«Д. Ким, Л. А. Геращенко Радиационная экология Учебное пособие Братск Издательство Братского государственного университета 2010 УДК 630.81 Ким Д., Геращенко Л. А. Радиационная экология : учеб. пособие. – Братск : ГОУ ВПО ...»

Министерство образования и науки РФ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Братский государственный университет»

Д. Ким, Л. А. Геращенко

Радиационная

экология

Учебное пособие

Братск

Издательство Братского государственного университета

2010

УДК 630.81

Ким Д., Геращенко Л. А. Радиационная экология : учеб. пособие. – Братск : ГОУ ВПО «БрГУ», 2010. – 213 с.

В пособии изложены современные проблемы радиационной безопасности и экологии. Дана подробная информация об источниках ионизирующих излучений и их свойствах, единицах измерения радиоактивности и дозах облучения, о действии ионизирующего излучения на человека и биогеоценоз, о взаимодействии заряженных частиц и гамма-излучения с веществом. Рассмотрены вероятные последствия радиационных воздействий на разных уровнях – от клеток и организмов до экосистем, методы экологического и санитарного контроля радиационных воздействий и защиты, а также основы профилактики изменений в метаболизме биоценозов.

Охарактеризованы типы ядерных реакторов и ядерный топливный цикл.

Описаны задачи дозиметрии, классификация дозиметрических приборов, правила взятия проб для радиометрии. Особое внимание уделено радиоэкологическим проблемам ядерной энергетики.

Пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности 013100 «Экология», а также по различным техническим и гуманитарным специальностям. Может быть рекомендовано всем интересующимся вопросами и проблемами радиации.

Рецензент: В. К. Воронов, д-р хим. наук, профессор Иркутского государственного университета, Заслуженный деятель науки РФ Печатается по решению редакционно-издательского совета ГОУ ВПО «БрГУ», Введение Радиоактивное загрязнение биосферы является сегодня одним из важнейших видов негативного воздействия человека на окружающую среду (ОС). Оно может быть вызвано испытаниями ядерного оружия, ядерными взрывами и утечками радиоактивных компонентов в результате аварий на предприятиях по производству и обогащению ядерного топлива и захоронению ядерных отходов, при транспортировке ядерных материалов, добыче радиоактивных руд и т. д.

Радиационная обстановка на земле за последние 60–70 лет подвергалась значительным изменениям. Если к началу Второй мировой войны во всех странах мира имелось около 10–12 г радия, то в наши дни один ядерный реактор средней мощности производит 10 т искусственных радиоактивных веществ. После выработки ядерного топлива реакторами АЭС (атомная электростанция) остаются сотни тонн радиоактивных отходов, требующих утилизации. Радиоактивные вещества и источники ионизирующего излучения (ИИ) используются во всех отраслях промышленности, в здравоохранении и науке. Все это существенно изменяет естественную природную среду нашей планеты.

В ходе ядерных испытаний, осуществлявшихся в течение последних 50 лет, на Земле происходило накопление радиоактивности, и в биосферу было выброшено около 13 т продуктов деления радиоактивных веществ. Испытания ядерного оружия в атмосфере привели к тому, что радиоактивное загрязнение на поверхности Земли превысило естественный фон на 2 %, изменив равновесное содержание в атмосфере C14 на 2,6 %, трития – почти в 100 раз. Губительное влияние на окружающую среду оказали техногенные аварии. Например, в 1957 г. во время Кыштымской аварии из хранилища была выброшена смесь радионуклидов общей активностью 20 млн Ки, а авария на Чернобыльской АЭС привела к выбросу радиоактивных веществ в атмосферу массой в 77 кг, в биосферу – 1, т и к загрязнению почв общей площадью 207,5 тыс. км2, в том числе в России – 59,30, Беларуси – 43,5 и в Украине – 37,63 тыс. км2.

В результате техногенных аварий на дно Мирового океана легли несколько подводных лодок с ядерными реакторами и боеголовками. Кроме того, с целью захоронения многие страны (США, Россия, Франция, Англия и другие) сбрасывали контейнеры с РАО в океаны и моря.

Мониторинг экологических последствий радиационных аварий выявил высокую радиочувствительность лесов, миграцию радионуклидов в лесных экосистемах, действие ИИ на лесной биогеоценоз. Установлено также, что долгоживущие радионуклиды Cs137, Sr90 включаются в биологический круговорот веществ и могут накапливаться в лесной растительности, при этом радиационная обстановка в лесах изменяется крайне медленно, так как самоочищение лесов происходит только за счет радиоактивного распада.

Данное пособие ориентировано на студентов, обучающихся по специальности «Экология». В нем представлены сведения об источниках ИИ, дозах облучения, единицах измерения радиоактивности, закономерностях радиоактивного загрязнения и радиационного поражения биогеоценоза, радиобиологическом воздействии облучения на человека и экосистему, а также о правовом режиме природопользования на загрязненных территориях. Кроме того, рассмотрены защитные меры, включающие организацию и проведение радиационного контроля; соблюдение санитарных норм на содержание радионуклидов; решение проблем с РАО (т. е. утилизация, транспортировка, захоронение и т. д.) и другие вопросы ядерной энергетики.

Во втором и в третьем разделах пособия приведены краткие характеристики атомного ядра, сведения о радиоактивности и видах ионизирующих излучений, а также о распределении радионуклидов в экосистемах.

Дозы излучений, единицы измерения радиоактивности, нормы радиационной безопасности, расчет индивидуальных доз облучения, воздействие радиации на ткани живого организма и человека – основные вопросы четвертого раздела.

Методы радиационного контроля, задачи дозиметрии, дозиметрические приборы и их назначение даны в пятом разделе.

В шестом и седьмом описаны устройства и типы ядерных реакторов и атомной электростанции, добыча и переработка ядерного топлива, переработка и захоронение ядерных отходов.

Проблемам ядерной энергетики, трансмутации и уничтожению ядерных отходов с помощью электроядерных установок посвящен восьмой раздел.

В девятом даны санитарные правила работы с радиоактивными веществами и сведения о противорадиационной защите.

В отличие от имеющихся пособий по радиационной экологии в настоящем издании предусмотрены некоторые задачи по радиоэкологии.

Содержание книги соответствует ГОСТу специальности «Экология» и является обобщением курсов лекций по радиационной экологии, концепциям современного естествознания, общему курсу физики, прочитанных авторами для студентов различных специальностей Братского государственного университета в течение ряда лет.

Авторы будут признательны всем за использование материала и учтут в дальнейшем замечания по данному пособию, а также выражают благодарность И. Д. Ким и О. Ю. Черепановой за большую помощь при подготовке рукописи к печати.

1. ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ РАДИОЭКОЛОГИИ

Радиоэкология – наука, изучающая закономерности накопления и миграции радионуклидов в биосфере и экосистеме и действие их на биоценозы.

В прикладном плане радиоэкология обосновывает принципы эффективного радиационного и экологически безопасного ведения жизнедеятельности человека на территориях, подвергающихся радиационному загрязнению.

Развитие радиоэкологии связано:

• с проведением ядерных испытаний, сопровождающихся выпадением продуктов мгновенного деления, включающихся в биологический круговорот с участием животных, растений и человека;

• интенсивным развитием ядерной энергетики;

• использованием радиационных технологий в различных областях промышленности;

• последствием радиационных аварий и глобальных катастроф (на примере Чернобыльской АЭС).

Из всех видов антропогенного загрязнения окружающей среды (ОС): химического, биологического, электромагнитного и инфразвукового, вибрационного, шумового, теплового загрязнения синтетическими веществами и другого – радиационное остается самым загадочным и сложным для восприятия и понимания в силу следующих причин:

1) сложные физические и химические процессы, происходящие на уровне атома или молекулы;

2) своеобразные многочисленные единицы измерения радиоактивности;

3) неустоявшиеся критерии и нормы воздействия на население и окружающую среду;

4) неопределенность последствий облучения организма малыми дозами и проч.

Во многом загадочность радиоактивного загрязнения, его воздействия на человека и среду обитания объясняется тем, что на протяжении многих десятилетий оно оставалось государственным секретом во всех странах, и только в 1989 году, после Чернобыльской аварии, впервые гриф секретности был снят.

Радиационное загрязнение биосферы является одним из важнейших видов воздействия человека на ОС. Оно может быть вызвано испытанием ядерного оружия – ядерными взрывами; утечкой в результате аварий на предприятиях по производству и обогащению ядерного топлива, при транспортировке ядерных материалов, на предприятиях по захоронению ядерных отходов, при добыче радиоактивных руд.

Быстрое развитие ядерной энергетики и широкое внедрение источников ионизирующего излучения (ИИ) в различных областях науки, техники и народного хозяйства создали потенциальную угрозу радиоактивной опасности для человека и загрязнения ОС радиоактивными веществами. Для проведения оценки этой опасности необходимо четкое представление о масштабах загрязнений ОС, о реальных механизмах действия радиации, последствиях и существенных мерах защиты.

Поэтому основными задачами радиоэкологии являются:

• исследование путей распространения радиоактивных • воздействие радиации на биосистему;

• исследование длительного воздействия на живые организмы малых доз радиации и прогнозирование отдаленных последствий;

• изучение выживания и адаптации биоценоза в условиях хронического облучения радиацией;

• радиоэкологический мониторинг – наблюдение за изменением состояния окружающей среды под действием радиации;

• решение проблем с захоронением, транспортировкой и утилизацией радиоактивных отходов;

• вопросы защиты от ионизирующих излучений, контроля объектов и оповещения населения о повышенной радиационной опасности заряженных местностей;

• решение экологических проблем ядерной энергетики и

2. ВИДЫ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

2.1. Состав и характеристики атомного ядра Из истории физики известно, что впервые атомное ядро было открыто Резерфордом в 1911 году в результате наблюдения над рассеянием альфа-частицы (сокращенно -частица). Атомное ядро представляет собой центральную массивную часть атома, состоящую из протонов и нейтронов, называемых нуклонами. В ядре сосредоточена вся масса атома 99,95 %, размер ядра составляет порядка ~ 1015 1014 м.

Протон был открыт Резерфордом в 1919 году. Масса протона (р) равна 1,67210–27 кг. Так как значение массы протона очень мал, в атомной физике вместо единиц измерения в килограммах (кг) используют внесистемные единицы измерения, такие как мегаэлектрон-вольт (МэВ) – энергетическая характеристика – и атомные единицы масс (а.е.м.). Одна а.е.м. равна массе изотопа углерода 6 C12, деленная на 12, т. е. 1 а.е.м. = C = 1,6582 1027 кг.

В электрон-вольтах 1 а.е.м. составляет 931,44 МэВ.

Масса протона в а.е.м., эВ составляет mp = 1,67210–27 кг = = 1,007 28 а.е.м. = 938,3 МэВ. Заряд протона q p = 1,6 1019 Кл.

Кулон (Кл) – единица измерения электрического заряда. Протон – стабильная частица, время ее жизни более 1036 лет.

Проекция момента импульса где h – постоянная Планка.

Магнитный момент где µ я = – ядерный магнитный магнетон, где е – элементарm p ный заряд; R p 1015 м – радиус протона.

Другая составная частица ядра – нейтрон (n) – открыт в 1932 г.

английским физиком Чедвиком.

Масса нейтрона mn = 939,6 МэВ. Заряд qn = 0. Магнитный момент µn =1,91 µя. Время жизни 15 мин.

