ЭКОЛОГИЯ / Литература / РАДИАЦИОННАЯ ЭКОЛОГИЯ

2.2. Естественные источники ИИ

Наблюдения показывают, что нижние слои атмосферы над континентами содержат 1-2 атома радона на 1 см 3 воздуха. Концентрация торона обычно в 10000 раз меньше. Атмосферный воздух над океаном содержит радона в 100 раз меньше, чем над сушей. Концентрация радона быстро убывает с высотой. Уже на высоте 1 км его количество в 2 раза, а на высоте 4 км – в 14 раз меньше, чем у земной поверхности.

Закономерность распределения продуктов распада радиоактивных эманаций совершенно иная. Многие из твердых радиоизотопов, следующих в естественных радиоактивных рядах за эманациями, почти равномерно распределены в нижних слоях атмосферы. К примеру, концентрация Ra D на уровне земной поверхности и на высоте 10 км почти одинакова.

Твердые радиоактивные частицы, содержащиеся в воздухе, захватываются конденсирующимися каплями воды и выпадают на поверхность Земли с атмосферными осадками. После обильных дождей и снегопада радиоактивность воздуха уменьшается.

Кроме радиоактивных эманации и твердых продуктов их распада в атмосфере присутствуют радиоизотопы, образующиеся под действием космических лучей. К таким радионуклидам относится в первую очередь углерод-14, количество которого в воздухе ничтожно мало.

Вклад отдельных естественных источников в образовании эффективных эквивалентных доз человека представлен в таблице 13.

Таблица 13 – Эффективные эквивалентные дозы человека от природных источников

51

2.3.ИСКУССТВЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

ИИХ ХАРАКТЕРИСТИКА

За последние десятилетия человек создал несколько сотен искусственных радионуклидов и научился использовать энергию атома в мирных целях: в медицине и для создания ядерного оружия, для производства электроэнергии и обнаружения пожаров, для изготовления светящихся циферблатов часов, приборов ночного видения и для поиска полезных ископаемых.

Индивидуальные дозы, полученные людьми от искусственных источников ионизирующего излучения, сильно различаются, иногда облучение за счет техногенных источников ионизирующих излучений оказывается намного сильнее, чем за счет естественной радиации.

2.3.1.Источники ионизирующих излучений, использующиеся в медицине

Основной вклад в дозу, получаемую человеком от техногенных источников радиации, в настоящее время вносят медицинские процедуры и методы лечения, связанные с применением ионизирующих излучений.

Ориентировочные дозы, которые получают люди при проведении некоторых медицинских процедур, представлены в таблице 14.

Таблица 14 – Ориентировочные значения поглощенной дозы при некоторых медицинских процедурах, сЗв

Коллективная эффективная доза в год для всего населения Земли оценивается в этом случае величиной 1,6 млн чел.-Зв или около 1/5 дозы от естественного фона. Эта доза по-разному распределяется среди жителей разных стран. Наибольший вклад в коллективную дозу от источников медицинского предназначения вносят диагностические обследования, которым ежегодно подвергаются сотни миллионов людей.

52

2.3.Искусственные источники ионизирующих излучений и их характеристика

Всреднем при медицинских обследованиях на одного жителя Земли в год приходится доза облучения, эквивалентная 0,4 мЗв.

Наиболее распространенным видом излучения, применяемым в диагностической практике, являются рентгеновские лучи. Согласно данным по развитым странам, на каждую 1000 жителей приходится от 300 до 900 обследований в год. И это не считая рентгенологических обследований зубов и массовой флюорографии. Внедрение технических усовершенствований (компьютерной томографии, использование более чувствительных пленок, электрографии, рационального экранирования и пр.) позволяет резко снизить дозы облучения без уменьшения диагностической и лечебной эффективности процедур.

