Глава 3 радиоактивное загрязнение

По происхождению радионуклиды подразделяют на естественные и искусственные (или техногенные), появившиеся на Земле в результате деятельности человека.

К естественным радионуклидам относятся элементы радиоактивных семейств урана и тория:

²³⁵U (11 дочерних радионуклидов, в т. ч.²²⁷ Ас, ²¹¹Рb, ²¹¹Вi и др.);

²³⁸U (14 дочерних радионуклидов, в т. ч. ²²⁶Rа, ²²²Rn, ^218,210Ро, ^214,210Рb и др.);

²³²Тh (10 дочерних радионуклидов, в т. ч. ²²⁰Rn, ^228,224Rа и др.);

⁴⁰К, космогенные радионуклиды: ³Н, Ве, ¹⁴С и др.

Уран и торий вместе с продуктами их превращения образуют 3 семейства радиоактивных изотопов тяжёлых металлов. Это семейство урана (родоначальник ²³⁸U), семейство тория (родоначальник ²³²Th) и семейство актиния (родоначальник ²³⁵U). Эти семейства радиоактивных изотопов обусловливают радиоактивность, с которой связано облучение человека в естественных условиях.

Уран входит в состав многих горных пород и почв. Концентрация урана в кислых породах вулканического происхождения примерно в 100 раз больше концентрации его в ультраосновных вулканических породах, но значительно меньше, чем в фосфатных породах. В гранитах количество урана иногда достигает 4∙10^-4%, т.е. 4г на тонну. Он встречается также в некоторых марках битуминозных сланцев и асфальта и может быть обнаружен в нефти.

Вслед за распадом радона (Т=3,85 дня) происходит серия превращений с образованием нескольких короткоживущих α- и β-излучающих продуктов с периодами полураспада от 1,6∙10^-4 сек до 26,8 мин, а также изотопа свинца (²¹⁰Pb), имеющего период полураспада 22 года. Изотоп свинца испытывает три дополнительных ступени распада. В результате чего образуется радиоактивный изотоп полония (²¹⁰Po) с периодом полураспада 138 дней. Радиоактивный ряд заканчивается стабильным изотопом свинца (²⁰⁶Pb).

Радон − газообразный дочерний продукт ²²⁶Ra. При распаде ²²⁶Ra испускает α-частицу и превращается в свой дочерний продукт ²²²Rn. За сутки 1г ²²⁶Ra образует 1мм³ радона. Поэтому радон, содержащийся в урановой руде, диффундирует в почву; частично растворяется в подземных водах и выносится ими на поверхность. Радон выделяется при добыче и последующем измельчении урановой руды.

Концентрация радона в почвенном воздухе в среднем достигает 2∙10^-10 кюри/л, а в местах залегания урановых руд − на порядок выше. Природная радиоактивность приземного воздуха в основном обусловлена Rn (5∙10^-14 − 5∙10^-13 кюри/л). Концентрация радона в воде радоновых источников колеблется от 1∙10^-9 до 2,65∙10^-8 кюри/л.

Свинец-210 является дочерним продуктом радона, находится в почве в определённом равновесии с радием и поэтому может находиться в растениях и в организме человека. Содержание свинца в организме может быть обусловлено не только поступлением через пищевые цепочки непосредственно из почвы, но и тем, что радий распадается в радон, часть радона затем превращается в ²¹⁰Pb который в процессе обмена поступает в скелет.

Эти радиоактивные изотопы имеют сравнительно большие периоды полураспада (²¹⁰Pb − Т=19,4 года; ²¹⁰Po − Т=138 суткам) и заслуживают внимания с точки зрения их перехода в пищевые цепочки. Изотопы свинца и полония могут поступать в растения через корни из почвы или непосредственно сорбироваться надземными органами. Изотопы свинца были первыми радиоактивными индикаторами, которые применялись для изучения поступления электролитов в растения. ²¹⁰Po также может поступать из почвы в растения, но в очень малых количествах.

Повышенное содержание ²¹⁰Pb и ²¹⁰Po в биологических объектах может быть обусловлено попаданием с дождевой водой дочерних продуктов радона непосредственно на надземные органы растений.

Наведённая радиоактивность. Ряд естественных радиоактивных изотопов, находящихся на земной поверхности и в атмосфере, возник при взаимодействии космических лучей с атмосферными ядрами. Наибольшее значение имеют тритий (³Н), углерод (¹⁴С) и бериллий (⁷Ве).