Нейтрон – нестабильная частица, ее распад происходит по схеме n p + e +, где р – протон, е – электрон, – антинейтрино.

Одной из важнейших характеристик атомного ядра является Z – зарядовое число, определяющее количество протонов (p) в ядре, порядковый номер химического элемента в таблице Менделеева и заряд ядра в относительных единицах. Заряд ядра находят по формуле qя = Zе.

Массовое число (А) определяет число протонов и нейтронов (n) в ядре и массу ядра в атомных единицах масс.

Таким образом, чтобы установить число нейтронов в ядре используют формулу N = A Z.

Символически любое атомное ядро обозначается Z X A.

Например, атомное ядро кислорода 8 О16, внизу слева цифра «8»

показывает число протонов в ядре и порядковый номер в таблице Менделеева, а «16» – число протонов и нейтронов в ядре.

Ядра с одинаковым массовым числом называют изобарами.

Например, ядра аргона и кобальта ( 18 Ar 40, 20 Co 40 ) имеют одинаковые массовые числа А = 40.

Ядра с одинаковым зарядовым числом Z, но разными массовыми числами A называют изотопами. Например, изотопы ядер кислорода ( 8 O16, 8 O17, 8 O18 ) имеют одинаковое зарядовое число Z = 8 и разные массовые числа А = 16; 17; 18 соответственно.

Ядра с одинаковым числом нейтронов называются изотонами. Например, ядра углерода и азота ( 6 C13, 7 N14 ) имеют одинаковое число нейтронов N = 7.

Ядра с одинаковыми A и Z, но различающиеся периодом полураспада называются изомерами. Например, радиоактивные ядра брома ( 35 Br 80 ) различаются тем, что одни ядра распадаются через 18 минут, а другие – через 4,4 часа.

Совокупность ядер, идентичных по своему составу, называют нуклидами. В настоящее время их насчитывается около 2000, из них ~ 1/5 часть – устойчивы, остальные – неустойчивы. В природе встречаются химические элементы с зарядовым числом Z от 1 до 92. Исключением является химический элемент технеций (Тс) с Z = 43, который получен искусственным путем. Химические элементы с зарядовым числом от 93 до 118 также получены искусственно. Радиус любого атомного ядра, см, определяют по формуле Rя = 1,3 1013 A 3.

2.2. Естественная и искусственная радиоактивность Радиоактивностью называют самопроизвольное превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотопы другого элемента, сопровождающееся испусканием некоторых частиц. Ядра, подверженные распаду, называют радиоактивными, не подверженные – стабильными.

В процессе распада у ядра могут измениться массовое (А) и зарядовое (Z) числа:

где ai – некоторые частицы, вылетающие в процессе распада.

Необходимым и не всегда достаточным условием радиоактивного распада является его энергетическая выгодность, то есть масса радиоактивного материнского ядра должна быть больше суммы масс дочернего ядра и частиц, вылетающих при распаде, распад возможен при mx > m y + mi или энерговыделение характеризуi ется энергией распада:

где масса частиц берется в а.е.м.

Всякий радиоактивный процесс, протекающий при Q > 0, называется экзотермическим, а при Q < 0 – эндотермическими.

Различают естественную и искусственную радиоактивность. Между ними не существует различий. Не все нестабильные ядра являются радиоактивными. На практике к радиоактивным относятся ядра, время жизни которых может быть измерено современными радиотехническими средствами ( 1018 с до 1025 лет ).

Радиоактивность – процесс статистический: одинаковые ядра распадаются за различное время (протекает изомерный процесс).

Естественная радиоактивность – радиоактивность, наблюдающаяся у существующих в природе неустойчивых изотопов.

Искусственная радиоактивность – радиоактивность, наблюдающаяся у изотопов, полученных в результате ядерных реакций. Искусственное радиоактивное ядро может быть получено путем бомбардировки стабильных ядер частицами. Например, – радиоактивное ядро 6 C14 получается при бомбардировке нейтроном ядра 7 N14, т. е. 7 N14 + 0 n1 6 C14 + 1 p1 + Q ; 6 C14 7 N14.

Существуют различные типы радиоактивности (табл. 2.1).

Примечание. Е – сильное взаимодействие; W – слабое взаимодействие; S – электромагнитное взаимодействие.

В 1984 году Джонс и Роуз открыли C14 – радиоактивность, т. е. испускание C14 ядрами Ra, а в 1987 году открыт спонтанный распад других ядер с вылетом тяжелых фрагментов, т. е. кластерная радиоактивность с испусканием Ne 24 и Mg 28.

Правила сдвига зарядового и массового чисел позволяют сгруппировать все радиоактивные элементы в четыре больших семейства (или радиоактивные ряды):

1) ториевое 90Th 232 T1 = 1, 4 1010 лет (12 превращений и ) При самопроизвольном радиоактивном распаде интенсивность распада со временем уменьшается. Это связано с тем, что с течением времени уменьшается первоначальное число радиоактивных ядер.

Этот закон основывается на двух предположениях:

1) постоянная распада не зависит от внешних условий;

2) число ядер, распадающихся за определенное время, пропорционально первоначальному числу ядер N0.

Тогда закон радиоактивного распада описывается формулой где – постоянная распада, с–1; N – число не распавшихся ядер в момент времени t.

Постоянная распада = – это доля от общего числа ядер, распадающихся за единицу времени.

Время, за которое распадается половина из общего числа число радиоактивных ядер уменьшается в е раз, называют временем релаксации, где е – основание натурального логарифма. Время релаксации связано с постоянной распада следующим соотношением: =.

Если происходит цепочка радиоактивных распадов и за время dt из общего числа материнских ядер (Nm) распадается dNm ядер, то есть dN m = N m m dt, и за то же время распадается dNg (дочерних ядер), т. е. dN g = N g g dt, то при радиоактивном равновесии выполняется следующее условие: dN m = dN g, или m N m = g N g, называемое вековым уравнением.

Так как T 1 ~, то вековое уравнение можно представить в следующем виде:

Используя вековое уравнение, можно рассчитать возраст Земли и другие характеристики.

Массу радиоактивных ядер определяют по формуле где А – атомная масса; µ – молярная масса; NА – число Авогадро.

Величина, равная числу распада ядер за единицу времени, называется активностью: a = Активность изменяется с течением времени по закону Периоды полураспада некоторых ядер, распространенных в экосистеме, следующие:

Sr 90 : T1 = 28,6 лет ; Ra226: T1/2=1620 лет;

Для практических занятий предусмотрены задачи в прил. 2, п. 1.

Ионизирующее излучение (ИИ) – поток частиц или электромагнитных квантов, взаимодействие которых с веществом приводит к ионизации его атомов и молекул. Таким излучением являются потоки электронов, позитронов, протонов, дейтонов, -частиц и других заряженных частиц, а также потоки нейтронов, рентгеновского и -излучения. Понятие ИИ не включает в себя видимый свет и УФ-излучение.

Различают корпускулярное излучение, состоящее из частиц с массой, отличной от нуля, и электромагнитное излучение (рентгеновское и -излучение). Эти виды излучения характеризуются количеством высвобождаемой энергии и обладают соответственно разной проникающей способностью, оказывая различное влияние на ткани организмов. Кроме того, характеристиками ИИ являются:

тип частиц; их энергия; направление распространения; интенсивность; энергетическое, пространственное и временное распределения.

В зависимости от состава излучения различают однородное и смешанное ИИ. Излучение, состоящие из частиц одного вида, является однородным, из двух и более видов – смешанным.

Моноэнергетическое ИИ создается частицами с одинаковой энергией. Если энергия частиц различна, излучение является немоноэнергетическим. Так, -излучение и тормозное излучение – примеры немоноэнергетического излучения. Примером моноэнергетического излучения может служить также вылет -частицы определенной энергии при распаде радионуклидов.

По характеру распространения в пространстве выделяют направленное и ненаправленное излучения. Если в рассматриваемую точку пространства излучение приходит только по одному направлению, то такое излучение является направленным. Излучение, приходящее в рассматриваемую точку по нескольким направлениям, называется ненаправленным. Вид ненаправленного излучения, не имеющего преимущественного направления распространения, принято называть изотропным. К направленному излучению относится, например, излучение точечного источника или пучка частиц из ускорителя, а к ненаправленному – рассеянное излучение.

При прохождении ИИ через вещество принято выделять две его составляющие: первичное и вторичное излучения.

Первичным называется излучение, состоящее из частиц, которые получены на ускорителе или из источников радиоактивного излучения.

Вторичным – излучение, образующеся при взаимодействии первичного излучения с веществом.

Для вторичного излучения характерны следующие особенности:

• интенсивность пропорциональна интенсивности первичного излучения;

• энергетическое и пространственное распределение частиц вторичного излучения не зависит от аналогичных характеристик первичного.

Примером вторичного излучения является тормозное излучение, образующееся при облучении мишени протонами.

ИИ в организме вызывает сложные физико-химические изменения и взаимодействия, модификацию важных молекул. Реакция на них может произойти немедленно или через десятилетия после облучения (гибель клеток, генетические аномалии, злокачественные опухоли и т. д.). Степень опасности радиационного воздействия зависит от типа излучения, величины энергии излучения, периода полураспада и от того, какая часть энергии излучения передастся тканям организма.

Космическое излучение складывается из частиц, захваченных магнитным полем Земли, галактического космического излучения и корпускулярного излучения Солнца. В состав его входят: электроны (е), протоны (р), -частицы и др.

Первичное космическое излучение (в основном это протоны – 91,3 % и альфа-частицы – 7 %) взаимодействует с атмосферой Земли, порождающей вторичное излучение. В результате на уровне моря образуется излучение, состоящее из мюонов, электронов и нейтронов. Поглощающая мощность дозы космического излучения на уровне моря 32 мГр/ч формируется в основном мюонами.

Для нейтронов мощность поглощающей способности составляет 0,8 нГр/ч, а мощность эквивалентной дозы – 2,4 мЗв/год. За счет космического излучения большинство населения получает дозу в год 0,35 Зв/год.

Солнечные вспышки представляют собой большую радиационную опасность во время космических полетов. Космическому внешнему облучению подвергается вся поверхность Земли. Интенсивность космического излучения зависит от солнечной активности, географического положения и высоты над уровнем моря.

Наиболее интенсивно оно на Северном и Южном полюсах, менее интенсивно – на экваторе. Причиной является магнитное поле Земли, которое отклоняет заряженные частицы космического излучения. Космические лучи, идущие от Солнца, в основном состоят из протонов и нейтронов и достигают Земли приблизительно через 15–20 минут после вспышки.

Величина дозы радиоактивного облучения, полученная человеком, зависит от географического местоположения, образа жизни, характера труда. Например, на высоте 8 км мощность эффективной дозы составляет 2 мкЗв/ч, при полете со скоростью звука – 50 мкЗв, что на 20 % больше, чем доза, получаемая пассажиром сверхзвукового самолета.

В результате ядерных реакций, происходящих в атмосфере, образуются радиоактивные ядра – космогенные радионуклиды ( H 3,Be7,C14, Na 22 ), которые поступают вместе с пищей в организм человека (табл. 2.2).

Среднегодовое поступление космогенных радионуклидов Радионуклид Поступление, Бк/год Взрослый человек потребляет с пищей 95 кг/год C14 при средней активности на единицу массы углерода 230 Бк/кг.

Суммарный вклад космических радионуклидов в индивидуальную дозу составляет 15 мкЗв/год.

