6. Углерод-14

Углерод (лат. сarboneum) относится к неметаллам. В природе представлен стабильными ¹²С (98,90 %) и ¹³С (1,10 %); в земной атмосфере присутствует в ничтожных концентрациях (около 10^-14 ат %). Масса нуклида ¹²С принята равной точно 12, а 1/12 называют атомной единицей массы.

β-радиоактивный углерод ¹⁴С (Т_1/2=5730 лет) постоянно образуется на земле в результате следующих ядерных реакций: ¹⁴N (n; р)¹⁴C; ¹⁷O (n;α)¹⁴C; ¹³C (n;γ)¹⁴C. Эти реакции протекают как в верхних слоях атмосферы благодаря захвату космических нейтронов атомами азота по реакции ¹⁴N_+п = ¹⁴C_+p (при образовании природного ¹⁴С), так и при образовании техногенного радиоуглерода в результате атомных взрывов и работы атомных реакторов как промышленных, так и транспортных и исследовательских [12, 19, 34, 35].

Соотношение радиоактивного и стабильных изотопов углерода в атмосфере и в биосфере в одно и то же время в одном и том же месте одинаково, поскольку все живые организмы постоянно участвуют в углеродном обмене и получают углерод из окружающей среды, а изотопы, в силу их химической неразличимости,  участвуют в биохимических процессах практически одинаковым образом. В живом организме удельная активность ¹⁴С равна примерно 0,3 распада в сек на 1 г углерода, что соответствует изотопному содержанию ¹⁴С около 10^-10  %.

Углерод существует в нескольких модификациях, свойства которых резко различны: графит, алмаз, карбин (получен искусственно). Высокочистый графит служит замедлителем нейтронов в ядерных реакторах. Алмаз применяют как абразивный материал для обработки металлов и др. материалов. Искусственный радионуклид¹⁴С в форме различных соединений используют в химических, биологических и медицинских исследованиях.

Основным поставщиком ¹⁴С является первая реакция в виду большого содержания азота (78,08 %) в составе воздуха. Причем, в водо-графитовых реакторах (именно такой тип реактора на Сибирском химическом комбинате) образующийся на азоте ¹⁴С практически целиком выносится в атмосферу. Кроме того, в реакторах этого типа часть образующегося ¹⁴С попадает в ОПС с жидкими сбросами в виде растворимых карбонатов и углекислоты [2, 17, 23].

Существуют понятия локального и глобального загрязнения радиоуглеродом.

Источником локального загрязнения можно рассматривать не только атомный взрыв, но и каждую АЭС, предприятия ЯТЦ, изотопные производства по получению препаратов, меченых ¹⁴С, научно-исследовательские учреждения. Среднее поступление реакторного ¹⁴С в организм местных  жителей, проживающих в районе действия такого источника, может составить в зонах 0-10 км – 0,32; 10-20 км – 0,08 мкКи/год. Зафиксированный в НРБ-99 предел годового поступления (ПГП) биологически значимого ¹⁴С в организм человека составляет 6,3•10⁵  Бк/год.

Глобальное радиоуглеродное загрязнение ОПС связано с развитием атомной энергетики в целом и ядерными испытаниями. При термоядерных взрывах 90% радиационного фона в атмосфере обусловлено ¹⁴С.  Этот долгоживущий радионуклид (период полураспада составляет 5730 лет) включается в глобальный круговорот углерода.

Углерод-14 образуется высоко в атмосфере при столкновении космических лучей с ядрами азота [13, 34, 35]. Когда он достигает поверхности, его поглощают растения, а затем — животные, поедающие эти растения. Таким образом, углерод-14 попадает в ткани растений и животных [26]. Пока организм жив, любой распавшийся атом углерода-14 замещается таким же атомом углерода-14 из окружающей среды. Однако после смерти живого существа круговорот углерода завершается и  начинается неотвратимый распад изотопа. Через 5730 лет в куске дерева останется только половина того количества углерода-14,  какое было в дереве перед его гибелью (см. рис. 6).

¹⁴С реагирует с кислородом и дает ¹⁴СО₂. Таким образом, углекислота всегда содержит примесь ¹⁴СО₂. Участвуя в фотосинтезе, она несет ¹⁴С всем органическим веществам (углеводороды, белки, жиры и др.), образующим живой организм. Мягкое (0,155 МэВ) β-излучение ¹⁴С также вносит свой вклад в постоянное внутреннее облучение биоты атомной радиацией. Содержание ¹⁴С в тканях растений и животных составляет 22,7 Бк/кг углерода. Его величина колеблется для различных тканей в пределах 20-93 Бк/кг ткани. Общее содержание ¹⁴С в биосфере составляет 8,5·10¹⁸ Бк. В течение года образуется около 10¹⁵ Бк [НКДАР, 1982].

