Техногенные радионуклиды. В 40-х годах ХХ века в результате освоения энергии атомного ядра были созданы ядерные реакторы, в которых происходит расщепление ядер 235U или 239Pu на ядра более легких элементов.
При работе ядерных реакторов образуются не существующие в природе радионуклиды более 40 элементов Периодической системы эти радионуклиды называют техногенными. С 1945 года до начала 60-х годов такие страны, как США, СССР, Великобритания, а позже Франция и Китай, провели большое число испытаний ядерного оружия, что привело к загрязнению техногенными радионуклидами окружающей среды в глобальном масштабе.
К попаданию радионуклидов в окружающую среду привела и работа предприятий так называемого ядерного топливного цикла. Эти предприятия включают добычу урановых руд и извлечение из них урана, изготовление тепловыделяющих элементов, сами ядерные реакторы, а также заводы по переработке отработанных тепловыделяющих элементов, извлечению из них радиоактивных отходов и регенерации ядерного топлива. Одной из главных задач технологии ядерного горючего является получение урана и тория из руд. Добытую руду подвергают обогащению после чего производят вскрытие руды т.е. ее обработку кислотами HNO3 или H2SO4. Чтобы получить металлический уран необходимо из концентратов руд отобрать пробу и провести ряд реакций 1. Разваривание 2. Экстракция растворителем 3. Разложение нитрата 4. Получение UF4 5. Восстановление Данная цепь реакций приведена в книге Прошлое и настоящее радиохимии А. Н. Несмеянов.
Ленинград Химия 1985 с. 166 Ядерные реакторы конструируют так, чтобы предотвратить попадание техногенных радионуклидов в окружающую среду.
Но даже при безаварийной работе реакторов в окружающую среду поступают радиоактивный газ криптон радионуклид 85Kr, а также небольшие количества 131I, трития и некоторых других радионуклидов. В результате произошло загрязнение окружающей среды техногенными радионуклидами, особенно такими, как 90Sr, 137Cs, 131I, 129I, 85Kr, а также радионуклидами некоторых трансурановых элементов.
Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов, представляющие собой металлические стержни, в которых находится ядерное топливо 3 235U, размещаются в активной зоне реактора АЭС. Возможны различные виды цепных реакций деления 235U различие в образующихся осколках деления и числе испускаемых нейтронов такие 235U 1n 142Ba 91Kr 31n,235U 1n 137Te 97Zr 21n,235U 1n 140Xe 94Sr 21n. Тепло, выделяющееся при делении урана, нагревает воду, протекающую через активную зону и омывающую стержни.
Примерно через три года содержание 235U в тепловыделяющих элементах снижается до 1, они становятся неэффективными источниками тепла и требуют замены. Каждый год треть тепловыделяющих элементов удаляется из активной зоны и заменяется новыми для типичной АЭС с мощностью 1000 МВт это означает ежегодное удаление 36 т. тепловыделяющих элементов. В ходе ядерных реакций тепловыделяющие элементы обогащаются радионуклидами продуктами деления 235U , а также через серию -распадов 239Pu 238U 1n 239U 239Np 239Pu. Отработанные тепловыделяющие элементы транспортируются из активной зоны по подводному каналу в хранилища, заполненные водой, где хранятся в стальных пеналах несколько месяцев, пока большинство высокотоксичных радионуклидов в частности, наиболее опасный 131I не распадется.
После этого тепловыделяющие элементы направляются на заводы по регенерации топлива, например для получения плутониевых сердечников для ядерных реакторов на быстрых нейтронах или оружейного плутония. Жидкие отходы ядерных реакторов в частности, вода первого контура, которая должна обновляться после переработки выпаривания помещают в бетонные хранилища, расположенные на территории АЭС. Определенное количество радионуклидов при работе АЭС выделяется в воздух.
Радиоактивный 135I один из главных продуктов распада в работающем реакторе не накапливается в отработанном ядерном топливе, поскольку его период полураспада составляет всего 6,7 ч, но в результате последующих радиоактивных распадов превращается в радиоактивный газ 135Xe, активно поглощающий нейтроны и потому препятствующий цепной реакции.
Для предотвращения ксенонового отравления реактора ксенон удаляют из реактора через высокие трубы АЭС. На данный момент все существующие и применяемые в мире методы обезвреживания РАО цементирование, остекловывание, битумирование и др а также сжигание твердых РАО в керамических камерах как на НПО Радон в Московской области неэффективны и представляют значительную опасность для окружающей среды.
К загрязнению атмосферы радионуклидами приводит и работа тепловых электростанций, сжигающих каменный уголь. Он всегда содержит небольшие примеси урана, тория и продуктов их распада, и при сжигании топлива эти радионуклиды частично переходят в аэрозоли и попадают в атмосферу. К загрязнению почвы радионуклидами может приводить даже использование фосфорных минеральных удобрений. Примеси урана и тория всегда есть в исходном сырье например, в апатите, которое используют при производстве этих удобрений.
При переработке сырья радионуклиды частично переходят в удобрения, а из них и в почвы и передаются дальше по трофическим цепям. К загрязнению техногенными радионуклидами океана привело и то, что в некоторых странах высокорадиоактивные отходы ядерно-топливного цикла длительное время сбрасывали в океан в специальных контейнерах США или по трубам Великобритания. С конца 1950-х гг. по 1992 г. Советским Союзом в Баренцевом и Карском морях были захоронены твердые и жидкие радиоактивные отходы РАО суммарной активностью 2,5 млн Ки, в том числе 15 реакторов с атомных подводных лодок АПЛ, три реактора с ледокола Ленин из них 13 аварийных реакторов АПЛ, в том числе шесть с невыгруженным ядерным топливом.
