План лекции:
1) Источники радиоактивного загрязнения окружающей среды
2) Физико-химическое состояние радионуклидов в воде, почве, растениях, кормах, органах и тканях животных
3) Миграция радионуклидов в биосфере, особенности перехода по кормовым цепочкам
Радиоэкология - учение об особенностях существования организмов и сообществ растений и животных в среде обитания с повышенной (по сравнению с нормой) радиоактивностью.
Все живые существа на земле постоянно подвергаются воздействию ионизирующей радиации путем внешнего и внутреннего облучения за счет естественных (космическое излучение и природные радиоактивные вещества) и искусственных (отходы атомной промышленности, радиоактивные изотопы, используемые в биологии, медицине и сельском хозяйстве, и др.) источников ионизирующих излучений.
Радионуклиды естественного и искусственного происхождения широко распространены в природе, они рассеяны в земной коре, воде, воздухе, растениях и теле животных.
К радионуклидам естественного происхождения относят те, которые образовались на Земле без участия в этом человека. Это прежде всего долгоживущие изотопы 238U, 235U, 226Ra, 232Th, 40K и т. д., а также дочерние радиоактивные продукты распада этих изотопов. Сюда относятся также радионуклиды, образующиеся под действием космического излучения на Земле и попадающие из космоса на Землю.
В почве, воде, воздухе, строительных и других материалах всегда рассеяны природные радионуклиды. Совместно с космическим излучением они и создают природный радиоактивный фон, постоянно облучая все живые организмы на Земле.
Естественные источники ионизирующего излучения.
Космическое излучение. Это ионизирующее излучение непрерывно падающее на поверхность земли из мирового пространства (первичное космическое излучение) и образующееся в земной атмосфере в результате взаимодействия первичного космического излучения с атомами воздуха (вторичное космическое излучение).
Первичный компонент космических лучей образуется вследствие извержения и испарения материи с поверхности звезд и туманностей космического пространства. Он состоит в основном из ядер легких атомов: водорода - протонов (79%), гелия - а-частиц (20%), лития, бериллия, бора, углерода, азота, кислорода и других элементов, большинство из которых обладают очень высокой энергией - в интервале 3*109...15*109 эВ, а некоторые- 1017...1018 эВ. Такие большие энергии первичные космические частицы приобретают за счет ускорения их в переменных электромагнитных полях звезд, многократного ускорения в магнитных полях облаков космической пыли межзвездного пространства и в расширяющихся оболочках новых и сверхновых звезд.
Однако лишь немногие частицы достигают поверхности земли, так как они взаимодействуют с атомами воздуха, рождая потоки частиц вторичного космического излучения. Поэтому основную массу космических лучей, достигающих поверхности земли, составляет вторичное космическое излучение.
Вторичное космическое излучение очень сложно и состоит из всех известных в настоящее время элементарных частиц и излучений. Основную массу их, достигающих уровня моря, составляют: мю и пи-мезоны (70%), электроны и позитроны (26%), первичные протоны (0,05%), γ-кванты, быстрые и сверхбыстрые нейтроны.
МЕЗОНЫ — элементарные частицы, масса которых лежит между массами электронов и протонов.
Их обнаруживают в космических лучах и получают искусственно при взаимодействиях частиц больших энергий. Существуют положительно и отрицательно заряженные, а также нейтральные мезоны. По абсолютной величине заряд положительных и отрицательных мезонов в точности равен элементарному электрическому заряду электрона Мезоны крайне неустойчивы: время их жизни меняется в пределах от 10-6 до 10-16 сек
Известны следующие разновидности мезонов: положительные и отрицательные мю-мезоны с массой, равной 206,7 электронной массы; положительные, отрицательные и нейтральные пи-мезоны с массой в 273,2 раза больше массы электрона. У нейтраль
ных пи-мезонов несколько меньшая масса (264,2) Положительные, отрицательные и нейтральные К-мезоны имеют массу в 966,5 и 974 раза больше массы электрона. Считается, что нуклоны удерживаются в ядре атома благодаря непрерывному обмену пи-мезонами.
Этот обмен и обусловливает существовании так называемых внутриядерных сил, придающих столь удивительную прочность ядру атома.
Продуктами аннигиляции античастиц нуклонов, т. е. протона и антипротона, нейтрона и антинейтрона, обычно являются пи-мезоны.
Для оценки биологического воздействия (расчета дозы космического излучения) вторичное космическое излучение можно разделить по уровню энергии и составу на четыре компонента:
мягкий, или малопроникающий, компонент (объединяет электроны, позитроны, у-кванты и частично быстрые протоны с энергиями порядка 100 МэВ);
жесткий, или сильнопроникающий (состоит в основном из мю-мезонов с энергиями порядкам 600 МэВ, небольшого количества сверхбыстрых протонов, с энергией более 400 МэВ, а-частиц и незначительного количества пи-мезонов);
сильноионизирующий (содержит продукты ядерных расщеплений: протоны, а-частицы, дейтроны, тритоны и более тяжелые осколки ядер с энергией 10... 15 МэВ);
нейтронный компонент (нейтроны различных энергий).