2.4.2. Внешнее облучение от радионуклидов На Земле сохраняется 23 долгоживущих элемента с периодом полураспада от 107 лет и выше (табл. 2.3).

Ванадий V Индий In Самарий Sm Лютеций Lu В процессе радиоактивного распада U, Th, Ac 235 постепенно образуется 40 радиоактивных изотопов. Средняя эффективная эквивалентная доза внешнего облучения, которую человек получает за год от земных источников, составляет 0,35 мЗв.

Уровень земной радиации различен в разных местах.

Если человек находится в помещении, то доза внешнего облучения изменяется под влиянием двух факторов:

• экранирование внешнего облучения зданием;

• облучение за счет естественных радионуклидов, находящихся в материалах, из которых построено здание.

Первичные источники основных радионуклидов Порода литосферы Концентрация, пКи/г (Бк/г), радионуклидов Известняки 2,4 (0,888) 0,75 (0,0028) 0,19 (0,000019) Усредненные данные по литосфере зон колебаний (0,01–0,74) (0,007–0,054) (0,007–0,054) В зависимости от концентрации изотопов ( K 40, Ra 226,Th 232 ) в различных строительных материалах мощность дозы облучения в домах изменяется от 410–8 до 1210–8 Гр/ч. В среднем в кирпичных, каменных и бетонных зданиях она в два-три раза больше, чем в деревянных.

Первичным геологическим источником радионуклидов являются верхние слои литосферы (граниты, сланцы, песчаники и др.), постоянное преобразование которых под действием микрофлоры почв, воды, воздуха, перепадов температур ведет к миграции излучателей в почву, растительный и животный мир (табл. 2.4).

Ведущим радионуклидным фоном, определяющим радиоактивность экосистемы при миграции, является элемент K40 – серебристо-белый металл. Содержание радиоактивного калия (K40, K39, K41) составляет 0,0118 мас %. Удельная активность природного калия 810–10 Ки/г или 29,6 Бк/г. В земной коре содержание радионуклидов составляет 3 мас % (27 пкКи/г); в вулканических известковых породах – 5,1; в почвах – 3,1 мас %. В рационе питания человека содержание калия колеблется от 1,5 до 4,5 г/сут (от 0, до 3,6 нКи). Наибольшее содержание К40 в бобовых культурах – до 370 Бк/г, наименьшее – в зерновых – до 75 Бк/г. Содержание K и Ra226 в основных продуктах питания приведено в табл. 2.5, в организме человека – в табл. 2.6.

Содержание K40 и Ra226 в основных пищевых продуктах Хлеб:

Основными накопителями K40 в организме человека являются эритроциты, нервная ткань (головной мозг), мышечная ткань, печень, легкие, кости (см. табл. 2.6). Средняя мощность поглощенной дозы K40 составляет 170–190 мкГр (17–19 мрад/год).

Вторым распространенным в земной коре, почве и воде радиоактивным нуклидом является уран-239 (U239) c изотопами U235 и U234, которые встречаются в минералах. Содержание урана в земной почвенной коре ~1015 т (2,410–4 %), в морской воде – 1010 т (3,1310–7 %).

Фоновая удельная радиоактивность U в среде составляет 0, мКи. Суточное поступление урана в организм человека колеблется от 1 до 10 мкг, достигая 300 мкг в год. Содержание урана в мягких тканях 0,33–0,99 ФКи/г, а в костях 0,7–8,9 ФКи/г. Дозы излучений, полученные тканями, в среднем равны 8 мкГр/год (0,8 мрад/год).

Для практических занятий предусмотрены задачи в прил. 2, п. 1 и 3.

Средняя концентрация, г/кг (числитель), и активность, Бк/кг (знаменатель), K40 в организме человека 2.4.3. Внутреннее облучение от радионуклидов В организме человека постоянно присутствуют радионуклиды земного происхождения, поступающие через органы дыхания и пищеварения. Наибольший вклад вносят K 40, Rb87 и нуклиды от распада U 238,Th 232 :

Средняя доза облучения за счет радионуклидов земного происхождения составляет 1,35 мЗв/год. Наибольший вклад (примерно 3/4 годовой дозы) дает тяжелый газ радон (Rn) и продукты его распада. Поступив в организм при вдохе, он вызывает облучение слизистых тканей легких. Большую часть дозы облучения от радона человек получает, находясь в закрытом непроветриваемом помещении. Причем концентрация радона в закрытом помещении в 8 раз выше, чем в воздухе за пределами этого помещения. Источниками радона являются строительные материалы, такие как гранит, пемза, кальций-силикатный, шлак и др. Источниками поступления радона в жилые помещения является вода и природный газ.

Средняя годовая эффективная эквивалентная доза (мкЗв) внутреннего облучения у элементов соответственно составляет:

K 40 – 180 мкЗв; Po 210 – 130 мкЗв; Rn 222 – 900 мкЗв; Ra 226 – 13 мкЗв; Rn 220 – 170 мкЗв; Rb87 – 6 мкЗв.

Мощность излучения различных источников Rn (кБк/сут) следующая:

природный газ вода наружный воздух _ строительные материалы и грунты В разных странах доля домов, внутри которых концентрация Rn и его ядерных продуктов равна 103–104 Бк/см3, составляет приблизительно 0,01–0,10 %. Значительное число людей подвергается заметному облучению из-за высокой концентрации Rn внутри домов. Распад радиоактивного инертного газа (Rn) завершается образованием радиоактивных изотопов Po210, Pb210, которые поступают в организм человека как с аэрозолями воздуха, так и с продуктами питания – от 1 до 10 пКи/сут. В теле человека содержится от 100 до 400 пКи (0,37–1,48 Бк) Po210 столько же Pb210. В организм курильщика с дымом табака дополнительно поступает до 80 мКи изотопов в год.

Содержание С14 в биосфере велико – 8,51018 Бк, при этом в атмосфере – 1,6 %; в почве – 4 %; в верхних слоях океана – 2,2 %;

в глубинных слоях – 92 %, в донных отложениях – 0,2%. В организм человека С14 поступает с пищей и водой – 99 % и с воздухом – менее 1 %. Коэффициент усвояемости углерода равен единице.

Среднеудельная активность органических структур составляет 230 Бк/кг.

Кроме того, в организм человека поступает радиоактивный радий (Ra) – блестящий серебристый металл, быстро реагирующий с воздухом и водой. Радиоактивность Ra в осадочных и вулканических породах, в подпочвенных слоях земной коры колеблется от 0,5 до 1,3 пКи/г. Удельная активность большинства почв равна 1 пКи/г (10–10 масс в %), питьевой воды – от 0,01 до 6,0 пКи/г; воды океана – 0,007 пКи/г. Отмечено наибольшее содержание Ra, поступающее в организм человека с продуктами питания, в пКи/год:

с куриными яйцами – 91, с картофелем – до 110, с мясом птицы – 15.

В качестве удобрения в сельском хозяйстве ежегодно используется несколько десятков миллионов тонн фосфатов. Большинство разработанных в настоящее время фосфорных месторождений содержат U, и в высоких концентрациях. Содержащиеся в удобрениях радиоизотопы проникают из почвы в пищевые продукты и приводят к повышенной радиоактивности молока и др. Следовательно, эффективная доза от внутреннего облучения за счет естественных источников составляет 1,35 мЗв/год, что в среднем в два раза превышает дозу внешнего облучения (0,65). Суммарная доза внешнего и внутреннего облучения от естественных источников радиации составляет приблизительно 2 мЗв/год, а для отдельных контингентов населения она может быть более высокой.

2.4.4. Радиация от источников, созданных человеком В результате деятельности человека во внешней среде появляются искусственные радионуклиды и источники излучения.

В природную среду стали поступать в больших количествах естественные радионуклиды, извлекаемые из недр Земли вместе с углем, газом, нефтью, минеральными удобрениями, строительными материалами (табл. 2.7). Сюда относятся геотермические электростанции, создающие в среднем выброс 41014 Бк Rn 222 на 1 ГВт вырабатываемой энергии, фосфорные удобрения, содержащие Ra 226, U 238 до 70 Бк/кг и 400 Бк/кг в фосфате. Состав излучателей, входящих в фосфатные удобрения и участвующих в формировании дополнительных лучевых нагрузок на экосистему, приведен в табл. 2.8.

Ежегодное потребление фосфатных удобрений составляет 13106 т. Наибольшую радиационную агрессивность имеют фосфат аммония и фосфоритная мука, активность которых превышает 50 Бк/кг (табл. 2.9).

Среднегодовые дозы, полученные от различных источников излучения, естественного радиационного фона (мБэр/год) составляют:

природный радиационный фон _ строительные материалы атомная энергетика 0, медицинские исследования ядерные испытания 2, полеты в самолетах 0, бытовые предметы _ телевизоры и ЭВМ/мониторы 0, Удельная активность Ra 226 и Th 232 в строительных материалах и внешние лучевые нагрузки внутри жилья Вид строительного нове квасцовых глинистых сланцев (гравий, галька, щебень) родного гипса Среднегодовое воздействие доз на население Уголь, сжигаемый в жилых домах и на теплоэлектростанциях, содержит естественные радионуклиды: K 40, Th 232, U 238. Официально содержание радионуклидов в угле принято равным для K 40 – 50 Бк/кг; U 238 – 20 Бк/кг; Th 232 – 10 Бк/кг. В реальных топливах концентрация излучателей достигает 320–520 Бк/кг (по урану).

На планете ежегодно сжигается 3,7109 т угля, это примерно 0,02 % естественных лучевых нагрузок на население планеты в целом, преимущественно на жителей городов. Сжигание углеводородных топлив дополняет аэрозольный состав воздуха в городах С14 и K 40.

Содержание естественных радионуклидов концентрат (0,42) (0,39) (0,29) (0,02) (0,074) Значительное радиационное воздействие на экосистему оказывают металлургические предприятия (табл. 2.10).

Годовой выброс радиоактивных веществ в воздух гидрометаллургическим заводом с хвостохранилищем В последние несколько десятилетий человек создал несколько новых радионуклидов и начал использовать их в научных исследованиях, технике, медицинских исследованиях, что естественно увеличило и дозу излучения.

Иногда облучение за счет источников, создаваемых человеком, бывает в тысячи раз интенсивнее, чем от источников природных. В настоящее время на первом месте стоит внешнее радиационное облучение, получаемое человеком при диагностике и лечении.

В развитых странах на каждую тысячу населения приходится от 300 до 900 обследований в год, не считая массовой флюорографии и рентгенологического обследования зубов. Для исследования различных процессов, протекающих в организме человека, и для диагностики опухолей используют радионуклиды, вводимые внутрь организма. В промышленно развитых странах проводится приблизительно 10–40 обследований на один миллион жителей.

Следовательно, коллективная эффективная эквивалентная доза, например в Австралии, составляет приблизительно 20 чел.Зв на один миллион жителей, в США – 150. Средняя эквивалентная эффективная доза, получаемая от всех источников облучения в медицине, в промышленно развитых странах равна приблизительно 1 мЗв/год на каждого человека.

Испытания ядерного оружия, которые особенно интенсивно проводились в 1954–1958 и 1961–1962 годах, стали одной из основных причин повышения радиоактивного фона Земли и естественно вызвали глобальное повышение доз внешнего и внутреннего облучения человека.

С начала испытаний до 1990 г. в США, СССР, Франции, Англии, Китае было проведено 2060 ядерных испытаний в атмосфере, под водой и в недрах земли, из них 501 – в атмосфере.

