4. Миграция радионуклидов в различных компонентах биосферы

Использование ядерной энергии сопро­вождается появлением в биосфере искусственных радионуклидов и их включением в биогеохимические процессы миграции, а в некоторых случаях также изменением темпов миграции естественных радионуклидов вследствие деятельности человека, связанной с перемещением их из глубоких зон земной коры (например, добыча урана).

Накопление в природной среде искусственных радионуклидов может иметь ряд последствий. Во-первых, радионуклиды являются источниками излучения, которое может приводить к различным радиационным эффектам в природной среде. Во-вторых, в результате радиоэкологических процессов перено­са может произойти аккумуляция радионуклидов в некоторых звеньях их миграции и живые организмы, характеризую­щиеся повышенным накоплением радиоактивных веществ, могут подвергнуться относительно высокому облучению. В-третьих, возможно попадание радиоактивных веществ в пищевой рацион человека и далее в его организм как одно из конечных звеньев круговорота в биосфере радионуклидов (3).

Поступившие во внешнюю среду в результате деятельности человека естественные и искусственные радионуклиды включа­ются в биогеохимические циклы круговорота, основные особенности которых определяются, прежде всего, свойствами самой среды.

5.1 Атмосфера

Атмосфера является источником радионуклидов для наземных и водных экосистем. Радионуклиды атмосферы формируют внешнее облуче­ние живых организмов, а после поступления из воздуха в наземные биогеоценозы и водную среду эти радионуклиды вклю­чаются в процессы круговорота в биосфере.

Радиоактивность приземной атмосферы формируется в основном радионуклидами естественного происхождения, но в последние десятилетия значительное влияние стали оказывать выпадающие радиоактивные осадки, сформированные продуктами ядерных взрывов и газо-аэрозольными выбросами АЭС и других объектов ядерной энергетики (29).

Испытания ядерного оружия в атмосфере являются источниками дополнительного облучения населения земного шара.

По данным ООН с 1945 г. до 1980 г. произведено 423 взрыва суммарной мощностью 545,4 Мт. Сведения о количестве испытаний ядерного оружия в атмосфере пятью странами – участниками «ядерного клуба» приведены ниже в таблице №4. В 1963 г. США, СССР и Великобритания подписали договор о прекращении экспериментальных ядерных взрывов в атмосфере, космическом пространстве и под водой. Франция отказалась присоединиться к этому договору и продолжала испытания ядерного оружия в атмосфере до 1974 г., а КНР–вплоть до 1980 г.

Ядерное оружие испытывали на полигонах: в Маралинге (Австралия), Семипалатинске (СССР), шт. Невада близ Лас-Вегаса (США), на атолле Муруроа во французской Полинезии и в китайской провинции Синцзянь (130).

Таблица 1.

Количество экспериментальных ядерных взрывов, произведенных в атмосфере странами, владеющими ядерным оружием (130).

Страна	Период времени, годы	Количество взрывов	Суммарная мощность, Мт
США	1945-1962	193	138,2
СССР	1949-1962	142	357,5
Великобритания	1952-1962	21	16,7
Франция	1960-1974	45	11,9
КНР	1964-1980	22	20,7

 

При этих взрывах образовалось большое количество радионуклидов как в результате процессов деления ядра, так и при реакциях синтеза легких ядер. Принято считать, что выход продуктов деления пропорционален мощности взрыва за счет реакции деления, а выход нуклидов – за счет продуктов активации таких, например, ядер, как Н³ и С¹⁴ – пропорционален мощности взрыва за счет реакции синтеза.

При взрывах мощностью 100-200 кт вблизи или на поверхности земли радионуклиды разносятся на высоте тропосферы. После вхождения в атмосферу радиоактивные продукты взрывов быстро перемещаются вниз до высоты около 4 км в результате турбулентного перемешивания и конвективного переноса. Поэтому из тропосферы радиоактивные осадки выпадают на земную поверхность самое большее за несколько месяцев. Как правило, период полуочищения 20-40 дней. При этом самые крупные частицы (более 10 мкм, до нескольких мм) содержатся в составе сухих выпадений, а остальные – преимущественно с дождем или снегом.

При взрывах мощностью 1-50 мт высота выброса радиоактивного облака достигает тропосферы.

При более мощных взрывах радиоактивные продукты выбрасываются в стратосферу, где перемешивание вертикальных слоев воздуха слабое, а осаждение медленное. Радиоактивные аэрозоли микроскопических размеров (4*10-5 см) в составе радиоактивного облака остаются в стратосфере от нескольких месяцев до нескольких лет, а ветры переносят это облако над всей Землей (стратосферный перенос). До 2/3 общего количества осадков – стратосферные осадки, с которыми на земную поверхность поступают искусственные радионуклиды ядерных взрывов.

Сезонные изменения в переносе масс воздуха из стратосферы в тропосферу (обмен стратосфера – тропосфера) определяют и сезонные изменения в выпадениях радионуклидов на земную поверхность. Направленное вниз движение увеличивается над антициклоническими и уменьшается над циклоническими образованиями (из-за образования соответственно нисходящих и восходящих потоков). Отсюда существенная зависимость плотности радиоактивных выпадений от метеопараметров. Кроме того, скорость очистки тропосферы от радиоактивных аэрозолей и, соответственно, плотность радиоактивных выпадений, зависят от размеров аэрозолей и их физико-химических свойств (в том числе формы химических соединений), растворимости, электрического заряда, характера радиоактивного распада, наличия других аэрозольных частиц в атмосфере (пыли, солей, жидкостей) и характера подстилающей земной поверхности.

