Радиобиология с основами радиоэкологии

3. Источники радиоактивных веществ и ионизирующих излучений на Земле 71

Таблица 3.3

Характеристики излучений некоторых космогенных радионуклидов

(ТЕР) выделяют ввиду высокой радиотоксической значимости нуклиды радиоактивных семейств – радиоактивные элементы и изотопы с атомной массой выше 200. Все остальные естест­ венные радионуклиды отнесены к легким (ЛЕР). Содержание наиболее значимых из них в почве, растениях и организме животных приведено в табл. 3.4.

Таблица 3.4

Содержание некоторых естественных радионуклидов в почве, растениях и животных, Бк/кг (Р.М. Алексахин, 1992)

Массовое количество естественных радиоактивных элементов, как и радиоактивных изотопов обычных элементов, в земной коре, а следовательно в воде, растениях, животных и других организмах, очень мало. Так, содержание в почвах радия составляет 1–13×10–11, урана – 2.6–4.0×10–4, тория – 5–12×10–4 %. Поэтому по некоторым классификациям их относят к ультрамикроэлементам. Невелико и количество радиоактивных изотопов нерадиоактивных элементов. Например, содержание в почве 14С варьирует в пределах 1–30×10–9, 40К – 1–5×10–4%. Содержание 3Н в воде составляет примерно 10–18 по отношению к водороду.

3.1.2. Искусственные радионуклиды

Искусственные радиоактивные изотопы получают в результате ядерных реакций, осуществляемых обычно путем бомбардировки (облучения) изотопов естественных нерадиоактивных элементов частицами высоких энергий от нескольких миллионов до десятков миллиардов электронвольт. Эти реакции, осуществляемые в искусственных условиях, близки к процессам, происходящим в атмосфере при образовании под воздействием космических излучений космогенных радионуклидов. Как уже упоминалось в главе 1, явление искусственной радиоактивности было открыто в 1934 г. И. Кюри и Ф. Жолио-Кюри. Путем бомбардировки бора, магния и алюминия α-частицами они впервые получили радиоактивные изотопы азота 13N, кремния 28Si и фосфора 30Р. Вот как, например, выглядит реакция получения изотопа фосфора при облучении алюминия:

1327А1 + a → 3015Р +  01n.

В результате такой реакции из алюминия вылетает нейтрон (n), возникает изотоп фосфора, испускающий позитрон (b+) и в итоге превращающийся в стабильный изотоп кремния: 1530Р →

1430Si + b+.

В последующие годы было показано, что для получения искусственных изотопов можно использовать не только α-частицы, но и нейтроны, протоны, ускоренные заряженные частицы. Именно с их помощью к настоящему времени получено свыше 1880 радиоактивных изотопов 80 химических элементов. Таким путем на ядерных реакторах, ускорителях различных легких частиц и тяжелых ионов – синхрофазотронах, синхротронах, циклотронах, микротронах, бетатронах, нуклотронах – получают радиоактивные­ изотопы, используемые в различных сферах народного хозяйства и научных исследованиях. Среди них и часто применяемые в биологии и медицине изотопы 3Н, 14С, 22Na, 32Р, 35S, 42К, 45Са и 47Са, 55Fе и 59Fе, 60Со, 75Sе, 125I, 131I и 132I, 198Аu и многие другие. Но основными источниками искусственных радионуклидов в окружающей среде являются атомные взрывы, а также отходы и выбросы предприятий ядерной энергетики. Среди них выделяют три группы искусственных радионуклидов­. Первую группу образуют радионуклиды, возникающие в реакциях деления ядер 235U, 239Рu. Главные из них – 89Sr и 90Sr, 95Nb, 95Zr, 103Ru и 106Ru, 129I и 131I, 134Сs и 137Сs, 140Ba, 140La, 141Се и 144Се. Источники этой группы радионуклидов в биосфере – испытания ядерного оружия, ядер- но-энергетические установки, радиохимические заводы. Вторую группу составляют продукты наведенной радиоактивации, образующиеся в результате ядерных реакций элементарных частиц (как правило, нейтронов) с ядрами атомов стабильных эле-

делению новых ядер, то через 80 делений реакция, начавшаяся с одного попадания, за миллионные доли секунды приведет к распаду всех ядер в килограмме делящегося вещества (в килограмме урана содержится примерно 1020 атомов). Этот процесс сопровождается выделением огромного количества энергии.

