Боярчук Прикладная ядерная космофизика 2007

2.Никипелов Б.В., Дрожко Е.Г. Взрыв на южном Урале. //

Природа. 1990. № 5. С. 48–49.

3.Никипелов Б.В., Дрожко Е.Г. Экологические последствия радиоактивного загрязнения на Южном Урале. М.: Наука, 1993.

С. 6 – 12.

4.Ahearne J.F. Radioactive Waste: The Size of the Problem // Physics Today, 1997. № 6. Р. 24–29.

5.Nuclear Wast // National Geographic. 2002. № 7. Р. 10–33.

6.Булатов В.И. Россия радиоактивная. Новосибирск: ЦЭРИС, 1996. 272 с.

7.50 вопросов и ответов об атомной энергетике и ядерном топливе / Под ред. Колдобского А.Б. М.: ООО «Издательский центр «Атомпресса», 2006.

21

ГЛАВА 2. ВОЗДЕЙСТВИЕ РАДИАЦИОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

Рассматриваются естественные и антропогенные источники ионизации атмосферы Земли. Воздействие на окружающую среду и человека. Особенности работы АЭС. Газообразные отходы. Воздействие ионизирующего излучения на окружающую среду. Ионизации атмосферы. Основные ионы и нейтральные кластеры. Физические эффекты, связанные с существованием нейтральных кластеров. Воздействие ионизирующих излучений на биологические объекты: планктон, травянистый и лесной покров.

2.1. Источники ионизации

Естественные источники ионизации атмосферы Земли

Основными источниками ионизации в нижней атмосфере, помимо антропогенных источников, являются естественная радиоактивность почвы и воздуха, а также космические лучи. Причем более 60 % общей производительности природных источников ионизации дает излучение почвы, так, например, в почвах, характерных для центральной России, обнаруживаются все три основных излучателя: α, β и γ.

Основным источником α-частиц, представляющих собой ядра гелия с зарядом 2e, в воздухе является 222Rn (радон), 220Rn (торон) и 219Rn (актион). Все без исключения продукты их распада представляют собой изотопы тяжелых металлов, которые быстро захватываются аэрозольными частицами, образуя так называемые дочерние ионы радона. Энергия излучаемых ими частиц находится в пределах 4–9 МэВ, длина пробега не превосходит 6 см. Например, единичная α-частица, возникающая при распаде радона 222Rn со средней энергией Eα = 6 МэВ может производить в атмосферном воздухе ~ 2 105 электрон-ионных пар. Обычно поток радона из поверхности Земли составляет менее 1,4 атом/(см2 с), но в некоторых областях, например в геоактивных районах у разломов земной коры, эманации радона из почвы могут быть существенно выше. β-излучатели генерируют частицы – быстрые электроны со средней энергией ~ 0,249 МэВ и длиной пробега в воздухе ~ 1 м.

22

В основном они возникают при распаде 85Kr в атмосфере и 90Sr и 90Y на поверхности Земли. Вклад γ-излучателей в ионизацию воздуха у поверхности Земли при обычных условиях, как правило, создает почва. В основном это излучение, возникающее при распаде радия и тория.

Космическое излучение при обычной активности Солнца генерирует ионы в атмосфере у поверхности Земли со скоростью ~ 2 см–3 с–1, на высоте 20–35 км скорость ионообразования возрастает до 5 см–3 с–1. Однако при значительных солнечных вспышках производство ионов в атмосфере за счет корпускулярного излучения существенно возрастает (см. гл. 4 п.4.5).

Все эти естественные источники радиоактивности вносят вклад в фоновое ионообразование в тропосфере со скоростью ~ 10 см–3 с–1 (или 20 мР/ч). Основной же вклад в превышения над средней скоростью ионообразования обеспечивают антропогенные источники, вызванные как аварийными ситуациями на ядерных объектах, так и загрязнениями при штатной работе последних.

Во всех случаях ионизация воздуха излучением радиоактивных элементов происходит по-разному. Это может быть излучение отдельных высокоэнергетичных частиц или квантов от удаленного источника, или это излучение от равномерно рассеянных по объему воздуха "горячих", радиоактивных аэрозолей, или это эманации радиоактивного газа, например 222Rn из почвы, 85Kr из трубы АЭС.

Антропогенные источники ионизации

Основным потенциальным источником загрязнения биосферы и облучения населения, проживающего вблизи АЭС, является газоаэрозольные отходы. В процессе эксплуатации АЭС происходит выработка продуктов деления в топливе; в реакторах большой мощности ежесуточно образуется несколько килограммов продуктов деления суммарной активностью 1–100 ЭБк. При этом основная активность продуктов деления обусловлена короткоживущими осколками ядер. Первым защитным барьером, удерживающим эти продукты в топливе, является оболочка твэла. Вследствие возможной разгерметизации оболочек твэлов продукты деления могут проникать в теплоноситель. Часть образующихся радиоактивных

23

веществ за счет тех или иных технологических операций непрерывно или периодически выделяется из первого контура.