Затопление ядерных реакторов и жидких РАО происходило и на Дальнем Востоке в Японском и Охотском морях и у берегов Камчатки. На Южном Урале в Кыштыме расположено ПО Маяк Челябинск-65, где с конца 1940-х гг. производится регенерация отработанного ядерного топлива.
До 1951 г. возникающие в ходе переработки жидкие РАО просто сливались в речку Теча. Через сеть рек Теча Исеть Обь происходил вынос радиоактивных веществ в Карское море и с морскими течениями в другие моря Арктического бассейна. Хотя впоследствии такой сброс был прекращен, спустя более 40 лет концентрация 90Sr на отдельных участках реки Теча превышала фоновую в 100 1000 раз. С 1952 г. ядерные отходы стали сбрасывать в озеро Карачай названное техническим водоемом 3 площадью в 10 км2. За счет тепла, выделяемого отходами, озеро в конце концов пересохло. Началась засыпка озера грунтом и бетоном для окончательной засыпки, по расчетам, еще потребуется 800 тыс. м3 скального грунта при стоимости работ 28 млрд рублей Российской Федерации в ценах 1997 г Однако под озером образовалась линза, заполненная радионуклидами, суммарная активность которых составляет 120 млн Ки почти в 2,5 раза выше, чем активность излучения при взрыве 4-го энергоблока ЧАЭС. В результате всех этих действий некоторые моря, особенно Ирландское и Северное, подверглись заметному радиоактивному загрязнению.
Загрязнение Мирового океана может неблагоприятно сказаться прежде всего на жизнедеятельности фитопланктона, от нормального существования которого во многом зависит жизнь на Земле. Поэтому в настоящее время введены строгие ограничения на сброс в океан радиоактивных отходов.
Помимо сброса радиоактивных отходов и проишествий с реакторами АПЛ и АЭС на радиационную обстановку в мире серьезно оказало и испытание ядерного оружия.
Испытания ядерного оружия, которые особенно интенсивно проводились в период 1954-1958 и 1961-1962 гг. стали одной из основных причин повышения радиационного фона Земли. В США, СССР, Франции, Великобритании и Китае в общей сложности проведено не менее 2060 испытаний атомных и термоядерных зарядов в атмосфере, под водой и в недрах Земли, из них непосредственно в атмосфере 501 испытание. Испытания в атмосфере в СССР были завершены в 1962 г подземные взрывы на Семипалатинском полигоне - в 1989 г на Северном полигоне - в 1990 г. Франция и Китай до последнего времени продолжали испытывать ядерное оружие.
В 1963г. Англия, США и СССР подписали Договор об ограничении испытаний ядерного оружия, обязывающий не испытывать его в атмосфере, под водой и в космосе. По оценкам во второй половине 20-го века за счет ядерных испытаний во внешнюю среду поступило 1.811021 Бк продуктов ядерного деления, из них на долю атмосферных испытаний приходится 99.84 . Распространение радионуклидов приняло планетарные масштабы.
Продукты ядерного деления представляют собой сложную смесь более чем 200 радиоактивных изотопов 36 элементов. Большую часть активности составляют короткоживущие радионуклиды. Выход некоторых продуктов деления при ядерном взрыве. ЭлементЗарядПериод полураспадаВыход на одно деление, Активность на 1 Мт, 1015 БкСтронций-893850.5 сут2.56590Стронций-903828.6 лет3.53.9Цирконий-954064 сут5.07920Рутений-1034439.5 сут5.21500Рутений-10644368 сут2.4478Иод-131538 сут2.904200Цезий-1365513.2 сут0.03632Цезий-1375530.2 лет5.575.9Барий-1405612.8 сут5.184700Церий-1415832.5 сут4.581600Церий-14458284 сут4.69190Водород-3112.3 лет0.012.6 10-2 Так, через 7, через 49 и через 343 суток после взрыва активность продуктов ядерного деления снижается соответственно в 10, 100 и 1000 раз по сравнению с активностью через час после взрыва.
Кроме продуктов ядерного деления радиоактивное загрязнение обусловлено радионуклидами наведенной активности 3Н, 14С, 28Al, 24Nа, 56Mn, 59Fe, 60Cо и др. и неразделившейся частью урана и плутония. Особенно велика роль наведенной активности при термоядерных взрывах.
При ядерных взрывах в атмосфере значительная часть осадков при наземных взрывах до 50 выпадает вблизи района испытаний. Часть радиоактивных веществ задерживается в нижней части атмосферы и под действием ветра перемещается на большие расстояния, оставаясь примерно на одной и той же широте. Находясь в воздухе примерно месяц, радиоактивные вещества во время этого перемещения постепенно выпадают на Землю. Большая часть радионуклидов выбрасывается в стратосферу на высоту 10-15 км, где происходит их глобальное рассеивание и в значительной степени распад.
Нераспавшиеся радионуклиды выпадают по всей поверхности Земли. Если попавший в окружающую среду 239Pu прочно фиксируется почвами и практически не переходит в пищевые цепи, то такие радионуклиды, как 137Cs, 131I и особенно 90Sr, по различным пищевым цепям могут оказаться в организме человека.
Так как некоторые радионуклиды способны концентрироваться в определенных органах человека например, 90Sr в костях, а 131I в щитовидной железе, то их накопление в этих органах может привести к тяжелым заболеваниям