднетканевой эквивалентной дозы составят 0,93 (с точностью до
10 %) от значений для станции «Мир». Поэтому значения рисков
отдаленных неблагоприятных последствий для космонавтов
после завершения годового полета на МКС будут приблизительно
теми же самыми, которые представлены в таблице 8.3. для
станции «МИР»
Slide 56
В настоящее время являются наиболее значимыми, по крайней
мере, две проблемы в отношении точной и совокупной оценки
радиационной опасности
для космонавтов длительных
межпланетных полетов.
Одна проблема состоит в том, что сохраняется значительная
неопределенность в значениях коэффициентов ОБЭ ускоренных
тяжелых заряженных частиц и нейтронов в отношении поражения
структур коры головного мозга, эпителия хрусталика и ряда
других
тканей
применительно
к
оценке
отдаленных
неблагоприятных последствий, а также оценке риска развития
опухолей.
Отмеченные в литературе значения коэффициентов ОБЭ для
этих видов излучений достигают 40 и даже 100, что в 2-5 раз
превышает максимальные значения в нормативных документах
Публикации 26 и 60 МКРЗ и ГОСТ 25645.218-90.
Slide 57
Вторая проблема связана с необходимостью установления значения
коэффициента КМо, определяющего кратность усиления возможных отдаленных
радиационных эффектов за счет дополнительного длительного стрессорного
воздействия нерадиационных факторов, присущих космическому полету.
Коэффициент модификации в выражении для обобщенной дозы и расчетов
радиационного риска должен быть представлен в дозовом выражении. До
настоящего времени расчеты радиационного риска проводились при значении
КМО равном 1.
Сопоставление рисков неблагоприятных эффектов при хроническом
воздействии ионизирующих излучений, ЭМП СВЧ, химического загрязнения
воздушного бассейна в ряде регионов с развитой промышленностью и
транспортной сетью, длительного социального стресса, сопровождающегося
значительной психо -эмоциональной напряженностью, выполненное нами в
2005 г по программе Президиума РАН «Фундаментальная наука- медицине»,
показало, что последний фактор может оказаться в несколько раз более
травматичным, приведет к более ускоренному старению, увеличению скорости
смертности и сокращению продолжительности жизни, чем воздействие
рассмотренных экологических факторов.
Slide 58
Таким образом значение коэффициента КМО, входящего в
выражения для обобщенной дозы, за счет комплексного
воздействия радиационных и нерадиационных факторов полета
может оказаться также заключенным в диапазоне 2-3 или даже
больше.
Представленные
в докладе материалы показывают
необходимость существенно большей защиты межпланетного
корабля при полете к Марсу, чем рассматривалось ранее (повидимому, потребуется толщина защиты бытовых отсеков от 30 до
40 г/см2 алюминия). Необходимо очень тщательно подойти к
проблеме нормирования
радиационного воздействия на
космонавтов применительно к полету на Марс и учитывать риск
отдаленной неопухолевой патологии в большей степени, чем
только риск развития канцерогенеза.
Slide 59
В последних проектах марсианских космических аппаратов (КА) было
принято решение отказаться от ядерно-энергетических установок на борту.
Как отмечал в своих интервью, посвященных полету к Марсу, главный
научный сотрудник Ракетно-космической корпорации «Энергия», профессор
Леонид Горшков [3] при наземных испытаниях ЯЭРДУ дают мощную
радиоактивную струю, которую трудно изолировать от атмосферы. Кроме того
реакторы на борту необходимо удалять от жилых отсеков и сооружать
большую пассивную физическую защиту, что малоэффективно применительно
к задачам экспедиции и необходимостью размещения полезного научного
оборудования, топлива, продуктов питания.
