Ядерная энергетика. Авария на ЧАЭС, динамика выброса во времени и в пространстве

Ядерный топливный цикл включает следующие стадии:

1. добыча урановой руды

2. переработка урановой руды в обогащенное U-235 ядерное топливо

3. производство тепловыделяющих элементов, которые состоят из урана в металлической, карбидной или оксидной форме, заключенного в оболочку из циркония, магниевого сплава или нержавеющей стали

4. использование тепловыделяющих элементов на АЭС (нормальная эксплуатация АЭС)

5. переработка отработанного ядерного топлива (для по­следующего использования извлеченного делящегося мате­риала, в частности, урана и плутония)

6. переработка и захоронение образующихся радиоак­тивных отходов.

Обязательно надо помнить о транспортировке радиоак­тивных материалов для обеспечения всех этих стадий. За­грязнение окружающей среды радионуклидами происходит на всех стадиях ядерного топливного цикла, но наибольший вклад вносят:

а) переработка отработанного ядерного топлива на ра­диохимических заводах (основное значение имеют радио­нуклиды С-14, Kr-95, H-3, I-129)

б) нормальная эксплуатация АЭС: при нормальной ра­боте реактора в окружающую среду после прохождения сис­темы очистки удаляются газообразные (частично аэрозоль­ные) и жидкие отходы (основное значение имеют радионук­лиды I-131, Cs-137 и 134, Sr-90, а также радиоактивные инертные газы).

В настоящее время рассчитанное значение максималь­ной подушной дозы за счет использования ядерной энергетики составляет менее 0,2мкЗв в год.

Оценивая опасность нормальной работы АЭС для чело­века, необходимо отметить, что проживание вблизи уголь­ной теплоэлектростанции мощностью 1000 МВт, с учетом вы­бросов природных радионуклидов (K-40,U-238,Th-232,Pb-210, Po-210) и химических канцерогенов (бензпирены), в сотни раз более опасно, чем проживание вблизи АЭС анало­гичной мощности.

Авария на Чернобыльской атомной электростанции.

Чернобыльская АЭС (ЧАЭС) находится на Украине, в 12 км от южной границы РБ. 26 апреля 1986 г. на 4-ом блоке ЧАЭС произошла крупная авария, которая резко изменила радиоэкологическую ситуацию в Беларуси. По Международ­ной шкале событий на АЭС, предложенной МАГАТЭ и Евро­пейского агентства по атомной энергии, авария на ЧАЭС от­носится к 7-му классу и именуется глобальной аварией.

Катастрофа на 4-ом блоке ЧАЭС, которая произошла в результате взрыва пара, снесшего крышу здания, разгерме­тизации активной зоны и возникшего пожара, сопровожда­лась выбросом в окружающую среду значительного количе­ства радиоактивных веществ (около 10 ЭксаБк). Выброс газо-аэрозольной струи, достигшей 1,5 км, был длительным (10 суток), неравномерным по количеству выбрасываемых радионуклидов, при постоянно меняющихся метеоусловиях (направление ветра, осадки).

Динамика выброса радионуклидов в пространстве.

Формирование радиоактивного загрязнения РБ началось сразу после взрыва реактора, т.к. радиоактивное облако пе­ремещалось с воздушными потоками в с-з и северном на­правлениях. Около 70% радиоактивных веществ, вы­брошенных из разрушенного реактора в атмо­сферу, в ре­зультате сухого и влажного осаждения выпали на терри­торию Беларуси. При этом 23% территории РБ с 3221 населенными пунктами, в том числе 27 горо­дов, где проживало 2,2 млн. человек (из них более 400 тыс. детей), оказалось загрязненной цезием-137 более 1 Ки/км².

Радиоактивное загрязнение распространилось по всем областям республики. Оно имеет неравномерный "пятни­стый" характер, что обусловлено динамикой выброса и по­стоянно меняющимися метеоусловиями. Максимальные уровни загрязнения были обнаружены в 30-километровой зоне вокруг АЭС (зоне отчуждения): по цезию-137 - 500 Ки/км², по стронцию-90 - более 12 Ки/км², по плутонию-239,240 - около 4 Ки/км². За пределами зоны отчуждения также выявлены участки с высокими уровнями загрязнения (д. Чудяны Могилевской области). В пределах некоторых на­селенных пунктов отмечалось большое различие уровней за­грязнения почвы цезием-137.

