Ответы на вопросы к коллоквиум № 4 - 2005 год / Вопрос 16

16. Естественный радиоактивный фон земли, его основные источники. Нарушения радиоактивного фона при ядерных взрывах.

На биосферу Земли непрерывно действует космическое из­лучение, а также потоки альфа- и бета-частиц, гамма-квантов в результате излучения различных радионуклидов, рассеянных в земной коре, воде подземных источников, реках, морях и оке­анах, в воздухе. Кроме того, радионуклиды входят в состав жи­вых организмов. Совокупность излучений этих радиоактивных источников называется природным или естественным радио­активным фоном. Наиболее распространенные на Земле радионуклиды - это 220Rn, 222Rn и 40К, а также радионуклиды, составляющие ряды урана. Изотоп радона 222Rn дает альфа-излучение 5,5 МэВ на нуклон, сопровождающееся испусканием гамма-фотонов 0,5 МэВ. В массе стабильного 40К содержится 0,01% изотопа 40К, ядра которого распадаются с образованием 40Са, бета-излучения и гамма-кван­тов. Этот изотоп калия содержится в почве, удобрениях, а также в головном мозге, мышцах, селезенке и костном мозге.

Космические лучи возникают в результате межзвездных и га­лактических событий и активности Солнца. Космическое из­лучение состоит из потоков протонов высоких энергий, альфа-частиц, ядер некоторых элементов, потоков электронов, фотонов и нейтронов. Магнитное поле Земли отклоняет низко­энергетические заряженные частицы. Частицы высоких энер­гий, взаимодействуя с атмосферой, образуют в результате ядер­ных реакций целую серию радионуклидов 3Н, 7Ве, 22Na и др. и потоки нейтронов и протонов. Образуются космические ливни, составляющие вторичное космическое излучение, проникаю­щее в нижние слои атмосферы. На биосферу воздействует иони­зирующий компонент вторичного космического излучения. Оно дает 1,9-2,5 ионизации / см³ за 1 с на уровне моря; в горах в 2-3 раза выше .

В основе ядерных взрывов и работы АЭС лежит явление де­ления ядер радиоактивных элементов, например ядер урана. Это явление заключается в том, что при бомбардировке ней­тронами ядер изотопа урана 235U его ядра распадаются на две примерно равные части. Процесс деления ядра сопровождает­ся испусканием двух или трех нейтронов, например: 235U+1/0n--141Ba+92Zr+3 1/0n Разность энергий между исходным ядром урана и осколками деления составляет примерно 0,9 МэВ на нуклон.

В эпицентре взрыва развивается огромная температура 10⁸ К и давление 10¹² атм. Это вызывает совокупность сложных физических явлений. Вещество превращается в плазму, раз­летается и теряет надкритичность. Образуется мощный поток нейтронов и гамма-излучения (1% от выделившейся энергии). Эти потоки опасны для человека, находящегося на расстоя­нии нескольких сот метров. В воздухе образуется ударная вол­на, то есть фронт высокого давления и плотности, которая вы­зывает разрушения в радиусе 1 км. В центре взрыва на несколько секунд возникает ярко светящийся шар радиусом около 150 м (для бомбы 20 килотонн тротилового эквивален­та). За время свечения примерно 10-20% энергии взрыва пе­реходит в свет, возникают пожары и ожоги. Кроме того, воз­никает интенсивное радиационное излучение, его источником являются осколки деления ядерного топлива — нестабильные изотопы с Z от 30 до 60.

Разряженный нагретый воздух поднимает вверх продукты распада на высоту до 50 км, после чего это облако может рас­плываться на сотни и даже тысячи километров. Радиоактив­ные частицы выпадают на поверхность земли, образуя радио­активный след. Радионуклиды, находящиеся в виде аэрозолей в воздухе, а также осевшие на земную поверхность, могут пред­ставлять для человека опасность. Оценку степени опасности можно получить по активности препарата А=-(dN/dt), где N - количество распадающихся ядер. Активность данного препарата измеряется в кюри : 1 Ки = 3,7 • 10¹⁰ распад/с. Активность уменьшается со временем по экспоненциальному закону: A=лямбда N0e^ -лямбдаt, где лямбда - постоянная распада, N0 - начальное количество ядер. Для точечных источников излучений мощность экспозицион­ной дозы уменьшается с расстоянием по закону: P=K(индекс гамма)A/r^2, где г - расстояние от источника излучения , К - гамма-посто­янная, зависящая от природы радиоактивного источника. Таким образом, при выпадении радионуклидов на почву сте­пень опасности их влияния на организм зависит от природы ра­диоактивного изотопа (К), его активности и расстояния г от че­ловека до источника, а экспозиционную дозу можно оценить из соотношения Dэ=K(индекс гамма)(A/r^2)*дельтаt, где At - время облучения.