Александров Ю.А. Основы радиационной экологии

Подождите немного. Документ загружается.

2.2. Естественные источники ИИ

Наблюдения показывают, что нижние слои атмосферы над кон-

тинентами содержат 1-2 атома радона на 1 см

воздуха. Концентрация

торона обычно в 10000 раз меньше. Атмосферный воздух над океаном

содержит радона в 100 раз меньше, чем над сушей. Концентрация радо-

на быстро убывает с высотой. Уже на высоте 1 км его количество в 2

раза, а на высоте 4 км – в 14 раз меньше, чем у земной поверхности.

Закономерность распределения продуктов распада радиоактивных

эманаций совершенно иная. Многие из твердых радиоизотопов, сле-

дующих в естественных радиоактивных рядах за эманациями, почти

равномерно распределены в нижних слоях атмосферы. К примеру, кон-

центрация Ra D на уровне земной поверхности и на высоте 10 км почти

одинакова.

Твердые радиоактивные частицы, содержащиеся в воздухе, захваты-

ваются конденсирующимися каплями воды и выпадают на поверхность

Земли с атмосферными осадками. После обильных дождей и снегопада

радиоактивность воздуха уменьшается.

Кроме радиоактивных эманации и твердых продуктов их распада в

атмосфере присутствуют радиоизотопы, образующиеся под действием

космических лучей. К таким радионуклидам относится в первую оче-

редь углерод-14, количество которого в воздухе ничтожно мало.

Вклад отдельных естественных источников в образовании эффек-

тивных эквивалентных доз человека представлен в таблице 13.

Таблица 13 – Эффективные эквивалентные дозы человека от природных источников

Среднемировые данные Россия

Источники радиации

мЗв/год % мЗв/год %

Космическое излучение 0,355 14,8 0,320 10,9

Гамма-излучение Земли 0,410 17,1 0,410 14,0

Внутреннее облучение 0,355 14,8 0,362 12,3

Излучение стройматериалов (радон) 1,280 53,3 1,850 62,8

ИТОГО 2,400 100 2,942 100

Р а з д е л 2 ИСТОЧНИКИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ И ЗАГРЯЗНЕНИЙ

ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ РАДИОАКТИВНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ

2.3. ИСКУССТВЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА

За последние десятилетия человек создал несколько сотен искус-

ственных радионуклидов и научился использовать энергию атома в

мирных целях: в медицине и для создания ядерного оружия, для произ-

водства электроэнергии и обнаружения пожаров, для изготовления све-

тящихся циферблатов часов, приборов ночного видения и для поиска

полезных ископаемых.

Индивидуальные дозы, полученные людьми от искусственных ис-

точников ионизирующего излучения, сильно различаются, иногда облу-

чение за счет техногенных источников ионизирующих излучений ока-

зывается намного сильнее, чем за счет естественной радиации.

2.3.1. Источники ионизирующих излучений,

использующиеся в медицине

Основной вклад в дозу, получаемую человеком от техногенных

источников радиации, в настоящее время вносят медицинские процеду-

ры и методы лечения, связанные с применением ионизирующих излу-

чений.

Ориентировочные дозы, которые получают люди при проведении

некоторых медицинских процедур, представлены в таблице 14.

Таблица 14 – Ориентировочные значения поглощенной дозы

при некоторых медицинских процедурах, сЗв

Медицинская процедура Доза

Флюорография легких 2

Рентгеновский снимок зубов (ортопантография) 5

Рентгеноскопия органов грудной полости 10

Рентгеноскопия органов брюшной полости 15

Лечение злокачественных опухолей до 5000

Коллективная эффективная доза в год для всего населения Земли

оценивается в этом случае величиной 1,6 млн чел.-Зв или около 1/5 дозы

от естественного фона. Эта доза по-разному распределяется среди жи-

телей разных стран. Наибольший вклад в коллективную дозу от ис-

точников медицинского предназначения вносят диагностические об-

следования, которым ежегодно подвергаются сотни миллионов людей.

2.3. Искусственные источники ионизирующих излучений и их характеристика

В среднем при медицинских обследованиях на одного жителя Земли

в год приходится доза облучения, эквивалентная 0,4 мЗв.

Наиболее распространенным видом излучения, применяемым в ди-

агностической практике, являются рентгеновские лучи. Согласно дан-

ным по развитым странам, на каждую 1000 жителей приходится от 300

до 900 обследований в год. И это не считая рентгенологических об-

следований зубов и массовой флюорографии. Внедрение технических

усовершенствований (компьютерной томографии, использование более

чувствительных пленок, электрографии, рационального экранирования

и пр.) позволяет резко снизить дозы облучения без уменьшения диагно-

стической и лечебной эффективности процедур.

