Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Радиоэкология и радиационная безопасность. Пособие для студентов вузов
.pdf
3) опасные — присутствуют высокоспециализированные по урану породы, месторождения урановых и урансодержащих руд; содер-
3
жание радона в почвенном воздухе более сотни кБк/м
эксгаляции радона с земной поверхности 18 · 10
–6
–25 · 10–6 Бк/м2с
; скорость
и более.
С радиоэкологической точки зрения около 40% территорий Республики Беларусь являются потенциально радоноопасными. Кроме того, естественная радиоактивность литосферы в Республике
Беларусь определяется не только радионуклидами семейств урана
и тория, но и K
40
, который входит в состав некоторых силикатных
пород. Его активность достаточно высока, а в пахотном слое может
даже резко возрастать в период внесения калийных удобрений.
Естественная радиоактивность воды преимущественно опре-
деляется такими элементами как К
210
210
меньшей степени Pb
, Pо
, Th
232
238,234
, U
, и изменяется в очень широких
, Ra
226,228,224
, Rn
222,
в
40
пределах. Факторами, определяющими такие различия, являются:
радиоактивность материнских пород, интенсивность их выветривания, механизм выноса радионуклидов из этих пород водой, гидрогеологические условия, химический состав воды, форма нахождения радионуклидов в воде, близость берегов и глубина водоема,
климатические условия. Вариации содержаний радионуклидов в
водах даже одного типа в данной климатической зоне могут достигать одного порядка, а в разных климатических зонах – 2–3
порядков и более. Содержание радионуклидов может изменяться
даже для вод конкретного водоема и зависит от многих факторов.
Естественная радиоактивность подземных вод всегда больше, чем
поверхностных. В свою очередь, радиоактивность поверхностных
вод открытых водоемов зависит не только от химического состава
материнских пород, но и климатических условий, и радиоэкологического состояния окружающей среды.
Естественная радиоактивность растительного и животного
мира обусловлена многочисленными радионуклидами, которые
можно подразделить на две группы:
– радионуклиды, которые находятся в смеси со стабильными эле-
ментами в организме и принимают участие в обмене веществ (К
14
С
, Н3). Уровень их накопления в организме зависит от степени
40
,
накопления стабильных элементов: чем больше стабильных элементов принимает участие в обменных процессах, тем меньшая
доля будет приходиться на радиоактивный элемент;
– радионуклиды, которые не принимают непосредственного
238
236
232
участия в обмене веществ в организме (U
, Ra
, Th
, Po
210
). Их
91
степень накопления определяется лишь уровнем их выведения из
организма: чем он выше, тем меньшее количество радионуклидов
будет задерживаться в организме.
Величина концентрации радионуклидов в растительности
зависит от очень многих причин, среди которых основными являются: уровень атмосферных выпадений, физико-химические
свойства радионуклидов, физико-химические свойства почвы,
способ проникновения радионуклидов в растения (корневой
или надземный), плотность растительного покрова и его видовой
состав (морфофизиологические особенности, стадии и длительность вегетационного периода и т.п.).
Поступление радионуклидов через надземные растительные
части идет тремя путями (через листья, соцветия, верхний слой
дернины) и отличается от корневого не только топографически.
Надземные части загрязняются радионуклидами преимущественно поверхностно, причем некоторая их часть в дальнейшем здесь
и фиксируется — не проникает в толщу тканей листа и впоследствии может быть частично удалена ветром и дождем. Через листья
различные радионуклиды в ткани растения поступают не одинаково. Хорошо проникают Сs
144
Се
абсорбируются в сотни раз меньше.
