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.
Первичным геологическим источником большинства радионуклидов естественного фона являются верхние слои литосферы (граниты, сланцы, песчаники и др.), постоянное преобразование которых под воздействием сапрофитной микрофлоры почв, воды, воздуха, перепадов температур ведет к миграции излучателей в почву, растительность, животный мир (табл. 3.2.).
Таблица 3.2.
Первичные источники основных радионуклидов естественного радиационного фона
| Порода литосферы и тип почвы | Концентрация, nКи/г (Бк/г), радионуклидов | ||
| 40К | 238U | 232Th | |
| Граниты | 27 (0,999) | 1,6 (0,054) | 2,2 (0,00081) |
| Сланцы | 19 (0,703) | 1,2 (0,00044) | 1,2 (0,000044) |
| Песчаники | 10 (0,57) | 0,5 (0,00002) | 0,3 (0,00001) |
| Известняки | 2,4 (0,888) | 0,75 (0,0028) | 0,19 (0,000019) |
| Сероземы | 18 (0,66) | 0,85 (0,031) | 1,3 (0,048) |
| Черноземы | 11 (0,41) | 0,58 (0,021) | 0,97 (0,036) |
| Серые лесные | 10 (0,37) | 0,48 (0,017) | 0,72 (0,027) |
| Подзолистые | 4 (0,15) | 0,24 (0,009) | 0,33 (0,012) |
| Усредненные данные по литосфере | 10 (0,37) | 0,7 (0,026) | 0,7 (0,026) |
| Типичный диапазон колебаний | 3-20 (0,01-0,74) | 0,3-1,4 (0,007-0,054) | 0,2-1,3 (0,007-0,054) |
Ведущим радионуклидом фона, определяющим радиоактивность растений и животных, уже по содержанию его в экосистемах, является калий-40 (40К) - металл, быстро реагирующий с кислородом, водой. Содержание радиоактивного калия в природной смеси изотопов (39К, 40К, 41К) постоянно, независимо от звеньев миграции и составляет 0,0118 мас. %.
Основными накопителями 40К в организме являются, в убывающем порядке, эритроциты, нервная ткань (головной мозг), мышечная ткань, печень, легкие, кости (табл. 3.3.). Изотоп 40К не накапливается: время двукратного снижения его активности в организме от момента поступления за счет процессов распада и выведения равно 58 сут. Из организма взрослого человека 40К выводится в три раза медленнее, чем вода. Средняя мощность поглощенной дозы 40К составляет 170-190 мкГр (17 -19 мрад/год).
Таблица 3.3.
Содержание 40К и 226Ra в основных пищевых продуктах
| Продукт | 40К, иКи/г (Бк/кг) | 226Ra, пКи /г (Бк/кг) |
| Хлеб: Черный Белый | 1,8 (66,6) 0,8 (29,6) | 2,6 (0,096) 2,5 (0,092) |
| Картофель | 2,9 (107,3) | 9,6 (0,35) |
| Капуста | 2,2 (81,4) | 1,7 (0,06) |
| Молоко | 1,2 (44,4) | 0,3 (0,01) |
| Говядина | 2,7 (99,9) | 0,1 (0,03) |
| Свинина | 2,0 (74,0) | 1,5 (0,05) |
| Сельдь | 2,1 (77,7) | 3,4 ( 0,12) |
| Треска | 2,8 (103,6) | 4,0 ( 0,15) |
| Яйца, 10 шт. | - | 1,5 (0,05) |
| Масло | 0,1 (3,7) | 0,3 (0,01) |
Вторым, широко распространенным в земной коре, почве и дальнейших звеньях миграции радионуклидом фона является уран-239 (в смеси с незначительным количеством 235U и 234U) - кальциййподобный белый серебристый металл, реагирующий с воздухом, водяными парами, кислотами, но не щелочами. В среде, как и кальций, встречается в минералах, с наибольшим содержанием в уранитах, кариотипах. Энергия распада невелика (1- 1360 эВ), общее содержание урана в верхних (подпочвенных) слоях земной коры составляет примерно 1015 т (2,4·10-4%), в морской воде 1010 т (3,13·10-7%). Фоновая удельная радиоактивность урана в среде составляет 0,33 мКи вещества.