Радиоизотопы применяются для исследования различных процессов,

протекающих в организме, и для локализации опухолей. За последние

годы их применение сильно возросло, но все же они используются реже,

чем рентгенологические исследования: в промышленно развитых стра-

нах на 1000 населения приходится около 10-40 радиоизотопных иссле-

дований. Как это не парадоксально звучит, но одним из наиболее эф-

фективных методов лечения опухолевых заболеваний является лучевая

терапия.

2.3.2. Ядерные и термоядерные взрывы

Значительно меньше по сравнению с влиянием естественного

фона доза, получаемая от радиоактивных выпадений в результате испы-

таний ядерного оружия.

2 декабря 1942 года на спортивной площадке Чикагского универ-

ситета группой физиков-атомщиков под руководством великого италь-

янского ученого Энрико Ферми был запущен первый атомный котел, в

котором происходила самоподдерживающаяся управляемая атомная

реакция.

Этому успеху предшествовали почти полувековые исследования в

области теоретической и экспериментальной физики, проводимые под

руководством П. Кюри, М. Склодовской-Кюри, Э. Резерфорда, Н. Бора,

А. Эйнштейна, М. Планка, Ф. Жолио-Кюри, И. Жолио-Кюри, Л. Мейт-

нер, О. Гана, Д. Чедвика, В. Гейзенберга, И.В. Курчатова и других

выдающихся ученых-атомщиков.

Результаты осуществленной группой Ферми цепной реакции были с

самого начала поставлены на военные рельсы, а именно – на срочное

создание в США атомного оружия с целью опередить Гитлера, физики

которого работали в этом же направлении.

Р а з д е л 2 ИСТОЧНИКИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ И ЗАГРЯЗНЕНИЙ

ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ РАДИОАКТИВНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ

В 1944 году в США под руководством Э. Ферми была создана и ис-

пытана атомная бомба, а в августе 1945 г. атомной бомбардировке под-

верглись японские города Хиросима и Нагасаки. Тогда погибла третья

часть населения этих городов. В последующие годы многие умирали от

лучевой болезни, лейкозов и других недугов, связанных с радиоактив-

ным облучением.

25 декабря 1946 г. под руководством И.В. Курчатова был осу-

ществлен запуск первого советского управляемого уран-графитового

реактора, в котором в дальнейшем производился оружейный плутоний,

использующийся в качестве ядерного заряда вместо урана-235 при про-

изводстве атомного оружия (рис. 4). Первая советская атомная бомба

была испытана 29 августа 1949 года.

При атомном взрыве образуются продукты деления и остается часть

неразделившихся атомов урана-235 или плутония-239, которые при на-

земном взрыве выбрасываются в атмосферу.

Впоследствии в СССР была создана и испытана в 1953 г. водородная

бомба, действие которой основано на термоядерной реакции взаимо-

действия дейтерия и трития:



дейтерий тритий гелий нейтрон

Эта реакция протекает мгновенно (3  10

-6

секунды), но для ее нача-

ла необходима очень высокая температура, которую возможно получить

лишь при атомном взрыве. Вследствие этого в водородной бомбе, со-

держащей смесь дейтерия и трития, в качестве детонатора служит атом-

ный плутониевый заряд.

В атомной бомбе происходит неуправляемый процесс деления ядер.

Для мирных же целей важен управляемый процесс цепной реакции. Он

осуществляется в ядерных реакторах, подобных тому, который был со-

оружен в Чикаго в 1942 году Э. Ферми. В 1946 году был запущен пер-

вый советский атомный реактор. Впоследствии были построены атом-

ные котлы различных конструкций для выработки электроэнергии, в

исследовательских целях, а также для получения плутония-239 из при-

родного урана-238 и урана-233 и из природного тория-232. Деление

урана-235, плутония-239 и особенно термоядерная реакция, выделяют

большое количество нейтронов. Последние бомбардируют окружающие

вещества, превращая их в радиоактивные (наведенная радиоактив-

ность). Кроме того в атмосферу выбрасывается большое количество

продуктов деления. Наиболее важные из них – цезий-137 и стронций-90.