, Ва
131
и I
, тогда как Sг90, Ru
106
и
137
140
Из морфологических особенностей растений, сказывающихся
на концентрации в них радионуклидов, существенное значение
имеет строение листьев и глубина залегания корней. Последнее
не нуждается в особых пояснениях, если учесть, что поверхностно залегающие корни (например, в дернине) будут больше поглощать радионуклидов, чем корни, погруженные глубже пахотного
слоя. В отношении же структуры листьев следует указать, что чем
больше на листьях волосков, чем резче выражены устьица и жилкование, изрезанность краев и рельеф поверхности, тем больше
здесь задерживается радиоаэрозолей. От этих особенностей строения листьев зависит степень их смачиваемости дождевой водой
или росой. Например, радиоактивность картофельной и свекловичной ботвы, легко смачиваемой дождем, значительно выше,
чем у плохо смачиваемых листьев белокочанной капусты и красного клевера, с которых капли росы и дождя, а значит, и взвешенные или растворенные в них радиоаэрозоли легко скатываются.
Возраст растения или его органов также играет заметную роль
в накоплении радионуклидов: старые части растения содержат
большие концентрации, чем молодые. В зернах, семенах, плодах
и клубнях радионуклиды накапливаются неравномерно, преиму-
92
щественно в их оболочке (эпидермисе) и поверхностных слоях, но
в целом меньше, чем в ботве, листьях и стеблях.
Радиоактивность животных также имеет ряд особенностей, заключающихся, прежде всего, в видовой специфичности и экологии вида. Пути поступления радионуклидов и их распределение в
организме животных во многом сходны с таковыми у человека и
будут рассмотрены позднее.
Естественная радиоактивность тела человека обусловлена, в
первую очередь, накоплением калия, углерода и водорода. Например, содержание К
общей массы тела, а радиоактивного К
39
составляет 0,3% или в среднем 130 г от
40
— 0,019%. Кроме того,
радиоактивность тела человека зависит от пола, возраста, массы
тела (выше у мужчин и у лиц, выполняющих тяжелую физическую работу). Внешние и внутренние источники радиоактивного
фона, действуя непрерывно, сообщают организму определенную
поглощенную дозу. Для человека эта доза, составляющая в год в
среднем около 0,12 рад на гонады и 0,13 рад на скелет, считается
безопасной.
8.3. Антропогенный компонент
радиоактивного фона
Антропогенная деятельность вносит свои изменения в уровень
естественного радиоактивного фона и не всегда в благоприятную
сторону.
Среди основных антропогенных источников ионизирующих
изучений следует выделить:
– испытания ядерного оружия;
– предприятия атомной промышленности (добывающие, обогатительные, АЭС);
– предприятия, перерабатывающие каменный и бурый уголь
(ТЭС);
– фармацевтические предприятия;
– склады минеральных (фосфорных, калийных, нитратных)
удобрений, имеющие повышенное содержание радионуклидов
уранового и ториевого ряда, К
– радиолокаторные установки;
– цветные телевизоры и дисплеи компьютеров;
– рентгеновские установки и аппараты для диагностических
целей на промышленных предприятиях, в аэропортах, медицинских учреждениях;
40
, Na22 и Na24;
93
– радиоизотопные материалы для исследовательских и терапевтических целей в медицине;
– области хозяйственной деятельности человека (установки
для контроля качества и структуры сплавов; установки для облучения машинных шин; приборы для поиска полезных ископаемых; приборы для измерения износа технических устройств;
уровнемеры и толщиномеры; установки для облучения растительного материала с целью повышения его всхожести; радиационные
установки по обработке пищевых продуктов и др.).
На территории Республики Беларусь содержится довольно
много объектов, на которых применяются радиоактивные вещества. Так, например, 12 находятся в Брестской области, 8 — в Гродненской, 17 — в Гомельской, 12 — в Витебской и 14 — в Могилевской. В повседневной жизни население получает около 70–80%
эффективной дозы от естественных природных источников ионизирующих излучений (космическая и земная радиация) и до
20% — от искусственных антропогенных источников излучения.
9. РАДИОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ
РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РАДИОНУКЛИДОВ
9.1. Радиоэкологическая характеристика
основных природных радионуклидов
Из большого числа природных радионуклидов в настоящее
время наибольшее значение имеют Н
3
, Ве7, С14, К40 и некоторые
изотопы тяжелых элементов.
