Йод-131

Йод-131 (I-131, радиоактивный йод) — радиоактивный изотоп йода с атомным номером 53 и массовым числом 131. Относится к группе радионуклидов, образующихся в ядерных реакторах при делении урана-235 или плутония-239, а также при облучении теллура в нейтронных потоках. Период полураспада составляет 8,02 суток. Йод-131 является одним из наиболее значимых с точки зрения радиационной безопасности продуктов ядерного деления, поскольку он обладает высокой летучестью, способностью накапливаться в щитовидной железе и представляет серьёзную опасность для здоровья человека при попадании в окружающую среду. В то же время в контролируемых дозах он широко применяется в ядерной медицине для диагностики и терапии заболеваний щитовидной железы.

Физические и химические свойства

Йод-131 — бета- и гамма-излучатель. При бета-распаде (максимальная энергия электронов 0,606 МэВ) он превращается в стабильный ксенон-131. Гамма-излучение имеет несколько энергетических линий, основные из которых — 364 кэВ (81 % интенсивности), 637 кэВ (7 %) и 284 кэВ (6 %). Бета-частицы обладают малой проникающей способностью (пробег в тканях до 2 мм), что позволяет использовать их для локального облучения тканей. Гамма-излучение, напротив, проникает через тело и может быть зарегистрировано внешними детекторами.

Как и стабильный йод-127, радиоактивный йод-131 химически ведёт себя идентично: легко вступает в реакции с образованием йодидов, растворяется в воде, сорбируется органическими веществами. В атмосфере может присутствовать в виде элементарного йода (I₂) или йодистого метила (CH₃I). Высокая летучесть элементарного йода делает его особенно опасным при авариях на ядерных объектах.

Образование и источники

Естественное образование

В природе йод-131 практически не встречается. Незначительные количества могут образовываться в верхних слоях атмосферы под действием космических лучей, но их вклад в общий радиационный фон ничтожен.

Техногенные источники

Основным источником йода-131 является деление ядер урана и плутония в ядерных реакторах. Выход изотопа при делении урана-235 составляет около 2,9 % (то есть на каждые 100 актов деления образуется примерно 3 атома йода-131). Значительные количества I-131 накапливаются в отработавшем ядерном топливе.

В окружающую среду йод-131 попадает:

• при авариях на атомных электростанциях (АЭС) и предприятиях ядерного топливного цикла;
• при испытаниях ядерного оружия (в атмосфере, под водой, на земле);
• при работе предприятий по переработке отработавшего топлива;
• в результате утечек из медицинских учреждений, использующих I-131 для терапии.

Крупнейшие выбросы йода-131 в атмосферу произошли при авариях на Чернобыльской АЭС (1986 год) и на АЭС «Фукусима-1» (2011 год). В первом случае, по оценкам, было выброшено от 1,8 до 2,7 × 10¹⁸ Бк (беккерелей) йода-131, во втором — порядка 1,5 × 10¹⁷ Бк.

Биологическое действие и радиационная опасность

Метаболизм в организме

Йод-131, попадая в организм человека (с воздухом, пищей или водой), ведёт себя так же, как стабильный йод. Он быстро всасывается в желудочно-кишечном тракте (коэффициент всасывания — около 100 %) и накапливается преимущественно в щитовидной железе, где используется для синтеза гормонов тироксина и трийодтиронина. В щитовидной железе может задерживаться до 30–40 % поступившего в организм йода-131. Остальная часть выводится с мочой в течение нескольких суток.

Поражающие факторы

Основной поражающий фактор — бета-излучение, которое вызывает ионизацию тканей щитовидной железы непосредственно в месте накопления радионуклида. Гамма-излучение облучает всё тело, но его вклад в общую дозу меньше. При попадании в организм I-131 в больших количествах может развиться:

• Острый тиреоидит (воспаление щитовидной железы) — при дозах облучения более 2–3 Гр.
• Гипотиреоз (снижение функции щитовидной железы) — при дозах более 10–15 Гр.
• Рак щитовидной железы — наиболее отдалённое последствие. Риск особенно высок у детей и подростков, поскольку их щитовидная железа более чувствительна к радиации и имеет меньший объём.

По данным Всемирной организации здравоохранения, после аварии на Чернобыльской АЭС у детей и подростков, проживавших в загрязнённых районах Беларуси, Украины и России, было зарегистрировано несколько тысяч случаев рака щитовидной железы, прямо связанных с воздействием йода-131.

Меры защиты

Для предотвращения накопления радиоактивного йода в щитовидной железе применяется йодная профилактика — приём препаратов стабильного йода (калия йодида). При своевременном приёме (за 6 часов до или в первые 6 часов после поступления радиоактивного йода) щитовидная железа насыщается стабильным йодом, и поглощение I-131 снижается в 10–100 раз. Йодная профилактика была массово применена после аварии на Чернобыльской АЭС, хотя в ряде регионов она проводилась с опозданием.