1. Загрязнение территории РБ по цезию-137 - са­мые пострадавшие области:

а) Гомельская

б) Могилевская

в) Брестская (Столинский, Пинский, Лунинецкий, Дроги­чинский, Березовский, Барановичский районы)

В Минской, Гродненской и 4-х населенных пунктах Ви­тебской области содержание цезия-137 в почве превышает 37 кБк/м² (1 Ки/км²). На остальной территории РБ уровни за­грязнения почвы цезием-137 также выше доаварийных зна­чений и лишь в северо-западных районах Витебской области сопоставимы с глобальными выпадениями.

2. Загрязнение территории РБ Sr-90 - в отличие от за­грязнения Cs-137 имеет более локальный характер:

- уровни содержания стронция-90 в почве выше 5,5 кБк/м² (0,15 Ки/км²) обнаружены на площади, составляю­щей 10% от территории РБ

- максимальные уровни стронция-90 обнаружены в пределах 30-км зоны ЧАЭС (около 49 Ки/км²) в Хойникском районе Гомельской области

- наиболее высокое содержание стронция-90 в поч­вах дальней зоны обнаружено в Чериковском районе Моги­левской области и в Ветковском районе Гомельской области

3. Загрязнение территории РБ по плутонию – 238-240.

- уровни загрязнения почвы изотопами плутония-238, 239, 240 более 0,37кБк/м² (0,01 Ки/км²) охватывает почти 2% площади республики (Брагинский, Наровлянский, Хойникский, Речицкий, Добрушский и Лоевский районы Го­мельской области и Чериковский район Могилевской об­ласти)

- наиболее высокий уровень изотопов плутония отме­чен в Хойникском районе

Газо-аэрозольное облако имело радионуклидный со­став, однозначно характеризующий источник выброса: в него входили изотопы 27 радионуклидов. Радионуклидный состав выпадений, особенно в первые недели после аварии, имеет существенное значение для ретроспективной оценки доз облучения жителей ближайших к станции населенных пунктов, персонала станции и лиц, принимавших участие в аварийно-восстановительных и дезактивационных работах.

В окружающую среду были выброшены:

- летучие радиоактивные инертные газы;

- сотни осколочных продуктов деления, накопившихся в зоне реактора;

- изотопы наведённой радиоактивности за счет веществ, которые сбрасывали на реактор;

- частички ядерного топлива.

Сразу после аварии радиационная обстановка и форми­рование дозовых нагрузок на население определялись дей­ствием короткоживущих радионуклидов (молибдена, техне­ция, лантана, бария, благородных инертных газов, радио­изотопов йода-131, 132, 133, 134, 135, 123, 125, 126). В ок­ружающую среду было выброшено 50-60% накопившихся в реакторе радиоизотопов йода. Уровни радиоактивного за­грязнения короткоживущими радионуклидами йода во мно­гих регионах РБ были настолько велики, что вызванное ими облучение миллионов людей квалифицируется как период "йодного удара". В апреле - мае 1986 года наибольшие уровни выпадения йода-131 имели место в:

а) до 1000 Ки/км² - в Брагинском, Хойникском, Наров­лянском районах Гомельской области

б) до 500 Ки/км² - в Чечерском, Кормянском, Буда-Ко­шелевском, Добрушском районах

Значительному загрязнению радиоизотопов йода под­верглись также юго-западные регионы РБ (Гомельская и Брестская области), север Гомельской и Могилевской облас­тей.

Типы воздействия радионуклидов чернобыльского вы­броса на население республики. Формирование доз об­лучения населения после аварии на ЧАЭС. Общие законо­мерности поступления, распределения и выведения ра­дионуклидов из организма человека.

Типы воздействия радионуклидов:

1. внешнее гамма-облучение от радиоактивного облака - было недолгим и продолжалось до формирования радиоактивного следа на местности и объектах окружающей среды; вклад в формирование дозы в первый послеаварийный год 2,5%.

2. ингаляционное поступление радионуклидов в организм человека - формирует 4,5% дозы за счёт внутреннего облучения организма. Аэрозольное загрязнение атмосферного воздуха делится на 2 этапа:

а) относительно кратковременный - момент выброса газо-аэрозольной струи в атмосферный воздух, формирование и перенос радиоактивных облаков до момента их осаждения на поверхность земли, воды, объекты окружающей среды (ингаляционное поступление радионуклидов из радиоактивного облака).

б) непрерывный - вторичное загрязнение атмосферы за счёт ветрового подъёма пыли.

