Воздействие радиоактивного загрязнения на окружающую среду Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 504.054

Т. В. Андрияшина, Н. В. Шильникова ВОЗДЕЙСТВИЕ РАДИОАКТИВНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

Ключевые слова: радиоактивное загрязнение, естественная и искусственная радиация, радионуклеиды, радиоактивные вещества, радиационная безопасность.

В статье рассмотрены некоторые особенности воздействия радиоактивного загрязнения окружающей среды ионизирующим излучением радиоактивных веществ различного происхождения, влияющие на процессы жизнедеятельности.

Keywords: contamination, natural and artificial radiation, radionuclides, radioactive substances and radiation

safety.

The article discusses the influence of radioactive contamination of the environment by ionizing radiation of radioactive substances of various origins, influencing the life processes.

Сложность оценки и прогнозирования состояния окружающей среды после радиоактивного воздействия природных и антропогенных факторов, на наш взгляд, несомненна. Особенности такого воздействия изучаются, что является своевременным, учитывая исторический и современный опыт. Минимизации последствий негативного радиоактивного воздействия возможна в случае глубокого понимания особенностей функционирования природных систем, а также процессов происходящих в самой Земле.

Концепция национальной безопасности РФ, являясь важным документом по разработке конкретных программ и организационных документов в области обеспечения экологической безопасности России, определяет приоритетные направления защиты от загрязнений природной среды. Наряду с повышением степени безопасности технологий, связанных с утилизацией и захоронением токсичных отходов; созданием экологически чистых технологий во всех отраслях промышленности; рациональным использованием природных ресурсов; отмечается также борьба с радиоактивным загрязнением.

Радиоактивное загрязнение относят к физическому загрязнению, т.е. привнесение в окружающую среду источника энергии, проявляющееся в отклонении от нормы ее физических свойств. Физическая природа радиоактивности заключается в самопроизвольном превращении атомных ядер, приводящих к изменению их массового числа и возникновению ионизирующего излучения, состоящего из трех видов (основных) ядерных излучений, называемых альфа, бета и гамма - лучами. Характер взаимодействия с веществом определяется видом излучения и его энергией [1].

Радиация (radiaton- пер. с англ.) означает излучение и применяется не только в отношении радиоактивности, но и целого ряда других физических явлений, например: солнечная радиация, тепловая радиация и др. Именно поэтому в отношении радиоактивности применяют принятое Международная комиссия по радиационной защите (МКРЗ) и Нормами радиационной безопасности (НРБ) понятие «ионизирующее излучение» [2]. Ионизирующим называют любое излучение, при взаимодействии которого со средой, происходит образование заряженных атомов и молекул - ионов, приводящих к ионизации среды. Разделяют два вида ионизирующего излучения - корпускулярное и фотонное [3], представленные в таблице 1.

Радиоактивные вещества и изотопы стабильных химических элементов, отличающихся массовым числом и неустойчивым состоянием атомов, называются радионуклидами. Общее число известных радионуклидов превышает 1800, осуществление ядерных реакций приводит к синтезу новых радионуклидов. В зависимости от устойчивости ядер радионуклиды подразделяют на короткоживущие (условно у которых период полураспада Т1/2 менее 10 сут.) и долгоживущие (большой период полураспада), однако четкой границы между этими понятиями нет.

Таблица 1 - Виды ионизирующего излучения

Корпускулярное

Альфа- излучение Поток, объединенных в единое целое двух протонов и двух нейтронов (ядро атома гелия)

Бета- излучение Поток электронов или позитронов

Протонное излучение Поток протонов (ядер водорода)

Нейтронное излучение Поток нейтронов

Дейтронное излучение Поток ядер изотопа водорода -дейтерия

Потоки многозарядных ионов

Продукты ядерных реакций деления

Фотонное

Гамма-

излучение

Возникает при изменении энергетического состояния атомных ядер (включая ядерный распад) или при столкновении (аннигиляции) частицы с античастицей

Рентгеновс

кое

излучение

Электромагнитное излучение с очень короткой длиной волны (0,006-1 нм), является совокупностью тормозного и харак-

теристического излучения.

