Лекция № 6 Радиоактивные вещества в окружающей среде

Проблема радиоактивного загрязнения окружающей природной среды возникла в 1940-1950 г., когда впервые было использовано атомное оружие и началось накопление ядерного потенциала в ряде стран мира. Создание арсенала ядерных устройств, сопряженных с рассеиванием во всей толще тропосферы естественных и искусственных радиоактивных элементов. Источником радиоактивного загрязнения стали также предприятия ядерного цикла, на которых добывается и перерабатывается природное радиоактивное сырье, а позднее - атомные электростанции, в ходе эксплуатации которых образуются газообразные, жидкие и твердые радиоактивные отходы. Любое минеральное сырье, а также угли, горючие сланцы, нефть и газ в тех или иных количествах содержат примеси естественных радионуклидов. При переработке сырья радионуклиды попадают в продукцию, в твердые и жидкие отходы. Часть из них возгоняется и поступает в атмосферу в составе мелких фракций аэрозоля.

Рассеиванием естественных радионуклидов в окружающей среде сопровождаются все высокотемпературные процессы переработки минерального сырья. Основными источниками радионуклидов в данном случае являются ТЭС, металлургия, производство тугоплавких материалов, породные отвалы.

6.1 Взаимодействие ионизирующего излучения с компонентами атмосферы

Радиоактивность — это природное явление, когда происходит самопроизвольный распад ядер атомов, при котором возникают излучения.

По своей физической природе это потоки элементарных, быстродвижущихся частиц, входящих в состав атомных ядер, а также их волновое электромагнитное излучение. Эти излучения имеют большую энергию. Их общим свойством является способность ионизировать вещество, среду, в которой они распространяются: воздух, воду, металлы, человеческий организм и т. д. При этом нейтральные атомы и молекулы вещества распадаются на пары положительно и отрицательно заряженных частиц — ионов.

Ионизация вещества всегда сопровождается изменением его основных физико-химических свойств, а для биологической ткани — нарушением ее жизнедеятельности. Поэтому радиоактивные излучения и оказывают на живой организм поражающее действие.

Для ионизации вещества требуется затрата определенной энергии внешних сил. Поэтому, проникая в вещество и ионизируя его, радиоактивное излучение постепенно теряет свою энергию.

Ионизирующая способность радиоактивного излучения зависит от его типа и энергии, а также свойства ионизирующего вещества и оценивается удельной ионизацией, которая измеряется количеством ионов этого вещества, создаваемых излучением на длине в 1 см.

Чем больше величина удельной ионизации, тем быстрее расходуется энергия излучений, т. е. тем меньший путь пройдет излучение в веществе до полной потери своей энергии. Поэтому чем больше ионизирующая способность излучения, тем меньше его проникающая способность, и наоборот.

Чем большие разме­ры и массу имеет частица, образующаяся при распаде ядра ра­дионуклида, тем больше частота ее столкновений при своем дви­жении в веществе с другими атомами или молекулами, тем быст­рее она теряет энергию и тем сильнее производимый ею эффект возбуждения и ионизации атомов, диссоциации молекул. Длина пробега частицы зависит, в свою очередь, от числа столкнове­ний, энергии и вида частицы или γ-кванта, природы' среды. Об­разующиеся при радиоактивном распаде α-частицы вылетают из материнских ядер с огромной скоростью, приобретая высокую кинетическую энергию. В силу своего сравнительно большого заряда (+2) и большой массы α-частицы испытывают частые столкновения с атомами и молекулами среды и растрачивают всю свою энергию на небольшом расстоянии. Поэтому длина пробега α-частиц в воздухе не превышает 10 см, причем встре­тившиеся на их пути молекулы будут разрушены: превратятся в ионы, свободные возбужденные атомы и свободные радикалы. Длина пробега β-частиц в воздухе составляет 150-850 см, а γ-из­лучения в зависимости от энергии - от нескольких метров до нескольких километров. Способность ионизировать молекулы среды или плотность ионизации изменяется в обратном порядке: наибольшая плотность ионизации характерна для α-частиц, β-частицы занимают промежуточное положение, а фотоны γ-из­лучения имеют наименьшее значение плотности ионизации.

На рисунке 6.1 представлены три вида излучений и их проникающая способность.

При взаимодействии ионизирующего излучения с газовыми составляющими атмосферы происходит возбуждение молекул кислорода, азота и других компонентов атмосферы, сопровож­дающееся диссоциацией молекул на свободные атомы, иониза­ция атомов или молекул, образование чрезвычайно химически активных частиц - свободных радикалов. Гамма-лучи с высокой энергией в атмосфере нашей планеты разлагают молекулярный азот на диоксид азота (N0₂). Последний реагирует с атомарным кислородом, образующимся в результате диссоциа­ции молекулярного кислорода при прохождении γ-лучей и при разложении озона, в результате чего редуцируется монооксид азота (NO). Возможно, мощные космические вспышки гам­ма-лучей привели к массовой гибели живых существ на Земле, значительным мутациям и появлению новых видов. Недавно ученые США из НАСА и университета штата Канзас разработа­ли сценарий вышеприведенной схемы. Компьютерная модель показывает, что вспышка от взрыва звезды, находящейся на рас­стоянии шести тысяч световых лет от планеты Земля, уничтожит половину озонового слоя всего за одну неделю, восстановление его прежней мощности произойдет через 5 лет.