Выпадения бывают с осадками и без них (сухие). В умеренных широтах с осадками выпадают в 9 раз больше радиоактивных продуктов. В засушливых зонах преобладающими становятся сухие выпадения.

Для выпадения на земную поверхность характерны сезонные колебания: весенний максимум в марте – мае (в северном полушарии) и сентябре – ноябре (в южном полушарии). Это связанно с весенней перестройкой высоты тропосферы. Возможны максимумы, связанные с изменением метеорологических параметров и с близостью источников радиоактивности.

Снег вымывает аэрозоли в несколько раз эффек­тивнее, чем дождь той же интенсивности, а эффективность вымывания мелкокапельными осадками больше, чем крупнокапельными. Количество удаленных радиоактивных примесей пря­мо пропорционально количеству удаляющих их осадков. В умеренных широтах с атмосферными осадками (влаж­ные выпадения) удаляется около 60—70 % общей суммы радиоактивных выпадений. Причем, скорость выпадения радиоактивных осадков в северном полушарии больше, чем в южном.

Радиоактивные выпадения делятся на три вида в зависимости от времени, прошедшего с момента взрыва до оседания частиц на зем­ную поверхность.

1. Ближние, или локальные выпадения представлены относительно крупными (бо­лее 100 мкм) частицами, оседающими на землю преимущественно под действием си­лы тяжести. Локальные выпадения начина­ются сразу после взрыва и продолжаются в течение последующих 1—2 суток, охваты­вая по мере переноса радиоактивного обла­ка ветром все более обширную территорию. В результате локальных выпадений на зем­ной поверхности образуется радиоактив­ный след шириной несколько десятков и протяженностью в несколько сот километ­ров. Крупные частицы, оседающие под дей­ствием силы тяжести, попадают непосред­ственно на земную поверхность, в том числе на растительность и животных, обусловливая их поверхностное загрязнение.

2. Промежуточные, или тропосферные выпадения представлены мелкими частица­ми (несколько микрометров и менее). Эти частицы формируются в тропосфере, ниже тропопаузы (переходный слой между тропосферой и стратосферой), на высоте 11—16 км. Период полувыведения этих частиц из тропосферы составляет 20—30 суток.

3. Глобальные, или стратосферные выпа­дения состоят из частиц от нескольких со­тых до десятых долей микрометра, забрасы­ваемых в стратосферу на высоту 10—30 км. Оттуда они переносятся в тропосферу струй­ными течениями и циклональными вихря­ми либо с воздушными массами через раз­рывы в тропопаузе (58). При перемешивании воздушных потоков в стратосфере радионуклиды переносятся из одного полушария в другое. Время пребывания частиц в стратосфере достигает почти двух лет.

Глобальные выпадения характеризуются практически полной усвояе­мостью биологическими системами.

Радиоактивные вещества, образующиеся при испытательных ядерных взрывах, создают радиационное воздействие – внутреннее облучение (от вдыхания радиоактивных веществ, содержащихся в приземных слоях атмосферы, и употребления в пищу продуктов питания и питьевой воды, загрязненных радионуклидами) и внешнее облучение (от радиоактивных веществ, присутствующих в приземном слое воздуха или выпавших на поверхность земли).

Бóльшая часть дозы облучения населения земного шара от радионуклидов Zr⁹⁵, Ru¹⁰⁶, Се¹⁴⁴, I¹³¹, образовавшихся в результате всех проведенных по 1980 г. испытаний, уже сформирована. Значительная часть дозы Sr⁹⁰, Cs¹³⁷ сформирована к 2000 г (130).

Кроме долгоживущих радионуклидов в атмосферу Земли при ядерных взрывах выбрасывались короткоживущие радионуклиды.

Индивидуальная эквивалентная доза облучения вследствие проведения испытаний ядерного оружия в атмосфере составила 4,5 мЗв в СССР, а в среднем по земному шару – 3,8 мЗв, причем основной вклад (~2,6 мЗв) в указанные дозовые нагрузки вносит С¹⁴, обладающий очень большим периодом полураспада.

Выбросы АЭС. При нормальном функционировании АЭС в атмосферных выбросах преобладают инертные радиоактивные изотопы ксенона, криптона и аргона. Для уменьшения их радиоактивности на АЭС осуществляется их временная задержка в реакторе (для распада короткоживущих радионуклидов) перед тем как выбрасывать в атмосферу. При распаде инертных радиоактивных газов образуются стронций-90 и цезий-137, которые характеризуются большими периодами полураспада.

Кроме инертных радиоактивных газов объекты ядерной энергетики выбрасывают в атмосферу тритий, углерод-14, стронций-90, йод-131, цезий-137, а также следовые количества техногенных радионуклидов — хрома-51, марганца-54, кобальта-58, кобальта-60, циркония-95, ниобия-95 и т. п. Большинства из них оседают в непосредственной близости от АЭС и только йод-131 обнаруживаются на расстоянии 30—50 км.