Радиоактивное загрязнение может иметь различное происхождение. Известно, что в составе Земли имеются элементы, содержащие естественные радиоактивные изотопы, такие как калий, ванадий, рубидий и т.д., которые распределены в земной коре почти равномерно, составляют суммарную радиоактивность примерно 0,003 кюри на 1м . Природный калий состоит из смеси нерадиоактивного, с массовым числом 39 и 0,01% радиоактивного калия, с массовым числом 40. В среднем содержание радиоактивных элементов в земной коре составляет несколько миллионных долей. В одном кубическом метре Земли (1500 кг почвы), содержится примерно 2 грамма калия - 40, 15 граммов тория, 5 граммов урана. Общее количество радиоактивных элементов в природной воде и растениях примерно в 100 раз, а в теле человека (на единицу веса) - в 70 раз меньше, чем в почве.

Радионуклиды земного происхождения, например, калий-40, радионуклиды семейств урана-238, являются легко окисляющимися металлами, их окислы имеют малую плотность и содержатся в земной коре в основном в виде окислов и преобладают в земной коре. Материнские и дочерние радионуклиды находятся вместе в состоянии радиоактивного равновесия. Из других мест радионуклиды могут уходить самыми различными путями в результате физических, химических процессов, началом которых может быть процесс радиоактивного распада. Почвы включают неорганический материал (частицы, коллоиды), почвенный раствор, почвенные газы, органические вещества и живые организмы. Во все компоненты почвы входят естественные радионуклиды [4].

Содержание радионуклидов в атмосфере, гидросфере, литосфере и их изменение определяются процессами их образования и переноса. Эти процессы можно понять только с учетом ядерно-физических, химических, геохимических и биохимических свойств радионуклидов и закономерностей процессов переноса их в различных средах. Многочисленные исследования посвящены изучению процессов образования, переноса и депонирования естественных и искусственных радионуклидов в биосфере. Однако эти процессы по сути многообразны, качественное их описание возможно не всегда, к тому же возможности количественного описания ограничены. Применяемые математические модели требуют значительного числа параметров, получаемых для каждого конкретного случая из опыта. С другой стороны, известных в настоящее время радионуклидов огромное количество и полное описание их свойств невозможно и не нужно по причинам:

- свойства многих из них не изучены в достаточной степени,

- радионуклиды с малым периодом полураспада практически не играют

существенной роли в облучении живых организмов,

- содержание многих радионуклидов очень мало, что не существенно для

радиоэкологии.

Из тысячи искусственных радионуклидов наиболее интересны несколько десятков, которые образуются при ядерных испытаниях (в результате реакций синтеза, реакций активации нейтронами и реакций деления тяжелых ядер). Также радионуклиды образуются в работе предприятий ядерного топливного цикла (ЯТЦ). Образующиеся на АЭС - продукты активации и продукты деления - и, на заводах по переработке выгоревшего ядерного топлива

- кроме радионуклидов, характерных для выбросов и сбросов АЭС - а, также уран и радионуклиды трансурановых элементов - нептуний Ыр, плутоний Ри, америций Ат, кюрий Ст и др.

Радиоактивные вещества, попадающие в атмосферный воздух, оседают и попадают в почву, а за несколько лет радионуклиды из почвы поступают в растения, что является основным путем попадания их в пищу человека и животных. Так, при аварийных ситуациях, например при аварии на Чернобыльской АЭС, после радиоактивных выпадений,

радионуклиды из почвы попали в растения уже на следующий год. Причем радиоактивные элементы, попадающие в почву, удерживаются в ней длительное время, но поглощение почвами радионуклидов задерживает передвижение их по профилю почв и быстрому переходу в грунтовые воды, т.е. происходит аккумуляция радионуклидов в верхних

почвенных горизонтах на различную глубину, в зависимости от типа почвы. Интенсивность поглощения радионуклидов почвенным поглощающим комплексом (ППК) влияет на закрепление в поглощенном состоянии, их миграцию по профилю почвы и поступление в растения.