Тритий — сверхтяжелый водород (Н
тожно малую долю (5 · 10
–16
%) природной смеси водорода, состоящей из двух стабильных изотопов — протия Н
терия H
2
(0,015%). Тритий — очень мягкий β-излучатель (E
3
или Т), составляет нич-
1
(99,985%) и дей-
βmax
=
= 0,018 МэВ) с периодом полураспада 12,262 года, максимальным
пробегом электрона в воздухе 0,42 см. Распад трития равновесно компенсируется его непрерывным синтезом из атмосферного
азота при обстреле нейтронами. Последние возникают при расщеплении атомов атмосферного кислорода и азота под действием
космического излучения. Взаимодействие нейтронов и ядер азота
происходит по реакциям:
14
N
+ 0n1 → C12 + Н3 + 4,5 МэВ;
14
N
+ 0n1 → 3He4 + Н3 + 11,5 МэВ.
94
В атмосферном воздухе концентрация трития составляет око-
–18
ло 1,8 · 10
равна 0,2 см
–6
см2/с–1. Общее количество образуемого в год космогенного
10
3
в атмосфере соответствует активности 103 ПБк, в литосфе-
H
ре — 3,7 ПБк, а в гидросфере — 3,7 · 10
трития на Земле – (92–185) · 10
Кu/л. Средняя скорость образования H3 в атмосфере
2/с–1
, в литосфере — 10–3 см2/с–1 и в гидросфере —
–3
10
МБк, из которых 65% находятся
ПБк. Общее количество
в водах Мирового океана, 27% — в поверхностных водах континентов и литосфере, 8% — в атмосфере. Тритий является одним из
наиболее подвижных радионуклидов, обладает высокой миграционной способностью в природных средах. Соединившись с кислородом атмосферы, два атома трития образуют молекулу сверхтяжелой воды (Т
свойства которой подобны таковым для обычной воды (H
О), физические, химические и биохимические
2
O). Ин-
2
тегрированный в живой организм в форме тяжелой воды тритий
эффективно включается в состав биологической ткани, вызывая
мутагенные нарушения, как за счет воздействия β-излучения, так
и за счет молекулярных изменений, вызванных заменой водорода
нейтральным атомом гелия. В отличие от других радионуклидов,
тритий не удерживается никакими очистными барьерами. В силу
этого, а также большого периода полураспада тритий является
глобальным загрязнителем атмосферы.
7
Бериллий — природный радионуклид (Be
) с периодом полураспада 50 дней, образуется под действием космического излучения
в атмосфере, содержится и перемещается в ней в виде аэрозолей.
7
Содержание Be
тах около 3 мБк/м
ках (в дождевой воде около 700 Бк/м
в приземном слое атмосферы в умеренных широ-
3
. Наличие Be7 выявляется в атмосферных осад-
3
), в морской воде, иловых
донных отложениях, в растительности и животных. Наиболее ве-
7
роятной химической формой нахождения Be
в морской воде являются продукты его гидролиза. В такой форме он легко сорбируется на взвешенном и коллоидном веществе (например, на гидроокиси железа) и осаждается на дно водоемов. В живые организмы
7
поступает преимущественно через органы дыхания, причем
Be
время задержки в организме зависит от дисперсности аэрозолей.
Внутри организма он транспортируется в виде неорганических
соединений (фосфата или цитрата), свободно проникает в клетки
всех тканей и может влиять на все ее структуры. В виде растворимых соединений (хлорида, сульфата, нитрата) через кровь может
накапливаться в скелете.
95
14
Тяжелый углерод (С
(E
= 0,165 МэВ) с периодом полураспада 5570 лет, максималь-
βmax
) представляет собой мягкий β-излучатель
ным пробегом электронов в воздухе 23 мм, а в живой ткани —
0,38 мм. Несмотря на постоянный распад, неизменное количест-
14
во С
на Земле, подобно тритию, поддерживается непрерывным
синтезом его из атмосферного азота под воздействием вторичных
нейтронов космического излучения:
14
N
+ 0n1 → C
14
+ p + 62 МэВ.