На уровне моря космическое излучение состоит в основном, как правило, из мягкого и жесткого компонентов.
Мягкий компонент поглощается слоями свинца толщиной 8... 10 см и железа - 15...20 см; жесткий - проходит через свинец толщиной более метра, его можно обнаружить под землей и под водой на глубине нескольких километров.
Проведенные измерения показали, что на уровне моря за счет космических лучей образуются 2,74 пары ионов в 1 см3 воздуха за 1 с. Это соответствует мощности дозы 1,15-10-9 Рад/с. Исходя из этого установлено, что доза в ткани за сутки составляет 0,11 мрад, за год - 40 мРад.
Их можно разбить на три группы. В первую группу входят U и Тh с продуктами их распада, a также 40K и 87Rb (Рубидий). Ко второй группе относят малораспространенные изотопы и изотопы с большим периодом полураспада: 48Cа, (96Zr Цирконий), 113In (Indium), 124Sn (Олово- Stannum), 130Te (Теллур), 138Lа (Лантан),150Nb (Ниобий), 152Sm (Самарий), 176Lu (Лютеций), 180W (Вольфрам), 187Re (Рений), 209Bi (Висмут). К третьей группе принадлежат радиоактивные изотопы 14С, 3Н (тритий), 7Ве (Бериллий), 10Ве (Бериллий), образующиеся непрерывно под действием космического излучения.
Наиболее распространенным радиоактивным изотопом земной коры является 87Rb (Рубидий), содержание которого значительно выше урана, тория и особенно 40K. Однако радиоактивность калия в земной коре превышает радиоактивность суммы всех других естественных радиоактивных элементов: является 87Rb (Рубидий) характеризуется мягким бета-излучением и имеет большой период полураспада, а распад 40K сопровождается относительно жестким бета- и гамма-излучением. 40K широко рассеян в почвах и прочно удерживается глинами вследствие процессов сорбции. Глинистые почвы почти везде богаче радиоактивными элементами, чем песчаные и известняки.
Радиоактивные тяжелые элементы (уран, торий, радий) содержатся преимущественно в горных гранитных породах. В разных районах земного шара доза гамма-излучения различных земных пород у поверхности земли колеблется в значительных пределах 26...1150 мрад/год. Однако имеются районы (например, в Бразилии, Индии и др.), где вследствие выхода на поверхность земли радиоактивных руд и пород, а также значительной примеси в почве урана и радия доза природного фона составляет 12...70 рад/год, что в 100...500 раз выше среднемирового фона. У обитающих в этих районах животных наблюдаются нарушения хромосом и репродуктивной функции.
Так как земные породы используют в качестве строительного материала, то от последнего зависит гамма-радиация внутри зданий. Наибольшие значения гамма-радиации установлены в домах из железобетона с глиноземом - 171 мрад/год, наименьшее - в деревянных домах - 50 мрад/год (Siever и др., 1952, 1957).
Радиоактивность воде придают в основном уран, торий и радий, образующие растворимые комплексные соединения, которые вымываются почвенными водами, а также газообразные продукты их радиоактивных превращений - радон и торон.
Концентрация радиоактивных элементов в реках меньше, чем в морях и озерах, а содержание их в пресноводных источниках зависит от типа горных пород, климатических факторов, рельефа местности и т. д. Так, наличие радона в водах кислых магматических пород в несколько раз выше, чем осадочных пород. Концентрация урана в реках, протекающих на юге, обычно выше, чем в северных реках. Наиболее значительным содержанием радиоактивных элементов характеризуются воды урановых месторождений и минеральные (Виноградов, 1957). В минеральных водах Кавказа содержание радия не превышает 7,5*10–9 Ки/л, радона - 2,6*10–8 Ки/л. Количество 40K в водах рек и озер примерно соответствует содержанию радия: в реках - 7,7*10–12 Ки/л, в озерах - 1,3*10–11 Ки/л.
Радиоактивность атмосферы обусловлена наличием в ней радиоактивных веществ в газообразном состоянии (радон, торон, 14C, тритий) или в виде аэрозолей (40K, уран, радий и др.).
Радон и торон поступают из земных пород, а углерод и тритий образуются из атомов азота и водорода в результате воздействия на их ядра нейтронов вторичного космического излучения.
Суммарная радиоактивность атмосферного воздуха колеблется в широких пределах (2*10–14...4,4*10–13 Ки/л) и зависит от места, времени года, погодных условий и от состояния магнитного поля Земли.
Из естественных радиоактивных веществ наибольшую удельную активность в растениях составляет 40K (1,210–9...110–8 Ки/кг), особенно в бобовых растениях: горохе, бобах, фасоли, сое. Содержание в растениях урана, радия, тория и 14C ничтожно мало.
В животных организмах обычно содержится 40K меньше, чем в растениях. Уран, торий и углерод-14 встречаются в биологических объектах в очень незначительных концентрациях по сравнению с 40K.