В СССР испытания в атмосфере были завершены в 1961 году, подземные взрывы в 1989 году, в Семипалатинске, а на Северном полигоне – в 1990 году. До сих пор проводит испытания Франция.

Во второй половине ХХ века от ядерных испытаний во внешнюю среду поступило 1,811021 Бк продуктов ядерного деления. Из них 99,84 % приходится на долю испытаний в атмосфере.

Продукты ядерного деления представляют собой сложную смесь – более 200 радиоактивных изотопов из 36 элементов.

Более активны короткоживущие радионуклиды. Так, через 7, 49 и 343 суток после взрыва активность продуктов ядерного деления (ПЯД) снижается соответственно в 10, 100 и 1000 раз по сравнению с активностью через час после взрыва. Кроме ПЯД, радиоактивное загрязнение обусловлено радионуклидами наведенной активности (Н3, С14, Al28, Na24, Mn56, Fe59, Co60 и другими). При ядерном взрыве значительная доля атмосферных осадков (50 %) выпадает вблизи районов испытаний. Часть радиоактивных веществ задерживается в нижней области атмосферы и под действием ветра перемещается на большие расстояния, постепенно приблизительно в течение месяца выпадая в виде осадков на землю.

Большая часть радионуклидов выбрасывается в стратосферу (h = 10–15 км) и рассеивается в ней, так же затем выпадая на Землю с осадками.

Годовые дозы облучения населения коррелируют с частотой испытаний. Так, в 1963 г. коллективная среднегодовая доза, связанная с ядерными испытаниями, составила приблизительно 7 % дозы облучения от естественных источников. К 1966 г. она снизилась до 2 %, а к началу 80-х годов – до 1 %. Суммарная ожидаемая коллективная эффективная доза облучения от всех испытаний, произведенных к настоящему времени, в будущем составит 3107 Зв-чел. К 1980 г. человечество получило примерно лишь 12 % от нее. Радионуклиды, внесшие основной вклад в суммарную дозу облучения, представлены в табл. 2.11 и 2.12.

Суммарная доза облучения основных радионуклидов Элемент Период полураспада Вклад в общую дозу, % Сведения об испытаниях ядерного оружия в атмосфере и вызванных ими образованиях различных радионуклидов Выход некоторых продуктов деления при ядерном взрыве Основными долгоживущими радионуклидами ядерно-энергетического происхождения, загрязняющими среду, являются Сs137, Sr90, а также Pu239, Pu240. Уровни накопления Sr90, Сs137, мКи/км (Бк/м2), в почве Северного полушария вследствие выпадений из атмосферы составляют:

Данные о содержании Сs137 в продуктах питания Цезий (CsI37) – блестящий золотистый мягкий металл, бурно взаимодействующий (взрываясь) с кислородом и водой, по химическим свойствам близкий к калию. Содержание стабильного изотопа Cs133 в среде крайне незначительно (310–6 % – в земной коре, костной ткани человека и животных; 310–8 % – в морской воде). До становления ядерной энергетики радиоактивный изотоп в среде отсутствовал полностью. Естественных биологических функций не несет.

Сs1З7 имеет наибольшее радиационно-экологическое значение.

Суммарный выброс этого изотопа от АЭС мира в 2000 г. составил 22,21019 Бк (6,0109 Ки) в год (во время аварии на ЧАЭС – 22,91020 Ки). Он образуется при делении ядер урана, плутония в ядерных реакторах, при ядерных взрывах; используется (вьщеляясь из осколочных продуктов АЭС) как -излучатель в медицине, металлургии, сельском хозяйстве; в настоящее время (в незначительных количествах) обнаруживается во всех объектах внешней среды.

Изотопы цезия при любом поступлении в организм полностью (коэффициент резорбции 100 %) включаются в метаболизм, конкурируя с калием, в том числе и K40. Скорость миграции изотопа в организме в 25 раз меньше, что при более жестком -излучении ведет к формированию больших (по сравнению с K40) микролокальных (мембранных) лучевых нагрузок при несколько ином (смещенном в сторону ионизации) характере поглощения энергии.

В организме, в отличие от естественного аналога миграции продуктов распада, они накапливаются до предела насыщения, превышающего величину ежедневного поступления в 30 раз. Содержание цезия в организме жителей с современной фоновой загрязненностью среды составляет 0,4–0,5 Бк/кг.

Стронций (Sr90) – серебристый кальциеподобный металл, покрытый оксидной оболочкой; он плохо вступает в реакции, включаясь в метаболизм экосистем по мере формирования сложных Са–Fе–А1–Sг-комплексов. Естественное содержание стабильного изотопа в почве, костных тканях, среде достигает 3,710–2 %; в морской воде, мышечных тканях – 7,610–4 %. Его биологические функции не выявлены; он нетоксичен, может замещать кальций.

Радиоактивный изотоп в среде отсутствует. Источники поступления стронция в среду те же, что и цезия. Содержание радионуклида от ядерно-энергетических источников в почвах и последующих звеньях миграции соответствует содержанию Cs137.

Поступление стронция в организм зависит от степени и характера включенности метаболита в почвенные органические структуры и продукты питания и колеблется от 5 до 30 % (больший процент характерен для детского организма). Независимо от пути поступления излучатель накапливается в скелете (в мягких тканях задерживается не более 1 %). Выводится крайне плохо, что ведет к постоянному накоплению дозы при длительном (хроническом) действии на организм. В отличие от естественных -активных аналогов (уран, торий и др.) стронций является эффективным -излучателем, что меняет спектр радиационных воздействий, в том числе на гонады, эндокринные железы, красный костный и головной мозг. Накапливаемые дозы (фон) колеблются в тех же пределах, что и от поступления цезия (до 0,210–6 мкКи/г в костях при дозах порядка 4,510–2 м3в/год).

Плутоний (Рu239 (240)) – серебристый белый металл, образующий твердые нерастворимые оксиды; относится к редкоземельным элементам; в активный состав среды не входит. Характер миграции в среде не исследован, но, по всей вероятности, сходен с миграцией естественного (редкоземельного) аналога – актинида тория. Как и торий, является -, -, -излучателем с энергетическими характеристиками спектра, близкими к естественному аналогу. Используется как компактный источник энергии, ядерное топливо, в производстве ядерных вооружений. На долю плутония приходится не более 1 % от содержащихся в среде радионуклидов ядерного происхождения. До 10 % плутония может переходить в водорастворимые формы, мигрируя в последующем по биологическим цепочкам. Характер миграции, накопления и распределения его в организме тот же, что и тория.

Близки по спектру излучений, физическим характеристикам радионуклиды нептуний Nр212-2З5, америций Am237-242, кюрий Сm238-250 – белые серебристые металлы, в природе не встречающиеся. Они относятся к разряду трансурановых элементов актиноидов;

подвержены воздействию воздуха, воды, но не щелочей; благодаря образованию оксидных пленок на воздухе устойчивы; стабильных изотопов в составе среды не обнаружено; являются -, -, -излучателями при средней энергии -излучения порядка 5 МэВ/(Бкс).

Изотопы получают в ядерном реакторе как побочные продукты образования (и получения) плутония. Выход в среду от аварий на АЭС крайне незначителен. В организм из желудочно-кишечного тракта всасываются крайне плохо. Характер миграции в среде не исследован. Местом депонирования является скелет. При накоплении в организме наиболее вероятно повреждение красного костного мозга, печени, почек. В отличие от нептуния и кюрия, америций хорошо растворим и более подвижен в экосистемах и организме.

Йод (I1З1(129)) – неметалл черного с блеском цвета. Легко возгоняется (летуч). По последним данным I129 образуется в литосфере при спонтанном делении урана. Расчетная концентрация его составляет 10–14 г на 1 г стабильного йода (I127). Содержание (по стабильному йоду): 0,1410–4 % – в почве и 0,04910–4 % – в океане.

Биологически активен. Этот микроэлемент обязателен для синтеза гормонов щитовидной железы. Необходимое поступление с пищей – 0,1…0,2 мг (0,1…0,2)10–16 мг/Ки естественного радиоактивного йода). Основным антропогенным изотопом является I131, образующийся при ядерных взрывах, эксплуатации АЭС, авариях реакторов. Йод активно включается в экологические цепочки миграции.

Суммарные накопленные дозы, сформировавшиеся после проведения открытых ядерных испытаний, составляют 48010–2 мкГр.

Выброс в среду при нормальной эксплуатации АЭС колеблется в пределах 5–400 Бк/(Втгод). При поступлении радионуклида в организм через желудочно-кишечный тракт (основной путь) всасывается 100 % изотопа с последующим скоплением его в щитовидной железе (особенно у детей) превышая дозы для взрослого в 2… раз. Продолжительность радиоактивности среды (организма) после однократного загрязнения (проникновения в организм) составляет не более 1,5 месяца.

Атмосфера является мощным акцептором техногенных радиоактивных газоаэрозольных выбросов.

При ядерном взрыве объем образовавшегося облака составляет примерно 100 км3 при взрыве мощностью 20 кт тротилового эквивалента и 5000 км3 при 1 Мт тротилового эквивалента. От (при минимальной мощности взрыва) до 90 % (при максимальной) радиоактивных продуктов деления попадает в стратосферу, остальное – в тропосферу.

При попадании радиоактивных аэрозолей в тропосферу происходит их глобальное «размывание» и перемещение потоком воздушных масс с большой скоростью, преимущественно по географическим параллелям от мест взрыва. Так, продукты ядерных испытаний, прошедших 07.03.1955 в штате Невада (США), в значительных количествах выпали 12.03.1955 в Ленинградской области. После взрыва в Сахаре 13.02.1966 продукты деления были обнаружены 17.02.1966 в Крыму. Аналогично распространялись радионуклиды после чернобыльской аварии.

Основная часть загрязнений тропосферы выпадает с осадками в ближайшие дни-недели от момента взрыва в результате вовлечения аэрозолей в процессы формирования облаков. Незначительная часть радионуклидов сорбируется аэрозолями воздуха и коагулируется с последующим «сухим» выпадением частиц. Скорость очищения тропосферы подчиняется экспоненциальному закону с периодом полуочищения 20-40 суток.

Состав радионуклидов ядерного происхождения за время циркуляции в стратосфере меняется. Короткоживущие радионуклиды (наибольшая часть взрыва) распадаются, оставляя место цезийстронциевым источникам глобального малоинтенсивного загрязнения среды. Переход стратосферных радионуклидов в тропосферу с последующим осаждением происходит преимущественно на широте 25–30° в обоих полушариях с максимумом в Северном.

Наибольшая часть выпадений (стратосфера – тропосфера – земная поверхность) смещается на широту 40–50°. Динамика глобальных выпадений меняется в течение года, максимум приходится на весну и начало лета (I и II кварталы – в северном и IV – в южном полушариях).

Наибольшую опасность в качестве потенциальных источников загрязнения атмосферы представляют предприятия по переработке ядерного топлива. Отходы этих предприятий содержат значительное количество долгоживущих радиоактивных веществ, в том числе радионуклиды, которые могут беспрепятственно поступать во внешнюю среду. К ним, в частности, относятся тритий (Н3) и криптон (Kr85), образующиеся при обработке ТВЭЛов (тепловыделяющие элементы). Опыт эксплуатации заводов по переработке ядерного топлива показал, что с выбросами этих предприятий в атмосферу поступают Н3, С14, Кr85, I129, I131, Ru106, Cs134, Cs137, радиоактивные актиниды.