К тому же, в атмосфере земли присутствуют естественные радиоактивные газы: углекислый газ, содержащий углерод-14, который возникает от воздействия космических лучей на атмосферу, также дочерние продукты распада урана радий и радиоактивный газ радон, который выходит из Земли и создает концентрацию в атмосфере около одной миллиардной доли по весу. Основной путь поступления радона в организмы -ингаляционный (при дыхании), а основное радиационное воздействие связано с дочерними продуктами распада радона. Вторичными путями поступления радона являются вода и распад радия, инкорпорированного в организм [5].

В окружающую среду (ОС) поставщиками радия-226 являются предприятия по добыче и переработки различных ископаемых материалов: урановых руд; добыча нефти и газа; угольная промышленность; предприятия строительных материалов; энергетической промышленности и др.

Суммарная радиоактивность указанных газов в 1м3 воздуха в миллион раз меньше, чем радиоактивность 1 м3 Земли. Таким образом, за год примерно 95% населения Земли получает в среднем дозу облучения около 250 миллибэр (внесистемная единица - бер - биологический эквивалент рентгена) или 2500 микро-зивертов (единица эквивалентной дозы - зиверт - зв), включающей внешнее и внутреннее облучение. Внешнее облучение составляет до 30% (15% от космических лучей и 15% от поверхности Земли), а внутреннее облучение происходит от попавших в организм радиоактивных веществ, таких как вдыхаемый радон (50%), изотопы калия-40 (9%), изотопы углерода-14 (9%), а также незначительные количества других радиоактивных элементов (2%), в общем до 70% общей годовой дозы облучения. Следует сказать и об остальных 5% населения Земли, которые проживая в горных местностях, на территориях торневых песков, около подземных ключей, где происходит выход радона или радия, получают дозу естественного радиоактивного облучения в 2-5 раз превышающую среднюю дозу. Исключением являются отдельные местности в Иране, Ираке, Индии, Нигерии, Бразилии, Мадагаскаре, где уровень естественного облучения в 80 раз превышает

среднюю дозу. Биологическое проявление радиоактивного облучения различается в зависимости от степени воздействия.

Радиоактивность вещества оценивается количеством распадов в единицу времени, а скорость распада определяется величиной периода полураспада, а именно временем уменьшения вдвое активности радиоактивного элемента. Единицей измерения активности является беккерель - Бк - равен одному ядерному превращению в секунду. Внесистемная единица активности - кюри (Ки) = 3,7х 101 Бк. Степень ионизации оценивается

экспозиционной дозой рентгеновского или гамма-излучения. Экспозиционной дозой называется полный заряд ионов одного знака, возникающие в воздухе при полном торможении всех вторичных электронов, которые были образованы фотонами в малом объеме воздуха, разделенный на массу воздуха в этом объеме.

Биологический эффект различных ионизирующих излучений связан с количеством поглощенной энергии и зависит от пространственного распределения, т.е. от линейной плотности ионизации. Для учета этого эффекта используется понятие эквивалентной дозы Н, которая определяется произведением поглощенной дозы Д и модифицирующего коэффициента качества К. Поглощенная доза - это средняя энергия, передаваемая излучением веществу в некотором элементарном объеме, разделенная на массу вещества в этом объеме. Единица поглощенной дозы грей (Гр) равна 1 Дж/кг. Внесистемная единица - рад, 1рад =

0,01Гр. Согласно нормам радиационной безопасности НРБ 99/2009 введен показатель, характеризующий ионизирующее излучение - керма - К - это отношение суммы начальных кинетических энергий всех заряженных ионизирующих частичек в элементарной объеме вещества, к массе вещества в этом объеме. Единицы измерения, такие же, как у поглощенной дозы - Грей, рад. Экспозиционная доза является дозой энергии одновременно связанной с кермой фотонного излучения в воздухе.

Кроме естественных источников радиации существуют многочисленные антропогенные, связанные с различными технологиями использования энергии атома, наиболее опасными являются атомные аварии или испытания. Неизбежное распространение технологий с применением радиоактивных материалов приводит к нарастанию антропогенного давления на окружающую среду.

