Загрязнение радионуклидами среды обитания

В биосистему Земли постоянно поступают природные и техногенные радионуклиды.

В прошлом веке техногенные радионуклиды попадали в окружающую среду при испытаниях ядериого оружия и мирных взрывах, при сбросе жидких РАО в реки и озера, а также при затоплении отработавших транспортных ядерных реакторов. К выбросу больших количеств радионуклидов привело несколько аварий на предприятиях ЯТЦ. В наше время источниками радиоактивных веществ являются радиохимические заводы, перерабатывающие ОЯТ и изготавливающие новое топливо, АЭС, научноисследовательские институты, рудники, промышленные, медицинские и сельскохозяйственные предприятия, использующие источники ионизирующего излучения. Изредка причинами загрязнения среды обитания радионуклидами становятся аварии с самолётами, спутниками и АПЛ, имеющими ядерные силовые установки и/или атомное оружие.

В данной главе рассмотрены особенности генерирования и поступления в среду обитания техногенных радиоактивных веществ.

Испытания ядериого оружия

Большинство испытаний атомного и термоядерного оружия проведено в 19 544−1962 гг. До 1981 г. испытания ядериого оружия проводились в атмосфере, позже — под землей и под водой. Общая мощность атомных бомб, взорванных в атмосфере, составляет 629 Мт. Испытания ядерных зарядов в космическом пространстве проводились США и СССР.

В настоящее время большая часть радионуклидов, выброшенных в атмосферу в результате ядерных испытаний, осела на поверхность Земли, смыта в океаны и распалась.

Последствия испытаний ядериого оружия определяются количеством испытаний, суммарным энерговыделением и активностью осколков деления, видами взрывов (воздушные, наземные, подводные, надводные, подземные) и геофизическими факторами окружающей среды в период испытаний (район, метеообстановка и др.). Испытания привели к поступлению во внешнюю среду 1.8мо²¹ Бк продуктов ядериого деления, из них на долю атмосферных взрывов пришлось 99,84%. Они вызвали повышение радиационного фона Земли и доз внешнего и внутреннего облучения населения. Суммарная ожидаемая коллективная эффективная эквивалентная доза от испытания ядериого оружия в атмосфере равна 310? чел.-Зв.

Главные физические процессы, в которых образуются техногенные искусственные радионуклиды, — это деление ядер и нейтронная активация. Получающиеся при делении тяжёлых атомных ядер радионуклиды представляют собой набор из нескольких сотен радиоизотопов с периодами полураспада от долей секунды до миллионов лет. Распределение выходов осколков на деление зависит от типа и энергии бомбардирующих частиц и от массы и заряда делящегося ядра (²35U, ²з⁸и, ²з9Ри). Поскольку в каждом акте деления образуются два новых ядра-осколка, то суммарный выход всех осколков с массовыми числами от 85 до 150 а.е.м. приравнивается к 200%. Обычно наблюдаемое распределение по массовым числам асимметрично с высокими значениями выходов нуклидов с массовыми числами, лежащими в интервалах 85−5-105 и 130−5-150 а.е.м. Выходы экологически важных радионуклидов (⁸^Sr, 9°Sr, ‘3>J и *37Cs) лежат в пределах 6−5-7%.

Продукты ядерного деления, образующиеся при взрыве ядерного заряда — сложная смесь -200 радиоактивных изотопов 36 элементов. Большую часть активности составляют короткоживущие радионуклиды (через год после взрыва активность снижается в юоо раз). В результате испытаний ядерного оружия образовалось -12,5 т радиоактивных продуктов деления, в атмосферу Земли выброшены 30 млн. Ки *37Cs, 20 млн. Ки 9°Sr и — 5 т ²39Ри, радионуклиды наведённой активности, возникающие за счёт реакций нейтронов с элементами в окружающей среде (зН, ¹⁴С, ^а8А1, ²4Na, 5бМп, 59Fe,^Со и др.), а также неразделившаяся часть U и Ри. В атмосферу поступило большое количество Ри в виде частиц размером 1 мкм.