2.3. Искусственные источники ионизирующих излучений и их характеристика

Рис. 4. Схема атомной бомбы:

1 – заряд урана-235 или плутония-239;

2 – обычное взрывчатое вещество (запал

для соединения кусков урана с целью

достижения критической массы); 3 – обо-

лочка из металла большой плотности

Максимум ядерных испытаний пришелся на период с 1954 по 1958

годы, когда взрывы проводили США, СССР и Великобритания. Еще бо-

лее мощные испытания, в которых участвовали и другие страны (но

наиболее сильно США и СССР), проводили в 1961-1962 годах. Всего за

период с 1945 по 1998 годы было проведено 2056 ядерных взрывов

(табл. 15).

Таблица 15 – Общее количество ядерных взрывов на территории земного шара

Страна Год Число взрывов

США 1945-1992 1030

СССР-Россия 1949-1991 716

Франция 1960-1997 210

Великобритания 1950-1960 44

Китай 1964-1996 45

Индия 1974, 1998 6

Пакистан 1998 5

В частности, на территории США было проведено 1030 ядерных

взрывов, в том числе в Неваде – 935, Нью-Мексико – 3, Миссисипи – 2,

Колорадо – 2, на Аляске – 3 взрыва. На территории России состоялось 214

ядерных взрывов (в том числе на Новой Земле – 132), в Казахстане – 496,

на Украине – 2, в Узбекистане – 2 и в Туркменистане – 1 взрыв. На по-

лигоне Лобнор в Китае (штат Синьцзян) провели 45 взрывов, в Алжире

– 17, в Австралии – 12. Индия испытывала ядерное оружие 6 раз (на

площадке Покхаране), а Пакистан – 5 (горный район Чагаи, провинция

Белуджистан). Кроме того, ядерные взрывы проводились на атоллах

Муруроа (175) и Эниветок (43), на островах Рождества (30), Бикини

(23), Джонстон (12), Фангатофа (12), Молден (3), в Тихом океане (4) и

Южной Атлантике (3).

Р а з д е л 2 ИСТОЧНИКИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ И ЗАГРЯЗНЕНИЙ

ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ РАДИОАКТИВНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ

Высокодисперсные фракции продуктов ядерных взрывов поднима-

ются в верхние слои атмосферы и годами и даже десятилетиями цирку-

лируют там, распространяясь вначале над своим полушарием, а зaтeм и

над всей территорией земного шара, и лишь постепенно выпадают на

поверхность Земли. В течение 10 лет, когда испытания проводились

наиболее интенсивно, население Земли получило за счет глобальных

выпадений дополнительно 2 мЗв (одна годовая доза от естественного

фона).

При атомном взрыве образуются продукты деления ядерного го-

рючего

235

238

239

Pu с образованием сложной смеси из 200 изотопов

36 химических элементов с периодом полураспада от 1 с до млн лет. По

характеру излучения все они относятся к бета- и гамма+бета-

излучателям, кроме

147

Sm и

144

Nd – альфа-излучатели. Дополнительным

источником радиоактивного загрязнения местности служит также наве-

денная радиоактивность, возникающая в результате воздействия потока

нейтронов, образующихся при цепной реакции деления урана или плу-

тония на ядра атомов различных веществ окружающей среды.

Наибольший практический интерес для радиобиологии представля-

ют следующие радионуклиды:

Sr,

131

137

Cs,

140

Ba,

144

Ce.

Активность продуктов ядерного деления быстро снижается в первые

часы и сутки, например, в первые сутки наблюдается снижение актив-

ности в 50 раз.

Таблица 16 – Снижение активности ПЯД с течением времени

Время, ч Относительная активность Время, ч Относительная активность

1 1 000 30 17

1,5 610 40 12

2 440 60 7,3

3 70 100 4,3

5 150 200 1,7

7 97 400 0,75

10 63 600 0,46

15 39 800 0,33

20 27 1 000 0,25

Из закона радиоактивного распада выведено правило: каждое деся-

тикратное снижение активности осколков и мощности дозы гамма-

излучения происходит в результате увеличения их возраста в 7 раз.

2.3. Искусственные источники ионизирующих излучений и их характеристика

При термоядерных взрывах в момент реакции синтеза возникает

интенсивный поток нейтронов, вызывающих образование значительно-

го количества продуктов активации – наведенную радиоактивность.

Основными источниками загрязнения окружающей среды являются ра-

диоактивные осколки

238

239

Pu, тритий

Н и радиоуглерод

С. В ре-

зультате проведенных до 1959 года термоядерных взрывов в земной

атмосфере образовалось около 560 кг

С.