Аварии, связанные с атомной энергетикой, например на АЭС, могут быть источниками радиоактивных загрязнений. Основное количество радиоактивных веществ образуется и находится в ядерном топливе, т. е. в таблетках двуокиси урана внутри герметичных трубок тепловыделяющих элементов реактора (ТВЭлов). В каждом реакторе накапливаются десятки миллионов кюри радиоактивных элементов (продукты деления урана). Серьезную опасность они могут представлять тогда, когда могут выйти за пределы АЭС при последовательном повреждении нескольких барьеров:

- нарушение охлаждения и повреждение трубок (ТВЭлов) с уроном,

- повреждение оборудования или трубопроводов первого контура реакторной установки,

- повреждение герметичности корпуса реактора.

Организация безопасности работы АЭС является важной составляющей. Для контроля за радиационным воздействием производятся измерения радиоактивного фона на мощности и в помещениях АЭС.

Радиоактивные отходы на самих АЭС и на заводах по регенерации отработанного ядерного топлива подвергаются сложной переработке, в результате которой их химический состав изменяется качественно и количественно, но всегда бывает очень сложным.

Радиоактивное заражение после аварий АЭС будет сохраняться дольше, чем при наземном ядерном взрыве, но масштаб распространения (площадь зараженной поверхности) будет в десятки раз меньше (при небольшой высоте аварийного выброса). Правда, небольшая высота аварийного выброса считалась очевидной до аварии ЧАЭС. В этой аварии первоначальная высота выброса достигла 1000 - 1500 м, а сам выброс продолжался около 10

суток, причем динамика выброса оказалась сложной - менялись направление и скорость воздушных масс, переносивших радиоактивные частицы. Отсюда огромные площади радиоактивного заражения и сложное пространственное распределение этого заражения.

Наибольшие выходы при делении урана имеют короткоживущие радионуклиды йода, например, такие как радионуклиды ^131, ^133 и ^135 (соответственно, 60%; 32% и 8%). Выброс и~129 очень мал. Выход его при делении урана ~ 0,9%. Однако из предприятий ЯТЦ наибольшие выбросы в окружающую среду ^129 дают заводы по переработке ядерного топлива. В целом ЯТЦ выбрасывают в окружающую среду около 2 т ^129 в год.

Радионуклиды йода имеют способность мигрировать из-за повышенной летучести, сложности химического поведения, многообразия водорастворимых форм, низких коэффициентов сорбции по отношению к наиболее распространенным минералам и почвам. Является одним из незаменимых биогенных элементов, играющих важную роль в процессе обмена веществ. ^129 настолько опасен для глобальной радиоэкологии, что признан одним из основных кандидатов на уничтожение путем трансмутации. Среди других радионуклидов йода, выбрасываемых предприятиями ЯТЦ, к критическим относится ^131 (в воздухе и воде).

Среди радионуклидов - продуктов деления в выбросах и сбросах АЭС наиболее часто рассматривается Эг-90, Св-134 и Сб-137, причем Св-134 по существу не является прямым продуктом деления. В реакторах на тепловых нейтронах он образуется в результате нейтронной активации стабильного изотопа Св-133, который получается как конечный продукт цепочки распада продуктов деления. Так же, как Св-137, радионуклид Св-134 относится к числу критических для сбросов и выбросов АЭС в воздух, водоемы и на почву. В глобальных выпадениях, в том числе чернобыльских, Св-134 уже нет из-за его относительно малого периода полураспада. В выбросах и сбросах заводов по переработке ядерного топлива его содержание может быть заметно выше, чем от АЭС.

К тому же, в окрестностях АЭС вторичное загрязнение приземной атмосферы становится опасным, если на местности образовалась радиоактивная зона. Опасно распространение ветром радиоактивной пыли, которая загрязняет водоемы и растительность, проникает в органы дыхания, в результате радионуклиды попадают в организм человека, в том числе и по пищевым цепочкам.