Загрязнение приземного слоя атмосферы в результате ветровой эрозии почвы является дополнительным фактором загрязнения территории радионуклидами. Мельчайшие аэрозольные частички переносятся с воздухом на большие расстояния вследствие медленной седиментации. В ряде случаев перенос радиоактивной пыли обуславливал повторное загрязнение дезактивированных территорий. Особую опасность вторичное загрязнение атмосферы радионуклидами за счет ветрового подъема пыли представляет для населения, постоянно проживающего и работающего на загрязненной территории.

3. внешнее гамма-излучение от осевших на земную поверхность и объекты окружающей среды радионуклидов - обуславливает самое длительное и интенсивное облучение, формирует около 50-60% дозы у населения. Определяется, в основном, гамма-излучением цезия-137 и другими гамма-излучающими радионуклидами.

Основные факторы, уменьшающие внешнее гамма-излучение:

1) естественный распад радионуклидов - в настоящее время доза на организм человека формируется за счет долгоживущих радионуклидов:

а) цезия-137 (период полураспада 30 лет)

б) стронция-90 (период полураспада 29,1 лет)

в) трития (период полураспада 12 лет)

г) углерода-14 (период полураспада 5730 лет)

д) плутония-239 (период полураспада более 24000 лет)

2) миграция радионуклидов вглубь почвы - она незначительная: основная масса цезия-137 спустя 12 лет после аварии сосредоточена в верхнем 5-сантиметровом почвенном слое, основная часть радиостронция находится в поверхностных слоях (0-1 см) почвы. Наиболее интенсивно вертикальная миграция протекает в торфяниках; прогнозы показывают, что самоочищение почв вследствие данного процесса будут происходить крайне медленно. Нахождение радионуклидов в корнеобитаемом слое, а также увеличение относительного количества обменного стронция в поверхностных слоях почв будут длительное время обуславливать интенсивную миграцию радионуклидов по пищевым цепочкам.

4. попадание радионуклидов в организм по пищевым цепочкам - данный тип воздействия имеет особое значение для РБ, связанный с особенностями почв (преимущественно на Полесье). Среди загрязненных радионуклидами земель РБ больше половины составляют почвы легкого гранулометрического состава, характеризующиеся низкой емкостью поглощения, малым содержанием гумуса и вторичных глинистых минералов. В легких почвах республики радионуклиды цезия-137 и стронция-90 аномально подвижны, т.е. они плохо связываются частицами почвы и поэтому коэффициент перехода их в растения высокий. Хорошо фиксирует радионуклиды чернозем, глинистая почва, а в Белорусском Полесье почва песчаная, подзолистая, торфяно-болотная, т.е. легкая. Все это определяет высокие уровни накопления радионуклидов в местных продуктах питания и высокие дозовые нагрузки на организм проживающего там населения (Лельчицкий район Гомельской области, Столинский и Лунинецкий районы Брестской области).

Принципы формирования доз облучения населения после аварии на ЧАЭС.

Радиотоксичность – свойство радиоактивных изотопов вызывать большие или меньшие патологические изменения при попадании их в организм, обусловленное рядом факторов:

1) видом радиоактивного превращения

2) средней энергией одного акта распада

3) схемой радиоактивного распада

4) путями поступления радионуклида в организм

5) типом распределения радионуклида в организме

6) временем пребывания радионуклида в организме - определяется длительностью облучения тканей, в котором локализован изотоп; зависит от периода полураспада изотопа (Т_1/2) и от скорости его выведения из организма

Период полувыведения (Т_б) - время, в течение которого из организма выводится половина введенного радионуклида; характеризует скорость выведения радионуклида из организма.

Эффективный период (Т_эфф) – время, в течение которого активность изотопа в организме уменьшается вдвое.

Тэф= Т1/2*Тб / Т1/2 + Тб

7) продолжительностью времени поступления в тело человека.

Принципы формирования доз облучения населения после аварии на ЧАЭС.

В апреле-мае 1986 года мощности экспозиционных доз в южных районах Беларуси достигали десятков миллирентген в час, то есть превышали в тысячи раз естественный фон Беларуси до аварии,что явилось основанием для эвакуации части населения из загрязненных радионуклидами территорий.

С мая 1986 года правительственной комиссией устанавливались Временные нормативы по дозовым нагрузкам для населения: 1986-1987 гг. – 100 мЗв/год,, 1991 год – 5 мЗв/год, 1998 – 1 мЗв/год. При этом предполагалось, что 50% дозы формирует внешнее облучение, 50% - внутреннее.

