Гусев Н.Г., Беляев В.А. Радиоактивные выбросы в биосфере

Подождите немного. Документ загружается.

Н.Г.

Гусев

В.А.Беляев

Радиоактивные

выбросы

в биосфере

СПРАВОЧНИК

2-е издание,

переработанное и дополненное

МОСКВА

ЗНЕРГОАТОМИЗДАТ

1991

УДК 504.06: [621.311.25:621.039]

Гусев Н. Г., Беляев В. А. Радиоактивные вы-

бросы в биосфере: Справочник.— 2-е изд., перераб.

и доп.— M.: Энергоатомиздат, 1991.— 256 с.

ISBN 5-283-03025-3

Приведены методология, рабочие формулы, графики и таб-

лицы, необходимые для оценки основной характеристики

индивидуальной и коллективной дозы на население, обуслов-

ленной выбросами в атмосферу радиоактивных нуклидов АЭС

и других объектов ядерного топливного цикла. Приведенные

данные позволяют определять также производные характери-

стики: допустимые выбросы, допустимые концентрации ра-

дионуклидов в атмосферном воздухе и т. д.

По сравнению с первым изданием дополнены и уточнены

многие дозовые характеристики и переходные коэффициенты

с использованием современного уровня науки.

Для научных работников, проектантов, инженеров-физиков

и специалистов, занимающихся вопросами радиационной без-

опасности населения и охраны окружающей среды.

Табл. 132. Ил. 86. Библиогр.: 123 назв.

3604000000-009

Г 257-90

051(01)-91

ISBN 5-283-03025-3 О Авторы, 1991

Предисловие

Проблема радиационной безопасности населения и охраны окружающей

среды от загрязнения радиоактивными веществами является ключевой при

реализации программы развития, основанной на использовании атомной

энергии. Это особенно стало очевидно после аварии на Чернобыльской АЭС,

когда эта проблема приобрела глобальный масштаб, а ее социальные,

экономические, экологические, правовые и нравственные аспекты стали пред-

метом самого широкого и острого обсуждения на всех уровнях современного

общества.

В этой проблеме важное место занимают правильная оценка и прогно-

зирование доз от выбросов радиоактивных веществ в атмосферу предприятиями

ядерного топливного цикла.

Отметим, что отечественные нормативные документы запрещают сбрасы-

вать жидкие отходы в водоемы, если содержание радионуклидов в них

превосходит допустимые концентрации в питьевой воде. Поэтому принято

считать, что «воздушный» путь загрязнения биосферы более значим. Впрочем,

вопрос о радиологической опасности жидких (как и твердых) отходов требует

специального рассмотрения и выходит за рамки настоящей книги.

В оценке радиологической опасности основным (хотя и не единственным)

критерием является доза на население— по ней ученые прогнозируют ради-

ационный риск последствий облучения. Однако путь от выбросов радиоак-

тивных веществ в атмосферу до доз, создаваемых ими в организме человека,

очень сложен. Существует чрезвычайно большое разнообразие метеорологичес-

ких и других природных условий, химико-физических и радиологических

свойств радионуклидов, специфики почв и производимой сельскохозяйственной

продукции, характера диеты в отдельных рег ионах страны, демографических

характеристик и др. Этот перечень следует дополнить очень сложными

путями миграции радионуклидов в биосфере и их метаболизма в организме

человека.

Существуют и другие трудности на пути определения доз от

радиоактивных отходов. Они связаны с наличием природного и антропогенного

радиационного фона.