В настоящее время в проекте предусматривается использование
сравнительно простых экологически чистых электрореактивных двигателей
малой тяги с использованием солнечной энергии. Комплекс с использованием
почти 400 двигателей имеет высокую надежность и минимальную массу. Его
проще, чем какой-либо другой собрать на околоземной орбите [3]. Несмотря на
увеличение продолжительности экспедиции, которая может составить от 730 до
900 дней, эта концепция марсианской экспедиции обладает основным главным
преимуществом -высокой вероятностью благополучного возвращения экипажа
[3, 4]..
Slide 60
Радиационный риск в течение жизни, отн.
ед.
0,25
0,2
0,15
0,1
Россия 40-70;V(t)=0,391
Россия 40-65;V(t)=0,52
США 40-75;V(t)=0,548
0,05
Япония 40-75;V(t)=0,663
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
Обобщенная доза, Зв
Рис.3. Зависимость суммарного радиационного риска для космонавтов России,
астронавтов США и Японии в возрасте 40 лет от величины обобщенной дозы.
Slide 61
Нами на основе рассчитанных значений
среднетканевых эквивалентных доз при
осуществлении межпланетного космического
полета (в предположении, что эквивалентные
дозы во всех органах одинаковы) и материалов,
представленных в литературе о моделях
канцерогенного риска, проведены также оценки
радиационного риска развития опухолей в
течение жизни космонавтов, начинающих полет
в различном возрасте.
Для канцерогенного риска получены
максимальная и минимальная оценки без учета
и с учетом соответственно коэффициентов
редукции дозы, обусловленных малыми
значениями мощности дозы.
Slide 62
Нами
были
рассчитаны
средние
величины
эквивалентных среднетканевых и обобщенных доз от
ГКЛ и СКЛ и средние величины суммарного
радиационного риска за экспедицию с использованием
метода статистических испытаний Монте-Карло с
рассмотрением 104 историй полетов. Однако это было
сделано для простых предположений изотропного
падения излучений на космический аппарат простой
сферической формы с различной толщиной защиты, в
геометрическом
центре
которого
располагались
фантомы – стандартизованные модели тела человека.
Slide 63
Рис. 1. Схема антропоморфного
фантома.
Цифрами
обозначены
представительные точки: 1, 5 – 13, 17 –
20 – представительные точки КТС;
3, 4 - представительные точки ХГ;
14 – 16 – представительные точки
ЖКТ;
2 – представительная точка ЦНС;
21,22 – представительные точки КЖ.
Slide 64
На основе анализа СПС 19 и 20-го солнечных циклов разработан
нормативный документ ГОСТ 25645.134-86 «Лучи космические
солнечные. Модель потоков протонов». На основе этого документа, а
также с использованием ряда других ГОСТ-ов и Методических
указаний по проблеме «Безопасность радиационная экипажа
космического аппарата в космическом полете» (БРЭКАКП) проводили
расчеты эквивалентной дозы в теле космонавтов от СКЛ при
осуществлении полета к Марсу, равноценной дозы и величин
обобщенной дозы, используемой для расчетов радиационного риска.
В промежутках между воздействиями после i-1 события обобщенная
доза НБ (t) уменьшается в связи с реализацией восстановительных
процессов по экспоненциальному закону:
скл
скл
HБ (t) = HБ (ti-1) exp [- β (t - ti-1)]
После реализации i-го события обобщенная доза возрастает на
величину обобщенной дозы от этого события:
скл
скл
скл
HБ (ti ) = HБ (ti-1) exp[- β (ti - ti-1)] + HБ(ti)
Slide 65
Радиационный риск для космонавтов в возрасте 40 лет в
межпланетном полете (МП) и полете на станции "МИР" в
различные периоды СА (Хбо=10 г/см2)
0,009
0,008
МП.мин.СА
Риск, отн.ед
0,007
МП.макс.СА
0,006
МП.пром.СА
МИР-мин.СА
0,005
МИР-макс.СА
0,004
0,003
0,002
0,001
0
0
5
10
15
20
25
30
Длительность полета, мес.
35
40