Особенность формирования доз облучения населения, проживающего на загрязненных территориях:

1) пролонгированное внешнее и внутреннее облучение за счет долгоживущих радионуклидов (Сs, Sr, Рu) в дополнение к дозам, сформировавшимся на раннем этапе аварии за счет короткоживущих радионуклидов (особенно радиоизотопов йода)

2) определенная часть населения вынуждена жить на загрязненных радионуклидами территориях, используя в пищу продукты местного производства, которые формируют основную дозовую нагрузку на организм (более 80%). При этом сельские жители получают гораздо большие дозовые нагрузки, чем городские

3) при одинаковом питании со взрослыми дети получают в 3-5 раз большие дозовые нагрузки в силу меньшего веса и более активных обменных процессов в детском организме.

Основные пути проникновения радионуклидов в организм, типы их распределения в организме.

Попадание радиоактивных веществ внутрь организма человека представляет особую опасность, т.к. концентрация их в органах может во много раз превысить таковую в окружающей среде. Поведение радионуклидов в организме (пути и способы поступления, распределения по органам и системам, скорость и пути выведения) обусловлены их химическими свойствами.

1) ингаляционный путь - при вдыхании загрязненного радиоактивными аэрозолями воздуха. Радиоактивные вещества задерживаются на всем протяжении дыхательного тракта от преддверия носа до глубоких, альвеолярных отделов легких. Чем меньше диаметр вдыхаемых частиц, тем относительно меньше их задерживается в верхних дыхательных путях, в бронхах и тем больше проникает в альвеолярные отделы легких, где отсутствуют механизмы, способные выводить попавшие частицы в бронхи и трахею.

а) растворимые или труднорастворимые радионуклиды, осевшие на слизистой верхних дыхательных путей, трахеи, бронхов быстро с помощью мерцательного эпителия переводятся в глотку и ротовую полость, откуда поступают в желудок

б) растворимые радионуклиды, попавшие в альвеолярный отдел легких, хорошо и быстро всасываются в кровоток, чему способствует широко развитая сеть капилляров

в) радионуклиды, образующие радиоколлоиды или труднорастворимые гидроксиды и попавшие в альвеолярный отдел легких, фагоцитируются и распределяются неравномерно в легочной ткани; после проникновения в лимфатические сосуды они медленно поступают в лимфатические узлы легкого, трахеи и средостения, затем еще медленнее - в кровеносные сосуды. Общая величина труднорастворимых радиоактивных веществ, поступающих в организм через легкие, гораздо выше, чем через кишечник, из-за большой поверхности всасывания легких.

По скорости выведения из легких все радионуклиды разделяются по времени биологического полувыведения (Т_б) на три класса:

1. Д (дни) - растворимые соединения радиоактивных элементов 1 группы, а также соединения элементов 1-го, 2-го и отчасти 3-го периодов Периодической системы.

2. Н (недели)

3. Г (годы) - соединения меди, серебра, золота, цинка, кадмия, иттрия, актиния, циркония и металлы платиновой группы.

2) алиментарный - через желудочно-кишечный тракт с водой и пищей. Данным путем в организм поступают хорошо растворимые радионуклиды (водород, щелочные металлы, галогены, благородные газы, все элементы второго периода, кроме берилия). Хуже всасываются щелочноземельные элементы, а также цинк, кадмий и ртуть. Плохорастворимые радионуклиды покидают кишечник в течение 1-4 дней, не успевая создать значительные дозы облучения (элементы третьей группы, частично четвертой, пятой, лантаноиды, актиноиды), они способны образовывать коллоиды и труднорастворимые гидроксиды, которые препятствуют их всасыванию в желудочно-кишечном тракте. Зато та часть радионуклидов, которая попала в организм, по типу коллоидальной адсорбции очень прочно удерживается в тканях и период биологического полувыведения из организма для таких радионуклидов составляет десятки лет.

3) через кожу - проницаемость кожи для радиоактивных веществ зависит от:

1. агрегатного состояния радионуклидов, склонности их к гидролизу и комплексообразованию - водорастворимые и жирорастворимые соединения радионуклидов всасываются через кожу быстро, скорость их проникновения сравнима со скоростью всасывания в кишечнике (наибольшая скорость проникновения у йода-131, также активно проникают в кожу изотопы молибдена, трития и элементов I и VI групп).

2. кислотности раствора, в котором находятся радиоактивные вещества

3. состояния кожного барьера и длительности контакта с ним радионуклидов - при повреждении кожи ее проницаемость для радионуклидов увеличивается. Для уменьшения контакта радионуклидов с кожей необходима своевременная дезактивация кожных покровов (например, обильная обработка кожных покровов водой и моющими средствами).

