Материал: радиохимия курс лекций

Таблица 1.7 – Среднегодовые индивидуальные эффективные эквивалентные дозы облучения населения СССР от глобальных радиоактивных выпадений вследствие испытаний ядерного оружия

Основной вклад дают ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr. Роль ¹⁴С станет основной после распада этих радионуклидов. Доза за счет выбросов центров по исследованию, разработке и производству ядерного оружия составляет менее 1 % от дозы, обусловленной ядерными испытаниями в атмосфере.

В зонах ближних выпадений радионуклидов при наземных ядерных взрывах дозы облучения населения были значительно выше, достигая 1 - 2 Гр для внешнего облучения и нескольких грей для щитовидной железы.

Авария в Кыштыме (Южный Урал). На первом в СССР заводе оружейного плутония № 25 в Челябинске-40 в 1953 г был введен в эксплуатацию комплекс С-3, представлявший собой хранилище жидких радиоактивных отходов Оно состояло из сооружении и коммуникаций водоохлаждения, необходимого для отвода тепла, образующегося в результате непрерывного радиоактивного распада отходов, энергообеспечения, вентиляции, отопления Основой комплекса явилось сооружение полузаглубленного типа, в котором располагалось 20 блок-ячеек (каньонов) для установки в них емкостей из нержавеющей стали Они охлаждались водой по замкнутому кольцу Стены каньонов толщиной до одного метра выполнены из монолитного густоармированного железобетона Каждый каньон был перекрыт металлическими фермами, связанными арматурной сталью и залитыми бетоном Этот своеобразный возвышавшийся над землей колпак был обвалован двухметровым слоем грунта.

29 сентября 1957 г произошел взрыв банки № 14, в которую с 9 по 14 апреля 1957 г залили 256 кубометров жидких радиоактивных отходов Была разрушена емкость из нержавеющей стали, содержавшая 80 т радиоактивной жидкости и находившаяся в бетонном каньоне глубиной 8,2 м Взрывом эквивалентной мощностью 70 - 100 т тринитротолуола на 25 м отбросило 160-тонную плиту перекрытия каньона, и примерно 10 % из 20 МКи активности, находившейся в емкости, было выброшено в атмосферу на высоту до 1 км. 90 % осело на территории комбината, остальное было разнесено в северо-восточном направлении Район площадью 15 000 км², простирающийся на расстояние до 300 км от хранилища и шириной 8-50 км, был загрязнен ⁹⁰Sr, составлявшим 2,7 % суммарной активности и представляющим главную опасность на длительный период с плотностью выпадений свыше 4 кБк/м², что вдвое выше уровня глобальных выпадений [23, 26] Авария нанесла ущерб экологии, экономической и социальной инфраструктуре загрязненных территорий [88]

Из акта технической комиссии «Контроль уровня жидкости в банках и воды в каньонах отсутствовал вследствие выхода из строя контрольно-измерительных приборов еще в первые годы эксплуатации Причиной аварии явился взрыв сухих солеи нитрата и ацетата натрия, образовавшихся в результате выпаривания растворов в банке № 14 из-за их саморазогрева при нарушении условий охлаждения».

Общее число людей, одновременно занятых в ликвидации последствий аварии (дезактивация), доходила до 10 000 человек Многие из них получили в 1957—1958 гг по 0,6 - 1,2 Гр в год при установленной на тот период норме 0,15 Гр Всего вместе с экстренной эвакуацией (1000 человек в первые 7—10 сут) с территории следа были переселены жители 23 населенных пунктов общей численностью 9000 человек.

Состав аварийного выброса был в основном представлен следующими радионуклидами ¹⁴⁴Се + ¹⁴⁴Рr (66 %), ⁹⁰Sr + ⁹⁰Y (5,4 %), ⁹⁵Zr + ⁹⁵Nb (24,9 %), ¹⁰⁶Ru + ¹⁰⁶Rh (3,7 %)/

В первый год после аварии наблюдался интенсивный спад уровней γ-излучения и общей плотности радиоактивного загрязнения за счет распада относительно короткоживующих циркония-95 и рутения-106 Мощность экспозиционной дозы γ-излучения через год снизилась в 18 раз, через 25 лет — в 2600 раз, через 40 лет — в 4100 раз Плотность загрязнения территории по смеси радионуклидов за 40 лет снизилась почти в 50 раз Начиная с 1959 г и по настоящее время основную радиационную нагрузку на население определяет стронций-90

Неэвакуированное население осталось проживать на территории со средней максимальной плотностью загрязнения около 1 Ки/км² по ⁹⁰Sr. За 30 лет проживания эффективная доза для населения составила 12 сГр, из которых 2,5 сГр приходится на красный костный мозг и 8 сГр — на кость.