Особого внимания в плане загрязнения атмосферы заслуживает радиоактивный криптон. На заводах по переработке ядерного топлива образуется около 400 Ки Kr85 (14,81012 Бк) на 1 МВт (электроэнергии) в год. Доза на гонады от Kr85 на расстоянии 1–100 км от завода крайне незначительна и составляет 210– чел·рад (210–8 чел.Гр) на 1 Ки (3,71010 Бк), или 0,0007 чел.рад (710–6 чел.Гр) на 1 МВт (электроэнергии) в год.

Вместе с тем именно эта химически инертная и безопасная в радиационном отношении составляющая выбросов является агрессивной по отношению к физическим экосистемным функциям атмосферы вследствие ее мощного вклада в ионизацию воздушной среды и трансформации нормального распределения этого процесса в разных слоях атмосферы.

Второй, аналогичный, приземный слой атмосферы формируется благодаря реакциям ионообразования в непосредственной близости от поверхности Земли под действием радиации от естественныx радионуклидов, преимущественно радона. При взаимодействии с этим газом над морем образуется до 12103 пар ионов в 1 м3 воздуха в секунду и до 5106 пар ионов – над сушей. Образование ионов в приземных слоях играет, очевидно, существенную антибактериальную (противоэпидемическую) функцию в биоценозах.

Распределение антропогенного источника ионизации атмосферы резко отличается от естественного. Практически весь образующийся Kr85 выбрасывается в атмосферу в Северном полушарии.

Это приводит к некоторой неравномерности его распределения в атмосфере земного шара. Концентрация Kr85 в Южном полушарии в 1,3–1,4 раза ниже, чем в Северном. По высоте Kr85 распределяется практически равномерно вплоть до 20–25 км над уровнем моря. В настоящее время концентрация Kr85 в атмосфере составляет 3 нКи/м3 воздуха независимо от высоты над уровнем моря. Равномерное (по высоте) распределение криптона (-активного излучателя с энергией -частиц 0,25 МэВ и энергией -квантов 0,514 МэВ, с периодом полураспада 10,7 лет) в атмосфере может привести к неблагоприятным экологическим последствиям.

Другим критическим радионуклидом, удаляемым в атмосферу в основном с выбросами заводов по переработке ядерного топлива, является тритий. Около 75 % трития выбрасывается в атмосферный воздух, что соответствует 19 Ки (70,31010 Бк) Н3 в год на 1 МВт электроэнергии. При этом 1,2 Ки (4,41010 Бк) поступает с выбросами из реакторов, а 16 Ки (59,21010 Бк) – от заводов по переработке ТВЭЛов. Расчетная коллективная доза облучения населения крайне невелика и составляет 210–2 чел.Зв на 1 МВт в год. Явные экологические изменения от присутствия трития в среде не прогнозируются.

Почва является начальным звеном обмена экосистем. Ее функциональное состояние определяет эффективность преобразования радиационной энергии в биологические структуры. Действующим началом пусковых преобразований в почве является ее сапрофитная микрофлора первичного синтеза (продуценты) и первичного потребления (консументы), разрушающая отмершие биологические субстраты до органических мономеров, легко вступающих в повторные циклы синтеза биологического вещества.

Синтез происходит с использованием воды, диоксида углерода, кислорода, азота, фосфора, энергоемких макроэлементов (Si, AL, К, Na, Са, Р, S), микроэлементов (Сu, Мo, I, В, Р, РЬ и др.), радионуклидов фона, с постепенным вовлечением в обмен минералов горных пород. Процесс чрезвычайно многосложен, взаимосбалансирован, «отработан» на притяжении миллионов лет и имеет крайне незначительные резервы устойчивости: почвенный слой 1,5–2,0 см формируется не менее 100 лет при нормальном состоянии среды. В разрыхлении почв, формировании капилляров, подобных каналам тока ее активного компонента, водного почвенного раствора (осуществляющего перенос химических, в том числе и радиоактивных, веществ), почвенных пор, заполненных воздухом, богатым углекислотой и радоном, участвуют корневая система растительности, черви, насекомые. Уровни организации, а следовательно, и радиочувствительности активных биологических начал почв чрезвычайно различны.

Радионуклиды, отложившиеся на поверхности почв, под действием разных факторов могут перемещаться в любом направлении. Причиной «горизонтального» перемещения свежевыпавших радионуклидов может быть поверхностный сток после сильного дождя, отложившихся в снегу за зиму – смыв талыми водами.

Установлено, что Sr90, мигрирующий с талыми водами, почти полностью (82–100 %) находится в катионной форме.

«Вертикальная миграция» радионуклидов по профилю почвы может быть следствием механического переноса частиц, на которых сорбированы радионуклиды, а также собственного перемещения в виде свободных ионов. На обрабатываемых сельскохозяйственных почвах радионуклиды сравнительно равномерно распределяются в пределах пахотного слоя. Некоторый механический перенос их с поверхности в глубь почвы возможен вследствие разрыхления ее дождевыми червями и землероющими животными.

Установлено, что основными излучателями, формирующими почвенную радиоактивность, величина и характер которой зависят от радиационной емкости почв, являются Sr90 и Cs137. Суммарная радиационная (сорбционная) емкость почв колеблется от одного до нескольких десятков миллиграмм-эквивалентов радия на 100 г почвы, что в сотни тысяч раз превосходит реальные сформировавшиеся величины активности почв радиоактивных территорий, максимально загрязненных от аварий на ЧАЭС и ПО «Маяк».

Функционально связаны с сорбционными процессами почв скорость проникновения радионуклидов в прикорневую глубину и последующее включение в экосистемные цепи миграции. Скорость процесса (после загрязнения среды) определяется прочностью связи излучателей с твердой фазой почв, скоростью диссоциации и последующего ионного перемещения радионуклида, зависящей от химических свойств излучателя и его соединений.

В миграцию существенные коррекции вносит рельеф местности (горизонтальное перемещение с талыми и дождевыми водами с последующим большим накоплением в низинах), а также механическая (глубокая вспашка) переработка почвы, ведущая к ускоренному перемещению радионуклидов в подкорневую глубину и исключению фактора радиационной опасности из активной миграции в экосистемах. Долгосрочное сохранение радионуклидов в прикорневой глубине, на необрабатываемых землях (луга, лесная подстилка), включение их в почвенный метаболизм ведут к их накоплению через концентрацию в травах, листве, с последующим неоднократным повторным включением (через гниение опада) в почвенные процессы. Так, при максимальном их накоплении на глубине 5–10 см (до 135 Бк/кг для Sr90 и 158 Бк/кг для Cs в почвах Якутии) радиоактивность наземного опада составляет 149 и 244 Бк/кг соответственно. Радиоактивность верхних слоев почв при этом незначительна, порядка 20–30 Бк/кг (Л. Н. Михайловская и др., 1995).

Все животные и растения обладают способностью избирательно и интенсивно накапливать рассеянные в экосистемах в ничтожных концентрациях микроэлементы, к конкурентам которых (в том числе и по характеру биологических функций) относятся долгоживущие радиоактивные загрязнители среды.

Коэффициенты накопления (отношение радиоактивности радионуклида в составе среды к его радиоактивности в организме) колеблются от нескольких единиц до десятков тысяч. Высокие коэффициенты приводят к тому, что концентрация излучателей в биомассе загрязненных биоценозов становится более высокой по сравнению с радиоактивностью среды (что ведет к неадекватной оценке радиационного риска при простом санитарном анализе событий).

Мощный процесс избирательной биогенной концентрации рассеянных излучателей наиболее интенсивен в первые годы от момента выпадения радиоактивных осадков. Радионуклиды в этот период представляют собой новейшие·для среды, легко диссоциирующие соединения, не вкрапленные, как это происходит в последующем, в кристаллические решетки глинистых минералов (процесс старения элементов).

Наиболее доступен для корневых систем растительности, особенно в первые годы после загрязнения среды, стронций. Старение радионуклида происходит медленно. Через 12 лет после внесения в почву более 95 % его остается в обменной кальцийподобной форме.

Цезий, судя по коэффициентам накопления в почвах, по разным источникам, относится либо к сильно, либо к слабо накапливаемой группе элементов. Очевидно, это связано с временем оценки процесса миграции от момента загрязнения среды и соответственно со степенью минеральной фиксации (кристаллизации) изотопа. В экспериментах и наблюдениях по миграции изотопа (почва – вода – растительность) выявлено его преимущественное накопление в неорганической фазе почв (коэффициент накопления 0,25), но при высоком содержании излучателя в биомассе (8000– 9000).

Переход радионуклида в растительность во многом зависит от характера почв и особенностей минерального обмена растений. Результаты исследований Всероссийского НИИ сельскохозяйственной радиологии по метаболизму основных радионуклидов в почвах территорий, пострадавших от аварии на Чернобыльской АЭС, указывают на аутоэкосистемную «дезактивацию» сельскохозяйственных культур, произрастающих на черноземах (табл. 2.15).

Коэффициенты перехода (КП) Sr90 и Сs1З7 в сельскохозяйственные культуры, произрастающие на радиоактивных территориях после аварии на Чернобыльской АЭС (1995 г.) Зерновые (рожь, пшеница) Поступление обоих радионуклидов в биомассу продукции здесь в 10–15 раз ниже по сравнению с дерново-подзолистыми супесчаными почвами, более распространенными на территориях пострадавших областей. Наибольшее количество радионуклидов накапливается в бобовых культурах и гречихе.

Дальнейшая миграция радионуклидов «почва – растительность – животные – человек» ведет к их кумуляции при максимальном накоплении в теле человека (табл. 2.16).

Значительная часть радионуклидов первичного загрязнения среды смывается с загрязненных поверхностей и с талыми, а также дождевыми водами поступает в открытые и, частично, в грунтовые воды. Источниками постоянных (незначительных) загрязнений являются АЭС, строящиеся, как правило, на берегах водоемов – рек, озер, морей: в ядерно-энергетических установках для охлаждения реакторов используются большие объемы воды, в которые попадают радиоактивные продукты коррозии и незначительная часть радиоактивных отходов. В целом в водную среду Земли (водная площадь которой составляет 2/3 всей ее поверхности) поступает до 80 % антропогенных радиоактивных загрязнений, превращая ее в наиболее мощное депо не только естественных, но и искусственных радионуклидов. Сток радионуклидов в водоемы зависит от скорости их взаимодействия с почвами. Период полуочищения стока Sr90 из почв в водоемы равен 2,4 года, а Сs137 – в 10 раз меньше по сравнению со стронцием.

Миграция радиоактивности по пищевой цепочке (данные Брянского областного Центра Госсанэпиднадзора, 1995 г.) Радиоактивность Радиоактивность тела человека среды, ных жинакопле- населения) населения) населения) Ки/км2 вотных Поступающие на водную поверхность и в верхние ее слои радиоактивные вещества первоначально содержатся в верхних горизонтах морей, постепенно мигрируя вниз. На глубине 700 м содержание стронция составляет 20–30 % от его концентрации в поверхностных слоях моря. Содержание радионуклидов Sr и Cs137 в открытых морях выше по сравнению с океаном. Например, фоновая активность радионуклидов в Балтийском море в 6– раз выше, чем в Атлантическом океане на тех же широтах.