Скорость образования С
или 1,5 ПБк/год. Общее количество космогенного C
ре – 8,5 ЭБк. Концентрация С
ляет 1,3 · 10
–15
Кu/л, а в морской воде — 1 · 10
в соединение с кислородом воздуха, С
рода, которая, смешавшись с обычным диоксидом углерода СO
14
в атмосфере составляет 2,3 см2/с–1
14
в атмосферном воздухе состав-
14
образует двуокись угле-
14
в биосфе-
–13
Кu/л. Вступая
2
участвует в фотосинтезе, а также в обмене веществ (до 78% от общего количества С
14
в атмосфере и гидросфере). Поэтому все живые растительные и животные организмы содержат в своем теле
определенную концентрацию С
14
(7,2 нКu на 1 кг углерода). Из
этой биомассы ~97% в конечном счете минерализуется и также
участвует в круговороте углерода. Обмен C
14
в окружающей среде
происходит довольно быстро. В теле человека и животных больше всего С
14
содержится в волосах и в жировой ткани. С прекращением обмена веществ, т.е. после смерти, в останки растений и
животных поступление С
жается в неизменном темпе. Поэтому по доле С
14
прекращается, но его распад продол-
14
в природной
смеси углерода этих останков можно определить примерную дату
смерти организмов, т. е. их древность. Метод радиоуглеродного
определения возраста («радиоуглеродные часы») позволил археологам, палеонтологам и геологам установить возраст ископаемых
останков древних животных и растений, геологических пород, изделий из древесины, костей и т.д.
Поскольку считается, что на протяжении, по крайней мере,
нескольких миллионов лет интенсивность космического излучения оставалась постоянной, то в биосфере возникло равновесие
между вновь образующимися и распадающимися ядрами космогенного C
14
. Однако на содержание C14 в биосфере может оказывать влияние и производственно-хозяйственная деятельность человека. Во-первых, в результате масштабного сжигания ископаемого органического топлива в атмосферу выбрасываются окислы
углерода. Во-вторых, в результате ядерных взрывов в атмосферу
,
96
14
поступает искусственный C
. В 60-х годах содержание его в атмосфере увеличилось примерно в 2 раза. В-третьих, в результате выбросов и сбросов предприятий ядерного топливного цикла
(АЭС и регенерационных заводов) содержание C
14
в некоторых
областях экосферы в 1,5 и более раз превышает его фоновое содержание.
Поражающее лучевое действие C
14
связано с его вхождением
в состав молекул белков и, особенно, молекул ДНК и РНК. Оно
проявляется при ионизации среды электронами С
14
и атомами
отдачи азота. Существенное значение имеет и эффект изменения
химического состава биомолекул при распаде С
14
, так называемая
трансмутация (превращение) атомов углерода в атомы азота. При
трансмутации углерода в молекуле ДНК происходит генная мутация, которая обратима с трудом или совсем необратима.
Калий (К
40
) — природный радионуклид с периодом полураспада 1,28 млрд лет представляет собой один из трех изотопов в природной смеси калия, состоящей в основном из стабильных изотопов К
составляет лишь 0,0119%. 88,4% К
пада (Е
39
(93,08%) и К41 (6,91%). Доля изотопа К40 в этой смеси
= 1,325 МэВ) с образованием стабильного Са40, а 11,6%
β
40
распадается по типу β-рас-
испытывают электронный захват с образованием метастабильного Аr
стояние, испускает γ-кванты с Е
40m
. Последний, переходя в основное, т.е. стабильное, со-
=1,459 МэВ. Поэтому на каждый
γ
β-распад приходится около 0,1 γ-кванта.
Вместе со стабильным калием в растения, а затем в организм
животных и человека в одинаковом темпе поступает и радиоактивный К
40
. Зная весовое содержание калия в исследуемом материале, можно расчетным путем определить в нем радиоактивность,
обусловленную К
40
. В теле животных по весу содержится в среднем
0,2% калия, причем больше всего — в нервной и мышечной тканях
(0,3%), в скелете его в три, а в жировой ткани в 5–7 раз меньше.
По этой причине природная β-активность мяса по К
жира. Биологическая роль К
40
до конца еще не выяснена и пред-
40
выше, чем
ставляет отдельную область изучения.