Известно, что человек и все живые организмы с самого начала зарождения

жизни подвергаются действию излучения природных источников ионизиру-

ющего излучения, которые по характеру воздействия не отличаются от

излучения искусственных источников, генерируемых в ядерной энергетике:

в обоих случаях биологический эффект определяет доза. Потоки ионизирующего

излучения падают на землю из космоса, естественные радиоактивные вещества

присутствуют в атмосферном воздухе, почве, продуктах питания и в организме

людей. При этом фактические дозы облучения от радиоактивных выбросов

АЭС при нормальной эксплуатации значительно меньше доз от природных

и тем более антропогенных источников облучения. Так, по данным НКДАР

ООН 1988 (Научного Комитета ООН по действию атомной радиации),

средние годовые эффективные эквивалентные дозы облучения населения от

естественной радиации составляют 2,0 мЗв (200 мбэр), от рентгенорадиологичес-

ких обследований пациентов 0,4 мЗв (40 мбэр), от радиоактивных осадков

предшествующих атомных взрывов 0,02 мЗв (2 мбэр), от радиоактивных

отходов ядерной энергетики при нормальной эксплуатации около 0,001 мЗв

(0,1 мбэр). В районах территорий, загрязненных выбросами при аварии на

Чернобыльской АЭС, эти уровни значительно выше.

Установленные в СССР жесткие требования к удалению жидких и газооб-

разных радиоактивных отходов АЭС предусматривают непревышение пределов

доз, составляющих лишь около 10% уровней доз естественной радиации.

Поэтому непосредственное • измерение доз на население от радиоактивных

отходов ядерной энергетики при нормальном эксплуатационном режиме

практически не представляется возможным. На практике чаще всего дозы

оцениваются расчетным путем по измеренным производным характеристикам:

выбросам и сбросам радиоактивных веществ во внешнюю среду, концентрациям

активности в атмосферном воздухе, в почве, пищевых продуктах и других

средах.

Изложенные в настоящей книге расчетные методы предназначены для

прогнозирования доз на население, а также производных характеристик,

которые формируют эти дозы. Знание методов расчета доз и уровней

загрязнения радиоактивными веществами биосферы в целом важно как

в процессе нормальной эксплуатации, так и в особенности, в случае аварийных

выбросов, когда ошибки могут привести к серьезным последствиям.

Методология расчета доз и производных характеристик включает в себя

учет всех путей воздействия: поля внешнего излучения от радиоактивного

облака и почвы, загрязненной радиоактивными веществами, внутреннего

облучения от вдыхания радиоактивных газов и аэрозолей и поступления

в организм человека с продуктами питания в результате миграции радиоак-

тивных веществ по пищевым и биологическим цепочкам.

При составлении книги авторы стремились использовать доступные

литературные источники, соответствующие современному уровню знаний. Ho

в основе книги лежат преимущественно оригинальные материалы: методика

расчета коллективных доз для больших расстояний с учетом неоднородностей

территориального распределения населения (включая большие города) и сель-

скохозяйственных угодий, береговых и государственных границ, зеленых

массивов и т. д.; учет коллективных доз на население от загрязненных

продуктов, отправляемых в другие районы страны при бесконтрольном их

использовании; расчет значений «функции истощения», учитывающей радиоак-

тивный распад, сухое оседание и вымывание радионуклидов из облака

осадками; учет радиоактивных превращений по изобарной цепочке в облаке

выброса, включая нелинейный процесс сухого осаждения примеси на повер-

хность земли.

Настоящее (второе) издание дополнено новым оригинальным материалом:

развита более гибкая и универсальная модель миграции радионуклидов по

пищевым и биологическим цепочкам, позволяющая учитывать сезонное

изменение миграции радионуклидов и его влияние на прогнозируемые дозы

облучения населения при аварийных (кратковременных) радиоактивных вы-

бросах; найден оригинальный подход к расчету «фоновых» объемных актив-

ностей радионуклидов в атмосферном воздухе от совместного действия

множества удаленных источников выброса, который в перспективе может

стать принципиальной основой регионального нормирования выбросов и тем

самым позволит учесть и ограничить тенденцию подъема уровня антропо-

генного загрязнения биосферы; разработан упрощенный способ экстренного

прогнозирования облучения населения по данным полевых измерений, получа-

емых на первых этапах аварии; уточнены и приведены в соответствие

с современным уровнем науки радиационно-физические характеристики ра-

дионуклидов и многие дозовые коэффициенты.

