9.2. Воздействие техногенных экологических катастроф

Т ехногенная экологическая катастрофа – это авария технического Устройства (атомной электростанции, танкера и т. д.), которая приводит к остронеблагоприятным изменениям в окружающей природной среде и, как правило, массовой гибели живых организмов и экономическому ущербу. Аварии и катастрофы возникают внезапно, имеют локальный характер, в то же время экологические последствия их могут распространяться на весьма значительные расстояния.

К

Рис. 9.1 Основные очаги загрязнения ¹³⁷Cs: 1- (Ц – Центральный, Б – Брянско-Белорусский, К - Калужский); 2 - границы

ак показывает опыт, техногенные экологические катастрофы возможны даже в странах с высокими технологическим стандартами, и возникновение их обусловлено комлексом различных причин: на­рушением техники безопасности, ошибками людей, либо их бездей­ствием, различными поломками, влиянием стихийных бедствий и т. д. Наибольшую экологическую опасность представляют катаст­рофы на объектах использования атомной энергии (ОИАЭ - атомные электростанции, пред­приятия по переработке ядерного топлива, урановые рудники и др.), химических предприятиях, нефте- и газопроводах, транспортных системах (морской и железнодорожный транспорт и др.), плотинах водохранилищ и т. д.

Самая крупная в истории человечества катастрофа техногенного характера, приведшая к трагическим последствиям, произошла 26 ап­реля 1986 г. на четвертом энергоблоке Чернобыльской АЭС на Украине (см. рис.9.1).

От острой лучевой болезни погибли 29 человек, эвакуировано было более 120 тыс. человек, общее число пострадавших превысило 9 млн. человек. Следы чернобыльского «события» в генном аппарате человечества, по свидетельству медиков, исчезнут лишь через 40 (со­рок!) поколений. Подробнее см. Приложения 10, П.2.

Виды радиоактивного загрязнения

радиоактивное загрязнение окружающей среды в условиях радиационных аварий на ОИАЭ возможно двумя путями: 1.радиоактивным загрязнением воздушной среды и подстилающей поверхности; 2.радиоактивным загрязнением придонных областей водных объектов. Кроме того рассматривается еще и радиоактивное загрязнение подземных вод, но оно, во-первых, возникает за счет диффузии радионуклидов с поверхности и, во-вторых, за счет дальнейшего переноса подземными водами. Прогнозирование распространения радионуклидов в придонных областях водных объектов имеет свою специфику, ограничиваясь руслом реки или водостоком, и требует специальной измерительной аппаратуры, размещаемой под водой. Еще более сложный аспект представляет собой прогнозирование радиоактивного загрязнения подземных вод. Для анализа путей переноса радиоактивной примеси с подземными водами также требуется специальная аппаратура, размещаемая в шурфах, которые бурятся определенным числом в различных направлениях с целью выявления скорости и направления переноса подземных вод в различных горизонтах от места радиационной аварии, а также для измерения вида и концентрации радионуклидов. Учитывая специфику анализа и прогнозирования радиоактивного загрязнения придонных областей водных объектов, а также подземных вод, в дальнейшем ограничимся изучением особенностей радиоактивного загрязнения воздушной среды и подстилающей поверхности, для чего, в первую очередь, познакомимся с понятием активности радионуклида.

Активность радионуклида

Активность радионуклида в источнике (образце) – отношение числа dN₀ спонтанных ядерных переходов из определенного ядерно-энергетического состояния радионуклид происходящих в данном его количе­стве за интервал времени dt, к этому интервалу:

A = dN₀/dt. (9.1)

С амопроизвольное ядерное превращение называют радиоактивным распадом. Единица активности радионуклида – беккерель (Бк). Беккерель равен активности радионуклида в источнике (образце) в котором за время 1 с происходит одно спонтанное ядерное превращение. Внесистемная единица активности – кюри (Ки). Кюри – активность радионуклида в источнике (образце) в котором за время 1 с происходит 3,7·10¹⁰ спонтанных ядерных превращений. Таким образом, 1 Ки = 3,7·10¹⁰ Бк.

Отношение активности радионуклида в радиоактивном источнике (образце) к массе, объему (для объемных источников), площади поверх­ности (для поверхностных источников) или длине (для линейных ис­точников) источника (образца) называется удельной А_т, объемной А_V, поверхностной A_S или, линейной А_l активностью радионуклида соответственно.