Суточное поступление урана в организм человека колеблется в среднем от 1 до 10 мкг, достигая 300 мкг. Содержание урана в мягких тканях человека на территориях с нормальным радиационным фоном Земли чрезвычайно незначительно и составляет 0,63 – 0,99 nКи/кг и 0,7-8;9 nКи/г в костях.
Значительно большую роль в формировании фоновых лучевых нагрузок выполняет дочерний продукт распада 238U - радий, отличающийся от урана большей химической активностью и соответственно большей подвижностью в звеньях миграции в среде. В отличие от 239U дочерний продукт распада находится вне криcтaлличecкoй решетки исходных минералов и легко переходит в воду. Наибольшее количество естественного излучателя характерно для воды с высоким природным содержанием в ней «родственных» элементов: кальция, стронция, бария.
Радий (Ra) - блестящий серебристый металл, быстро реагирующий с воздухом (кислородом), водой. Образует растворимые хлориды, бромиды, сульфиды, иодиды, а также ряд нерастворимых соединений (карбонатов, сульфидов, оксалатов). Все изотопы радия радиоактивны. Наиболее распространён долгоживущий изотоп с периодом полураспада 1620 лет. Соль чистого радия является α-излучателем. При накоплении в ней продуктов распада - радона (Rn), актиния (Ас) соль радия становится источником β-, γ-излучений. Энергия α-частиц велика: 4,6-4,7 МэВ. Энергия β-частиц значительно ниже.
Радиоактивность радия в осадочных и вулканических породах подпочвенных слоев земной коры колеблется от 0,5 до 1,3 nКи/г (при максимальных регистрируемых значениях 60 nКи/Г). Удельная активность большинства почв 1 nКи/г (l . 10-10 мас. %), питьевой воды - 0,01-6 пКи/г, воды океана - 0,007 nКи/г. Наибольшие содержания радия, поступающие в организм человека с продуктами питания, nКи/год: с куриными яйцами -- до 91, с картофелем - до 110, с мясом домашней птицы -- до 15.
Радиоактивный торий (227Th, 228Th, 232Th), как и предшествовавшие α-излучатели, серебристый металл, активно взаимодействующий с кислородом, водяным паром и плохо - с кислотами. Широко распространен в горных породах (торианите, торите) и, как следствие естественного разрушения кристаллических решеток, - в почвах. Вследствие плохой растворимости в воде в растения поступает в незначительных количествах. Все изотопы являются мощными (5 МэВ) α-излучателями. Длина пpобега α-частиц в воздухе достигает 5 см. Соединения радионуклидa в организм поступают в незначительных количествах.
Радон (22Rn) и торон (22ОТu) - бесцветные, не имеющие вкуса и запаха газы - короткоживущие звенья естественных радиоактивных распадов радия, тория. В описаниях они чаще объединены под общим названием радон, в воздушную среду эманируют (попадают) из минералов, содержащих ураниты, карнотиты, ториты.
Эманируя, эти газы вследствие высокой удельной массы (в 7,5 раз тяжелее воздуха) «стекают» по поверхности материалов, накапливаясь в ложбинах, погребах, подвалах, ванных комнатах, первых этажах домов; в реакции обмена среды (биологические цепочки) вследствие химической инертности (отнесены к разряду ксенона) не вступают; в растительных и животных тканях отсутствуют; в воздухоносные пути, легкие проникают с воздухом, предварительно сорбируясь на мелкодисперсных частицах бытовой пыли (75 % на аэрозолях диаметром от 5 до 25 нм).
Газы являются мощными α-излучателями (до 5 МэВ), формирующими лучевые нагрузки на эпителий слизистых носоглотки, трахеи, бронхов, альвеол. Размеры поступления изотопов в организм чрезвычайно варьируют в зависимости от географии места житeльcтвa, его высоты относительно нулевых значений рельефа местности, этажности дома, характера строительных материалов.