При расчете доз внутреннего облучения взрослых людей использована

метаболическая модель Публикации 30 MK

РЗ.

Учет возрастных особенностей

отражен в модели, разработанной чехословацким ученым В. Климентом.

Численные значения дозовых коэффициентов, количественные закономер-

ности перехода радионуклидов по пищевым и биологическим цепочкам, другие

важные для определения искомых величин характеристики могут очень сильно

варьировать в конкретных условиях и отличаться от приведенных в этой

книге. Поэтому авторы уделяли главное внимание методологической стороне

расчета доз и производных характеристик, имея в виду их творческое

применение при решении практических задач.

Кроме непосредственного назначения - методологии расчета доз и их

производных характеристик—материалы справочника могут быть полезны

при выборе площадок для новых атомных станций, выборе оптимального

типа реактора и технологического регламента, обоснования размера санитарно-

защитной и наблюдаемой зон и т. д.

Из сказанного выше следует, что авторы, являясь физиками, не затраги-

вают медико-биологических аспектов проблемы последствий облучения — это

дело компетентных специалистов.

В справочнике использована в основном Международная система единиц

(СИ). Однако, в связи с тем, что во многих публикациях сохраняются

внесистемные единицы, а также потому, что в эксплуатации находятся

приборы, измеряющие экспозиционную дозу или ее мощность, в книге, где

это оправдано, применяются обе системы единиц.

Запись в форме N+п означает число N- IO

Авторы заранее признательны всем читателям, которые пришлют свои

замечания и советы по данному справочнику.

Глава 1

Основные понятия, термины и определения

1.1. Символы и их размерности

si— полная активность радионуклида в источнике, Бк (Ки);

.'//

— удельная активность источника, Бк/кг (Ки/кг);

- объемная активность источника, Бк/м

(Ки/м

);

s/у, временной интеграл объемной активности, Бк-с/м

(Кис/м

);

— поверхностная активность, Бк/м

(Ки/м

);

s/s— интенсивность поверхностного загрязнения, Бк/(с• м

)/Ки/(с• м

)/;

- дозовый коэффициент внутреннего облучения при вдыхании

радионуклидов, отнесенный к единичной концентрации,

Зв

•

/(с

•

Бк) [бэр

•

/(с

•

Ки) ];

— дозовый коэффициент внутреннего облучения при заглатывании

с водой, отнесенный к единичной концентрации, Зв м

/(с-Бк)

[бэрм

/(сКи)] или с пищей Звкг/(сБк) [бэр

•

кг(с

•

Ки) ];

р-- дозовый коэффициент внешнего облучения В-частицами от

радиоактивного облака, Зв м

/(с Бк) [бэр-м /(с• Ки)];

- дозовый коэффициент внешнего облучения фотонами or радио-

активного облака, Зв м

/(с

•

Бк) [бэр

•

/(с

•

Ки) ];

— полувековая эквивалентная доза внутреннего облучения при

заглатывании радионуклида с водой или пищей, Зв/Бк

[бэр/Ки];

-- полувековая эквивалентная доза внутреннего облучения при

поступлении в организм радионуклидов с вдыхаемым воздухом,

Зв/Бк [бэр/Ки];

— дозовый коэффициент, равный мощности эквивалентной дозы от

у-излучения поверхностно-загрязненной почвы на высоте /?=

м;

Зв

•

м /(с

•

Бк) [бэр -см

/(с

•

Ки) ];

— дозовый коэффициент, равный ожидаемой (комитментной)

эквивалентной дозе от поверхностно-загрязненной почвы на

высоте /г= 1м, Зв м

/Бк (бэр

•

см

/Ки);

D - поглощенная доза, Гр (рад);

D мощность поглощенной дозы, Гр/с (рад/с);

— ожидаемая поглощенная доза, Гр (рад);

E- энергия а-, р-частиц или фотонов, МэВ/расп.;