Обычно не все возникающие нейтроны вызывают деление ядер. Часть их теряется за пределами объемной массы урана или плутония. Если потери очень велики, то цепная реакция развиться не может и, начавшись, останавливается – затухает. Вероятность потери части нейтронов тем выше, чем меньше масса и линейные размеры делящегося вещества. Поэтому существует понятие критической массы – наименьшего количе­ ства делящегося вещества, при котором может протекать са­ моподдерживающаяся цепная реакция деления атомных ядер. Именно она определяет величину ядерного заряда в атомной бомбе либо другом виде атомного оружия – это от нескольких до полутора десятков килограммов 235U или 239Pu, что зависит от степени чистоты изотопов. Чтобы взрыв не произошел в ненужное время, в атомной бомбе делящееся вещество рассредоточивается на две или более частей. В необходимый момент с помощью приспособления из обычного взрывчатого вещества вся масса быстро собирается вместе, что приводит к инициированию цепной реакции и осуществлению атомного взрыва.

Природный уран, как уже упоминалось, состоит из смеси трех изотопов: 238U, содержание которого составляет около 99.3% всего элемента, 235U – около 0.7 и 234U – всего 0.006%. Цепная ядерная реакция может происходить только в чистом 235U, поэтому ее осуществление предусматривает специальное технологически очень сложное выделение 90–97%-ного 235U. Что касается 239Pu, то это искусственный элемент, которого в природе не существует (или пока не выявлено). Таким образом, ядерная реакция возможна только в искусственных условиях.

Взрыв атомной бомбы одновременно сопровождается дейст­ вием очень мощной воздушной волны, необычайно интенсивным световым излучением, выделением огромных количеств тепла и ионизирующей радиации с последующим выпадением радиоактивных веществ. После взрыва в атмосфере средней по мощности атомной бомбы 10–15 Мт около половины образовавшихся радиоактивных продуктов выпадает в районе взрыва на земную и водную поверхность в радиусе до 100 км. Вторая половина уходит в тропо- и стратосферу. В тропосферу попадают мелкие аэрозольные частицы, которые в последующем примерно в течение месяца выпадают на Землю в зоне, определяемой радиусом 250–450 км от места взрыва в зависимости от силы и направлений ветров. Радионуклиды, выброшенные в стратосферу, распространяются по всему Земному шару и выпадают на поверхность Земли значительно позднее. Начало их выпадения

ли серию ядерных взрывов в атмосфере (последний – в 1980 г.). Подземные испытания проводятся до настоящего времени, но они, как правило, не сопровождаются существенными выбросами радионуклидов в биосферу.

На полигоне Новая Земля к ноябрю 1991 г. было осуществлено 42 подземных ядерных испытания с общим выходом 3.7×1015 Бк 90Sr и 5.6×1015 Бк 137Сs. Считается, что эта радиоактивность не загрязнит поверхности Земли и океана. Еще больше проведено подземных ядерных взрывов на Семипалатинском полигоне. Имеются сведения о том, что при некоторых из них происходила утечка радиоактивных веществ в окружающую среду через трещины в земной коре, образующиеся вследствие индуцируемых взрывами тектонических процессов.

В целом за счет испытаний атомного оружия в биосферу поступило следующее количество долгоживущих радионуклидов искусственного происхождения: 3Н – 2.4×1020 Бк, т.е. значительно больше, чем имеется в природе, 14С – 2.2×1017, 90Sr – 6×1017, 95Zr – 1.4×1020, 106Ru – 1.2×1019, 137Сs – 9.1×1017, 144Се – 3×1019, 239Pu – 6.5×1015 Бк.