В прибрежных водах вертикальные перемещения радионуклидов с последующим накоплением в донных отложениях протекают со значительно большей скоростью по сравнению с открытым океаном. Основные причины различий следующие:

• сорбция и осаждение радионуклидов массивными крупнодисперсными стоками, поступающими в прибрежные воды;

• большая биологическая и биохимическая активность биогенной и литогенной взвеси, легко поднимающейся во время шторма со дна прибрежных вод с последующим захватом радионуклидов и осаждением;

• большое количество и громадная биологическая активность биогенной массы прибрежных мест мелководья, эстурации рек, лагун.

Наибольшая концентрация радионуклидов обнаруживается в биомассе гидробионтов и особенно в планктоне. Включение Cs-, Sr-излучателей в метаболизм водных биот во многом зависит от степени минерализации воды. С ее увеличением скорость и величина захвата радиоактивности снижаются. Так, содержание Sr в костях рыб Балтийского моря в 5 раз выше по сравнению с рыбами Атлантики. Наибольшее содержание радионуклидов обнаруживается в биомассе пресноводных.

Гидробионты поглощают радионуклиды непосредственно из воды и по пищевым цепям. Наиболее мощное поглощение происходит в верхних слоях воды и осуществляется ее обязательными биологическими составляющими – планктоном и нектоном. Большая суммарная биомасса фито-, зоопланктона прибрежных морей, наибольший коэффициент накопления радионуклидов (10 000 и более) и наибольшая скорость экосистемного обмена ставят данный вид биологической дезактивации водной среды на первое место по эффективности. До 90–99 % радионуклидов по этой цепи миграции уходят в донные отложения.

Коэффициент накопления снижается по мере перехода к более высоким трофическим уровням (до 360 – у зоопланктона, до 33 – у рыб). Значительную роль в миграции играет изотоп Fe55. Его накопление у зоопланктона в 670 раз выше по сравнению с накоплением стабильного железа. Пресноводные микроорганизмы, являясь основным начальным звеном водной миграции, более активно поглощают радионуклиды. При этом слабые концентрации излучателей стимулируют активность и сорбционную способность биомассы. Такие особенности, прослеживаемые и в дальнейших звеньях обмена, ведут к более эффективному очищению пресных водоемов по сравнению с морскими при прочих равных условиях.

Время полуочищения (протекающего, как и радиоактивный распад, по экспоненте) непроточных вод, озер средней полосы от Cs90 и Sr137 составляет 10–20 лет. В реках процесс идет значительно быстрее, усиливаясь стоком загрязненных вод в океан.

Коэффициенты накопления радионуклидов в грунте дна пресных водоемов невелики, превышая активность воды в 5–10 раз;

в биомассе высших водных растений этот коэффициент составляет 200–1000; в планктоне – до 1000 (в среднем); в иловых отложениях – 400–4000.

По общему характеру распределения радионуклиды подразделяются на четыре группы:

• гидротропные, остающиеся в относительно высоких • равномерно распределяющиеся в воде, грунте, биомассе;

• педотропные, преимущественно накапливающиеся • биотропные, накапливающиеся в биомассе.

Основные современные загрязнители среды – цезий, преимущественно накапливающийся в грунте и стронций, относительно равномерно распределяющийся между водой, грунтом, биомассой.

Поведение радионуклидов в подземных водах резко отличается от их миграции в почве и открытых водоемах. Радиационные емкости этих водоисточников существенно разнятся в зависимости от путей и гидрогеологических условий поступления радионуклидов в подземные воды, а также от характера гидродинамики (движения) воды, дренирования подземных вод и их химического состава. Такая многофакторность процесса обусловливает разнообразие поведения радионуклидов в этих водоемах.

Наиболее подвержены радиоактивному загрязнению ненапорные грунтовые воды, имеющие непосредственную связь с атмосферными осадками и открытыми водоемами. Вместе с тем большинство почв, особенно глинистых, является мощным барьером для проникновения загрязнений в грунтовые воды. Исследования показали, что через 40 лет после загрязнения поверхности Земли Sr90 на глубину 1 м относительное содержание радионуклида, проникающего через делювиальные глины, составит 410–3, а через 100 лет – 810–4 от начальной концентрации радионуклида.

Напорные (артезианские) водоисточники, не питающиеся непосредственно от осадков и пополняющиеся за счет медленной нисходящей фильтрации подземных вод, радиоактивному загрязнению не подвержены.

2.5.4. Радионуклиды в продуктах питания Загрязняющие внешнюю среду радионуклиды способны включаться в качестве «чужеродных веществ» в «пищевую цепь» и вместе с продуктами питания попадать в организм человека. Источники таких радионуклидов приведены на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Источники поступления радионуклидов В регионах со средним уровнем естественной радиации поступление U238 за год в организм человека с продуктами питания оценивается, по данным из Японии, Англии и США, примерно величиной 5 Бк, что превышает таковые с воздухом и питьевой водой. Аналогичная зависимость наблюдается в Англии и нашей стране в отношении Ra226. Годовое поступление этого изотопа с пищей достигает 15 Бк, что в 1000 и более раз превышает его поступление с воздухом. Основным поставщиком в организм человека долгоживущих продуктов распада Rn222 (Pb210 и Pо210) также являются продукты питания. Концентрации этих изотопов в молоке и мясе обычно невелики, в хлебопродуктах и овощах – умеренные, в рыбе и других обитателях морской среды – относительно высокие. Годовые их поступления в организм связаны с характером питания и колеблются от 20–30 Бк в США и Англии, до 40 Бк – в Германии, России, Индии, Италии и до 200 Бк – в Японии. Особенно велики они (до 140 Бк Pb210 и 1400 Бк Pо210) в арктических и субарктических регионах у населения, употребляющего в пищу в качестве основного продукта питания мясо северных и канадских оленей, питающихся в зимний период лишайниками, накапливающими в своем составе эти изотопы.

Также в основном с пищей растительного и животного происхождения в организм человека поступают Th232 и Ra228. Другие естественные радионуклиды интереса не представляют вследствие их небольших количеств.

Перечисленные естественные радионуклиды могут попадать в продукты питания в результате применения фосфорсодержащих минеральных удобрений и за счет высокого уровня их содержания в фосфатных породах – исходном материале для их получения.

Значительно более важным с экологической и гигиенической точек зрения представляется загрязнение окружающей среды в результате строительства и эксплуатации ядерных реакторов и использования радиоактивных изотопов в других отраслях народнoгo хозяйства, а также захоронения твердых и жидких отходов таких производств. В этих случаях в окружающую среду, а следовательно, и в продукты питания может попасть большое количество самых разнообразных искусственных радионуклидов (Bе7, Мn54, Fe59, Co60, Sr91, Tc99, Ru103, 105 и 106, Ag108 и 110, Te123, Cs134 и 137, Ce139, 141 и 144, Ba140, La140, Ta182) и, самое главное, ряд изотопов с большим периодом полураспада: С14 (5730 лет), I129 (16 млн лет) и др.

Поступление их в окружающую среду приводит к загрязнению ими рыбы и других морепродуктов. По данным Хупта (1985), радиоактивность рыбы (треска, камбала, палтус, сельдь) может достигать 690–750 Бк/кг (суммарно по -излучению), 23–28 Бк/кг (по Cs134), 570–590 Бк/кг (по Cs137). Еще более загрязненными являются морские животные, имеющие раковину или панцирь. В них концентрация активности превышает аналогичную у рыбы, выловленной в тех же местах, в 7–10 (омары и крабы соответственно) и даже в 90 раз (береговые моллюски).

Наиболее серьезные изменения в окружающей среде были отмечены в период испытаний в атмосфере или на поверхности Земли ядерного оружия и при серьезных авариях на ядерных предприятиях.

Что касается концентрации I131 и Cs137 в пищевых продуктах, то первые недели после аварии на ЧАЭС в отдельных регионах Румынии, Швейцарии, Греции, Болгарии, областях Украины, Белоруссии и России загрязнение молочных продуктов достигало 28–44 Бк/кг, тогда как в странах Западной Европы (Бельгия, Франция, Ирландии, Великобритания) оно не превышало 0,6–4,4 Бк/кг, а в странах Северной Европы, Азии и Северной Америки было еще ниже (0,1–0,8 Бк/кг). Уровень загрязнения зелени был несколько выше, достигая в отдельных регионах 150–210 Бк/кг (Греция, Югославия).

Широкий круг продуктов питания подвержен загрязнению Cs137. Из-за различий в источниках пищи, потребляемой животными, выявлена более низкая концентрация Cs137 в свинине и мясе домашней птицы, а более высокая – в говядине, баранине и дичи.

В некоторых продуктах – оленине, грибах, озерной рыбе, потребляемых большинством людей в малых количествах, концентрация Cs137 была значительно выше приведенных значений. Так, в Швеции в мясе оленей она достигала 10 кБк/кг. В грибах на территории Германии – несколько ниже, но изменялась в широких пределах в зависимости от видов грибов: от 250 Бк/кг в моховиках до 100 Бк/кг в белых грибах и еще меньше в шампиньонах. В пресноводной озерной рыбе концентрация Cs137 составила от 300 Бк/кг (Германия) до многих тысяч Бк/кг (Швеция). В организме морских рыб Cs137 аккумулируется в очень малых количествах.

1. Назовите основные характеристики атомного ядра.

2. Что называется радиоактивностью? Сформулируйте закон радиоактивного излучения.

3. Перечислите виды ионизирующего излучения.

4. Что такое космическое излучение?

5. Какие радионуклиды земного происхождения относятся к внешнему облучению?

6. Какие радионуклиды земного происхождения относятся к внутреннему облучению?

7. Назовите источники радиации, созданные человеком.

8. Перечислите виды испытаний ядерного оружия и их последствия.

9. Как изменяется распределение ПЯД с течением времени?

10. Опишите поведение радионуклидов в атмосфере.

11. Почему особого внимания заслуживают изотопы H3 и Kr85?

12. Опишите поведение радионуклидов в почве.

13. От чего зависит миграция радионуклидов на земле?

14. Чем отличается горизонтальная миграция радионуклидов от вертикальной?

15. Что называется коэффициентом накопления и от чего он зависит?

16. Расскажите о коэффициентах перехода элементов Sr90 и Cs137, содержащихся в сельхозкультурах, произрастающих на радиоактивных территориях.

17. Опишите распределение Sr90 и Cs137 в растениях и почвах.

18. Каково поведение радионуклидов в воде?

19. В чем особенность поведения радионуклидов, имеющихся в воде, по отношению к почвам и атмосфере?

20. В чем состоит отличие распределения радионуклидов в сточных, грунтовых водах, озерах, реках, морях и океанах?

21. Как меняется концентрация радионуклидов в морях по вертикали?

22. От чего зависит радиационная емкость и скорость миграции радионуклидов в водах?

23. Опишите поведение радионуклидов в продуктах питания.

24. Какие основные радионуклиды и каким образом поступают в организм человека?

25. Какие продукты подвержены наибольшей концентрации в них Sr90 и Cs137?

26. Опишите допустимые уровни содержания Sr90и Cs137 в продуктах питания по СНиПу.