Радиоизотопы применяются для исследования различных процессов, протекающих в организме, и для локализации опухолей. За последние годы их применение сильно возросло, но все же они используются реже, чем рентгенологические исследования: в промышленно развитых странах на 1000 населения приходится около 10-40 радиоизотопных исследований. Как это не парадоксально звучит, но одним из наиболее эффективных методов лечения опухолевых заболеваний является лучевая терапия.

2.3.2.Ядерные и термоядерные взрывы

Значительно меньше по сравнению с влиянием естественного фона доза, получаемая от радиоактивных выпадений в результате испытаний ядерного оружия.

2 декабря 1942 года на спортивной площадке Чикагского университета группой физиков-атомщиков под руководством великого итальянского ученого Энрико Ферми был запущен первый атомный котел, в

котором происходила самоподдерживающаяся управляемая атомная реакция.

Этому успеху предшествовали почти полувековые исследования в области теоретической и экспериментальной физики, проводимые под руководством П. Кюри, М. Склодовской-Кюри, Э. Резерфорда, Н. Бора, А. Эйнштейна, М. Планка, Ф. Жолио-Кюри, И. Жолио-Кюри, Л. Мейтнер, О. Гана, Д. Чедвика, В. Гейзенберга, И.В. Курчатова и других выдающихся ученых-атомщиков.

Результаты осуществленной группой Ферми цепной реакции были с самого начала поставлены на военные рельсы, а именно – на срочное создание в США атомного оружия с целью опередить Гитлера, физики которого работали в этом же направлении.

53

В 1944 году в США под руководством Э. Ферми была создана и испытана атомная бомба, а в августе 1945 г. атомной бомбардировке подверглись японские города Хиросима и Нагасаки. Тогда погибла третья часть населения этих городов. В последующие годы многие умирали от лучевой болезни, лейкозов и других недугов, связанных с радиоактивным облучением.

25 декабря 1946 г. под руководством И.В. Курчатова был осуществлен запуск первого советского управляемого уран-графитового реактора, в котором в дальнейшем производился оружейный плутоний, использующийся в качестве ядерного заряда вместо урана-235 при производстве атомного оружия (рис. 4). Первая советская атомная бомба была испытана 29 августа 1949 года.

При атомном взрыве образуются продукты деления и остается часть неразделившихся атомов урана-235 или плутония-239, которые при наземном взрыве выбрасываются в атмосферу.

Впоследствии в СССР была создана и испытана в 1953 г. водородная бомба, действие которой основано на термоядерной реакции взаимодействия дейтерия и трития:

21Н + 31Н 23Н + n0 .

дейтерий тритий гелий нейтрон

Эта реакция протекает мгновенно (3 10-6 секунды), но для ее начала необходима очень высокая температура, которую возможно получить лишь при атомном взрыве. Вследствие этого в водородной бомбе, содержащей смесь дейтерия и трития, в качестве детонатора служит атомный плутониевый заряд.

В атомной бомбе происходит неуправляемый процесс деления ядер. Для мирных же целей важен управляемый процесс цепной реакции. Он осуществляется в ядерных реакторах, подобных тому, который был сооружен в Чикаго в 1942 году Э. Ферми. В 1946 году был запущен первый советский атомный реактор. Впоследствии были построены атомные котлы различных конструкций для выработки электроэнергии, в исследовательских целях, а также для получения плутония-239 из природного урана-238 и урана-233 и из природного тория-232. Деление урана-235, плутония-239 и особенно термоядерная реакция, выделяют большое количество нейтронов. Последние бомбардируют окружающие вещества, превращая их в радиоактивные (наведенная радиоактивность). Кроме того в атмосферу выбрасывается большое количество продуктов деления. Наиболее важные из них – цезий-137 и стронций-90.