Но хотя новые искусственные радионуклиды как результат ядерных испытаний не возникают, долгоживущие старые остаются и все живое на планете, в том числе и человек, подвергаются действию дополнительного облучения. Дозы этого облучения четко коррелируют с количеством взрывов и выбросами радиоактивных веществ. Если в 1963 г. накануне подписания упомянутого договора, когда количество взрывов достигло максимума, дополнительная доза составила около 7% дозы облучения от природных источников, то через три года после прекращения испытаний в 1966 г. она быстро снизилась до 2%, к началу 1980-х гг. – до 1%, а в 1990 г. составила всего 0.5%. Если взрывы атомного оружия в атмосфере не будут возобновлены, эта дополнительная доза, безусловно, с годами станет еще меньшей.

Предприятия ядерной энергетики. Определенный вклад в загрязнение окружающей среды радиоактивными веществами вносят выбросы предприятий ядерной энергетики. Их работа предполагает добычу урановой руды, ее переработку в обогащенное 235U ядерное топливо, изготовление тепловыделяющих элементов (твэлов), получение энергии в атомных реакторах, переработку отработанного топлива для последующего использования (регенерацию) и, наконец, утилизацию и захоронение радиоактивных отходов. Эти перечисленные операции составляют так называемый ядерный топливный цикл – ЯТЦ (рис. 3.4).

На всех этапах этого цикла возможно попадание радиоактивных веществ в окружающую среду, но вероятная интенсивность воздействия радиационного фактора на объекты биосферы в различных его звеньях неодинакова. На начальных эта-

мещается в специальных отвалах, обусловливая лишь локальное загрязнение среды ураном, радием, полонием, радоном и некоторыми другими естественными радионуклидами. Во время работы реакторов в окружающую среду могут попадать газообразные летучие радиоактивные изотопы 3H, 14C, 85Kr, 129I. Однако их большая часть улавливается с помощью специальных фильтрующих систем. Радиоактивные отходы сохраняются в тщательно изолированных местах. И хотя дополнительная к радиационному фону доза радиоактивного излучения за счет предприятий ядерной энергетики систематически возрастает с вводом в строй новых атомных электростанций (АЭС) и увеличением их мощностей, вклад излучения за их счет остается незначительным. Совершенно справедливым остается утверждение о том, что проживание вблизи тепловых электростанций (ТЭС) с учетом выбросов в атмосферу не только природных радиоактивных, но и токсических химических веществ намного вреднее для здоровья человека, чем вблизи работающих в нормальном режиме АЭС такой же мощности.

Вцелом около 450 ядерных реакторов АЭС, действующих во многих странах и дающих на сегодняшний день более 20% мировой электроэнергии, являются источником практически неощутимого загрязнения окружающей среды и незначительного увеличения радиационного фона даже непосредственно возле них.

Радиационные аварии. Проблемы дополнительного облучения всего живого на нашей планете и в особенности человека возникают в условиях нарушения технологических процессов на предприятиях ядерного топливного цикла, что может сопровождаться радиационными авариями с выбросами радиоактивных веществ в окружающую среду. За полувековой период развития атомной энергетики на предприятиях ЯТЦ по разным оценкам произошло от 150 до 400 аварий, сопровождающихся выбросами радиоактивных веществ в биосферу. В табл. 3.6. приведен перечень наиболее крупных из них. Среди них наиболее значимыми по объему выбросов и содержанию в них долгоживущих радиоактивных изотопов относят аварию на хранилище радиоактивных отходов на Южном Урале, случившуюся 29 сентября 1957 г. в г. Кыштым Челябинской области (СССР); аварию, произошедшую в том же году 7 октября на АЭС «Уиндскейл» (Великобритания); аварию на АЭС «Три-Майл-Айленд»

вштате Пенсильвания 24 марта 1979 г. (США), аварию на Чернобыльской АЭС 26 апреля 1986 г. (СССР) и аварию на АЭС «Фукусима-1» 11 марта 2011 г. (Япония). Однако наиболее тяжелыми считаются Южноуральская, Чернобыльская и Японская аварии.