3. ПОГЛОЩЕНИЕ И РАССЕЯНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ

3.1. Прохождение тяжелых ядерных заряженных частиц Различные виды радиации по-разному взаимодействуют с веществом в зависимости от типа испускаемых частиц, их заряда, массы и энергии. Заряженные частицы возбуждают и ионизируют атомы вещества. Нейтроны и -кванты, сталкиваясь с электронами и ядром атомов в веществе, передают им свою энергию и ионизируют их. В случае -квантов возможно также рождение электронпозитронных пар. Вторичные заряженные частицы – электроны, протоны, -частицы, возникающие при взаимодействии с атомами вещества, вызывают, тормозясь в нем, вторичную ионизацию атомов. Воздействие излучения на вещество на промежуточном этапе приводит к образованию быстрых заряженных частиц и ионов. Радиационные повреждения вызываются в основном этими вторичными частицами, так как они взаимодействуют с бльшим количеством атомов, чем частицы первичного излучения. В конечном итоге энергия первичной частицы трансформируется в кинетическую энергию вторичных заряженных частиц большого количества атомов вещества и приводит к его разогреву и ионизации. Процесс потери частицей энергии в результате ионизации атомом вещества называют ионизационным торможением.

Тяжелые заряженные частицы – протоны и альфа-частицы взаимодействуют с электронами атомных оболочек, вызывая ионизацию атомов. Максимальная энергия, которая может быть передана в одном акте взаимодействия тяжелой частицей, движущейся со скоростью v mec где А и Z – массовое и зарядовое числа; – плотность вещества;

I – потенциал ионизации; Ee – кинетическая энергия электрона;

V – скорость электрона; n – концентрация атомов вещества.

Радиационные потери происходят, когда электроны в веществе движутся с ускорением. Причины, вызывающие ускоренное движение электронов, следующие:

• частицы тормозятся, двигаясь по прямой траектории;

• частицы движутся по криволинейной траектории (например, в магнитном поле);

• частицы движутся в оптически плотной среде со скоростью больше фазовой.

По этим же причинам появляются тормозное, синхротронное и черенковское излучения, которые приводят к радиационным потерям энергии электронами.

При разных энергиях -квантов соотношение между двумя механизмами торможения электронов, ионизационным и радиационным, меняется.

Область энергии условно делят на две: когда ионизационные потери ниже радиационных и наоборот. На границе между ними вводят понятие критической энергии. Критической энергией Екр, МэВ, называется энергия, при которой ионизационные и радиационные потери равны (табл. 3.3).

Для твердых веществ Для газов:

Соотношение между радиационными и ионизационными потерями энергии составляет где Е – энергия электрона, МэВ; Z –зарядовое число.

Характеристиками ионизационного торможения являются радиационная длина (L) (табл. 3.3) и радиационная толщина (L0).

Критические энергии Екр и радиационные длины Lr Вещество Критическая энергия Eкр, МэВ Радиационная длина Lr, см При столкновении с атомными электронами и ядрами электроны из-за малой массы значительно отклоняются от первоначальной траектории движения и двигаются по извилистой траектории. Поэтому для электронов вводится понятие эффективного пробега, определяемого минимальной толщиной вещества и измеряемого в направлении исходящей скорости пучка, соответствующей полному поглощению электронов.

Радиационной длиной L, см, называется расстояние, на котором энергия электрона в результате потерь на излучение уменьшается в е раз. Его определяют по формуле где re = 2,8210–13 cм – классический радиус электрона; = 1/137 – постоянная тонкой структуры; Z – зарядовое число; n = ;– плотность вещества; N0 = 6,021023 – число Авогадро; А – атомный вес.

Радиационная толщина определяется формулой:

Тогда пробег R, см, определяется формулой где – плотность вещества.

При энергии Ее электронов выше критической, то есть Ее > Екр, радиационные потери преобладают над ионизационными, то есть dx рад dx ион радиационные потери в Fe и Pb превышают ионизационные соответственно в 3 и 10 раз. В области Е, в которой радиационные потери преобладают над ионизационными, Ее убывает по экспоненте по закону где Е – энергия электрона после прохождения длины вещества x;

L – радиационная длина (потери); Е0 – начальная энергия.

Радиационные потери можно найти по формуле:

где L – радиационная длина.

Пробег электронов в веществе. Средним пробегом электронов в веществе называется минимальная толщина слоя вещества, в котором задерживаются все электроны (табл. 3.4). Известны эмпирические формулы для оценки пробега электронов в алюминии:

Эффективный пробег электронов в веществе с Z и A связан с эффективным пробегом в Al:

Эффективные пробеги электронов в зависимости от Ee, см Вещество Прохождение позитронов в веществе описывается теми же соотношениями, что и для электронов. Дополнительно надо учесть эффекты аннигиляции электронов и позитронов, т. е. налет позитронов с электронами вещества (e + e + = 2 ).

3.3. Прохождение нейтронов через вещество Взаимодействие нейтронов с веществом происходит в основном благодаря их взаимодействию с атомными ядрами в результате следующих механизмов:

• упругого рассеяния;

• неупругого рассеяния;

Из-за отсутствия заряда электромагнитное взаимодействие нейтрона с атомными электронами практически равно нулю. Поэтому при прохождении через вещество нейтроны в основном испытывают столкновения с ядрами атомов. В ядерной физике вероятность взаимодействия определяется эффективным сечением [барн = 10–24 см–2], которое зависит от энергии нейтронов. Чем больше эта энергия, тем меньше сечение.

Эффективные сечения взаимодействия нейтронов с электронами атомов малы по сравнению с сечением взаимодействия заряженной частицы с атомами. Так, при прохождении нейтронов через вещество могут проявиться два вида их взаимодействия с ядрами этого вещества. В результате соударения нейтронов с ядрами возможно, во-первых, упругое и неупругое рассеяние нейтронов и, вовторых, возникновение ядерных реакций типа ( n, ), ( n, ), ( n, p ), ( n,2n ) и деление тяжелых ядер. В зависимости от энергии нейтронов преобладают те или иные виды их взаимодействия с веществом. Поэтому по уровню энергии нейтроны делятся на группы:

• холодные с энергией 0,025 эВ (Е < 0,025);

• промежуточные с энергией 0,05 эВ 1 кэВ ;

• сверхбыстрые: Е > 100 МэВ.

Нейтроны первых трех групп называются медленными.

Для холодных и тепловых нейтронов реакция захвата нейтронов ядрами поглощающего вещества, которая называется радиационным захватом, то есть ( n, ), имеет вид Для промежуточных нейтронов процессом взаимодействия с веществом является упругое рассеяние.

Для быстрых нейтронов характерны упругое и неупругое рассеяния и ядерные реакции.

Если поглощающееся вещество состоит из легких ядер, например из D – дейтерия, T – трития, Li – лития, Be – бериллия, C – углерода, N – азота, то нейтроны могут передавать практически всю свою энергию в результате одного столкновения, если столкновение лобовое. Поэтому после прохождения вещества из-за поглощения и рассеяния нейтронов ядрами этого вещества поток нейтронов уменьшается по закону где I 0, I – плотности потока до и после прохождения слоя вещества х; N – число ядер в единичном объеме вещества; N – полное сечение взаимодействия нейтронов с веществом; = N – линейный коэффициент ослабления потока нейтронов в веществе (см–1).

Величина = называется длиной свободного пробега нейтронов в веществе (табл. 3.5); a – средняя длина пробега – это расстояние, при прохождении которого плотность потока нейтронов из-за поглощения уменьшается в e раз. Плотность потока нейтронов N(R) на расстоянии R от источника, испускающего N нейтронов в единицу времени, определяется соотношением Длина свободного пробега быстрых нейтронов в веществах Материал Быстрые нейтроны наиболее эффективно замедляются веществами с легкими ядрами. К ним относятся вода, парафин, бетон, пластмассы и другие водородосодержащие вещества.

Для эффективного поглощения тепловых нейтронов используют материалы, обладающие большим сечением захвата (это материалы с бором и кадмием): борную соль, борный графит, сплав Cd со свинцом и др.

В лабораторных условиях для защиты от быстрых нейтронов используют комбинированную защиту (из парафина, воды, Cd, B и свинца).

3.4. Взаимодействие -излучения с веществом Рентгеновское и -излучение относятся к электромагнитному излучению, свойства их зависят от частоты. Они не различаются между собой, если их частоты совпадают. Поэтому в дальнейшем будем рассматривать особенности взаимодействия -квантов с веществом.

Так, -лучи относятся к сильнопроникающему излучению в веществе. Проходя через него, -кванты взаимодействуют с атомными электронами и ядрами, в результате чего их интенсивность уменьшается. Если энергия -квантов составляет до 10 МэВ, то существенными процессами являются фотоэффект, эффект Комптона и образование электрон-позитронных пар (рис. 3.2). При энергии -квантов больше 10 МэВ процесс переходит порог фотоядерных реакций, и в результате взаимодействия -квантов с ядрами становятся возможными реакции типа (, p ), (, ). При фотоядерных реакциях нужно учитывать ионизацию атомов вторичными заряженными частицами – протонами (p) и -частицами. При фотоэффекте (рис. 3.2, а) атом поглощает -квант и высвобождает электрон. Энергетическое соотношение при этом имеет вид где E – энергия первичного фотона; Ei – энергия связи электрона в атоме; Ee – кинетическая энергия вылетевшего фотоэлектрона.

Переход менее связанных электронов на вакантные уровни сопровождается выделением энергии, которая может передаваться одному из электронов верхних оболочек атома, что приводит к его вылету из атома (эффект Оже), или может трансформироваться в энергию характеристического рентгеновского излучения. Фотоэффект имеет место тогда, когда энергия -кванта больше энергии связи электрона в оболочке атома.

Рис. 3.2. Схема взаимодествия -кванта с электронами атома:

Линейный коэффициент фотопоглощения можно записать в виде:

где 0 – линейный коэффициент, связанный преобразованием первичной энергии фотона в кинетическую энергию электрона; s – линейный коэффициент, связанный преобразованием первичной энергии фотона в энергию характеристического излучения. Линейный коэффициент фотопоглощения также определяется формулой С увеличением энергии квантов фотоэффект отходит на задний план, уступая место эффекту Комптона (рис. 3.2, б). При комптоновском эффекте часть энергии -кванта преобразуется в кинетическую энергию электронов отдачи, а другую часть уносит рассеянный -квант.

Линейный коэффициент комптоновского взаимодействия равен где k – линейный коэффициент, обусловленный преобразованием первичной энергии -кванта в энергию отдачи электрона; s – линейный коэффициент, обусловленный рассеянием -кванта.

Линейный коэффициент комптоновского взаимодействия также определяется формулой Следует сказать, что -квант с большой энергией (больше 1,02 МэВ) в поле тяжелого ядра может образовать электронпозитронную пару (рис. 3.2, в). Вся энергия -кванта преобразуется в энергию покоя электрона и позитрона и их кинетические энергии, то есть Линейный коэффициент эффекта образования пар определяют по формуле Полный линейный коэффициент взаимодействия -квантов с веществом равен Тогда ослабление интенсивности падающего на вещество пучка -квантов в зависимости от толщины слоя вещества описывается соотношением Полный линейный коэффициент зависит от плотности вещества, Z и E, то есть µ = µ(, Z, E ).

С увеличением энергии -квантов µ сначала уменьшается, принимая минимальное значение, а затем увеличивается. Такой ход кривой объясняется тем, что при низких энергиях преобладают фотоэффект и комптоновский эффект, а при высоких основной вклад в коэффициент µ дает эффект образования пар (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Зависимость µ ослабления от энергии -квантов в Pb Для свинца, то есть для тяжелых элементов, -кванты с энергией около 3 МэВ становятся прозрачными.

В ядерной физике вместо линейного коэффициента используют массовый коэффициент, который равен Если точечный -источник помещен в однородное вещество, то интенсивность изменяется по закону где R – расстояние от точечного источника до поверхности внутри вещества, в котором рассматривается интенсивность.

