Радиоактивное загрязнение среды

Опасными загрязнителями среды в последние годы стали радиоактивные вещества, количество которых в биосфере заметно увеличилось в результате ядерных взрывов, развития атомной промышленности и энергетики, использования радиоактивных препаратов и изотопов в медицине и биологии. С 1933 г. - года начала планомерных работ по изучению радиоактивности, начался обусловленный человеческой деятельностью процесс увеличения количества радиоактивных веществ в биосфере. Есть все основания считать, что в будущем этот процесс будет продолжаться.

Источники и характеристика радиоактивных загрязнений. Главными источниками радиоактивных загрязнений среды являются радиоактивные аэрозоли, вносимые в атмосферу ядерными взрывами или предприятиями атомной промышленности, а при некоторых обстоятельствах радиоактивные отходы, сбрасываемые в гидросферу или литосферу.

Ядерные взрывы. Радиоактивные продукты, образующиеся в результате ядерного взрыва, представлены в основном продуктами распада урана (²³⁸U) и плутония (²³⁹Рu), не прореагировавшим ядерным горючим и радионуклидами, возникающими при взаимодействии нейтронов с ядрами элементов оболочки бомбы, воздуха и грунта.

В зависимости от времени, проходящего от момента взрыва до оседания частиц на поверхность земли, радиоактивные выпадения делятся на три типа:

1. Ближние, или локальные, выпадения представлены относительно крупными (более 100 мкм) частицами, оседающими на землю преимущественно под действием силы тяжести. Эти выпадения обычно бывают сухими, т. е. они не связаны с атмосферными осадками. Локальные выпадения начинаются сразу после взрыва и продолжаются в течение последующих 1-2 суток, охватывая по мере переноса радиоактивного облака ветром все более обширные территории. В результате локальных выпадений на поверхности земли образуется полоса так называемых радиоактивных следов шириной в несколько десятков и протяженностью в несколько сотен километров. Крупные частицы, оседающие под действием силы тяжести, попадают непосредственно на подстилающую поверхность, в том числе и на растительный покров (таблица 26). Считается, что при наземных ядерных взрывах мегатонной мощности, на ближние выпадения приходится до 80 % образовавшейся активности, а при воздушных взрывах - около 10 %.

2. Промежуточные, или тропосферные, выпадения представлены мелкими частицами (несколько микрометров и меньше). Эти частицы формируются в тропосфере, ниже тропопаузы, на высоте 11-16 км. Период полувыделения зтих частиц из тропосферы, по данным разных авторов, 20-30 дней. Тропосферные выпадения при поверхностных взрывах мегатонной мощности составляют 5 %.

 

Таблица 26

Время осаждения радиоактивных частиц из атмосферы

Размер частиц, мкм	Время осаждения на расстоянии, м
	0,015 дня	0,005 дня	0,03 дня
	0,07 ”	0,21 ”	0,42 ”
	1,45 ”	1,35 ”	2,70 ”
	1,8 ”	5,4 ”	10,8 ”
	168 дней	504 ”	1000 дней
	1,7 года	5,1 года	10,2 года
0,4	8,7 ”	26 лет	52 ”
0,1	67 лет	200 ”	400 лет
0,02	530 ”	1590”	3180 ”

 

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. В умеренных широтах глобальные выпадения с атмосферными осадками (влажные выпадения) составляют 60-70 % общей суммы радиоактивных выпадений, остальная их часть ─ 30-40 % представлены сухими выпадениями. Глобальные выпадения распределяются по всей поверхности земного шара.

Из глобальных выпадений в водный раствор переходит около 50 % общей активности, в воднонерастворимой форме выпадает до 95 % стронция (⁹⁰Sr) и до 70 % цезия (¹³⁷Cs), в растворимой ─ 30 % церия (¹⁴⁴Се) и 40 % циркония (⁹⁵Zr). Из локальных и тропосферных выпадений от воздушных взрывов, представленных частицами величиной до 20 мкм, в воде растворяются до 30 % общей активности, в основном это нуклиды иода, цезия, стронция, бария.