Анализ основных составляющих нанесенного аварией ущерба (затраты на переселение, реабилитацию загрязненных территорий, потеря здоровья населения, снос населенных пунктов, выведение из оборота земель, миграция населения, компенсация недобора продукции), проведенный Институтом промышленной экологии Уро РАН, позволяет оценить его суммарную величину в 12 340 млрд руб (в ценах 1991 г ) Наибольшая доля ущерба по этим оценкам приходится на потери в хозяйственно-экономической сфере и здоровье населения [26].

Авария в Уиндскейле. 10 октября 1957 г на предприятии по производству оружейного плутония в Уиндскейле (Windscale, Англия) загорелся графит реактора Горение продолжалось 3 сут Основные выбросы произошли при возобновлении тока воздуха через активную зону и при закачке воды в реактор Было выброшено 8·10¹⁴ Бк активности, из них 44·10¹² Бк пришлось на долю ¹³⁷Cs и 7,4·10¹⁴ Бк — на долю ¹³¹I Дозы для персонала составили 3-5 сГр, для взрослого населения 2 сГр, для детей — 4 сГр В море было вылито 9000 т молока, содержащего радиоактивный йод.

Инциденты с американским ядерным оружием. В феврале 1958 г на английской авиабазе Гренхем близ Нью-Берри у американского бомбардировщика В-47 при взлете отказал двигатель и пилот с высоты 2400 м сбросил два полных прикрепленных под крыльями подвесных бака, в каждом из которых было по 6435 л горючего Один из баков упал и взорвался в 20 м от припаркованного В-47 с ядерным оружием От взрыва вспыхнул пожар, бушевавший 16 ч, сдетонировало химическое взрывчатое вещество в ядерных авиабомбах В итоге самолет был разрушен, два человека погибли, 8 получили ранения Произошел разброс радиоактивных материалов, в том числе мелкодисперсного урана и плутония, 10 - 20 г которых нашли за пределами авиабазы.

16 января 1961 г. загорелся самолет F-100 из состава «сил быстрого реагирования» с базой в Великобритании, носитель термоядерного оружия, нацеленного на СССР. Ядерная бомба, укрепленная на пилоне под фюзеляжем самолета, обгорела и покрылась пузырями.

В период с октября 1961 г. по август 1962 г. отмечено 4 случая, когда в базировавшиеся на территории Италии ракеты «Юпитер» с термоядерными боеголовками мощностью 1,4 Мт ударяла молния. Во всех случаях произошла активизация термических батарей, причем в двух из них в центральную часть первичного заряда инжектировалась газовая смесь дейтерия и трития, повышающая энерговыделение.

28 ноября 1977 г. в Западной Германии разбился вертолет с ядерным оружием на борту.

Стали известны происшествия, в которых участвовало 272 единицы ядерного оружия [27]:

• 107 бомб/ракет случайно падало при хранении, сборке или снаряжении;

• 48 ракетных боеголовок падало при перемещении на стартовую позицию или в шахту;

• бомбы/боеголовки в количестве 41 находились на борту разбившегося авианосителя;

• 26 боеголовок в контейнерах пережило ЧП при хранении, сборке или снаряжении;

• 24 единицы по ошибке сброшено с самолета или корабля;

• 22 боеголовки попало в дорожно-транспортные аварии;

• 4 единицы случайно подверглось механическим повреждениям или было пробито.

1.3.3. Физические и химические свойства радионуклидов йода, цезия, стронция, плутония, америция

Радиоактивный иод. Среди известных 26 изотопов йода только природный ¹²⁷I является стабильным. Остальные изотопы техногенного проис­хождения с массовыми числами 115÷126 и 128÷141 радиоактивны.

¹²⁷I относится к рассеянным микроэлементам и является од­ним из наиболее важных биоэлементов. Он входит в состав гор­монов, синтезируемых в щитовидной железе. Гормоны щито­видной железы играют ключевую роль в поддержании гомеостаза организма. Регулирующая роль их осуществляется на всех уровнях: клетка – ткань – орган – организм.

В организм человека ¹²⁷I поступает с пищей, водой и возду­хом. Среднее кларковое содержание йода составляет в земной ко­ре по массе 4·10^-5 %, в почве – около 3·10^-4 %, в растениях – 2·10^-5 %, в питьевой воде – 10^-9÷10^-7 %. Основным резервуаром йода для биосферы служит мировой океан, где в 1 л воды в сред­нем содержится 5·10^-5 % йода.

Многие регионы на Земле характеризуются пониженным со­держанием йода в местных продуктах питания и питьевой воде. В России к таким регионам относится 50 % ее территории. Не­достаточное поступление йода человеку приводит к базедовой болезни и другим нарушениям, а у детей – к нарушению фи­зического и психического развития.

По данным МКРЗ, в теле человека содержится до 40 мг ста­бильного йода. Из этого количества на долю щитовидной же­лезы приходится до 20-50 %. В зависимости от содержания йода в пище суточное его поступление человеку может колебаться от 10 до 1000 мкг. Минимальная суточная потребность составляет 50-75 мкг.