Тяжёлый углерод ₆С¹⁴ является мягким β-излучателем (Е_βмакс = 0,165Мэв) с периодом полураспада 5570 лет. Этот изотоп углерода образуется из азота атмосферы при захвате нейтронов, возникающих в верхних слоях атмосферы под воздействием космического излучения:

₇N¹⁴+₀n¹→₆C¹⁴+p+0,62 Мэв

Нейтроны, образующиеся от космических лучей, практически полностью исчезают при захвате их ядрами азота ₇N¹⁴

Концентрация ¹⁴C в атмосферном воздухе составляет 1,3∙10^-15 кюри/л, а в морской воде − 1∙10^-13 кюри/л. Вступая в соединение с углеродом воздуха, ¹⁴C образует двуокись углерода ¹⁴CО₂. Двуокись углерода, вступая в равновесие с обычной СО₂ участвует в фотосинтезе и обмене веществ. Поэтому ¹⁴C находится в равновесии с углеродом, содержащимся в тканях организмов. Равновесная концентрация ¹⁴C составляет 7,5±2,7 пкюри на 1 г углерода. После прекращения обмена веществ, т.е. с отмиранием организмов, поступление ¹⁴C прекращается, но его распад происходит в том же темпе. Следовательно, после смерти организмов равновесие с ¹⁴C нарушается, и равновесная концентрация уменьшается со скоростью распада изотопа. Это даёт возможность использовать данные о содержании ¹⁴C в органических материалах для определения их возраста. Метод радиоуглеродного определения возраста позволил археологам, палеонтологам и геологам установить возраст различных остатков древних растений и животных, изделий из древесины, кости и т.д.

Радиоактивный углерод ¹⁴C образуется и при термоядерных взрывах. Образование ¹⁴C при взрывах ядерного оружия привело к увеличению концентрации этого изотопа в атмосфере. Повышение содержания ¹⁴C осложнило использование метода определения возраста по содержанию ¹⁴C.

Тритий − радиоактивный изотоп водорода, как и ¹⁴C, также образуется при некоторых типах взаимодействия нейтронов с атмосферным азотом в верхних слоях атмосферы. Нейтроны возникают при расщеплении атмосферного кислорода и азота космическим излучением. Взаимодействие ядер азота и нейтронов происходит по типу следующей реакции:

₇N¹⁴+₀n¹→₆C¹²+T+4,5 Мэв, (53)

₇N¹⁴+₀n¹→3₂He⁴+p+T+11,5 Мэв.

Тритий составляет очень незначительную долю (5∙10^-16%) природной смеси водорода, состоящей из двух стабильных изотопов: протия ₁Н¹, (99,985%) и дейтерия ₁Н² (0,015%). Тритий является очень мягким β-излучателем с Е_βмакс − 0,018Мэв и периодом полураспада 12,26 года.

В атмосферном воздухе трития содержится около 1,8∙10^-18 кюри. Тритий, соединяясь с кислородом воздуха, образует молекулу сверхтяжёлой воды Т₂О. Поэтому тритий в атмосфере существует в основном в виде водяного пара и осаждается на земную поверхность с дождём и снегом. Концентрация трития в дождевой воде, поверхностных водах, воде морей и океанов составляет очень малую величину (10^-16%). Подобно ¹⁴С, некоторая часть трития в гидросфере земли образована при термоядерных взрывах.

Наряду с космическим излучением естественные радионуклиды являются составляющими природного радиационного фона.

Искусственные радионуклиды, созданные человеком в определенных целях или являющиеся побочным продуктом технической деятельности, могут находиться под контролем, в процессе нормальной эксплуатации, или оказаться вне контроля человека (утерянные источники или рассеянные в окружающей среде в результате радиационной аварии и др.). Последние становятся причиной радиоактивного загрязнения.

Радиоактивное загрязнение – это радиоактивные вещества техногенного происхождения, присутствующие в окружающей среде или в организме человека.

Естественные радионуклиды могут стать радиоактивным загрязнением только в тех случаях, если, сконцентрированные человеком, они оказываются в окружающей среде в количествах, превышающих содержание естественных радионуклидов, характерных для данной местности или объекта.