Врезультате первой аварии вследствие технической неисправности на оборонном ядерном предприятии произошел взрыв

3. Источники радиоактивных веществ и ионизирующих излучений на Земле 79

Таблица 3.6

Крупнейшие радиационные аварии на предприятиях ЯТЦ и реакторах

емкости с радиоактивными отходами и в атмосферу на высоту до 1 км было выброшено 7.4×1016 Бк (около 2 МКи) смеси радиоактивных изотопов, преимущественно 90Sr, в виде гидрозоля­. Метеорологические условия в момент аварии способствовали передвижению возникшего радиоактивного облака, в результате чего под радиоактивным следом оказалась территория общей площадью около 23 тыс. км2. Были загрязнены значительные площади лесов, лугов, пастбищ, пахотных земель, 217 населенных пунктов с общей численностью населения 270 тыс. человек. Считается, что в основном уровни радиоактивного загрязнения были невысокими, тем не менее жители 19 населенных пунктов (около 10 тыс. человек) были отселены, а сельскохозяйственные угодья площадью свыше 1000 км2 на долгие годы были выведены из землепользования. Многие из них и сейчас считаются загрязненными и не используются. Во время второй, Чернобыльской аварии, являющейся наибольшей за всю историю развития атомной энергетики и которая получила статус глобальной катастрофы, на высоту до 7 км было выброше-

но по официальной оценке 1986 г. свыше 1.85×1018 Бк (50 МКи) смеси радиоактивных изотопов в виде аэрозоля. Наиболее опасные из них – долгоживущие 90Sr, 137Cs и 239Pu. По более поздним и точным оценкам – около 1017 Бк 137Сs (примерно половина его содержания в активной зоне реактора), около 8×1015 Бк 90Sr и более 1014 Бк трансурановых элементов – 238–241Рu, 241Аm,

242, 244Сm. Под радиоактивными загрязнениями плотностью свыше 37 кБк/м2 оказалась территория общей площадью около 250 тыс. км2 на стыке Беларуси, Украины и России, на которой проживало свыше 10 млн. человек. Несколько десятков тысяч из них были отселены из зоны загрязнения. Из землепользования выведено свыше 3000 км2 площадей. Авария на АЭС «Фу- кусима-1» оценена, как и на Чернобыльской АЭС, в 7 баллов. Хотя по некоторым оценкам общая активность выброса составила 15% от чернобыльского. Тем не менее, эта авария относится к самым тяжелым за всю историю развития ядерной энергетики. Эти три аварии разделяют довольно большие временные промежутки (29 и 25 лет соответственно), между ними пролегли огромные расстояния в тысячи километров, они характеризуются не только различными объемами радиоактивных выбросов, но и различным составом радионуклидов и их физикохимическим состоянием. Тем не менее, между ними и много общего. Главное, все три аварии можно назвать сельскохозяйственными, даже лесо-сельскохозяйственными. Во-первых, все они случились в зонах развитого земледелия. Во-вторых, значительную часть загрязненных радионуклидами территорий составляют лесные угодья. В-третьих, соответственно, основную массу населения на загрязненных территориях составляют сельские жители. В-четвертых, продукция растениеводства и животноводства, а для некоторых регионов и леса, является основным долговременным источником поступления радионук­ лидов в организм человека (по данным Национального научного центра радиационной медицины Украины доза внутреннего облучения сельских жителей за счет потребления продуктов местного производства в 2–15 раз превышает таковую для городских жителей). Наконец, в-пятых, реализация радиозащитных приемов (контрприемов) в растениеводстве, кормопроизводстве, животноводстве в этих условиях является основным путем снижения дозы облучения населения.

Принцип работы атомной электростанции. Главное отличие АЭС от ТЭС состоит в том, что на первой отсутствует процесс горения и она не требует обеспечения углем, мазутом или другими видами обычного топлива органического происхождения. В качестве источника энергии на АЭС используется уран. Точнее, как и в атомной бомбе – его изотоп 235U, но не чистый, а обогащенный до 3–5%. Ядерная реакция осуществляется в специальном приспособлении – ядерном, или атомном реакторе,