Радиоэкология и ОС

Лекция 4

Первичные радионуклиды делят на две группы: радионуклиды уранового и ториевого семейств и радионуклиды, находящиеся вне этих радиоактивных семейств. В первую группу входят 32 радионуклида, среди которых такие долгоживущие нуклиды, как торий-232 (период полураспада 14,1 млрд. лет), уран-238 (4,51 млрд. лет), уран-235 (710 млн. лет), радий-226 (1602 года), свинец-210 (22,3 года) и др.; во вторую группу - 11 долгоживущих радионуклидов, которые присутствуют в различных объектах среды с момента образования Земли и имеют период полураспада от 10⁷ до 10¹⁵ лет (калий-40, рубидий-87 и др.).

Из первичных радионуклидов основной вклад в дозу внешнего облучения вносят гамма-излучающие нуклиды уранового и ториевого рядов, а также калий-40. Содержание этих элементов существенно зависит от типа пород (табл. 1).

Таблица 1 – Среднее содержание в горных породах урана, тория в массовых долях на млн. часть горной породы и калия %

Породы	Уран, млн-1	Торий, млн-1	Калий, %
Гранит	3,0	12,0
Базальт	1,0	4,0	0,5
Перидотит	0,001	0,004	0,04
Песчаник	0,45	1,7	1,4

Районы с повышенным естественным фоном. На земном шаре имеются районы, где мощность поглощенной дозы в воздухе вне помещений значительно превышает среднее значение (около 5 мкР/ч), характерное для районов с "нормальным" радиационным фоном. Это - провинции Лацио и Кампанья в Италии, районы в штатах Керала и Тамилнад в Индии, в штатах Эспириту-Санту, Минас-Жерайс и Рио-де-Жанейро в Бразилии, ряд районов во Франции, Иране, Нигерии, на Мадагаскаре и в некоторых других странах мира. Так, отмечены места в штате Минас-Жерайс, где мощность поглощенной дозы в воздухе достигает 28 мкГр/ч (примерно соответствует 2800 мкР/ч). Во Франции в ряде районов типичное значение мощности поглощенной дозы в воздухе достигает 2 мкГр/ч (200 мкР/ч); в этой стране обнаружен также небольшой район, где мощность поглощенной дозы составляет 100 мкГр/ч (10 тыс. мкР/ч). В урановой провинции Атабаска (Канада) по высоким концентрациям урана в хвое черной канадской ели обнаружена Уолластоунская биохимическая аномалия размером 3 000 км², связанная с поступлением в приземной слой атмосферы урансодержащих газовых эманации по глубинным разломам. Естественно повышенный радиационный фон наблюдается в районах Крайнего Севера из-за поступления в эти районы частиц солнечного ветра.

Радиационное загрязнение биосферы. В связи с индустриализацией в природную среду поступают сегодня в больших количествах естественные радионуклиды (их в насчитывается более 60), извлекаемые из глубин земли вместе с углем, газом, нефтью, минеральными удобрениями, строительными материалами и др. Кроме этого, в биосфере в результате деятельности человека появилось огромное количество искусственных радионуклидов (несколько сотен) и источников излучения.

Технологически измененный естественный радиационный фон. Этот термин используют д ля характеристики изменения естественного радиационного фона под влиянием хозяйственной деятельности человека. В него не включают поступившие в окружающую среду искусственные радиоактивные вещества от испытаний ядерного оружия и от работы предприятий ядерного топливного цикла (ЯТЦ). Используется Единица активности – беккерель, Бк. 1 Бк равен одному ядерному превращению (распаду) за 1 секунду: 1 Бк = 1 расп./с. Однако к нему относят такие источники, как геотермические электростанции, создающие в среднем выброс около 4 · 10¹⁴ Бк Rn-222 на 1 ГВт/год выработанной электроэнергии; дополнительное облучение при полетах в самолете; радий-226, прометий-147 и тритий, используемые для светосоставов постоянного действия; а также электронные и электрические устройства, содержащие радионуклиды или излучающие рентгеновское излучение; радионуклид Ро-210, используемый для снятия статического заряда в некоторых производствах; пожарные дымовые детекторы, содержащие Ra-226, Pu-238 или Am-241; керамическая и стеклянная посуда, содержащая уран и торий и др.

Уголь, сжигаемый в промышленных энергетических установках или жилых домах, содержит естественные радиоактивные К-40, а также U-238 и Th-232 в равновесии с их продуктами распада. В угольной золе содержится в среднем такая удельная активность, Бк/кг: 265 - ⁴⁰K; 200 - ²³⁸U; 240 - ²²⁶Ra; 930 - ²¹⁰Pb; 1700 - ²¹⁰Po; 70 - ²³²Th; 110 - ²³⁸Th и 130 - ²²⁸Ra. Количество выброшенных в атмосферу радионуклидов зависит от зольности угля и эффективности очистных фильтров сжигающих устройств. ТЭЦ различного типа выбрасывают в атмосферу от 1 до 20 % общего количества образующейся золы. Индивидуальная средняя доза облучения в районе ТЭС электрической мощностью 1 ГВт (район радиусом 20 км, площадью около 1000 км²) составляет 5,3 мкЗв/год, при этом костный мозг накапливает 145 мкЗв, легкие - 420 мкЗв, костная ткань - 1140 мкЗв.

