Радиационный экологический контроль

Естественные и искусственные радиоактивные вещества равномерно распределены в окружающей среде (за исключением аномальных геологических и промышленных районов повышенной радиоактивности) и являются ее активными метаболитами. Началом такого метаболизма служат реакции испускаемых радиоактивными веществами ионизирующих излучений, протекающих по типу фотоэффекта: возбуждение электронных оболочек атомов при незначительной доле ионизации облучаемого вещества.

Ионизация - обязательная составляющая взаимодействия с веществом всех видов частиц и фотонов (в том числе видимого ультрафиолетового спектров излучений) ведет к кратковременным изменениям структуры валентных оболочек атомов, высвобождению и выходу в межмолекулярную среду «энергетической валюты обмена» свободных электронов, что, кроме активации процессов, инициирует случайную сшивку молекул и является фактором формирования новых биологических структур (эволюции биологического вещества, мутации генов). Доля таких взаимодействий в процессе передачи энергии фотонов (частиц) веществу растет с ростом энергии излучений, характерных для начального периода становления биосферы, а в настоящее время - для ряда антропогенных излучателей среды.

Естественный радиационный фон Земли складывается из излучений от рассеянных в почве, воде, воздухе радионуклидов, возраст которых совпадает с возрастом планеты. К таким радионуклидам относятся калий-40 ⁴⁰K), уран-238 (²³⁸U), торий-232 (²³²Th) и продукты распада тория и урана, радона (^219-282Rn), радия (²²⁶Ra). Второе место в формировании радиационного фона занимают космические излучения, третье - короткоживущие радионуклиды, образующиеся в верхних слоях атмосферы при взаимодействии газов стратосферы с потоком ядерных частиц высоких энергий, из разных областей Вселенной.

Внешние и космические радиационные воздействия.

Внешние радиационные воздействия, дополняющие стабильный спектр внутреннего облучения, складываются из излучений космических, фотонных и корпускулярных (преимущественно нейтронных), а также от естественных радиоактивных γ-излучателей вне организма (стены жилья, скопившиеся инертные газы, почва).

Космические излучения, благодаря уникальной, сложившейся за миллионы лет структуре атмосферы, являются видоизмененными первичным галактическим (93 %) и солнечным потоками частиц высоких энергий. Энергия потока частиц галактического происхождения, преимущественно протонов, составляет в среднем 100 МэБ, достигая 1014 МэБ, солнечного - 20 МэБ. Помимо протонов, большая часть которых огибает Землю благодаря ее магнитным полям (защитная функция которых зависит от широты, снижаясь к полюсам и возрастая к экватору), в состав первичного космического излучения входят протонно-нейронные обломки ядер с атомными номерами 3-5, 10-19, 20.

Техногенное вмешательство в состав естественного радиационного фона. Искусственная (глобальная) концентрация фоновых радионуклидов при добыче и сжигании топлив, переработке руд, производстве и использовании строительных материалов резко меняет фоновое распределение радиоактивности среды. Наиболее массивны загрязнения такого типа калием (⁴⁰К), ураном (²³⁸U), торием (³²Тh) от тепловых электростанций: сжигание многозольного угля сопровождается последующим выбросом сконцентрированных радионуклидов в атмосферу.

Среднее содержание радионуклидов в угле принято равным 50, 20 и 10 Бк/кг соответственно для калия (⁴⁰К), урана (²³⁸U), тория (²³²Th). В реальных топливах концентрация излучателей достигает 320 - 520 Бк/кг (по урану). На планете ежегодно сжигается 3700 Мт угля, что вносит около 0,02 % в естественные лучевые нагрузки на население планеты в целом при преимущественном облучении жителей городов средних и северных широт. Сжигание жидких (углеводородных) топлив в двигателях внутреннего сгорания значительно дополняет аэрозольный состав воздуха городов ¹⁴С, ⁴⁰К.

Достаточно большой является также радиационная агрессивность нитрофоса, фосфата аммония, фосфоритной муки и других удобрений, активность которых превышает 50 Бк/кг при максимальном участии в формировании доз от α-излучателей, радионуклидов с максимальной биологической эффективностью.

Помимо глобальных видоизмененных радиационных воздействий определенный вклад в дополнительные экосистемных лучевые нагрузки вносят металлургические предприятия, расположенные практически во всех крупных индустриальных городах многих развитых стран.