Максимальные лучевые нагрузки (на легкие) формируются в странах с длительным холодным периодом и вынужденным резким снижением вентиляции помещений. Внутри помещений максимальные концентрации газов накапливаются в ванных комнатах (вследствие водо-, газонепроницаемости пола, стен), в 40 -50 раз превышая средние значения (сжигание газа, содержащего, как правило, изотопы), комнатах квартир первых этажей (в 15-20 раз выше средних значений) (табл. 3.4.). Превышение средних значений фоновой радиоактивности газов (от 1 до 10 кБк/м3) регистрируется в домах, построенных без предварительного радиационного контроля материалов (преимущественно шлакобетонов, ряда сортов красного кирпича, панелей). Доля такого радиационно опасного жилья достигает 0,1 %, преимущественно в странах Севера.
Таблица 3.4.
Концентрация радона в воздушной среде, Бк/м3
| Страна | Приземный слой открытого воздуха | Воздух квартир* | Накапливаемая доза, мкЗв |
| Франция | 22,1·10-2 | 4,8-13 | |
| Россия | 0,2·10-2 | 6-17 | 400-1000 |
| США | 0,1·10-2 | Нет сведений | |
| Аляска | 0,01·10-2 | Нет сведений | |
| Швеция | Нет сведений | То же |
*кроме 1 этажа, где радиоактивность превышает приведенные значения в 15-20 раз
Содержание радона в воде охарактеризовано в таблице 3.5.
Таблица 3.5.
Концентрация радона в воде, кБк/м3
| Источник | Страна | Район | Концентрация |
| Моря и океаны | - | - | 10-3 |
| Реки | - | - | 7,4-11,1 |
| Питьевая вода | Австрия | Зальцбург | 1,5-7 |
| Багстайн | |||
| Финляндия | Хельсинки | ||
| Другие районы | 280-45000 | ||
| Италия | - | ||
| Швеция | - | 19-150 | |
| США | Штат Мэн | 660-5800 | |
| Штат Сев.Каролина | 100-1700 | ||
| Великобритания | Нет сведений | 7,4-481 | |
| Источники и буровые скважины | Франция | Нет сведений | <3700 |
| Япония | Нет сведений | <25900 | |
| США | Нет сведений | <11100 |
Радиоактивный изотоп углерода (14С). Расчетное суммарное количество углерода в биосфере составляет 8,5 ЭБк (Экса = 1· 1018), при этом в атмосфере содержится 1,6 %, в почвах - 4, в верхних слоях океана 2,2, в глубинных 92, в донных отложениях 0,2 %. Углерод является наиболее активным метаболитом среды, всасывается в растения непосредственно из воздуха в составе углекислого газа. В организм человека поступает с пищей, водой (99 %), воздухом (≤1 %). Коэффициент усвояемости углерода равен 1. Средняя удельная активность органических структур (в том числе и продуктов питания) составляет 230 Бк/кг.
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
| Источник | Число облучаемых в России | Доза, мкГр (мрад) | ||
| Рентгенография | 50% населения | 5,8-70 (0,5-7,0) | 14,9-2,7 (0,5-2,3) | 35,3-131,0 (3,5-13,1) |
| Телевизионные экраны и дисплеи компьютеров (3-5 ч/сутки) | 90-95% населения | 36-54 (3,8-5,4) | 7-15 (0,7-1,5) | 9-26 (0,9-2,6) |
| Космическое излучение при пассажирских перелетах | От 5 до 20 % при длительности полета от 1 до 8 часов | 27-46 (2,7-4,6) | 27-46 (2,7-4,6) | 27-46 (2,7-4,6) |
| Светящиеся циферблаты | 1% населения | - | 12-33 (1,2-3,3) | - |
| Всего | <17 мбэр | <11,6 бэр | 20 бэр< |