После испытательных взрывов ядерного и термоядерного оружия, проведенных США на атоллах Бикини и Джонсона (1951-1970 гг.), наблюдались заметные отклонения в поведении и ориентационной способности птиц, черепах, многих других гидробионтов (беспозвоночных, млекопитающих) даже на значительных расстояниях от места взрыва, не говоря уже о прямом повреждающем действии ядерных взрывов ─ световым излучением, взрывной волной и радиоактивным заражением территории ─ на те живые организмы, которые находились на атоллах, выбранных в качестве полигонов.

Количество радиоактивных изотопов, образованных при ядерных взрывах, включающихся в пищевые цепи, определяется не только тем, сколько их выпало из воздуха, но также структурой экосистемы и особенностями ее биогеохимических циклов. В общем в малокормных местообитаниях большая доля осадков включается в пищевые цепи. В богатой среде высокая скорость обмена и большая сорбирующая емкость почвы или донных отложений обеспечивают такое разбавление осадков, что в растения они попадают в относительно небольшом количестве.

Выпавшие радиоактивные осадки (особенно стронций (⁹⁰Sr) и цезий (¹³⁷Cs)) доходят по пищевой цепи до человека, но их содержание в его тканях никогда не бывает таким высоким, как у других животных.

Активность образовавшегося во время испытательных взрывов в период 1945-1958 гг. ⁹⁰Sr распределилась приблизительно следующим образом: в мезосфере ─ 1,48 • 10¹⁶ Бк, в нижних слоях стратосферы ─ 2,04 • 10¹⁷, в тропосфере ─ 2,22 • 10¹⁶, в Тихом океане ─ 9,99 • 10¹⁶ Бк. Из 2,22 • 10¹⁶ Бк ⁹⁰Sr, который выпал из тропосферы, около 1,85 • 10¹⁵ Бк попало в море и лишь 3,7 • 10¹⁵ Бк оказалось на суше.

Стратосферный запас ⁹⁰Sr, составляющий в 1962 г. примерно 2,59 • 10¹⁷ Бк, к концу 1963 г., как было ориентировочно установлено, уже успел снизиться до 1,63 • 10¹⁷ Бк. Особенно заметные сдвиги были обнаружены при наблюдении за динамикой суммарной b-активности атмосферных выпадений после прекращения испытаний ядерного оружия. Если суммарная b-активность этих выпадений в 1964 г. еще составляла 5920 Бк/м³, то уже в 1966 г. она равнялась только 1480 Бк/м². Суммарное содержание радиоактивных аэрозолей в атмосферном воздухе в зоне умеренных широт в 1965 г. было примерно в 2 раза меньше, чем в 1964 г., когда оно соответствовало 0,13 Бк/м³. В более южных регионах плотность выпадения ⁹⁰Sr с атмосферными осадками уменьшилась с 510,6 Бк/м³ в 1963 г. до 114,7 Бк/м² в 1966 г.

По глубине и силе воздействия на организмы ионизирующее излучение значительно превосходит все известные виды излучений. Различные биологические объекты обладают неодинаковой устойчивостью к его действию. Даже одни и те же клетки в зависимости от стадии клеточного цикла имеют разную чувствительность.:

Как видим, диапазон устойчивости к радиации в живой природе необычайно широк. Наиболее устойчивы к действию ионизирующих излучений микроорганизмы - дозы, способные вызвать их гибель, составляют сотни и тысячи грей. Для беспозвоночных животных диапазон летальных доз обычно на порядок ниже, для позвоночных они составляют десятки грей (наиболее чувствительны млекопитающие).

При поглощении энергии ионизирующего излучения в организме млекопитающих наблюдаются разнообразные морфологические и функциональные нарушения, приводящие к развитию острой или хронической форм лучевой болезни.