Удобрения, применяемые в сельском хозяйстве, содержат немалое количество радионуклидов, которые после внесения их в почву проходят по пищевым цепям и поступают в живые организмы. Мировая добыча фосфатных руд составляет около 1,3 млн. тонн в год. Одними из самых чистых в мире считаются отечественные удобрения, однако это связано не с технологией их изготовления, а с качеством исходных пород.

В Кольском апатите фосфорные удобрения содержат, например, Ra-226 и U-238 до 70 Бк/кг и в фосфорите – 400 Бк/кг. Тройной суперфосфат, выпускаемый в США, содержит, Бк/кг: 2100 - ²³⁸U; 1800 - ²³⁰Th; 780 - ²²⁶Ra; 48 - ²³²Th. Азотно-фосфорно-калиевые удобрения (Бельгия) содержат, Бк/кг: 470 - ²³⁸U; 210 - ²²⁶Ra; 5900 - ⁴⁰K.

Нефть. Сама нефть не содержать радионуклидов в опасных количествах, но при бурении скважин на нефть может выбрасываться на поверхность шлам содержащий радиоактивные элементы. В водонефтяной оторочке возникают благоприятные условия для осаждения и накопления Ra, что может загрязнять как инструменты, так шлам, который извлекается из скважины. Шлам – это горные породы + вещества, используемые для промывки инструментов и извлечения породы из скважины. Складируется в шламовые амбары, около кустового основания.

Находясь в контакте с радиоактивными изотопами мы поглощаем радиацию. Поглощенная доза излучения равна отношению средней энергии DЕ, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе Dm вещества в этом объеме. Единица измерения поглощенной дозы служит грэй, Гр. 1 Гр = 1 Дж/кг. Единица эквивалентной дозы – зиверт, Зв. 1 Зв = 1 Дж/кг. Зиверт равен дозе излучения любого вида, производящей такое же биологическое действие, как и доза образцового рентгеновского излучения в 1 Гр. Эквивалентная доза излучения введена для оценки возможного ущерба здоровью человека от хронического воздействия ионизирующего излучения при значении эквивалентной дозы за календарный год не более 5 предельно допустимых доз (ПДД), то есть не превышающего 250 мЗв в год. Эквивалентная доза равна произведению поглощенной дозы на средний коэффициент качества k ионизирующего излучения в данном элементе объема биологической ткани.

Предметы широкого потребления являются дополнительным источником облучения человека. Так, часы с циферблатом, содержащим радий-226 создают мощность дозы 0,074 мкГр/час. Мягкое рентгеновское излучение цветного телевизора создает на расстоянии 250 см от экрана мощность дозы, равную 0,003 мкГр/час, а на расстоянии 5 см от экрана - 100 мкГр/час.

Загрязнение биосферы радионуклидами, образовавшимися при испытаниях ядерного оружия. Испытания ядерного оружия в атмосфере были начаты США в 1945 г. Наиболее интенсивные испытания проводились в 1954 - 1958 гг. и 1961 - 1962 гг. В первый период большую часть испытаний провели США, во время второго периода - Советский Союз. В 1963 г. большинство стран подписали Договор об ограничении испытаний ядерного оружия (кроме подземных). После этого лишь Франция и Китай провели серию испытаний ядерного оружия в атмосфере (последнее из них - в 1980 г.).

С 1945 по 1980 г. было испытано в атмосфере 423 ядерных устройств различных типов и мощности. Общая мощность взорванных в атмосфере ядерных устройств эквивалентна 545,5 Мт тринитротолуола (тротилового эквивалента) – в пересчете на мощность бомбы, сброшенной на Хиросиму (20 кт), - это 27 275 хиросимских бомб.

В момент взрыва первоначальная смесь продуктов деления содержит до нескольких сотен радионуклидов, большинство из которых имеет ничтожную концентрацию или из-за короткого периода полураспада быстро распадается. Кроме первичных радионуклидов в окружающей среде образуется значительное количество вторичных радионуклидов в результате активации вещества среды нейтронами, испускаемыми при взрыве. В радиоактивных продуктах взрыва также присутствует в мелкодисперсной форме большое количество неразделившихся ²³⁸U, ²³⁵U и ²³⁹Pu. Почти каждый изотоп является родоначальником цепочки распада с образованием радиоактивных промежуточных продуктов.

Основной вклад в формирование дозы облучения населения вносят долгоживущие радионуклиды. После атмосферного взрыва около 50 % образовавшихся активных продуктов выпадают в районе испытаний (в радиусе около 100 км) на земную или водную поверхность (площадью примерно 30 000 км²) – это так называемые локальные радиоактивные осадки. Остальная часть уходит в тропосферу и/или стратосферу. В тропосферу попадают мелкие аэрозольные частицы и находятся там до 30 суток, в течение которых они выпадают на Землю. Благодаря воздушным течениям тропосферные осадки выпадают за многие сотни и тысячи километров от места взрыва. В стратосферу уходит большая часть радионуклидов, которые глобально перемешиваются в стратосфере и затем в течение долгого времени (месяцы и годы) выпадают в различном количестве на различные участки поверхности всего земного шара (глобальные выпадения). В Северном полушарии, где проводилось большинство испытаний, выпадает и большее количество радиоактивных осадков.