Основным составляющим элементом клетки является углерод (С-14), поэтому С-14 накапливается в живых организмах и может оказывать поражающее действие, путем его вхождением в состав молекул белков, молекул ДНК и РНК. Поражающее действие проявляется при ионизации среды электронами С-14 и атомами отдачи азота (при распаде С-14 ^ N-14). Проявляется эффект изменения химического состава молекул при распаде С-14

- трансмутация (превращение) атомов углерода в атомы азота. Трансмутация углерода в молекуле ДНК приводит к генной мутации, которая трудно обратима или необратима. Наряду с цитогенетическими изменениями, ионизирующие излучения могут вызвать гибель или поражения продуктивности отдельных соматических клеток и тканей организма, например, активно действующих тканей - кроветворной или гормональной системы [6].

В этой связи МАГАТЭ (Международное Агентство по Атомной Энергии) осуществляет программу «Ядерная безопасность и защита окружающей среды», в которой наиболее актуальна проблема защиты человека и окружающей природной среды от воздействия ядерной радиации, радиоактивных выбросов с АЭС и других ядерных установок. В РФ принят федеральный закон «О радиационной безопасности населения». Основные санитарные правила проектирования и эксплуатации атомных станций (СП АС -2003), Правила радиационной безопасности атомных станций (ПРБ АС-99), Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009).

Радиационная безопасность - дисциплина, решающая теоретические и практические задачи, связанные с уменьшением возможности возникновения аварийных ситуаций на радиационно-опасных объектах. Главной задачей является разработка критериев:

- для оценки ионизирующего излучения как вредного фактора воздействия на окружающую среду и население;

- способов оценки и прогнозирования радиационной обстановки и приведение ее в соответствие с выработанными критериями безопасности путем создания комплекса мероприятий (административно-организационных, технических, санитарно-гигиенических), направленных на обеспечение безопасности при использовании атомной энергии.

Разработка и усовершенствование средств и систем радиационного контроля определяет направление вопросов второй задачи. Разные условия эксплуатации радиационных установок, используемые радиоактивные вещества и другие факторы определяют необходимость осознанного выбора средств и частоты измерения уровней радиации, концентрации радиоактивных веществ. Цель радиационного контроля - определить степень соблюдения принципов радиационной опасности и требований нормативов. Радиационному контролю подвергаются:

- радиационные характеристики газовых выбросов, жидких и твердых отходов в ОС;

- радиационные риски в технологическом процессе на рабочих местах и в ОС;

- радиационные факторы на загрязненных территориях и в зданиях с повышенным уровнем природного облучения;

- уровни облучения персонала и населения от всех источников ионизирующего излучения, подлежащих контролю.

Основой функциональных задач радиационной безопасности является снижение уровней облучения населения и персонала ниже регламентируемого предела, посредством выполнения мероприятий:

- технических: защитные ограждения, автоматизация технологического процесса, очистка выбросов;

- медико-санитарных: обеспечение персонала средствами индивидуальной защиты (СИЗ), штабов ГО - средствами защиты населения;

- организационных: оформление работ нарядом или распоряжением, допуск к работе, надзор во время работы, оформление перерывов в работе, оформление окончания работы.

Литература

1. Чумаковский, Н.Н. Основы общей экологии / Н.Н. Чумаковский и др. - Краснодар: КубГУ, КНИИСХ, 2002. - 220 с.

2. СанПиН 2.6.1.2523-09 «Нормы радиационной безопасности НРБ-99/2009», утв. постановлением Главного гос. сан. Врача РФ от 7 июля 2009 г. № 47.

3. Азизов, Б.М. Производственная санитария и гигиена труда: Учеб. Пособие / Б.М.Азизов, И.В. Чепеги. - Казань: КГТУ, 2010. - С.387.

4. Вронский, В.А. Экология и окружающая среда / В.А. Вронский. - Ростов н/Д: Феникс; М:, 2009. - 432 с.

5. Москалев, А.А. Радиобиология инкорпорированных радионуклидов / А.А. Москалев. - М., 1989. -230с.

6. Тимофеев-Ресовский, Н.В. Введение в молекулярную радиобиологию / Н.В.Тимофеев-Ресовский, А.В.Савич, М.И. Шальнов. - М., 1981. - 320 с.

© Т. В. Андрияшина - ст. препод. каф. промышленной безопасности КГТУ Н. В. Шильникова -канд. техн. наук, доц. той же кафедры, svetlanagoryunova@yandex.ru.