Применение в медицине

Несмотря на высокую радиотоксичность, йод-131 широко используется в ядерной медицине благодаря его способности избирательно накапливаться в щитовидной железе.

Терапия

Основное медицинское применение — радиойодтерапия заболеваний щитовидной железы:

• Дифференцированный рак щитовидной железы (папиллярный и фолликулярный). После хирургического удаления щитовидной железы пациенту вводят лечебную активность I-131 (обычно 3,7–7,4 ГБк). Радиоактивный йод уничтожает остатки ткани щитовидной железы и метастазы, способные накапливать йод.
• Тиреотоксикоз (болезнь Грейвса, токсический зоб). Приём I-131 в меньших активностях (0,37–0,74 ГБк) приводит к частичному или полному разрушению гиперфункционирующей ткани щитовидной железы, нормализуя уровень гормонов.

Диагностика

Для диагностических целей (сцинтиграфии щитовидной железы) ранее использовали йод-131, однако в настоящее время его вытеснили более короткоживущие изотопы — йод-123 (период полураспада 13,2 часа) и технеций-99m (период полураспада 6 часов), которые дают меньшую лучевую нагрузку на пациента.

Радиофармацевтические препараты

В России и других странах йод-131 выпускается в виде раствора натрия йодида (Na¹³¹I) для перорального приёма или внутривенного введения. Препарат производится на предприятиях ядерной медицины, в частности в Государственном научном центре РФ — Физико-энергетическом институте имени А. И. Лейпунского (Обнинск) и на Сибирском химическом комбинате (Северск).

Экологическое значение

Йод-131 является одним из ключевых индикаторов свежего радиоактивного загрязнения после ядерных аварий. Благодаря короткому периоду полураспада (8 суток) его присутствие в пробах воздуха, воды, почвы и продуктов питания свидетельствует о том, что выброс произошёл недавно. Через 2–3 месяца после аварии активность I-131 снижается до фоновых значений.

При радиационных авариях наибольшую опасность представляет загрязнение молока и листовых овощей, так как коровы и растения накапливают радиоактивный йод из воздуха и почвы. В зонах загрязнения вводится запрет на употребление свежего молока и овощей, а также на выпас скота на открытых пастбищах.

Регулирование и контроль

В Российской Федерации обращение с йодом-131 регулируется Федеральным законом «Об использовании атомной энергии», «Нормами радиационной безопасности» (НРБ-99/2009) и «Основными санитарными правилами обеспечения радиационной безопасности» (ОСПОРБ-99/2010). Установлены пределы годового поступления (ПГП) для персонала (работающего с источниками ионизирующего излучения) и населения. Для йода-131 ПГП для персонала составляет 1,4 × 10⁵ Бк/год, для населения — 1,4 × 10⁴ Бк/год.

Медицинское применение I-131 требует лицензирования и строгого соблюдения правил радиационной безопасности: пациенты после терапии должны соблюдать меры предосторожности (избегать контакта с беременными и детьми, не пользоваться общественным транспортом, не готовить пищу для других) в течение 1–2 недель, пока активность в организме не снизится до безопасного уровня.

Интересные факты

• Йод-131 был открыт в 1938 году американским физиком Гленном Сиборгом и его коллегами в Калифорнийском университете в Беркли.
• В 1940-х годах, в ходе Манхэттенского проекта, изучалась возможность использования йода-131 в качестве радиоактивного отравляющего вещества, однако эта идея не была реализована.
• После аварии на Чернобыльской АЭС в некоторых регионах Украины и Беларуси проводилась массовая йодная профилактика с использованием спиртового раствора йода (нанесение на кожу), что не всегда было эффективно из-за низкой биодоступности.
• В 2011 году после аварии на «Фукусиме» в Японии был зафиксирован значительный выброс йода-131, что привело к обнаружению следов изотопа в продуктах питания и воде на значительном удалении от станции.

Источники

• Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009). — М.: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора, 2009.
• Основные санитарные правила обеспечения радиационной безопасности (ОСПОРБ-99/2010). — М., 2010.
• Радиационная медицина: руководство для врачей / под ред. Л. А. Ильина. — М.: Изд-во АТ, 2004. — Т. 2: Радиационные поражения человека.
• Чернобыльская катастрофа: итоги и проблемы / под ред. В. Г. Барьяхтара. — Киев: Наукова думка, 1995.
• International Atomic Energy Agency. Environmental consequences of the Chernobyl accident and their remediation: twenty years of experience. — Vienna: IAEA, 2006.
• United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation (UNSCEAR). Sources and effects of ionizing radiation. — New York: United Nations, 2008.
• Федеральный закон от 21.11.1995 № 170-ФЗ «Об использовании атомной энергии» (с изменениями).