Суммарный радиационный риск в течение жизни космонавтов после осуществления межпланетных и орбитальных космических полетов Шафиркин А.В. Шафиркин А.В. - презентация

1 Суммарный радиационный риск в течение жизни космонавтов после осуществления межпланетных и орбитальных космических полетов Шафиркин А.В. Шафиркин А.В. Государственный научный центр РФ – Институт медико- биологических проблем РАН, Москва, Россия Государственный научный центр РФ – Институт медико- биологических 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

2

3

4

5

6

7

8

9

10 Радиационный риск длительных космических полетов 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. 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 ядерно- энергетическую двигательная установку (ЯЭРДУ), то можно значительно сократить время пребывания в РПЗ и продолжительность всей экспедиции до 615 суток. Проработки некоторых вариантов показали, что если использовать двигательный комплекс, состоящий из модулей большой и малой тяг и включающий жидкостной реактивный двигатель (ЖРД) и ядерно- энергетическую 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. 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. _ __ Обобщенная доза от ГКЛ определялась на основе значений мощности среднекостномозговой дозы или близкого к ней значения среднетканевой дозы. _ __ ГКЛ D КМ - t D ГКЛ - t ГКЛ D КМ - t D ГКЛ - t Н Б = ________ (1-e ) ___________ (1 - e ) Н Б = ________ (1-e ) ___________ (1 - e ) - постоянная восстановления на уровне организма, равная 0,02 1/сут. - постоянная восстановления на уровне организма, равная 0,02 1/сут.

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. 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: 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: _ _ D ГКЛ = 1 / 365 [5 exp(-X / 6.45) + 24 exp (-X / 85.5)] -максимум СА D ГКЛ = 1 / 365 [5 exp(-X / 6.45) + 24 exp (-X / 85.5)] -максимум СА _ _ D ГКЛ = 1 / 365 [41.5 exp(-X / 2.8) + 48 exp (-X / 85.5)] -минимум СА D ГКЛ = 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. 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 солнечного цикла, а также среднетканевых эквивалентных доз, которые представлены в таблице 4. Степень опасности воздействия СКЛ можно представить на основе расчетов локальных эквивалентных доз за различными толщинами защиты от ряда СПС солнечного цикла, а также среднетканевых эквивалентных доз, которые представлены в таблице 4.

12

13 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 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: y 1 = 1,8 + 0, Н Б, где Н Б – обобщенная доза, сЗв, а y 1 – пробит – смещенное на 5 единиц значение верхнего предела интеграла вероятности (y 1 = 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, Н Б. На рис. 16 представлены кривые вероятности выживания в пробитах для человека в зависимости от дозы острого кратковременного облучения.

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 10 4 историй. 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 10 4 историй.

15

16 Р адиационный 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. Р адиационный 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(Т 0 ) = Rrad(40) exp [0,062 (T 0 –40)] Rrad(Т 0 ) = Rrad(40) exp [0,062 (T 0 –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. Однако, следует отметить, что отношение радиационного риска к демографическому не зависит от возраста космонавтов и длительности полета, а зависит только от толщины радиационного убежища.

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.

18

19

20

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.

22

23

24 Резервы организма и коэффициенты смертности от возраста

25 Закономерности изменения суммарного объема компенсаторных резервов организма и коэффициентов смертности в зависимости от возраста для возрастов, превышающих 25 лет

26

27

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: 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 T V(T) = exp {- µ( )d }=exp{-[µ(t)/ 0 ]·[exp{ 0 (T-t)}-1]} V(T) = exp {- µ( )d }=exp{-[µ(t)/ 0 ]·[exp{ 0 (T-t)}-1]} t 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(ВН 0 ). 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(ВН 0 ). T T Vrad (T) = exp {- µrad ( ) d }= exp{-[µ(t)/ 0 ] exp(BH 0 ) [exp{ 0 (T-t)}-1]}, Vrad (T) = exp {- µrad ( ) d }= exp{-[µ(t)/ 0 ] exp(BH 0 ) [exp{ 0 (T-t)}-1]}, t t где µrad ( ) = µ( ) eхр (ВН 0 ). где µrad ( ) = µ( ) eхр (ВН 0 ). Коэффициент В установлен на основе представленных в литературе радиобиологических данных и составляет 0,36 1/Зв. 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: 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 ΔT = T – Trad = V( )d - Vrad( )d t t t t

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

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 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 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

42

43 Зависимость коэффициентов качества космических излучений на орбите станции МИР в различные периоды СА (на основе расчетов и измерений спектров ЛПЭ)

44 Динамика изменения мощности дозы внутри станции МИР за 28 основных экспедиций по данным ионизационной камеры Д2 радиометра Р-16

45

46 СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ

47

48

49

50

51

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)

53

54

55

56

57

58

59

60

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. 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. Для канцерогенного риска получены максимальная и минимальная оценки без учета и с учетом соответственно коэффициентов редукции дозы, обусловленных малыми значениями мощности дозы.

62

63

64 На основе анализа СПС 19 и 20-го солнечных циклов разработан нормативный документ ГОСТ «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. На основе анализа СПС 19 и 20-го солнечных циклов разработан нормативный документ ГОСТ «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 Н Б (t) уменьшается в связи с реализацией восстановительных процессов по экспоненциальному закону: В промежутках между воздействиями после i-1 события обобщенная доза Н Б (t) уменьшается в связи с реализацией восстановительных процессов по экспоненциальному закону: скл скл скл скл H Б (t) = H Б (ti-1) exp [- β (t - ti-1)] H Б (t) = H Б (ti-1) exp [- β (t - ti-1)] После реализации i-го события обобщенная доза возрастает на величину обобщенной дозы от этого события: После реализации i-го события обобщенная доза возрастает на величину обобщенной дозы от этого события: скл скл скл скл скл скл H Б (ti ) = H Б (ti-1) exp[- β (ti - ti-1)] + H Б (ti) H Б (ti ) = H Б (ti-1) exp[- β (ti - ti-1)] + H Б (ti)

65