Особенность поведения в организме химических элементов - достаточно постоянное и строгое распределение их по системам, органам и тканям. Стабильные и радиоактивные изотопы одних и тех же элементов абсолютно одинаково ведут себя в организме, поэтому накапливаются они в одних и тех же органах и тканях.

В основу распределения положены принципы максимального или преимущественного содержания радионуклида в органе.

Типы распределения радионуклидов в организме:

а) равномерный - более половины обнаруженного в организме радионуклида распределено равномерно, характерен для химических элементов I группы, II побочной группы, III главной подгруппы Периодической системы, за исключением серебра, поступающего преимущественно в печень вследствие коллоидообразования (Сs-137, С-14, Н-3, Ru-106)

б) скелетный - характерен для всех элементов II главной подгруппы и III побочной подгруппы (Sr-90, Zr-95, Сe-144, Рu-239, Аm-241, Ra-226,Pb-210)

в) щитовидный (I-131)

г) ретикуло-эндотелиальный - характерен для лантаноидов и актиноидов (Рu-239, Аm-241, Zn-65, Fe-55)

д) почечный - характерен для висмута, урана, кадмия, мышьяка (U-238, Pb-210, Be-7)

Данные типы распределения в организме касаются только той доли радионуклидов, которые поступают в кровь; при ингаляционном поступлении радионуклидов, их содержание и концентрация, как правило, максимальны в легких.

Закон Республики Беларусь «О правовом режиме территорий, подвергшихся радиоактивному загрязнению в результате катастрофы на ЧАЭС». Принципы проживания населения на загрязненных радионуклидами территориях.

После аварии на ЧАЭС правительство РБ разработало Программы по ликвидации в Беларуси последствий катастрофы на ЧАЭС на 1990-1995 гг. и на 1996-2000 гг. Основная задача данных программ - создание безопасных для здоровья человека условий жизнедеятельности в районах, подвергшихся радиоактивному загрязнению.

Верховным Советом РБ приняты законы:

1."О социальной защите граждан, пострадавших от катастрофы на ЧАЭС" (1991г.)

2. "О правовом режиме территорий, подвергшихся радиоактивному загрязнению в результате катастрофы на ЧАЭС" (1991 г.) - основные положения закона:

1) он устанавливает правовой режим территорий РБ, подвергшихся радиоактивному загрязнению в результате аварии на ЧАЭС;

2) его мероприятия направлены на снижение рад-го воздействия на население и экологические системы;

3) он предусматривает проведение защитных и природовосстановительных мероприятий;

4) он предусматривает рациональное использование хозяйственного потенциала этих территорий.

Основные принципы проживания населения на загрязнённой радионуклидами территории:

а) любая доза радиации не является безопасной для живого организма, что требует принятия мер по её снижению

б) необходимо учитывать возможность суммации повреждающего действия на организм излучения и действия ксенобиотиков

в) индивидуальный подход к условиям проживания в каждом населённом пункте из-за сложившейся различной радиоэкологической обстановки и психо-эмоционального состояния людей.

Зоны радиоактивного загрязнения в РБ:

1. Зона эвакуации (отчуждения, 30-км зона)

2. Зона первоочередного отселения - плотность загрязнения радионуклидами цезия-137 более 40 Ки/км².

3. Зона последующего отселения – плотность загрязнения территории 15-40 Ки/км².

4. Зона с правом на отселение – плотность загрязнения территории 5-15 Ки/км².

5. Зона периодического радиационного контроля – плотность загрязнения 1-5 Ки/км².

Основной показатель оценки территории, где условия проживания и трудовая деятельность населения не требует каких-либо ограничений, - дополнительная эффективная эквивалентная доза облучения не более 1 мЗв/год (сверх дозы от естественного фона). Дополнительная доза облучения от 1 до 5 мЗв/год требует проведения комплекса адекватных защитных мероприятий. Дополнительная доза облучения 5 мЗв/год и выше требует отселения.

Принципы проживания на загрязненных радионуклидами территориях:

1) следует исключить какую-либо возможность возникновения у населения лучевой болезни.

2) необходимо снизить риск возникновения у человека отдаленных эффектов действия радиации настолько, насколько это практически достижимо.

3) необходимо использовать способы снижения поступления и ускорения выведения радионуклидов из организма, а также мероприятия, направленные на повышение устойчивости организма к рад воздействию (см. вопрос 50).

Один из первых шагов по ликвидации последствий аварии - установление загрязнения продуктов питания, питьевой воды, значений мощности экспозиционной дозы в местах проживания и трудовой деятельности населения на территории пострадавших районов и всей республики в целом.