E - средняя энергия а-, р~-частиц или фотонов, МэВ/расп.;

F(x) — функция истощения радиоактивного облака, безразмерная

величина;

G, G

метеорологический фактор разбавления при непрерывных и кра-

тковременных выбросах соответственно, с/м

;

популяционный фактор разбавления, с/м;

G'°'— полный популяционный фактор разбавления, чел-с/м

;

— интеграл по вертикальной координате z от фактора разбавле-

ния G, с/м

;

H— эквивалентная доза, Зв(бэр);

H - мощность эквивалентной дозы, Зв/с (бэр/с);

— полная ожидаемая (комитментная) доза, Зв (бэр);

- неполная ожидаемая доза за период Г, Зв (бэр);

— эффективная эквивалентная доза, Зв (бэр);

— эффективная ожидаемая эквивалентная доза, Зв (бэр);

— неполная эффективная ожидаемая доза за период Т, Зв (бэр);

макс

максимальное значение высоты слоя перемешивания примеси

в атмосфере, м;

И— эффективная высота трубы, м;

— геометрическая высота трубы, м;

к— коэффициент качества, Зв/Гр (бэр/рад);

— коэффициент экранирования фотонов зданиями (безразмерная

величина);

К керма, Гр (рад);

К— мощность кермы, Гр/с (бэр/с);

— безразмерная величина, равная произведению переходных мно-

жителей по звеньям пищевых цепочек от выпадения до поступ-

ления пероральным путем в организм человека с продуктами

питания (равен доле радионуклидов, выпавших на сельско-

хозяйственные угодия, которые в результате миграции по пище-

вым цепочкам переходят в продукты питания);

?— коэффициент перехода «выпадение радионуклида на почву —

поступление в организм» с продуктами питания, м

;

Q мощность непрерывного выброса, Бк/год (Ки/год);

Q— мощность кратковременного выброса, Бк/с (Ки/с);

— кратковременный (единичный) выброс, Бк (Ки);

г— переходный коэффициент от поглощенной дозы фотонов в воз-

духе к поглощенной (или эквивалентной) дозе в биологической

ткани (принимается равным ~ 1,09 Зв/Гр);

S— площадь сельскохозяйственных угодий, требующаяся для произ-

водства продуктов питания данного вида, потребляемого

отдельным индивидуумом, м

;

S— коллективная эквивалентная доза, чел-Зв (чел бэр);

— полная ожидаемая коллективная эквивалентная доза, чел-Зв

(чел

•

бэр);

— эффективная коллективная эквивалентная доза, чел -Зв (чел бэр);

— неполная ожидаемая коллективная эквивалентная доза, чел-Зв

(чел

•

бэр);

T— продолжительность кампании реактора или расчетное время

ожидаемой дозы, год;

t— продолжительность выдержки облученного ядерного топлива,

с, сут, год;

— период полураспада радионуклида, с, сут, год;

— период биологического полу выведения, с, сут, год;

— эффективный период полураспада и биологического полувы-

ведения, сут, год;

— период вегетативного созревания, сут, год;

V— объем вдыхаемого воздуха или потребляемой воды, м

/год, м

/сут;

— скорость сухого осаждения, м/с;

"•ef

A-

ц-

скорость ветра, м/с;

среднегодовая скорость ветра, м/с;

взвешивающий фактор в расчетах эффективной эквивалентной

дозы (безразмерная величина);

высота шероховатости подстилающей поверхности, м;

гамма-постоянная, P см

/(ч

•

мКи);

керма-постоянная, Гр-м

/(с-Бк) [радм

/(с-Ки)];

вытянутость розы ветров (безразмерная величина);

доля территории, занятая данной сельскохозяйственной куль-

турой (безразмерная величина);

постоянная радиоактивного распада, с

-1

;

постоянная биологического выведения из поверхностного слоя

почвы, с"

;

постоянная метаболического выведения нуклидов из корневого

слоя почвы, год

-1

;