К собственно техногенным экологически новейшим излучателям от начальных почвенных каналов экосистемой миграции, клеточных мембран до популяционного распределения доз, меняющим энергетические спектры и распределение радиационного фактора, относятся радионуклиды ядерно-энергетического происхождения. Основными источниками равномерного (фонового) включения искусственной радиоактивности в состав среды, завершившими переход фактора лабораторной случайности в разряд современных экосистемных воздействий, явились испытания ядерного оружия, послужившие причиной относительно равномерного рассеивания радионуклидов (радиоактивных осадков) в Северном полушарии планеты. В период с 1945 по 1991 г. общее число ядерных взрывов на нашей планете составило 2059, в том числе 508 в атмосфере. Наибольшее количество таких взрывов, соответственно 1085 и 205, произведено в США. На втором месте Россия (СССР) - 715 и 215. Франция осуществила 182 взрыва (45 в атмосфере). Великобритания и Китай - соответственно 42 и 35 (21 и 22 в атмосфере).

После принятия моратория на проведение испытаний ядерного оружия отдельные взрывы были осуществлены в Индии и Пакистане - странах, не присоединившихся к мораторию.

Второе место занимают ядерные реакторы энергетического (АЭС) назначения, вырабатывающие до 30 % электроэнергии мира, и исследовательские реакторы, относительно равномерно рассредоточенные в странах Северной Америки, Азии, Европы. В настоящее время в мире функционируют более 500 ядерно-энергетических блоков АЭС, из которых 163 - в странах Западной Европы, 121 - в США и 45 - в России.

Расчеты показывают, что суммарная активность среды от АЭС, равномерно распределенная на Евразийском и Американских континентах, при нормальном 10-летнем режиме работ действующих ядерных энергетических установок будет pавнa относительно локальному загрязнению среды от Чернобыльской АЭС. Газо-аэрозольные выбросы дополняются жидкими и твердыми отходами энергетических циклов АЭС, требующими последующего захоронения. Суммарное накопленное количество таких отходов только в России достигает 200 тыс. м³. Захоронение таких излучателей без риска последующего включения в состав и метаболизм экосистем представляет серьезную, не решенную окончательно проблему.

Основными долгоживущими радионуклидами, входящими в состав наиболее массивных радиоактивных загрязнений среды ядерно-энергетического происхождения, независимо от разновидностей источников, являются цезий (¹³⁷Cs), стронций (⁹⁰Sr), с крайне незначительным вкладом плутония ²³⁹Pu и ²⁴⁰Pu). Скорость распада этих радионуклидов значительно ниже скорости их накопления в среде, что при современных системах защиты и нормах выброса радионуклидов в среду ведет к накоплению излучателей в экосистемах.

Цезий (¹³⁷Cs) - блестящий золотистый мягкий металл, бурно взаимодействующий, взрываясь, с кислородом и водой, по химическим свойствам близкий к калию. Содержание стабильного изотопа (^lЗЗСs) в среде крайне незначительно (3·10^-6% в земной коре, костной ткани человека и животных и 3·10^-8% в морской воде). В среде до становления ядерной энергетики радиоактивны изотоп отсутствовал полностью. Естественных биологических функций не несет. Наибольшее радиационно-экологическое значение имеет ¹³⁷Cs суммарный выброс которого от АЭС мира в 2000 г. составлял. 22,2·10⁹ Бк в год (во время аварии на ЧАЭС выброс этого изотопа составил 22,9·10² Ки); образуется при делении ядер урана, плутония в ядерных реакторах, при ядерных взрывах; используется (выделяясь 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 включаются в метаболизм, конкурируя с калием, в том числе и ⁴⁰К. Скорость миграции в организме в 25 раз меньшая, что при более жестком γ-излучении изотопа ведет к формированию больших (по сравнению с ⁴⁰К) микролокальных (мембранных) лучевых нагрузок. В организме в отличие от естественного аналога миграции накапливается до предела насыщения, превышающего величину ежедневного поступления в 30 раз. Содержание в организме жителей с современной фоновой загрязненностью среды составляет (по расчетам) 0,4-0,5 Бк/кг, но при стотысячекратном росте в группах населения территорий, прилегающих к АЭС, пострадавших от радиационных аварий.