54

2.3. Искусственные источники ионизирующих излучений и их характеристика

Рис. 4. Схема атомной бомбы:

1– заряд урана-235 или плутония-239;

2– обычное взрывчатое вещество (запал для соединения кусков урана с целью достижения критической массы); 3 – оболочка из металла большой плотности

Максимум ядерных испытаний пришелся на период с 1954 по 1958 годы, когда взрывы проводили США, СССР и Великобритания. Еще более мощные испытания, в которых участвовали и другие страны (но наиболее сильно США и СССР), проводили в 1961-1962 годах. Всего за период с 1945 по 1998 годы было проведено 2056 ядерных взрывов

(табл. 15).

Таблица 15 – Общее количество ядерных взрывов на территории земного шара

В частности, на территории США было проведено 1030 ядерных взрывов, в том числе в Неваде – 935, Нью-Мексико – 3, Миссисипи – 2, Колорадо – 2, на Аляске– 3 взрыва. На территории России состоялось 214 ядерных взрывов (в том числе на Новой Земле – 132), в Казахстане – 496, на Украине – 2, в Узбекистане – 2 и в Туркменистане – 1 взрыв. На полигоне Лобнор в Китае (штат Синьцзян) провели 45 взрывов, в Алжире

– 17, в Австралии – 12. Индия испытывала ядерное оружие 6 раз (на площадке Покхаране), а Пакистан – 5 (горный район Чагаи, провинция Белуджистан). Кроме того, ядерные взрывы проводились на атоллах Муруроа (175) и Эниветок (43), на островах Рождества (30), Бикини (23), Джонстон (12), Фангатофа (12), Молден (3), в Тихом океане (4) и Южной Атлантике (3).

55

Высокодисперсные фракции продуктов ядерных взрывов поднимаются в верхние слои атмосферы и годами и даже десятилетиями циркулируют там, распространяясь вначале над своим полушарием, а зaтeм и над всей территорией земного шара, и лишь постепенно выпадают на поверхность Земли. В течение 10 лет, когда испытания проводились наиболее интенсивно, население Земли получило за счет глобальных выпадений дополнительно 2 мЗв (одна годовая доза от естественного фона).

При атомном взрыве образуются продукты деления ядерного горючего 235U, 238U, 239Pu с образованием сложной смеси из 200 изотопов 36 химических элементов с периодом полураспада от 1 с до млн лет. По характеру излучения все они относятся к бета- и гамма+бетаизлучателям, кроме 147Sm и 144Nd – альфа-излучатели. Дополнительным источником радиоактивного загрязнения местности служит также наведенная радиоактивность, возникающая в результате воздействия потока нейтронов, образующихся при цепной реакции деления урана или плутония на ядра атомов различных веществ окружающей среды.

Наибольший практический интерес для радиобиологии представляют следующие радионуклиды: 89Sr, 90Sr, 131J, 137Cs, 140Ba, 144Ce.

Активность продуктов ядерного деления быстро снижается в первые часы и сутки, например, в первые сутки наблюдается снижение активности в 50 раз.

Таблица 16 – Снижение активности ПЯД с течением времени

Из закона радиоактивного распада выведено правило: каждое десятикратное снижение активности осколков и мощности дозы гаммаизлучения происходит в результате увеличения их возраста в 7 раз.

56

2.3. Искусственные источники ионизирующих излучений и их характеристика

При термоядерных взрывах в момент реакции синтеза возникает интенсивный поток нейтронов, вызывающих образование значительного количества продуктов активации – наведенную радиоактивность. Основными источниками загрязнения окружающей среды являются радиоактивные осколки 238U, 239Pu, тритий 3 Н и радиоуглерод 14С. В результате проведенных до 1959 года термоядерных взрывов в земной атмосфере образовалось около 560 кг 14С.

Загрязнение окружающей среды зависит от характера взрывов, мощности зарядов, атмосферных условий, географических зон и широт.

При воздушном взрыве РВ распыляются на большой площади, но под влиянием атмосферных осадков, выпавших в момент прохождения радиоактивного облака, может повыситься загрязнение в том или ином районе.