Источниками ионизирующего излучения в атмосфере явля­ются радиоактивные аэрозоли, образующиеся и попадающие в воздушную среду при авариях производственного ядерного комплекса, в результате ядерных взрывов, при ветровой эрозии урансодержащих минералов, а также такие газообразные радио­нуклиды, как

Рисунок 6.1 – Виды ионизирующих излучений и их проникающая способность

⁸⁵Кr, ²²⁰Rn, ²²²Rn, ³Н(Т). Необходимо иметь в виду, что даже при штатной работе атомных реакторов в ат­мосферу постоянно поступает радионуклид криптон-85 (Т_I/2 = 10,22 года), образующийся при делении ядер ²³⁵U. Криптон ­химически инертный газ, который нельзя удалить, связав в ка­кое-либо химическое соединение. Выделяющийся ⁸⁵Кr разбав­ляется атмосферным воздухом и находится в нем, пока полно­стью не распадется. Часть его в сухом виде выпадает вблизи источника выброса, поэтому вокруг последних имеется сани­тарная зона, в которой населению запрещается собирать травы, грибы, ягоды. Кроме ⁸⁵Кr, в атмосферу при нормальном функ­ционировании ядерного реактора постоянно попадает тритий ³Н и некоторые другие радионуклиды, образующиеся в реакто­ре. Наибольший вклад в газовую составляющую естественных радиоактивных элементов вносят радиоактивные семейства ура­на-238 и тория-32, при распаде которых образуются химически инертные радиоактивные газообразные изотопы радона: ра­дон-222 и радон-220 (последний часто называют «торон» от имени исходного материнского радионуклида). Радона-222 в природе примерно в 20 раз больше, чем радона-220.

Радон ­- это инертный газ без цвета и запаха, в 7,5 раз тяжелее воздуха, растворяется в воде. Радон, как и его «родители», - альфа-из­лучатель. В процессе распада он трансформируется в другие альфа-излучатели, которые в целом называют «дочерними про­дуктами распада» и в отличие от радона представляют собой не газ, а твердые вещества - нестабильные изотопы свинца, висмута, полония и таллия, которые сами по себе яв­ляются источниками излучения. Например, при рас­паде семейства урана-238 выделяется восемь альфа-частиц, из которых четыре приходится на радон и его дочерние продукты распада. Причем первые четыре альфа-частицы выделяются с полупериодом около 1 млрд. лет (распад уран-радий), а сле­дующие три - с полупериодом 3,825 дня, т. е. интенсивность альфа-излучения радона и его дочерних продуктов распада во много раз выше интенсивности альфа-излучения урана и радия вместе взятых.

Радон и торон присутствуют, как и его материнские нукли­ды, во всех строительных материалах и горных породах. Обра­зующийся в процессе распада инертный радиоактивный газ тот час же диффундирует через капилляры грунта, микротрещины горных пород, захватывается потоками других газов и, несмотря на ограниченное время жизни, может транспортироваться на значительные расстояния в земной коре и атмосфере. Причем естественная убыль этих газов за счет выделения из материалов [процессы эманации (выделение из кристаллической решетки) и эксхаляции (испарение или выделение с поверхности)] и естест­венного распада постоянно компенсируется за счет распада ура­на и тория, присутствующих в данном материале.

Радон попадает в атмосферу помещений различными путя­ми:

- из почвы, через щели в фундаменте;

- выделя­ется из строительных материалов (цемент, щебень, гранит), из которых построено здание;

- поступает с водой, особенно артези­анской, бытовым газом и другими продуктами жизнеобеспечения (рис. 6.2).

Радон хорошо растворяется в воде, поэтому содержится во всех природных водах, причем в глубинных грунтовых водах его, как правило, заметно больше, чем в поверхностных водостоках и водоемах (например, радоновые источники). Радон попадает из вод в атмосферу за счет процессов эксхаляции - дегазации с выносом радона из воздушных пузырьков, содержащихся в воде. Наиболее интенсивно этот процесс происходит при резком сни­жении давления на выходе из подземных источников, разбрыз­гивании, испарении, кипении.

Процессы эксхаляции также повинны в появлении радона в воздухе жилых помещений из строительных материалов.

Следует отметить, что вклад техногенных радионуклидов в величину средней эффективной дозы намного меньше, чем вклад от природного радона-222.

Рисунок 6.2 – Пути поступления радона в жилые помещения

Радон концентрируется в воздухе внутри помещений лишь тогда, когда они в достаточной мере изолированы от внешней среды. Поступая внутрь помещения тем или иным путем (просачиваясь через фундамент и пол из грунта или, реже, высвобождаясь из материалов, использованных в конструкции дома), радон накапливается в нем. В результате этого в помещении могут возникать довольно высокие уровни радиации, особенно если дом стоит на грунте с относительно повышенным содержанием радионуклидов или если при его постройке использовали материалы с повышенной радиоактивностью. Герметизация помещений с целью утепления только усугубляет дело, поскольку при этом еще более затрудняется выход радиоактивного газа из помещения.

Таким образом, основными загрязняющими атмосферу ра­диоактивными компонентами являются радон, образующийся в результате распада естественных радиоактивных элементов, криптон-85, выделяющийся при работе атомных реакторов, а также находящиеся в составе аэрозолей уран, торий, радий и по­лоний, попадающие в воздух при ветровой эрозии минеральной составляющей оболочки Земли. Однако наибольшую опасность представляют радиоактивные аэрозоли, образующиеся при атом­ных взрывах, авариях на атомных электростанциях, на предпри­ятиях по добыче и переработке расщепляющихся материалов.