Источниками поступления радиоактивного йода во внешнюю среду были испытания ядерного оружия и выбросы промыш­ленных и энергетических реакторов АЭС. Среди 20 радиоизо­топов йода, образующихся в реакциях деления урана и плуто­ния, особое место занимают ^131-135I (Т_1/2 = 8,04 сут; 2,3 ч; 20,8 ч; 52,6 мин; 6,61 ч), характеризующиеся большим выходом в реакциях деления, высокой миграционной способностью и биологической доступностью.

^131—135I составляют значительную часть активности молодых продуктов ядерного деления (ПЯД). На их долю приходится около 20 % активности. Соотношение активности ¹³¹I, ¹³²I, ¹³³I, ^I35I во время деления урана и плутония составляет 1:3:9:5, а кумулятив­ный выход равен 4,4; 6,02; 7,8; 6,04 % соответственно. В реакциях деления образуется и «вечный» радиоизотоп йода – ^I29I (T_1/2 = 1,57·10⁷ лет). Токсикологическое значение других изотопов йо­да с малыми сроками жизни (секунды, часы) невелико.

Радиоизотопы йода ^131-135I при испытаниях ядерного ору­жия выпадали в основном в ближних зонах. В полуглобальных и глобальных выпадениях радиоактивный йод практически от­сутствовал, ибо распадался до выпадения на земную поверх­ность. В глобальном масштабе рассеялось около 700 ЭБк ¹³¹I.

Источником поступления радиойода во внешнюю среду яв­ляются также предприятия ядерно-топливного цикла. В реак­торах в процессе их эксплуатации накапливаются значительные количества радиоактивного йода.

В обычном режиме эксплуатации АЭС выбросы радионук­лидов, в том числе радиоизотопов йода, невелики. Для российских ВВЭР и РБМК нормализованный выброс оценивался в 130 и 360 ГБк/(ГВт·год). Сейчас, в связи с проводимыми ра­ботами по совершенствованию реакторов и увеличением ради­ационной безопасности, они ниже. В выбросах радиоактивный йод в основном представлен органическими соединениями (CH₃I, CH₂l2, C₂H₅I, C₂H₄l2). В форме элементарного йода на­ходится лишь 5 %. Примерно 90 % составляют короткоживущие изотопы ^132÷135I.

В аварийных условиях, как свидетельствуют крупные аварии (Уиндскейл, 1957;. Три Майл Айленд, 1979; Чернобыль, 1986), радиоактивный йод как источник внешнего и внутреннего об­лучения был основным поражающим фактором в начальный пе­риод аварии. При аварии на ЧАЭС из общего количества 50 МКи выброшенных из разрушенного реактора радионуклидов (без РБГ) на долю радиоизотопов йода пришлось 7,3 МКи. Распро­странение радионуклидов, включая радиоизотопы йода, приня­ло огромные масштабы.

Как и стабильный ¹²⁷I, радиоизотопы йода характеризуются высокой миграционной способностью.

Радиоактивный цезий. Цезий (Cs) щелочной металл первой группы Периодической системы Д. И. Менделеева. Относится к микроэлементам. В край­не незначительном количестве содержится во всех внешних сре­дах. Кларковое содержание нуклида в земной коре – 3,7·10 ^-4 %, в почве – 5·10^-5 %, в живой фитомассе – 6·10^-6 %. В организм человека входят практически все химические элементы, из них 47 считаются биогенными – жизненно необходимыми, в том чис­ле О, С, Н, Са, Р, К, S, Cl, Na, Mg, Zn, Fe, Mn, I, Co, Se. Они входят в состав тканей и химически активных соединений — гормонов, ферментов, витаминов, пигментов и считаются не­заменимыми. В организме содержатся и все другие элементы, в том числе цезий. Человек получает цезий в основном с про­дуктами питания. Через органы дыхания поступает лишь 0,25 %. Среднее содержание цезия в организме взрослого человека со­ставляет 0,0015 г при суточном поступлении около 10 мкг.

Из 23 изотопов цезия 22 – радиоактивные с массовыми чис­лами 123÷132 и 134÷144. Радиоизотопы цезия образуются при делении ядер атомов тяжелых элементов (при ядерных взрывах и в ядерных реакторах) и с помощью ускорителей заряженных частиц. Ядерно-физические характеристики основных радио­активных изотопов цезия приведены в таблице 1.8.

Ядерные взрывы и крупные радиационные аварии на ради­ационных предприятиях стали основным источником радиоак­тивного загрязнения природной среды планеты. Надолго СССР и США приходится примерно по 40 % от общего радиоактив­ного загрязнения, остальные 20 % – доля Англии, Франции и Китая. Радиоактивные выпадения радиоизотопов цезия на сушу при испытаниях ядерного оружия и выбросы ядерных предприятий явились наиболее значимым источником загряз­нения внешней среды и радиационного воздействия на чело­века.

Таблица 1.8 – Ядерно-физические свойства основных радиоактивных изотопов цезия