В

Рис.9.2. Схема радиоактивного распада ⁶⁰Со с периодом полураспада Т_½ = 5,3 года.

ыбор единиц этих величин определяется конкретной задачей. На­пример, допустимую концентрацию (объемную активность) радионукли­да в воде удобнее выражать в Бк/л, а в воздухе – Бк/м³, так как суточ­ное потребление человеком воды определяется обычно в литрах а воз­духа – в кубических метрах.

Активность, выраженная через постоянную распада λ или период полураспада и число радиоактивных ядер атомов N, имеющихся в источнике в данный момент времени, имеет вид

A=λN = ln2·N/ T_½ , (9.2)

где λ – постоянная распада (λ = ln2/ T_½), характеризующая вероятность распада на один атом в единицу времени; постоянная T_½ – период полураспада – время, в течение которого распадается половина радиоактивных ядер.

Распад ядер сопровождается испусканием корпускулярных частиц и фотонов, при этом число ядерных превращений далеко не всегда совпадает с числом испускаемых корпускулярных частиц. Связать активность радионуклида с числом испускаемых корпускулярных частиц или фотонов можно, зная схему распада радионуклида (см. рис. 9.2).

Активность радионуклида уменьшается во времени по экспоненциальному закону радиоактивного распада:

(9.3)

Для радионуклидов, распадающихся в дочерний нестабильный нуклид, необходимо учесть всю цепочку образующихся нестабильных продуктов. Так, если при распаде радиоактивных ядер атомов N₁ образуются дочерние ядра атомов N₂, также являющиеся радиоактивными, тогда распад исходного числа ядер атомов N₁ в дочерние N₂ с последующим их распадом описывается системой дифференциальных уравнений:

(9.4)

где ₁, ₂  постоянные распада соответствующих ядер. Предполагая, что в начальный момент времени t = 0 N₂(0) = 0, а N₁(0)  0, разрешая систему, получаем:

(9.5)

О

Рис.9.3

Рис.9.4

днако, если дочерний продукт является стабильным, как, например, на рис.9.3, представляющим схему, распада материнского радионуклида ⁷⁴Ga в стабильный ⁷⁴Ge, то накопление последнего будет также описываться системой уравнений (9.4), в которой второе слагаемое в правой части второго уравнения будет равно нулю, поскольку в этом случае можно принять T_½ = ∞, а λ₂ = 0. на рис.9.4 приведена схема образования стабильного нуклида ⁷²Ge при распаде материнского ⁷²Zn и дочернего ⁷²Ga, распад которых также описывается системой уравнений (9.4), а накопление стабильного ⁷²Ge учитывается дополнительным уравнением dN₃/dt = λ₂N₂. можно также рассмотреть распад радиоактивных ядер N₂ в дочерние N₃, претерпевающие радиоактивный распад при условии N₃(0) = 0. Для этого систему уравнений (9.4) следует дополнить уравнением , в котором N₂(t) определяется решением (9.5). В итоге получим

(9.6)

Аналогично рассматривают цепочку распада, состоящую из N радионуклидов с соответствующими постоянными распада λ_i, i = 1,2,..N.

Очень опасны и тяжелы по своим экологическим последствиям крупные аварии и катастрофы на химических объектах. В этих случаях происходит заражение отравляющими веществами всего приземного слоя атмосферы, водных источников, почв и т. д. При высоких кон­центрациях отравляющих веществ наблюдается массовое поражение людей и животных.

В качестве примера можно привести аварию на химическо-опасном объекте в Бхопале (Индия см. Приложения 10, П.2).

В нашей стране, несмотря на существенное снижение объемов и темпов производства в последние годы, наметилась устойчивая тен­денция роста техногенных аварий и катастроф. Так, только в 2001 г. на территории России произошло 617 аварий и катастроф с экологиче­скими последствиями, в которых пострадало 3309 человек (Государ­ственный доклад..., 2002). В основном это аварии на воздушном и же­лезнодорожном транспорте (при столкновении составов с опасными грузами), а также аварии и катастрофы, связанные с выбросами ядовитых газов – аммиака и пропана, со взрывами метана на угольных шахтах, взрывами нефте- и газопроводов. В качестве примера можно привести аварию нанефтепроводе Лисичанск-Тихорецк в октябре 1993 г. (см. Приложения 10, П.2).