Загрязнение окружающей среды зависит от характера взрывов,

мощности зарядов, атмосферных условий, географических зон и широт.

При воздушном взрыве РВ распыляются на большой площади, но

под влиянием атмосферных осадков, выпавших в момент прохождения

радиоактивного облака, может повыситься загрязнение в том или ином

районе.

Взрывы средней и малой мощности (до нескольких килотонн троти-

лового эквивалента) загрязняют в основном тропосферу – на высоте 18

км, мелкие и крупные частицы выпадают на расстоянии нескольких сот

километров от эпицентра, образуя локальные радиоактивные загрязне-

ния. Крупные взрывы в несколько мегатонн загрязняют, главным обра-

зом, стратосферу на высоте 80 км. Воздушными течениями частицы

продукты ядерного деления (ПЯД) способны совершать очень большой

путь, вплоть до нескольких оборотов вокруг земного шара, образуя в

результате выпадения глобальные загрязнения. Следует отметить, что

продукты взрывов распределяются следующим образом: при воздуш-

ном взрыве 99% задерживается в стратосфере; при наземном взрыве

20% попадает в стратосферу, а 80% выпадает в районе взрыва; при

взрывах у поверхности моря 30% остается в стратосфере, а 70% выпада-

ет локально. ПЯД могут находиться в тропосфере 2-3 месяца, в страто-

сфере – 3-9 лет. По данным исследователей, из имеющихся в стратосфе-

ре ПЯД ежегодно осаждается 10%

Sr и

137

Cs.

По данным Научного комитета ООН по действию атомной радиа-

ции, при испытаниях ядерного оружия, проводимых до 1963 года, сум-

марная мощность взорванных боеприпасов и устройств составила

510,9 мегатонн по тротиловому эквиваленту, в т.ч.: при воздушных

взрывах – 406,2 Мт, при наземных – 104,7 Мт. Выпадение радионукли-

дов составило в МКи:

H – 360,

C – 6,2;

Fe – 50,

Sr – 2800,

Sr –

12,2,

106

Ru – 330,

144

Ce – 182,4,

137

Cs – 19,5,

239

Pu – 0,32. Расчеты пока-

зали, что ожидаемые дозы от радионуклидов, образовавшихся в резуль-

тате ядерных испытаний, проведенных до 1976 года, составляют для на-

селения умеренного пояса Северного полушария: от внешнего

облучения – 110 мрад, от инкорпорированных радионуклидов: для го-

над – 37, костного мозга – 150, клеток, выстилающих костную ткань –

180 и для легких – 150 мрад.

Р а з д е л 2 ИСТОЧНИКИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ И ЗАГРЯЗНЕНИЙ

ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ РАДИОАКТИВНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ

2.3.3. Атомная энергетика

В 2001 году в мире работало 430 атомных энергетических устано-

вок, производящих около 20% электроэнергии. По количеству атомных

электростанций первое место занимает Западная Европа, за которой

следуют США и Канада. В России работает 10 атомных электростанций

с 30 промышленными реакторами суммарной мощностью 21242 Мвт.

Из них 29 реакторов на медленных нейтронах (типа ВВЭР и РБМК) и

один реактор на быстрых нейтронах. Для обеспечения этих АЭС ядер-

ным топливом необходимо ежегодно 3600 тонн природного урана. По

данным МАГАТЭ (Международное Агентство по атомной энергии) в

1995 г. доля ядерной энергетики в мировом электроснабжении состави-

ла 20%. Во Франции и Бельгии АЭС вырабатывают 70-80% электро-

энергии, в Швеции-50%, США – 17%, Канаде – 15%, Южной Корее –

53%, на Тайване – 48,5%, в России – 13%.

В 1954 году в Обнинске была введена в строй атомная электро-

станция (АЭС) мощностью 5 МВт, а в 1956 г. в Англии запущена АЭС

мощностью 64 МВт.

Вторая половина XX столетия характеризуется постепенным и неук-

лонным нарастанием роли электроэнергии, вырабатываемой на атомных

электростанциях. Причем отношение к ядерной энергетике в промыш-

ленно развитых странах неодинаково и определяется целиком наличием

природных ресурсов горючих полезных ископаемых. Атомная энерге-

тика включает в себя урановые рудники, металлургические предприятия

по получению обогащенного ядерного топлива, заводы по очистке ура-

новых концентратов и изготовлению ТВЭЛ-ов (тепловыделяющих

элементов), предприятия по утилизации ядерных отходов.

На протяжении всей этой технологической цепочки образуются

твердые, жидкие, газообразные отходы.