эффективная постоянная радиоактивного распада и биологичес-

кого выведения, с ';

постоянная вымывания примесей осадками, с

-1

;

линейный коэффициент ослабления фотонов в защитном слое,

м ~

(см ~

);

массовый коэффициент ослабления фотонов в защитном слое,

/кг (см

/г);

линейный коэффициент ослабления фотонов в источнике, м

-1

(см-

);

массовый коэффициент ослабления фотонов в источнике, м /кг

(CM

/г);

линейный коэффициент поглощения энергии, м (см );

массовый коэффициент поглощения энергии, м

/кг (см

/г);

линейный коэффициент передачи энергии, м

-1

(см

-1

);

массовый коэффициент передачи энергии, м

/кг (см

/г);

плотность вещества, кг,/м

(г/см

);

плотность населения, чел/м

;

среднее квадратическое отклонение примесей в атмосфере в гори-

зонтальном и вертикальном направлении соответственно, м;

знак суммы;

повторяемость категорий устойчивости атмосферы, безразмер-

ная величина;

знак произведения.

Соотношении между единицами СИ и внесистемными единицами в области

ионизирующих излучений

И ел, т

IV, m

P-

PN-

G Jx), G

(X)

X —

со —

Величина

и ее обозначение

Название и обозначение единицы

Связь с единицей СИ

Величина

и ее обозначение

Единица СИ

Внесистемная

единица

Связь с единицей СИ

АКТИВНОСТЬ Sii

Поглощенная доза D

Керма К

Мощность поглощен-

ной дозы D

Мощность кермы К

Эквивалентная доза H

Мощность эквива-

лентной дозы H

Беккерель (Бк)

Грей (Гр)

Грей в секунду

(Гр/с)

Грей в секунду

(Гр/с)

Зиверт (Зв)

Зиверт в се-

кунду (Зв/с)

Кюри (Ки)

Рад (рад)

Рад в секунду

(рад/с)

Рад в секунду

(рад/с)

Бэр (бэр)

Бэр в секунду

(бэр/с)

1 Ки = 3,700

Бк

1 рад = 0,01 Гр

1 рад/с = 0,01 Гр/с

1 рад/с =

0,01

Гр/с

1 бэр = 0,01 Зв

1 бэр/с = 0,01 Зв/с

Множители и приставки для образования десятичных, кратных и дольных

единиц и их символы

Множи-

тель

При-

ставка

Символ

Множи-

тель

При-

ставка

Символ

Множи-

тель

При-

ставка

между-

народный

русский

Множи-

тель

При-

ставка

между-

народный

русский

экса

-18

атто

а а

IO'

пета

P П

10"

фемто f

тера

T T

IO'

пико

гига G Г IO"

нано п

мега M

IO"

микро

кило к к IO"

МИЛЛИ т M

гекто

г IO"

санти

дека da

да

IO"

деци

1.2. Определения физических величин

Поглощенная доза ионизирующего излучения D — отношение средней

энергии d\V, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном

объеме, к массе dm вещества в этом объеме

D = dW j dm.

Единица поглощенной дозы в СИ грей (Гр). I Гр соответствует поглощению

1 Дж энергии любого вида ионизирующего излучения в 1 кг облученного

вещества.

Внесистемная единица поглощенной дозы — рад. Рад соответствует по-

глощению 100 эрг энергии любого вида ионизирующего излучения' в 1 г

облучаемого вещества. Таким образом, 1 Гр=1 Дж/кг=100 рад. От поглощен-

ной дозы фотонов в воздухе D

air

к поглощенной дозе в биологической ткани

lis

можно перейти, используя соотношение

tis

= г D

air

. (1.1)

Множитель

1,09 ±0,02, (1.2)

где ц,„ и массовый коэффициент поглощения энергии в биологической

ткани и воздухе соответственно, м

/кг.