Это соотношение не учитывает вклад в интенсивность рассеянного излучения. Рассеянные -кванты после многократных столкновений с электронами могут выйти из вещества. Тогда в точку А, расположенную после защитного слоя, попадут как первичные, так и рассеянные -кванты. Отсюда где B – это фактор накопления. Его измеряют экспериментально.

Он зависит от геометрии источника энергии первичных квантов и толщины вещества. Для свинца фактор накопления В -квантов с энергией 1 МэВ B изменяется от 1,35 ( µR = 1 ) до 20 ( µR = 20 ) (рис. 3.4 и табл. 3.6).

Рис. 3.4. Прохождение -квантов через слой вещества Зависимость линейного коэффициента в воздухе, алюминии и свинце от энергии -квантов МэВ Линейный коэффициент численно равен толщине слоя l вещества, при прохождении которого интенсивность -излучения уменьшается в e раз:

Из определения видно, что l =, чем больше µ, тем меньше l, то есть тем меньше толщина защитного слоя вещества.

Пример. Рассчитать: 1) слой половинного ослабления параллельного пучка -квантов с энергией Е = 1 МэВ для свинца Z = и алюминия Al (Z = 13); 2) массовые коэффициенты свинца и алюминия, ослабляющих пучок в два раза.

Полные линейные коэффициенты ослабления и плотности свинца и алюминия соответственно составляют: µ Pb = 0,8 см 1, Слой половинного ослабления Это решение получают:

Вычислим массовые коэффициенты ослабления соответственсм ;

Пучок -квантов свинец ослабляет более эффективно, чем алюминий.

Для практических занятий предусметорены задачи в прил. 2, п. 2.

1. Опишите характер взаимодействия тяжелых заряженных частиц с веществом.

2. Как происходит взаимодействие электронов с веществом?

3. Расскажите, как нейтрон проходит через вещество.

4. Опишите взаимодействие рентгеновских и -излучений с веществом.

5. Что называется линейным пробегом заряженных частиц в веществе?

6. Опишите радиационные потери энергии электронов.

7. Как определяется пробег электронов в веществе?

8. Сформулируйте закон изменения -излучения.

9. Как определяются линейный и массовый коэффициенты поглощения гамма- и рентгеновских излучений?

4. НОРМИРОВАНИЕ ОБЛУЧЕНИЯ.

ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ И КОЛЛЕКТИВНЫЕ

ДОЗОВЫЕ ПРЕДЕЛЫ ОБЛУЧЕНИЯ.

РАСЧЕТ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ДОЗ ОБЛУЧЕНИЯ

4.1. Доза излучения. Единицы измерения радиоактивности Доза излучения – энергия ионизирующего излучения, поглощенная объемным веществом и рассчитанная на единицу массы.

Действие ИИ представляет собой сложный процесс. Эффект облучения зависит от величины поглощенной дозы, ее мощности, вида излучения, объема облучения тканей и органов. Для его количественной оценки введены специальные единицы, которые делятся на внесистемные и единицы в системе Си. Доза является мерой радиационного воздействия.

Для описания влияния ИИ на вещество используются следующие понятия и единицы измерения (табл. 4.3). Исторически первой была принята единица измерения радиоактивности 1 г Ra, которая была названа 1 Кюри [1 г Ra = 1 Кюри (Ки)]. Позднее введена единица Бк (Беккерель) – единица измерения, характеризующая один распад любого радионуклида в 1 с. Так как 1 г Ra дает 3, распадов в секунду, то 1 Ки = 3,71010 Бк.

Радиоактивность некоторых элементов:

Массу радионуклида можно рассчитать по формуле где А – массовое число радионуклида; а – активность в Бк.

Чтобы количественно оценить воздействие радиации на вещество, используют понятия дозы ИИ или облучения. Повреждения, вызванные в живом организме излучением, будут тем больше, чем больше энергии оно передаст тканям. Количество переданной энергии организму называют дозой. Так как поглощенная энергия расходуется на ионизацию среды, то для ее измерения необходимо подсчитать число пар ионов, образующихся при излучении. Для количественной характеристики рентгеновского и -излучений, действующих на объект, определяют так называемую экспозиционную дозу (ЭД), которая характеризует ионизирующую способность рентгеновского и -лучей в воздухе. За единицу ЭД принят, то есть такая ЭД рентгеновских и -излучений, при которой в 1 кг сухого воздуха (dm) образуются ионы с величиной суммарКл dq Внесистемной единицей, принятой в 1928 году, является рентген (P).

Рентген – это ЭД рентгеновского и -излучения, создающая в 1 см3 воздуха при 0 °С и давлении 760 мм рт.ст суммарный заряд ионов одного знака в одну электростатическую единицу количества заряда. При этом образуются 2109 пар ионов.

Если принять среднюю энергию образования одной пары ионов в воздухе, равной 33,85 эВ, то при дозе 1 Р, передается энергия равная 1 см3 воздуха = 0,113 эрг, а в 1 г воздуха = 87,3 эрг (1 эрг = 10–7 Дж). Единица измерения Р, применяется только для рентгеновского и -излучения, характеризует степень ионизации воздуха. Стало очевидно, что единица Р не может обеспечить решения всех метрологических и практических задач в радиологии.

Помимо нее необходима универсальная единица, дающая представление о физическом эффекте облучения в любой среде, в частности в твердых телах и биологических тканях. Такой единицей измерения стал рад – внесистемная международная единица поглощенной дозы.

Поглощенная доза (D) (ПД) – это количество энергии (dE) излучения, поглощенной единицей массы (dm) облучаемого объекdE Рад (rad) – это поглощенная доза любого вида ионизирующего излучения, при которой в 1 г массы вещества поглощается 100 эрг энергии излучения (1 рад = 100 эрг/г = 10–2 Дж/кг). В системе Си D измеряется в Греях (Гр).

1 Гр – это такая поглощенная доза, при которой в 1 кг массы облученного вещества поглощается 1 Дж энергии излучения:

1 Гр = 1 Дж/кг = 100 рад, 1 Р = 0,88 рад для воздуха.

В других веществах ПД может быть иной, но близка к единице (например, в биологической мягкой ткани и в воде 1 Р = 0,93 рад = = 0,0093 Гр). Поэтому приближенно экспозиционная доза рентгеновского и -излучения в 1 Р численно будет близка к поглощенной дозе в 1 рад, то есть 1 P 1 рад 0,01 Гр.

Чисто физическое воздействие радиации часто необязательно равно биологическому воздействию. Различные типы излучения могут действовать биологически различно при одной и той же физической дозе, то есть для расчета поражающего действия ионизирующего излучения введено понятие эквивалентная доза (ЭД) (Н) – поглощенная доза, умноженная на коэффициент, отражающий способность данного вида излучения повреждать ткани организма:

Альфа-частица приблизительно в 20 раз биологически эффективнее, чем рентгеновское и -излучение. Для последних физическое воздействие примерно равно биологическому. Соответственно, если коэффициент качества (K) -излучения принять за единицу, то для -излучения он будет также составлять единицу, для -частицы – 20 (табл. 4.1).

В настоящее время единица измерения эквивалентной дозы – Зиверт (Зв).

Зв – доза любого вида излучения, поглощенная 1 кг биологической ткани и создающая такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 Гр 1 фотонного излучения (K = 1).

Внесистемная единица измерения ЭД – бэр (биологический эквивалент Рентгена). При дозе 1 бэр какого-либо излучения возникает такой же биологический эффект, как и при поглощенной дозе в 1 рад рентгеновского излучения:

Эквивалентная доза является основной величиной в радиационной защите, так как она позволяет оценить риск от вредных биологических последствий облучения биологической ткани различными видами излучения.

Вид излучения и диапазон энергий Коэффициент качества K Оказалось, что разные органы и ткани тела человека имеют не одинаковую радиочувствительность. Например, при одинаковой эквивалентной дозе возникновение рака легких или молочной железы более вероятно, чем рака щитовидной железы. Поэтому дозы облучения органов и тканей также рассматривают с разными коэффициентами. Это позволяет определить опасность одной и той же дозы, а также дозы при неравномерном облучении организма. Для оценки ущерба здоровью человека за счет различного характера влияния облучения на разные органы (в условиях равномерного облучения всего тела) введено понятие эффективной эквивалентной дозы.

Эффективная эквивалентная доза равна сумме взвешенных эквивалентных доз во всех органах и тканях:

где K i – тканевый весовой множитель (табл. 4.2); H i – эквивалентная доза, поглощенная в ткани i.

Единица эффективной эквивалентной дозы – Зиверт (Зв) или бэр.

Для оценки ущерба здоровью персонала и населения от динамических эффектов, вызванных действием ионизирующих излучений, используют коллективную эффективную эквивалентную дозу S, определяемую формулой где N(Kэф) – число лиц, получивших индивидуально эффективную эквивалентную дозу Kэф.

Значение тканевых весовых множителей Ki, Красный костный мозг, толстый кишечник, Мочевой пузырь, молочные железы, печень, пищевод, щитовидная железа Единица измерения S – человеко-зиверт [чел.Зв].

Многие радионуклиды распадаются очень медленно и остаются радиоактивными даже в отдаленном будущем. Тогда коллективная эффективная эквивалентная доза, которую получат многие поколения людей от радиоактивного вещества за все время его существования, будет называться ожидаемой (полной) коллективной эффективной эквивалентной дозой (ОКЭЕД). На основании суммарной эффективной эквивалентной дозы законодательством РФ установлены критерии, по которым осуществляется социальномедицинская реабилитация пострадавшего от ядерных взрывов или аварий населения.

В биологическом отношении важно знать не просто дозу излучения, которую получил облучаемый объект, а дозу, полученную в единицу времени.

В связи с этим существует понятие мощности дозы – дозы излучения за единицу времени.

На практике мощность экспозиционной дозы (МЭД) измеряется в Р/ч, мкР/ч и т. д.; мощность поглощенной дозы – в рад/ч, рад/мин; мощность эквивалентной дозы – в Зв/ч, Зв/мин и т. д.

Экспозиционная доза часто оценивается показателем мкР/ч и составляет обычно от 5 до 30 мкР/ч, создавая фоновую дозу облучения 0,3–0,6 мЗв/год. Норма для населения – 1 мЗв/год; для обслуживающего персонала АЭС – предел 5 мЗв/год.

Для перехода от экспозиционной дозы к дозе внешнего облучения следует знать, что Для описания степени радиоактивного загрязнения местности пользуются понятием площадной активности – радиоактивности вещества, приходящейся на единицу площади (Ки/км2, Бк/м2 и т. д).

При характеристике радиоактивности какого-либо материала конкретно указывается, о каком радионуклиде идет речь. Так, если в случае загрязнения почвы несколькими техногенными радиоизотопами говорится, что удельная активность почвы по цезию – 137 (100 Бк/кг), то это значит, что речь идет только об этом изотопе, другие (Sr, Co и др.), присутствующие в почве, не учитываются.

Общую суммарную радиоактивность данной почвы рассчитывают по формуле сложения с учетом определенных коэффициентов.

Загрязнение атмосферного воздуха, материалов, продуктов питания, жидкостей оценивается с помощью:

• удельной активности – активности единицы массы вещества (Ки/кг, Бк/кг);

• объемной концентрации радиоактивности – это количество распадов в единицу времени, отнесенное к объему вещества (Ки/л, Ки/м3, Бк/л, Бк/м3).