Радиоактивные вещества, образующиеся при ядерных взрывах, создают радиационное воздействие на людей - внутреннее облучение (от вдыхания радиоактивных веществ, содержащихся в приземном слое воздуха, и употребления в пищу продуктов питания и питьевой воды, загрязненных радионуклидами) и внешнее облучение (от радиоактивных веществ, присутствующих в приземном воздухе или выпавших на поверхность земли).

НКДАР (Национальная комиссия по действию атомной радиации (Россия)) выделяет 21 радионуклид, которые образовались при испытаниях ядерного оружия и которые вносят тот или иной вклад в дозу облучения населения. Среди них, кроме того, выделены радионуклиды, вклад каждого из которых в ожидаемую эффективную эквивалентную дозу превышает 1 % (за 100 % принята ожидаемая доза от всех дозообразующих радионуклидов ядерного взрыва). Это следующие 8 радионуклидов (в порядке уменьшения вклада в ожидаемую суммарную дозу) – ¹⁴C, ¹³⁷Cs, ⁹⁵Zr (цирконий), ¹⁰⁶Ru (рутений), ⁹⁰Sr, ¹⁴⁴Ce (церий), ³H и ¹³¹I.

Как известно, природное содержание трития составляет не более 5,2 · 10¹² Бк (5,2 терабеккерель, или 5,2 ТБк). В результате испытаний ядерного оружия (в основном термоядерного) в атмосферу поступило 2,4 · 10²⁰ Бк трития, который активно включился в гидрологический цикл, и Мировой океан является сегодня основным депо хранения этого радионуклида.

Природное образование радиоактивного С-14 в атмосфере космическими нейтронами составляет 1 · 10¹⁵ Бк (1 петабеккерель, или 1 ПБк). При испытаниях ядерного оружия радиоуглерод образуется при захвате азотом воздуха нейтронов, испускаемых во время ядерного взрыва. Суммарная активность ¹⁴С, накопившаяся в результате испытаний оружия, проведенных до 1981 г., составила 220 ПБк.

По оценкам экспертов понадобится несколько тысячелетий, чтобы содержание тих изотопов пришло в норму.

Стронций-90 - чистый бета-излучатель со средней энергией 0,196 МэВ. При его распаде образуется другой бета-излучающий радионуклид - иттрий-90 (Т_1/2 = 61,1 часа, средняя энергия бета-частиц 0,935 МэВ). Исторически сложилось так, что именно ⁹⁰Sr был объектом пристального внимания ученых всего мира в течение длительного времени, поэтому получены обширные сведения о его поведении в окружающей среде. Общее количество Sr-90, образованного в результате всех проведенных до 1981 г. испытаний, составило 600 ПБк. За вычетом локальных выпадений общее глобальное накопление Sr-90 составляло к концу 1980 г. около 400 ПБк.

Цезий-137 - радионуклид, излучающий бета-частицы. При его распаде образуется дочерний радионуклид ^137mВа, который распадается с периодом полураспада 2,55 минуты, при этом испускаются гамма-кванты. Количество Сs-137, попавшего в атмосферу до 1981 г., равно 960 ПБк.

Нуклиды Sr-90 и Cs-137 в составе глобальных осадков выпадают в водно-растворимой форме. Эти элементы являются основными загрязнителями территорий пострадавших от Чернобыльской катастрофы.

Иод-131 - радионуклид, излучающий бета-частицы и гамма-кванты. Общее количество ¹³¹I, поступившего в атмосферу, согласно оценкам, равно 7 · 10²⁰ Бк. Основной источник поступления радиоактивного йода в организм людей – молоко (в тех районах, где оно является важным компонентом рациона человека).

Плутоний-328. Pu-328 имеет период полураспада, равный 87,7 лет, общее количество этого радионуклида, образовавшееся при проведении испытаний, составляет 330 ТБк; Pu-239 - 24100 лет, 7,8 ПБк; Pu-240 - 6570 лет, 5,2 ПБк; Pu-241 - 14,4 лет, 1700 ПБк; Pu-242 - 376000 лет, 160 ТБк; Am-241 (образуется при распаде Pu-241) - 433 года, 5,5 ПБк; Ar-39 - 269 лет, 1,2 ПБк и т.д.

По расчетам специалистов, полная ожидаемая доза от всех радионуклидов, образовавшихся при ядерных испытаниях, составит примерно 4000 мкЗв (т.е. 400 мбэр). До 2000 года было израсходовано только 7,7 % от этой дозы, и она будет почти полностью реализована более чем за тысячу лет. Очень малые дозы от наиболее долго живущих радионуклидов ядерных взрывов люди будут получать еще на протяжении миллионов лет.