При работе АЭС образуются три вида радиоактивных отходов: твердые, жидкие и газообразные. Рассмотрим более подробно образование газообразных отходов на АЭС. Первый контур стремятся сделать максимально герметичным, однако это не всегда возможно, поэтому большинство реакторов типа ВВЭР и РБМК работают с небольшой продувкой теплоносителя первого контура. Она может быть организованной и технологически обоснованной и неорганизованной, обусловленной утечками из дефектного оборудования.

К неорганизованным протечкам теплоносителя относят непредусмотренные протечки через неплотности сварных соединений трубопроводов и различную арматуру.

Газообразные и аэрозольные отходы из монтажных пространств, боксов парогенераторов и насосов, защитных кожухов оборудования, емкостей с жидкими отходами выводят с помощью вентиляционных систем. Отходы перед выбросом в вентиляционную трубу очищают на специальных фильтрах. Если радиоактивность этого воздуха невысока, то его выбрасывают, минуя систему очистки.

Краткая характеристика газообразных отходов

Характер газообразных радиоактивных выбросов зависит от типа реактора и системы обращения с этими отходами. В их состав входят инертные радиоактивные газы (ИРГ) (радионуклиды Kr, Xe), пары 3Н и 3Н в газообразной форме, активационные газы (41Ar, 14C, 13N, 16N), галогены и радиоактивные вещества в твердой форме (продукты деления и активации).

При делении топлива образуется более десятка нуклидов Xe и Kr, имеющих различные радиационные характеристики (табл. 2.1). В теплоноситель они попадают при разгерметизации оболочки твэла. Их радиоактивные концентрации в отходах могут колебаться в широких пределах и определяются в основном состоянием оболочек твэлов, типом реактора и применяемой системой газоочистки. Общая их активность равна 0,28–

24

0,43 ТБк/[МВт (эл.) год] (табл. 2.2), причем основной вклад в активность этих отходов дает 133Хе (табл. 2.3).

Вреакторах типа ВВЭР (PWR) ИРГ могут поступать во внешнюю среду с утечкой воды из первого контура.

Вреакторах кипящего типа ИРГ во внешнюю атмосферу могут попасть вместе с неконденсирующимися газами, отсасываемыми эжектором из конденсатора турбины. Их активность в десятки

исотни раз больше активности ИРГ в выбросах реакторов типа

ВВЭР и изменяется в широком диапазоне: от 0,074 до

4,4 ТБк/[МВт(эл.) год]. Около 60 % всей активности приходится на короткоживущие нуклиды 87Кг, 88Кг, 135Хе, 85mКг.

В защитном газе АЭС с реакторами на быстрых нейтронах и натриевым теплоносителем мощностью 1600 МВт (эл.) при работе с О, I дефектных твэлов активность ИРГ может достигать 700 ТБк. Более 95 % этой активности приходится на 133Хе.

Во внешнюю среду ИРГ могут попасть при утечке защитного газа через неплотности в газовой системе реактора. Оценки показывают, что при реальных утечках защитного газа его выбросы не будут превышать 0,7 ТБк/сут. Опыт эксплуатации отечественных и зарубежных АЭС с реакторами на быстрых нейтронах показывает, что активность ИРГ в их газообразных отходах не превышает 0,1 ТБк/сут, а нормированное значение для отечественных и зарубежных АЭС данного типа значительно меньше

0,03 ТБк/[МВт (эл.) год].

Таблица 2.1

Основные радиационные характеристики газообразных нуклидов

25

26

Таблица 2.2

Поступление радиоактивных газообразных отходов АЭС в атмосферу

Для зарубежных АЭС, введенных в эксплуатацию не ранее 1972 г., данные приведены за 1973 – 1974 гг.; в скобках – усредненные за 1976 г. *Среднее значение нормированной мощности выбросов в 1975 – 1979 гг. ** в 1979 г.

Таблица 2.3

Состав ИРГ и иода в газообразных отходах АЭС

27

Продолжение табл. 2.3

Второй столбец для реакторов PWR и BWR компонентный состав ИРГ в выбросах АЭС США в 1979 г. В составе ИРГ BWR 138Xe – 24,1 %.

* Без 41Ar из газового контура

2.2. Воздействие излучения на атмосферу

Итак, в процессе эксплуатации АЭС происходит выработка продуктов деления в топливе; в реакторах большой мощности ежесуточно образуется несколько килограммов продуктов деления суммарной активностью 1–100 ЭБк. Часть образующихся радиоактивных веществ за счет тех или иных технологических операций непрерывно или периодически выделяется из первого контура.