Рис. 6. Сравнение радиоуглеродного содержания в годичных кольцах деревьев из различных районов с атмосферными радиоуглеродными данными для Северного полушария Рис. 7. Изменение содержания в биосфере искусственного ¹⁴С  бомбового (1)  и реакторного (2) происхождения (по Рублевскому В.П. и др., 1979) Как показывают расчеты (Рублевский и др., 1979), ежегодное поступление ¹⁴С в организм человека с продуктами питания превысит естественный путь поступления ¹⁴С к 2010 г. в 5 раз, а годовая доза на все тело по сравнению с 1975 г. возрастет с 0,04 до 7 мРад, т.е. увеличится почти в 200 раз (рис. 6) и, по подсчетам С.П. Ярмоненко, будет сказываться 11000 лет, затронув 300 поколений людей [61]. На рис. 8 показана динамика накопления ¹⁴С в волосах и крови людей от испытания ядерного оружия в атмосфере. Рис. 8. Концентрация углерода-14 в тропосфере, в волосах и крови людей в Скандинавии (по Р. Грейбу, 1994)

Опасные последствия такой динамики связаны с тем, что радиоуглерод, участвуя в обменных процессах наряду с атомами стабильного углерода, проникает во все органы и ткани организма, включаясь непосредственно в молекулы органических соединений [36, 37].

Повреждающее действие ¹⁴С, вошедшего в состав молекул белков и особенно ДНК и РНК живого организма, определяется, во-первых, радиационным воздействием β-частиц и ядер отдачи азота, возникающих в результате распада ¹⁴С по схеме ¹⁴С→¹⁴N; во-вторых, изменением химического состава молекулы за счет превращения атома ¹⁴С в атом ¹⁴N(β) (трансмутационный эффект в генетических структурах наследственного аппарата). Это приводит, в дополнение к эффектам от действия ионизирующего излучения, к локальным изменениям в хромосомах и, как следствие, к возникновению необратимых или трудно репарируемых мутаций разного вида. В связи с этим углерод-14 является генетически значимым фактором радиационной опасности глобального масштаба.

Такие повреждения ДНК приводят зачастую к генным мутациям второго и третьего порядков, которые практически являются необратимыми. Поэтому увеличение содержания изотопа ¹⁴С в биосфере может привести к накоплению вредных мутаций, что чревато серьезной угрозой для человечества [20, 21, 23]. Проблема мониторинга ¹⁴С является одной из основных в районах АЭС и ЯТЦ [10, 38-40].

Одним из первых отметил биологическую опасность ¹⁴С академик А.Д.Сахаров (1958), который обратил внимание на непороговые биологические эффекты радиации [41, 42]. Он рассчитал, что при испытании мегатонной бомбы только от ¹⁴С  будет 2200 жертв наследственных болезней, а также обратил внимание на возможное увеличение раковых заболеваний и лейкемии. Академик А.Д.Сахаров категорически выступил против испытания ядерного оружия в атмосфере, и его усилиями было изменено решение о взрыве на Новой Земле 108 Мт бомбы (в 1961 г. взрывали только 58 Мт, что составляет около 10% от мощности всех атмосферных ядерных взрывов).

Пик концентрации в атмосфере «бомбового» ¹⁴С пришелся на 1965 г. (рис. 6), когда его значения превысили в 1,7 раза концентрацию атмосферного радиоуглерода до начала испытаний. Одной из главных причин запрета испытаний ядерного оружия в атмосфере был прогнозируемый рост смертности людей в связи с увеличением концентрации радиоуглерода в атмосфере и его поступление в организм человека по биологическим цепочкам. Допускаемые ныне ПГП ¹⁴С в НРБ-99 (20-тикратное превышение содержания радиоуглерода в пище по сравнению с его естественным уровнем концентрации в биосфере) существенно выше тех, которые принимались во внимание политиками при принятии решения о запрете ядерных испытаний и которые реально привели в свое время к повышению смертности, например в Дании (рис. 9), и других во многом благополучных странах [43]. 

Рис. 9. Динамика естественной смертности населения Дании в возрасте 67 лет [43]. Линии 1,2,3 – мужчин; линии 4,5,6 – женщины;1 и 4 – смертность;  2 и 5 – вероятный ход кривых смертности после 2002 года; 3 и 6 – основной тренд исторической динамики смертности

Таким образом, очевидна необходимость ужесточения НРБ-99 в части радикального снижения допустимого уровня поступления радиоуглерода с пищей.