Огромное большинство естественных радионуклидов тяжелых
элементов имеет короткий период полураспада вплоть до 3 · 10
212
(Ро
) и поэтому, казалось бы, они должны отсутствовать в приро-
–7
с
де. Наличие их на Земле объясняется тем, что практически все они
являются дочерними продуктами трех материнских радионуклидов
с колоссальными периодами полураспада — U
235
U
(Т1/2 = 7,13 · 108 лет) и Тh
232
(Т1/2 = 1,38 · 1010 лет). Каждый
238
(Т1/2 = 4,5 · 109 лет),
97
из этих радионуклидов является родоначальником одного из трех
радиоактивных семейств:
238
– семейство урана–радия (родоначальник U
– семейство тория (родоначальник Тh
– семейство актиния (родоначальник U
232
235
);
);
).
Испытывая радиоактивный распад, радионуклиды каждого из
указанных семейств образуют цепочку, все члены которой генетически связаны друг с другом. В конечном счете, каждая цепочка
заканчивается стабильным изотопом свинца — Рb
, Рb
208
и Рb
207
206
соответственно. Во всех трех семействах одним из сопутствующих
продуктов распада выступают газообразные вещества радиоактивных свойств: в семействе урана–радия — это радон (Rn
тве тория — торон (Tn
220
), в семействе актиния — актинон (An
Уран в природе встречается в виде смеси из трех изотопов U
(99,284%), U
235
(0,71%) и U
234
(0,006%). Он добывается из урано-
222
), в семейс-
219
).
238
вой руды, в которой концентрация урана из различных месторождений колеблется от 0,1 до 0,25%. Граниты содержат до 4 · 10
–4
%
урана, т. е. 4 г на 1 т. Уран встречается также в некоторых марках
битуминозных сланцев и асфальта, обнаруживается в нефти. Содержание урана в различных типах почв различно: почвы средней
полосы европейской части содержат примерно 1 · 10
–5
% урана.
Из этого количества не более 3% урана находится в подвижной
форме, т.е. в форме, доступной для растений. Поэтому зола растений обычно содержит 4 · 10
содержание урана составляет 1 · 10
–8
—5 · 10–7% урана. В теле животных
–6
—2 · 10–5% веса тела, причем
в скелете отмечается его максимальная концентрация. Пищевые
продукты по концентрации в них урана образуют убывающий ряд:
хлебные продукты → молочные продукты → мясо → картофель и
овощи → яйца → молоко. Причем крайние члены этого ряда различаются по концентрации урана в 20 раз.
Уран, обладая практически неизменной активностью, служит
материалом для эталонов, применяемых при радиометрии α-излучателей, используется как ядерное топливо для атомных реакторов и материал для синтеза плутония.
Радий представлен четырьмя изотопами (Rа
228
Rа
), входящими в радиоактивные семейства. Наибольшее
значение из них имеет Rа
путствует U
226
Rа
. Радий содержится практически во всех объектах окружающей
238
как его дочерний продукт: в 3,3 т урана содержится 1 г
226
(Т1/2 = 1622 года). В природе радий со-
223
, Rа
224
, Rа
226
среды. Независимо от химической формы при поступлении в живые
организмы он депонируются преимущественно в костных тканях.
,
98
222
Радон — Rn
дукт радия (Т
окружающую среду является Ra
дах (первичный источник), а также Rn
, газообразный радиоактивный дочерний про-
1
/2 = 3,825 дней). Источником поступления Rn
226
, содержащийся в горных поро-
226
и Rn
222
, содержащиеся
222
в
в почвах, подземных водах, поверхностных водах и донных отложениях, наземных и водных растениях, а также вулканическая активность (вторичные источники). Один грамм радия в сутки образует 1 мм
3
радона, поэтому радон содержится в урановой руде, откуда
диффундирует в почву, частично растворяется в подземных водах и
выносится ими на поверхность. Его концентрация в почвенном воздухе в среднем достигает 0,2 нКu/л, а в местах залегания урановых
руд — на порядок выше. Природная радиоактивность приземного
воздуха в основном обусловлена радоном (5 · 10
–14
–5 · 10
–13
Кu/л).