Различают следующие степени острой лучевой болезни млекопитающих в зависимости от поглощенной дозы: легкая (первая) степень ─ 1-2,5 Гр; средняя (вторая) ─ 2,5-4 Гр; тяжелая (третья) ─ 4- 10 Гр; крайне тяжелая (четвертая) ─ от 10 Гр и выше. В развитии острой лучевой болезни отмечается три периода: формирование, восстановление, исход и последствия. Кроме того, ее течение зависит от площади облученной поверхности и затронутых при этом органов. Наиболее чувствительны к облучению костный мозг, некоторые отделы кишечника, селезенка.

 

Таблица 29

Доза облучения, от которой погибает 50 % облученных организмов.

Объект	ЛД50 при однократном облучении рентгеновским и g лучами, Гр	Объект	ЛД50 при однократном облучении рентгеновскими g лучами, Гр
Вирусы	4500-7000	Высшие растения	10-1500
Бактерии Микрококкус радиодуренс		Беспозвоночные
Кишечная палочка	10-100	Простейшие: амеба
Водоросли (хлорелла)		Простейшие: инфузория	3000-7000
Моллюски	120-200	Кишечнополостные (гидра)
Членистоногие (дафния)		Позвоночные
Асцидии		Змеи	80-200
Нематоды		Черепахи	15-20
Насекомые (дрозофила)	Тритоны	25-30
имаго		Лягушки	5-10
куколка	20-65	Голуби	25-30
яйца 7-часовые		Куры	10-15
яйца 4-часовые		Рыбы (карповые)	5-20
яйца 3-часовые		Грызуны	5-9
личинки	100-250	Собаки	2.5-4
		Обезьяны	3-5,5

 

Атомные реакторы и установки. Источниками радиоактивных отходов являются исследовательские технологические и энергетические ядерные реакторы, заводы по переработке ядерных материалов, атомные электростанции (АЭС).

К началу 1986 г, в мире действовало более 350 энергетических реакторов общей мощностью более 250 млн. квт.

В настоящее время в мире работает около 441 энергетических реакторов. Более чем 30-летний опыт эксплуатации атомных электростанций убедительно доказал их жизнеспособность, экономичность и экологическую чистоту. Однако и мирный атом таит в себе немалую опасность. Об этом свидетельствуют последствия аварий на ядерных реакторах. В мире уже зафиксировано более 450 аварий на АЭС с утечкой радиоактивности. Некоторые из этих аварий в США, ФРГ, Англии и в СССР - носили весьма серьезный характер, привели к тяжелым последствиям, нанесли экономический и психологический ущерб. Для Советского Союза вывод из аварии на Чернобыльской АЭС был однозначным - ядерная энергетика должна развиваться в условиях, обеспечивающих безопасность людей -и окружающей среды. Авария показала, что необходимо широкое международное сотрудничество, совместные усилия для обеспечения ядерной безопасности.

Возможны три пути утечки радиоактивных продуктов деления в результате аварии: диффузия продуктов деления через нерасплавленное топливо и последующее их испарение; выделение продуктов деления при окислении топлива; расплавление тепловыделяющих элементов с последующим испарением.

Несмотря на большие успехи в области мирного использования атомной энергии всегда имеется некоторая вероятность возникновения аварии. Причиной таких аварий чаще всего бывают отклонения в режиме работы реактора, а также ситуации, сопровождающиеся выбросом радиоактивных веществ. При серьезных авариях все продукты ядерного деления, за исключением редких газов и иода, высвобождаются в основном в виде взвешенных твердых частиц. При этом значительная часть иода может быстро адсорбироваться на поверхности этих твердых частиц, а в последующем вновь десорбироваться.

Так, в результате аварии реактора в Уиндскейле (Англия) в 1957 г. в окружающую среду попало около 7,4 • 10¹⁴ Бк ¹³¹I, 4,44• 10¹⁴ Бк ¹³²Те, 2,22 • 10¹⁴ Бк ¹³⁷Cs, 2,96 • 10¹² Бк ⁸⁹Sr и 33,3 • 10¹¹ Бк ⁹⁰Sr. Средняя суммарная (b-активность воздуха в период аварии была равна 1,67• 10² Бк. Наибольшее загрязнение воздуха было отмечено на расстоянии 3,5 км от завода и достигало 10³ Бк. Кроме некоторых областей Англии радиоактивные выпадения после этой аварии наблюдались в Скандинавских странах, на севере Франции, в ФРГ и Чехословакии. В это время концентрация ¹³¹I в воздухе Парижа достигала 9,99 • 10^-2 Бк/м³, Брюсселя - 1,813, Эйдховена - 1,147, Вены - 0,037 Бк/м³.