Взрывы средней и малой мощности (до нескольких килотонн тротилового эквивалента) загрязняют в основном тропосферу – на высоте 18 км, мелкие и крупные частицы выпадают на расстоянии нескольких сот километров от эпицентра, образуя локальные радиоактивные загрязнения. Крупные взрывы в несколько мегатонн загрязняют, главным образом, стратосферу на высоте 80 км. Воздушными течениями частицы продукты ядерного деления (ПЯД) способны совершать очень большой путь, вплоть до нескольких оборотов вокруг земного шара, образуя в результате выпадения глобальные загрязнения. Следует отметить, что продукты взрывов распределяются следующим образом: при воздушном взрыве 99% задерживается в стратосфере; при наземном взрыве 20% попадает в стратосферу, а 80% выпадает в районе взрыва; при взрывах у поверхности моря 30% остается в стратосфере, а 70% выпадает локально. ПЯД могут находиться в тропосфере 2-3 месяца, в страто-

сфере – 3-9 лет. По данным исследователей, из имеющихся в стратосфере ПЯД ежегодно осаждается 10% 90Sr и 137Cs.

По данным Научного комитета ООН по действию атомной радиации, при испытаниях ядерного оружия, проводимых до 1963 года, суммарная мощность взорванных боеприпасов и устройств составила 510,9 мегатонн по тротиловому эквиваленту, в т.ч.: при воздушных взрывах – 406,2 Мт, при наземных – 104,7 Мт. Выпадение радионукли-

дов составило в МКи: 3H – 360, 14C – 6,2; 55Fe – 50, 89Sr – 2800, 90Sr – 12,2, 106Ru – 330, 144Ce – 182,4, 137Cs – 19,5, 239Pu – 0,32. Расчеты пока-

зали, что ожидаемые дозы от радионуклидов, образовавшихся в результате ядерных испытаний, проведенных до 1976 года, составляют для населения умеренного пояса Северного полушария: от внешнего облучения – 110 мрад, от инкорпорированных радионуклидов: для гонад – 37, костного мозга – 150, клеток, выстилающих костную ткань – 180 и для легких – 150 мрад.

57

2.3.3. Атомная энергетика

В 2001 году в мире работало 430 атомных энергетических установок, производящих около 20% электроэнергии. По количеству атомных электростанций первое место занимает Западная Европа, за которой следуют США и Канада. В России работает 10 атомных электростанций с 30 промышленными реакторами суммарной мощностью 21242 Мвт. Из них 29 реакторов на медленных нейтронах (типа ВВЭР и РБМК) и один реактор на быстрых нейтронах. Для обеспечения этих АЭС ядерным топливом необходимо ежегодно 3600 тонн природного урана. По данным МАГАТЭ (Международное Агентство по атомной энергии) в 1995 г. доля ядерной энергетики в мировом электроснабжении составила 20%. Во Франции и Бельгии АЭС вырабатывают 70-80% электроэнергии, в Швеции-50%, США – 17%, Канаде – 15%, Южной Корее –

53%, на Тайване – 48,5%, в России – 13%.

В1954 году в Обнинске была введена в строй атомная электростанция (АЭС) мощностью 5 МВт, а в 1956 г. в Англии запущена АЭС мощностью 64 МВт.

Вторая половина XX столетия характеризуется постепенным и неуклонным нарастанием роли электроэнергии, вырабатываемой на атомных электростанциях. Причем отношение к ядерной энергетике в промышленно развитых странах неодинаково и определяется целиком наличием природных ресурсов горючих полезных ископаемых. Атомная энергетика включает в себя урановые рудники, металлургические предприятия по получению обогащенного ядерного топлива, заводы по очистке урановых концентратов и изготовлению ТВЭЛ-ов (тепловыделяющих элементов), предприятия по утилизации ядерных отходов.

На протяжении всей этой технологической цепочки образуются твердые, жидкие, газообразные отходы.