При ядерных взрывах в атмосфере часть осадков (при наземных взрывах до 50%) выпадает вблизи района испытаний. Часть радиоактивных веществ задерживается в нижней части атмосферы и под действием ветра перемещается на большие расстояния, оставаясь на одной и той же широте. Большая часть радионуклидов выбрасывается в стратосферу (на высоту ю км), где происходит их глобальное рассеивание и распад. Около половины радиоактивных веществ при наземном взрыве разносится по всему земному шару. Среднее пребывание продуктов взрыва в атмосфере — 1−5-2 года, после чего они оседают на землю. После прекращения испытаний в атмосфере радиоактивный фон территорий, попавших в ареал эмиссии продуктов взрыва, через 5+7 лет приближается к безопасному. Подземные взрывы менее опасны, т.к. на поверхность выходят только радиоактивные газы, период полураспада которых составляет несколько дней.

Осадки, образующиеся при атомных взрывах, отличаются от радиоактивных отходов тем, что порожденные взрывом радиоактивные изотопы соединяются с железом, кремнием и пылью, в результате чего получаются нерастворимые частицы, размеры которых варьируют в пределах нескольких сот микрон. Самые мелкие из них плотно прилипают к листьям растений, вызывая радиоактивные повреждения ткани листа; если такие листья съедает какое-либо растительноядное животное, радиоактивные частицы попадают в его организм и тем самым включаются в пищевую цепь.

Радиоактивные осадки от ядерных взрывов, произведенных в мирных целях, ложатся на землю в виде узкой прямой полосы по направлению ветра, но некоторые мельчайшие частицы могут уноситься на большие расстояния и выпадать с дождем далеко от места взрыва. Хотя общая радиоактивность уменьшается по мере увеличения расстояния от места взрыва, но некоторые радиоактивные изотопы, особенно 9Sr, обнаруживаются у животных на расстоянии ~юо км от эпицентра взрыва. Это объясняется тем, что у 9°Sr есть два газообразных предшественника (9°Кг—"9oRb_>9°Sr) и он образуется не сразу после взрыва бомбы. Поэтому 9oSr включается в мельчайшие частицы (<40 мкм), которые оседают вдали от эпицентра и легче включаются в пищевые цепи. *37Cs также имеет газообразных предшественников и является составной частью легко растворимых осадков.

Количество выпадающих веществ пропорционально количеству атмосферных осадков. «Бомбовые» изотопы, включающиеся в пищевые цепи в океане, сильно отличаются от включающихся в наземные пищевые цепи. В морских организмах в больших количествах обнаружены радиоактивные изотопы, образующие прочные комплексы с органическими веществами, например, ^6oCo, 59Fe, ⁶^Zn и s^Mn, а также присутствующие в виде частиц или коллоидов (ч4Се, ^"Рг, ^lo6Rh). В наземных растениях и животных, напротив, находятся растворимые продукты распада, такие, как ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs.

Количество радиоактивных изотопов включённых в пищевые цепи, определяется не только тем, сколько их выпало из воздуха, но также структурой экосистемы и природой её биогеохимических циклов. В малокормных местообитаниях большая доля осадков входит в пищевые цепи. В богатой среде высокая скорость обмена и большая ёмкость почвы обеспечивают такое разбавление осадков, что в растения они попадают в небольшом количестве. Подушковидная растительность тощих почв (моховые болота, заросли вереска, альпийские луга и тундры) действует как ловушка для радиоактивных осадков, ускоряя их потребление животными.

Дозы общего облучения населения Северного и Южного полушарий за счёт глобальных выпадений радионуклидов при испытаниях ядерного оружия оценены в 4,5 и 3,1 мЗв, соответственно, а дозы облучения щитовидной железы в результате поступления в организм составили в Северном полушарии у детей 0,12 м Гр, у взрослых 0,01 мГр, в Южном полушарии 0,015 и 0,023 мГэр.

В 1963 г. коллективная среднегодовая доза, связанная с ядерными испытаниями, составила 7% дозы облучения от естественных источников. К 1966 г. она снизилась до 2%, а к началу 8о-ых годов уменьшилась до 1%. Суммарная ожидаемая коллективная эффективная доза от всех испытаний составит ~з*ю⁷ чел-Зв. Сейчас человечество получило 15% этой дозы, а остальную часть оно будет получать ещё долго, так как у многих радионуклидов, образованных при взрывах, периоды полураспада очень велики. Ожидаемые дозы за счёт наиболее экологически опасных радионуклидов составляют: 2,6 (для чС), 0,12 (⁹°Sr), 0,2 (⁹⁵Zr), 0,54 (¹³⁷Cs) мкЗв, всего 3,8 мЗв.