Концентрация радона в воде радоновых источников колеблется в
широких пределах. Источники с активностью от 1 до 100 нКu/л
используются в бальнеотерапии (радоновые ванны).
Полоний — Ро
В объектах экосферы содержание Ро
венно распадом долгоживущего радионуклида Pb
210
Ро
в атмосферных осадках составляет 4–30 Бк/л, в воде озерных
210
, смешанный α-излучатель (Т1/2 = 138,4 дня).
210
определяется преимущест-
210
. Содержание
водоемов — в 10–100 раз меньше, в почве — 75–220 Бк/кг в зависимости от типа почвы. В живые организмы Ро
210
поступает как за
счет распада, так и частично за счет питания и при дыхании. Почти одинаково концентрируется в костных и мягких тканях.
Содержание радионуклидов в объектах окружающей среды и их
изменение определяются процессами их образования и переноса
как в пределах одного геохимического резервуара (атмосферы,
гидросферы, литосферы), так и между разными. В свою очередь
эти процессы можно понять только с учетом ядерно-физических,
химических, геохимических и биохимических свойств радионуклидов и радиоэкологических закономерностей процессов их переноса.
9.2. Общие закономерности перемещения
радионуклидов в биосфере
Глобальным источником загрязнения окружающей среды
искусственными радионуклидами до сих пор остаются испытательные ядерные взрывы. Поэтому радиоактивные осадки, хотя
и значительно ослабленные, продолжают выпадать повсеместно,
включаются в абиотические (почва, вода, воздух) и биотические
99
(флора, фауна) компоненты биосферы, задерживаясь при этом
как в наземных организмах, так и в гидробионтах. Здесь они включаются в звенья пищевых цепей и, перемещаясь по ним, совершают порой довольно сложный путь, прежде чем попадут в организм
человека. Каждое звено, в свою очередь, состоит из ряда промежуточных звеньев, разделенных барьерами. Разные барьеры обладают разной степенью проницаемости, и их сочетанная функция
может изменять концентрацию радионук лида при переходе от
звена к звену. Если она уменьшается — говорят о коэффициенте
защиты, а возрастание обозначают как накопление (кумуляцию)
радионуклида в данном органе или объекте. Зная количественные
закономерности перехода радионуклида от звена к звену, можно
по результатам радиометрии одного лишь звена расчетным путем
судить о концентрации радионуклида в предшествующих и последующих звеньях всей цепочки.
Миграция радионуклидов (природных и искусственных) по
биотическим и абиотическим компонентам среды служит предметом изучения радиоэкологов. Пищевые и иные связи в различных
сообществах (экосистемах) порой весьма сложны для расшифровки. В целях упрощения миграцию радионуклидов по кормовым
цепям обычно исследуют фрагментарно. Более доступной для
исследования выступает миграция радионуклидов по цепи «растения — продуктивные животные — продукты животноводства»,
чем миграция радионуклидов у представителей дикой фауны, и
поэтому у последних она изучена еще недостаточно полно. Чтобы у диких видов проследить миграцию радионуклидов и оценить
при этом значение отдельных звеньев кормовых цепей, необходимо учитывать особенности экологии самого вида. Пути миграции радионуклидов в животном мире зависят от многих факторов: видовых особенностей метаболического обмена организмов,
свойств самого радионуклида и его соединений, конкурентных
взаимоотношений радионуклида с носителем, сопровождающим
его перемещениях по кормовым цепям, группы критических органов и др.
В наземных пищевых цепях при переходе от звена к звену концентрация радионуклидов обычно падает. Если же в отдельных
звеньях наземной цепи и регистрируется кумуляция радионуклидов, то кратность накопления их сравнительно невелика. В звеньях
водных кормовых цепей радионуклиды мигрируют по-иному. Отличие состоит в том, что некоторые гидробионты не только лишены механизма, защищающего их от накопления радионуклидов,
100
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]