Коэффициент качества к определяет зависимость неблагоприятных био-

логических последствий облучений человека в малых дозах от линейной

потери энергии (ЛПЭ) излучения и представляет собой регламентированные

значения относительной биологической эффективности излучения (ОБЭ), уста-

новленные для контроля степени радиационной опасности при хроническом

облучении.

Под ОБЭ излучения понимается отношение поглощенной дозы образцового

рентгеновского излучения с граничной энергией 200 кэВ к поглощенной дозе

данного рассматриваемого вида радиации, вызывающих одинаковый биоло-

гический эффект. Для образцового излучения к= 1. Средний коэффициент

качества к для фотонов, электронов, Р-излучения и позитронов равен 1;

протонов с энергией меньше 1 МэВ—10; нейтронов с энергией меньше

20 кэВ 3; нейтронов с энергией

0,1

—10 МэВ —10; а-частиц с энергией

меньше 10 МэВ и тяжелых ядер отдачи—20.

Эквивалентная доза ионизирующего излучения H — произведение поглощен-

ной дозы D излучения в биологической ткани на средний коэффициент

качества к этого излучения в данной биологической ткани

H=Dk. (1.3)

Единица эквивалентной дозы в СИ зиверт (Зв), во внесистемных единицах

бэр, 1 Зв = 100 бэр.

Поскольку для фотонов к

—

1, из формул (1.1)—(1.3) следует, что для

этого вида излучения

H= D

lis

= 1,09£>

о(г

. (1.4)

Эквивалентная доза Н, Зв, связана с экспозиционной дозой X. P соотношением

# = 0,95

•

10 "

Экспозиционная доза фотонного излучения (экспозиционная ^оза) X-

отношение суммарного заряда dQ всех ионов одного знака, созданных

в воздухе, когда все электроны и позитроны, освобожденные фотонами

в элементарном объеме воздуха с массой dm, полностью остановлены

в воздухе, к массе воздуха в указанном объеме '

X=dQ/dm.

Единица экспозиционной дозы в СИ—кулон на килограмм (Кл/кг). Внесистем-

ная единица экспозиционной дозы — рентген (P). 1 Кл/кг = 3,88

•

Р,

1 Р = 2,58

•

10~

Кл/кг.

Ввиду нецелочисленного соотношения между Кл/кг и Р, а также постепен-

ного отказа от практического использования экспозиционной дозы и перехода

к поглощенной дозе признано целесообразным для экспозиционной дозы X

и мощности экспозиционной дозы X сохранить только внесистемную единицу

и не пользоваться СИ.

Гамма-постоянная радионуклида Г — мощность экспозиционной дозы, со-

здаваемая фотонным излучением точечного изотропно-излучающего источника

активностью JS

=I мКи на расстоянии I см от него без начальной фильтрации.

Гамма-постоянная Г, P

•

см

/(ч

•

мКи), рассчитывается по формуле

3,7

•

£ Ein

\х

„.

J ,602

•

10 "

•

3600

Г = =194,5У E

enm

, (1.5)

4я87,3 t '

где 3,7-IO

число распадов в секунду, соответствующее активности

^=I мКи;

— энергия, МэВ/фотон; л,—фотонный выход, фотон/расп.;

Цеп.

т—массовый коэффициент истинного поглощения энергии в воздухе, см

/г;

1,602-10~

— энергетический эквивалент, эрг/МэВ; 3600 -число секунд в I ч;

87,3—энергетический эквивалент 1 рентгена в воздухе, эрг/(г-Р).

Керма К -отношение суммы первоначальных кинетических энергий dW

всех заряженных ионизирующих частиц, образовавшихся под действием

косвенно ионизирующего излучения в элементарном объеме вещества, к массе

dm вещества в этом объеме

K=dW

/dm.

Единица кермы в СИ -грей (Гр), во внесистемных единицах рад.

1 Гр=100 рад.

Керма-постоянная нуклида Г

—мощность воздушной кермы, создаваемой

фотонным излучением точечного изотропного излучающего источника актив-