Схема технологической цепочки представлена на рисунке 5. Принципиальная схема уран-графитового атомного реактора для

получения электроэнергии состоит в следующем (рис. 6).

Вгерметическом цилиндрическом стальном корпусе помещен графит в виде кирпичной кладки. Промежутки кладки заполнены газом гелием для того, чтобы графит во время работы реактора не выгорал.

Вцентральной части графитовой кладки размещены каналы, куда помещается ядерное горючее в виде ТВЭЛ-ов (тепловыводящих элементов). Последние представляют собой трубки из циркониевого сплава, в которые помещены таблетки из окиси урана (UO2). ТВЭЛ-ы помещаются в виде сборок по 18 трубок в каждой сборке.

58

2.3. Искусственные источники ионизирующих излучений и их характеристика

Захоронение радиоктивных отходов

Рис. 5. Основные технологические этапы получения и использования атомной энергии

Урановые стержни омываются теплоносителем – проточной водой или жидким натрием, циркулирующим по каналам (радиаторам). Теплоноситель передает тепло в парогенератор. Пар из парогенератора под высоким давлением поступает в турбину, которая связана с генератором тока. Отработанный пар собирается в конденсаторе и снова направляется в парогенератор.

Реактор размещается на бетонном основании и окружен для защиты от ядерных излучений метровым слоем воды и бетонной стеной толщиной 3 метра. Объем активной зоны реактора около 700 кубических метров.

В первом советском атомном реакторе находилось 550 кг окиси урана, содержание урана-235 в которой искусственно доведено до 5% (против 0,7% в природном уране).

Управление процессом деления происходит с помощью регулирующих стержней, сделанных из материалов, хорошо поглощающих нейтроны (кадмий, бор). Когда такой стержень введен в активную зону реактора, цепной процесс деления замедляется, так как избыток нейтронов поглощается указанными элементами. При выдвигании стержня из реактора цепная реакция усиливается, вследствие увеличения количества действующих нейтронов.

При делении ядер урана образуются быстрые нейтроны. Большинство же функционирующих в настоящее время атомных котлов ра-

59

ботают на медленных нейтронах. Замедление нейтронов происходит за счет графитовой кладки реактора.

На АЭС с водяным теплоносителем основной источник радиации – это вода первого контура. Расход воды на охлаждение реактора достигает 70-90 м3/с, поэтому система охлаждения представляет собой замкнутый цикл. Тем не менее периодически из системы реактора приходится отводить радиоактивные сточные воды и газы. Они предварительно направляются в систему очистки, где выдерживаются до распада короткоживущих радионуклидов, и только после этого выбрасываются в окружающую среду.

Основную дозу в выбросах составляют продукты деления ядерного горючего: радиоизотопы йода, цезия, стронция, церия, циркония, марганца, железа, а также тритий и радиоактивные газы – радон, ксенон и криптон. Система очистки сточных вод такова, что в водоемы поступает вода с содержанием радиоизотопов, не превышающим допустимый уровень для питьевой воды. При этом радиационное состояние воздушной и водной среды контролируется сетью постов службы дозиметрии. На этих постах производят также отбор проб почвы и растительности.

Рис. 6. Принципиальная схема атомной электростанции:

1 – ядерное горючее с замедлителем; 2 – аварийные стержни; 3 – регулирующие стержни; 4 – отражатель нейтронов; 5 – бетонная защита от радиации; 6 – теплоноситель; 7 – парогенератор; 8 – паровая турбина; 9 – генератор тока; 10 – конденсатор пара

Таким образом, при отсутствии аварий и хорошей радиационной защите такое производство заметного влияния на окружающую среду не оказывает.

В настоящее время на российских атомных электростанциях применяются реакторы, работающие на медленных нейтронах (типа ВВЭР – водо-водяной энергетический реактор и РБМК – реактор большой мощ-

60