Стронций (⁹⁰Sr) - серебристый кальциеподобный металл, покрытый оксидной оболочкой, плохо вступает в реакции, включаясь в метаболизм экосистем по мере формирования сложных Са- Fe - Al – Sг-комплексов. Естественное содержание стабильного изотопа в почве, костных тканях, среде достигает 3,7·10^-2 %, в морской воде, мышечных тканях 7,6·10^-4%. Биологические функции не выявлены; нетоксичен, может замещать кальций. Радиоактивный изотоп в среде отсутствует. Источники поступления в среду те же, что и цезия. Содержание радионуклида от ядерно-энергетических источников в почвах и последующих звеньях миграции соответствуют содержанию ¹³⁷ Cs.

Плутоний (^{239 (240)}Pu) - серебристый белый металл, образующий твердые нерастворимые оксиды; относится к редкоземельным элементам; в состав среды не входит. Характер миграции в среде не исследован. Как и торий, является α-, β-, γ-излучателем с энергетическими характеристиками спектра, близкими к естественному аналогу. Используется как компактный источник энергии, ядерное топливо, в производстве ядерных вооружений. На долю плутония от содержащихся в среде радионуклидов ядерного происхождения приходится не более 1 %. До 10 % плутония может переходить в водорастворимые формы, мигрируя в последующем по биологическим цепочкам. Характер миграции, накопления и распределения в организме тот же, что и тория.

Близки по спектру излучений, физическим характеристикам радионуклиды нептуний (^212.235Np), америций (^237-242Аm), кюрий ^238-250Сm) - белые серебристые металлы, в природе не встречаются, относятся к разряду трансурановых элементов актиноидов; подвержены воздействию воздуха, воды, но не щелочей; благодаря образованию оксидных пленок на воздухе устойчивы; стабильных изотопов их в составе среды не обнаружено; являются α-, β-, γ-излучателями при средней энергии α-излучения порядка 5 МэВ. Изотопы получают в ядерном реакторе как побочные продукты образования (и получения) плутония. Выход в среду при загрязнении от аварий на АЭС крайне незначителен.

Йод (^{131 (129)}I) - неметалл черного с блеском цвета. Легко возгоняется (летуч). По последним данным, образуется в литосфере при спонтанном делении урана. Расчетная концентрация его составляет 10-14 г на 1 г стабильного йода. Содержание (по стабильному йоду) составляет 0,14·10^-4% в почве и 0,049·10^-4 в океане. Биологически активен, является обязательным микроэлементом, необходимым для синтеза гормонов щитовидной железы. Необходимое поступление с пищей 0,1-0,2 мг в сутки. Основным изотопом является ¹³¹I, образующийся при ядерных взрывах, эксплуатации (авариях) АЭС, авариях реакторов. Активно включается в экологические цепочки миграции. Суммарные накопленные дозы, сформировавшиеся после проведения открытых ядерных испытаний, составляют 480·10^-2 мкГр. Выброс в среду при нормально эксплуатации АЭС колеблется в пределах 5-400 Бк/год. 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 на щитовидную железу взрослого в 2 - 10 раз. Продолжительность радиоактивности среды (организма) после однократного загрязнения (проникновения в организм) составляет не более 1,5 месяцев.

Экосистемные радиационные воздействия на население дополняются искусственными лучевыми нагрузками, не связанными с радиоактивным загрязнением среды. Ведущий вклад в суммарную дозу таких лучевых нагрузок на современного жителя вносит облучение в медицинских диагностических и лечебных целях. Частота таких радиационных воздействий составляет 200 - 500 процедур на 1000 чел. в год (в США, Германии - до 600). Дозы облучения «среднего жителя» Беларуси достигают 0,17 - 0,13 мрад (радиологические исследования с использованием «меченых» изотопа формируют аналогичные дозы, но на значительно меньшее число жителей). Мощными излучателями являются экраны телевизоров, дисплеи компьютеров (таблица 3.6.). Внешним многоспектральным радиационным воздействием, вносящим значительный вклад в суммарную дозу не современных жителей, является космическое излучение, резко меняющее свой состав при подъеме на высоту во время рейсовых пассажирских перелетов.

Таблица 3.6.

Искусственные лучевые нагрузки на населения