Схема технологической цепочки представлена на рисунке 5.

Принципиальная схема уран-графитового атомного реактора для

получения электроэнергии состоит в следующем (рис. 6).

В герметическом цилиндрическом стальном корпусе помещен гра-

фит в виде кирпичной кладки. Промежутки кладки заполнены газом ге-

лием для того, чтобы графит во время работы реактора не выгорал.

В центральной части графитовой кладки размещены каналы, куда по-

мещается ядерное горючее в виде ТВЭЛ-ов (тепловыводящих элемен-

тов). Последние представляют собой трубки из циркониевого сплава,

в которые помещены таблетки из окиси урана (UO

). ТВЭЛ-ы помеща-

ются в виде сборок по 18 трубок в каждой сборке.

2.3. Искусственные источники ионизирующих излучений и их характеристика

Рис. 5. Основные технологические этапы получения и использования

атомной энергии

Урановые стержни омываются теплоносителем – проточной водой

или жидким натрием, циркулирующим по каналам (радиаторам). Теп-

лоноситель передает тепло в парогенератор. Пар из парогенератора под

высоким давлением поступает в турбину, которая связана с генератором

тока. Отработанный пар собирается в конденсаторе и снова направляет-

ся в парогенератор.

Реактор размещается на бетонном основании и окружен для защиты

от ядерных излучений метровым слоем воды и бетонной стеной толщи-

ной 3 метра. Объем активной зоны реактора около 700 кубических

метров.

В первом советском атомном реакторе находилось 550 кг окиси

урана, содержание урана-235 в которой искусственно доведено до 5%

(против 0,7% в природном уране).

Управление процессом деления происходит с помощью регули-

рующих стержней, сделанных из материалов, хорошо поглощающих

нейтроны (кадмий, бор). Когда такой стержень введен в активную зону

реактора, цепной процесс деления замедляется, так как избыток нейтро-

нов поглощается указанными элементами. При выдвигании стержня из

реактора цепная реакция усиливается, вследствие увеличения количест-

ва действующих нейтронов.

При делении ядер урана образуются быстрые нейтроны. Боль-

шинство же функционирующих в настоящее время атомных котлов ра-

Добыча урано-

вой р

ды

Изготовление

исходного

сырья

Обогащение

урана

Изготовление

топливных

элементов

АЭС

Выдержка

отработанного

топлива

Отвал урановых

хвостов

Регенерация

отработанного

топлива

Захоронение

радиоктивных

отходов

Р а з д е л 2 ИСТОЧНИКИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ И ЗАГРЯЗНЕНИЙ

ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ РАДИОАКТИВНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ

ботают на медленных нейтронах. Замедление нейтронов происходит за

счет графитовой кладки реактора.

На АЭС с водяным теплоносителем основной источник радиации –

это вода первого контура. Расход воды на охлаждение реактора дости-

гает 70-90 м

/с, поэтому система охлаждения представляет собой замк-

нутый цикл. Тем не менее периодически из системы реактора приходит-

ся отводить радиоактивные сточные воды и газы. Они предварительно

направляются в систему очистки, где выдерживаются до распада корот-

коживущих радионуклидов, и только после этого выбрасываются в ок-

ружающую среду.

Основную дозу в выбросах составляют продукты деления ядерного

горючего: радиоизотопы йода, цезия, стронция, церия, циркония, мар-

ганца, железа, а также тритий и радиоактивные газы – радон, ксенон и

криптон. Система очистки сточных вод такова, что в водоемы поступает

вода с содержанием радиоизотопов, не превышающим допустимый уро-

вень для питьевой воды. При этом радиационное состояние воздушной

и водной среды контролируется сетью постов службы дозиметрии. На

этих постах производят также отбор проб почвы и растительности.

Рис. 6. Принципиальная схема атомной электростанции:

1 – ядерное горючее с замедлителем; 2 – аварийные стержни; 3 – регулирующие стержни;

4 – отражатель нейтронов; 5 – бетонная защита от радиации; 6 – теплоноситель;

7 – парогенератор; 8 – паровая турбина; 9 – генератор тока; 10 – конденсатор пара

Таким образом, при отсутствии аварий и хорошей радиационной за-

щите такое производство заметного влияния на окружающую среду не

оказывает.

В настоящее время на российских атомных электростанциях приме-

няются реакторы, работающие на медленных нейтронах (типа ВВЭР –

водо-водяной энергетический реактор и РБМК – реактор большой мощ-