Таким образом, на организм животных оказывают воздействие внешние источники природного радиоактивного фона — космическая радиация и излучения природных радионуклидов, рассеянных в почве, воде, воздухе, строительных и других материалах, а также источники природной радиации 40K, 226Rа, 14С, 3Н, содержащиеся в самом организме и поступающие в него в составе пиши, воды и воздуха.
Эти внешние и внутренние источники, действуя непрерывно, сообщают организму определенную поглощенную дозу.
Среднегодовая доза для человека составляет около 0,12 Рад .
Радионуклиды искусственного происхождения образуются в результате деятельности человека по использованию атомной энергии, испытаний и применения ядерного оружия, ядерного синтеза с помощью специальных установок и источников излучений и т. д.
При ядерных взрывах осуществляется реакция деления ядер тяжелых элементов (235U, 239Pu, 233U, 238U), возникающая в результате действия на них нейтронов. В принципе реакция деления может быть вызвана при бомбардировке тяжелых элементов и другими элементарными частицами, но наибольший практический интерес представляет реакция деления ядра под действием нейтронов.
Механизм этой реакции можно схематически представить следующим образом: нейтрон попадает в ядро расщепляющегося элемента, например изотопа 235U, и приводит к образованию сильно возбужденного ядра- 236U. Нуклоны в результате нарушения ядерного сцепления под действием сил отталкивания расходятся к противоположным полюсам, ядро деформируется, принимает удлиненную форму. В центральной части ядра образуется перетяжка, ядерные силы уже не могут противостоять действию сил отталкивания между протонами, и ядро расщепляется на два или три асимметричных ядра - осколка. Весь этот процесс происходит мгновенно. Во время каждого акта деления освобождается энергия порядка 200 МэВ и вылетают 2...3 свободных нейтрона.
Если нейтроны на своем пути встретят другие тяжелые ядра, способные к делению, то возникает цепной процесс деления.
При достаточном количестве делящегося материала возникает мгновенная неуправляемая цепная реакция взрывного характера.
Процесс деления может быть самоподдерживающимся, регулируемым, с непрерывным выделением определенного количества энергии. Это осуществлено в ядерных реакторах, в которых плотность нейтронного потока регулируется особыми стержнями - поглотителями нейтронов.
При ядерных взрывах образуется около 250 изотопов 35 элементов (из них 225 радиоактивных) как непосредственных осколков деления ядер тяжелых элементов (235U, 239Pu (Плутоний), 233U, 238U), так и продуктов их распада.
Количество радиоактивных продуктов деления (РПД) возрастает соответственно мощности ядерного заряда. Часть образовавшихся РПД распадается в ближайшие секунды и минуты после взрыва, другая часть имеет период полураспада порядка нескольких часов. Другие радионуклиды, такие как 86Rb (Рубидий), 89Sr (Стронций), 91Y (Иттрий), 95Сd (Кадмий), 125Sn (Олово- Stannum), 125Te (Теллур), 131I (Йод), 133Хе (Ксенон), 136Сs (Цезий), 140Bа (Барий), 141Cе (Церий), 156Еu (Европий), 161Vb, обладают периодом полураспада в несколько дней, а 85Kr (Криптон), 90Sr (Стронций), 106Ru (Рутений), 125Sb (Сурьма), 137Сs (Цезий), 147Pm (Прометий), 151Sm (Самарий), 155Eu(Европий) —от одного года до нескольких десятков лет.
Группа, состоящая из 87Rb (Рубидий), 93Zr (Цирконий), 129I (Йод), 135Сs (Цезий), 144Nd (Неодим), 137Sm (Самарий) характеризуется чрезвычайно медленным распадом, продолжающимся миллионы лет.
Большинство образующихся радионуклидов является бета- и гамма-излучателями (130I (Йод), 137Сs, 140Ва и др.), остальные испускают или только бета- (90Sr, 135Cs и др.), или только альфа-частицы (144Nd (Неодим), 151Sm (Самарий)). Помимо РПД (радиоактивных продуктов деления), в число образовавшихся радионуклидов входит и непрореагировавшая часть «ядерного горючего», так как коэффициент использования его в современных ядерных устройствах составляет около 20%. Основная масса вещества заряда (урана, плутония) не успевает разделиться в период цепной реакции и распыляется силой взрыва на мельчайшие частицы, содержащие атомы со свойствами исходных радионуклидов.
Дополнительным источником радиоактивного загрязнения местности в районе взрыва служит наведенная радиоактивность, возникающая в результате воздействия потока нейтронов, образующихся при цепной реакции деления урана или плутония, на ядра атомов различных веществ окружающей среды (реакция активации). Захват нейтронов ядрами многих химических элементов приводит к появлению радиоизотопов (продуктов активации) в атмосферном воздухе (14C, 3H (дейтерий), 39Аr (аргон), воде (24Nа, 31,32Р, 53,54Мn, 35S, 65Zn и др.) почве (45Cа, 24Nа, 27Мg, 29Аl, 31Si и др.), в материалах сооружений и т. п. Бóльшая часть их распадается с испусканием бета-частиц и гамма-излучения со сравнительно малым перидом полураспада (за исключением 14С).