Анализ радиационной обстановки при авариях реакторов показывает, что основная опасность радиоактивного загрязнения внешней среды связана с выбросом долгоживущих радионуклидов. При мощности реактора 100 кВт загрязнение ландшафта в безветренную погоду может охватывать площадь в радиусе 5,7 км, при мощности 1000 кВт ─ 18 км, 10000 кВт ─ 87 км, 50 000 кВт ─ 128 км, 100000 кВт ─ 180 км. Современная наука и техника имеют все возможности, чтобы обеспечить предупредительные мероприятия и свести к нулю вероятность аварий атомных реакторов и радиоактивного загрязнения ландшафта. Однако использование энергетических атомных реакторов может сопровождаться тепловыми загрязнениями, которые вызывают изменения в водных биоценозах. Поэтому усилия энергетиков и экологов направлены на предупреждение нарушения функционирования всех систем реакторов, в том числе и охлаждающих.

Продолжительные выбросы могут быть результатом нарушения герметичности ТВЭЛов (тепловыделяющих элементов) или иных устройств реактора и поступления повышенных количеств радионуклидов в газообразном или парообразном состоянии в отводящие системы и фильтрующие узлы.

Термин “радиационная авария” принят Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) для аварий, представляющих опасность не только для отдельных лиц, но и для значительной части населения данной страны и соседних стран. Обычно этот термин применяют по отношению к критическим ситуациям, возникающим на ядерных установках и при транспортировке радиоактивных веществ.

При авариях радиоактивные вещества распространяются вблизи поверхности земли, и в случае изменения направления ветра их активность может снижаться в 2 раза. На расстоянии 1 км от источника выброса горизонтальные и вертикальные размеры облака составляют примерно 30-300 м. При активности 1,48 • 10¹³ Бк •с^-1 • м^-3 поглощенная доза излучения будет равна 10 Дж/кг, при 5,55 • 10¹² Бк • с^-1 м^-3 ─ 3,5 Дж/кг, при 2,755. 10¹² Бк • с^-1 м^-3 ─ 1,7 Дж/кг.

Определенную радиационную опасность представляют космические аппараты в связи с их сгоранием при входе в плотные слои атмосферы. В этом случае может произойти интенсивный разброс радиоактивного облака сгорания изотопных энергетических установок с последующим выделеним обломков и радиоактивных частей на относительно большой площади земной поверхности.

Предприятия атомной промышленности. На биосферу оказывают также влияние радиоактивные отходы предприятий по добыче и обогащению урановой или ториевой руды, переработке ядерного горючего, получению металлов из рудных концентратов и изготовлению тепловыделяющих элементов, регенерации ядерного горючего, а также при многих вспомогательных, ремонтных и дезактивационных работах.

В связи с интенсивным развитием ядерной энергетики количество радиоактивных отходов из года в год возрастает. Активность отходов в 1970 г. соответствовала 5,55 • 10²⁰ Бк, в 1980 г. ─ 2,035 • 10²¹ Бк, а в 2000 г. достигнет 1,11 • 10²² Бк.

При оценке степени опасности эксплуатации радиохимических установок было выявлено, что в некоторых случаях она существенно превосходит таковую функционирующих реакторов. Оказалось, что нередко суммарная активность радиоактивных материалов, подвергающихся переработке в радиохимических установках, значительно выше активности топлива в реакторах.

Радиоактивное загрязнение биосферы при переработке ядерного горючего связано с наличием большого числа обстоятельств, возникающих при отклонении от заданного технологического ритма и сопровождающихся аварийными выбросами в окружающую среду радионуклидов. Помимо этого при работе с делящимся материалом возможно накопление критических масс материала, что чревато ядерным взрывом.