Излучение ядер радиоактивных элементов представляет собой электромагнитное излучение (гамма и рентгеновское излучение), а также поток быстрых заряженных и нейтральных частиц, α-, β- частиц, протонов, нейтронов. Проходя через окружающую среду, излучение расходует свою энергию на ионизацию и возбуждение молекул. Скорости химических реакций с участием ионизированных и возбужденных молекул и частиц на несколько порядков выше, чем в обычном случае. Таким образом, в результате быстрых ион-молекулярных реакций происходят изменения в структуре облученной среды.

В случае живой ткани, такие процессы могут приводить к результатам не совместимым с жизнью данного организма. В этом и состоит опасность радиации для человека. В более простых биологических системах воздействие радиации может быть и не столь губительным.

Например, известно, что растительные системы наиболее устойчивы к воздействию радиации, поэтому при незначительных поглощенных дозах наблюдается даже бурный рост растительной массы в районе, подверженном воздействию слабого радиоактивного загрязнения. Но при сильном загрязнении наблюдается угнетение растительной массы. Эта реакция отражается на цветности

28

растительного покрова и может быть зарегистрирована дистанционно, например с космического аппарата с помощью спектрозональной сканирующей аппаратуры. Скорость реакции среды на ионизирующее излучение в данном случае занимает несколько дней.

Более быстрой реакцией на радиоактивное загрязнение обладает так называемый, фитопланктон, распространенный на морском шельфе и в других водоемах. Здесь скорость реакции составляет несколько часов. А проявляются изменения также в цветности океана.

Но это все относится к выпадениям радиоактивных загрязнений на почву и выбросам в водоемы. Основным же потенциальным источником загрязнения биосферы и облучения населения, проживающего вблизи АЭС, является газоаэрозольные отходы, образуемые в процессе эксплуатации станции.

Основное воздействие ионизирующих излучений от этих отходов на воздушную среду обусловлено вторичными электронами, возникающими при ионизации атомов и молекул. Энергия этих электронов находится в диапазоне от тепловой энергии до энергии первичных быстрых частиц или γ-квантов. Большая часть вторичных электронов имеет энергию меньше энергии ионизации, но эти электроны способны осуществлять возбуждение молекул, что облегчает дальнейшую диссоциацию молекул или их ионизацию другими частицами и электронами. Образование ионов в атмосфере происходит и под действием ультрафиолетового излучения, но у поверхности Земли эти процессы маловероятны.

Под действием ионизирующего излучения ионизация осуществляется следующим образом: за время порядка 10–15 с происходит возбуждение молекулы; за время порядка 10–13 с молекулы, находящиеся в возбужденном неустойчивом состоянии, диссоциируют либо на положительный ион и электрон либо атом и осколочные ионы. На рождение каждой пары ионов в воздухе затрачивается энергия ~ 34 эВ. Потенциал ионизации газов, входящих в состав воздуха, не превосходит половины этой величины: он равен 17 эВ для азота и 15,5 эВ для кислорода. Поэтому в первый момент ионизации воздуха имеем следующий набор продуктов:

N2 → 15,5 эВ → N2+ + e N2 → 24,3 эВ → N+ + N + e

29

O2 → 12,2 эВ → O2+ + e O2 → 19,2 эВ → O+ + O + e

Таким образом, под действием излучения в первоначальный момент возникает большое количество ионов О2+ как в результате прямой ионизации, так и в результате реакции перезарядки с первоначальным ионом N2+:

N+2 + O2 → O+2 + N2

и электронов, которые быстро прилипают к атомам кислорода, т.к. кислород обладает значительным сродством к электрону:

e + O2 + O2 → O−2 + O2

В этой реакции в качестве третьего тела выступает молекула кислорода.

В результате быстрых ион-молекулярных реакций в атмосфере нарабатываются стабильные ионы типа NOх– , СО3– и H3O+. При нормальных условиях в тропосфере Земли присутствует значительное количество молекул воды (при обычной относительной влажности воздуха 70 % концентрация молекул водяного пара составляет ~ 1017 см–3). Молекула воды обладает большим дипольным моментом 1,87 D, т.е. представляет собой вытянутое образование с положительным и отрицательным зарядами на своих концах. Естественно, что в таких условиях все положительные и отрицательные ионы будут облеплены молекулами воды, как показано на рис. 2.1, а.

Таким образом, процесс старения ионов в обычном воздухе может заканчиваться образованием сложных химически активных структур типа ион-радикалов:

H3O+ (H2O)m, NO3– HNO3 H2O, NO3– (H2O)n и др.,

т.е. образуется молекулярный кластер.

а) б)

Рис. 2.1. Положительные и отрицательные ион-радикалы (а); нейтральный кластер (б)

30