Материал: радиохимия курс лекций

Из радиоизотопов цезия наибольшее значение имеет ^l37Cs, характеризующийся большим выходом в реакциях деления и сроком жизни (T_1/2 = 30 лет), высокой миграционной способ­ностью и токсичностью. Он считается одним из наиболее значи­мых радионуклидов продуктов ядерного деления. Цезий-137 – β-излучатель со средней энергией β-частиц 173,4 кэВ. Его дочер­ний радионуклид ^137mВа имеет период полураспада 2,55 мин и ис­пускает при распаде γ-кванты с энергией 661,6 кэВ. Выход ^I37Cs при делении меняется в зависимости от делящегося вещества и энергии нейтронов, вызывающих деление (табл.1.9).

Таблица 1.9 – Выход цезия-137 (%) при делении ядер тяжелых эле­ментов

Общее поступление нуклида в стратосферу за счет прошед­ших ядерных испытаний равно примерно 960 ПБк с плотно­стью выпадений в Северном, Южном полушариях и в среднем на земном шаре 3,42; 0,86 и 3,14·10³ Бк/м² соответственно. На территориях бывшего СССР средний уровень составляет 3,4·10³ Бк/м². В отдельных регионах уровни загрязнения в силу их физико-географических и климатических условий выше приведенных значений. Уровни загрязнения постепенно сни­жаются вследствие физического распада радионуклидов. В вы­павших ПЯД повышается относительное содержание долгоживущих радионуклидов, в том числе цезия-137 (табл. 1.10).

Таблица 1.10 – Содержание цезия -137 в ПЯД в зависимости от их воз­раста

Источником загрязнения внешней среды ^l37Cs, как было отмечено, являются радиационные предприятия. в ядерных реакторах в процессе их эксплуатации накапливаются продукты деления урана и плутония, в том числе радиоактивный цезий, и трансурановые элементы (ТЭУ) в огромных количествах. На 1 МВт электрической мощности образуется 130 ТБк радиоцезия, а всего к концу прошлого столетия накопление нуклида в реакторах во всех странах мира достигло 900 ЭБк, что примерно в 1000 раз превышает количество радиоцезия, выпавшего на поверхность Земли (960 ПБк). Согласно оценкам, в 2000 г. реакторами всех стран мира в атмосферу было выброшено 1,1÷5,2 ТБк ^l37Cs.

Известно, что при эксплуатации АЭС в нормальном режиме выбросы радионуклидов, в том числе радиоактивного цезия, не­значительны. На 1 ГВт электрической мощности выброс водо-водяных реакторов достигает 29,7 ГБк. По данным дозиметри­ческого контроля, концентрация радионуклидов в районах расположения АЭС лишь незначительно превышает концентра­цию нуклида в контрольных районах. Источником загрязнения являются также радиохимические заводы (РХЗ) по переработке отработавших твэлов и хранилища радиоактивных отходов (РАО).

Сложные ситуации могут возникнуть при радиационных ава­риях. Зарегистрированы сотни аварий, однако лишь некоторые из них сопровождались поступлением во внешнюю среду зна­чительных количеств радионуклидов. Так, при аварии в Уиндскейле (1957) в результате ошибки при управлении реактором стало перегреваться топливо и возник пожар, который продол­жался 3 сут. Во внешнюю среду поступило 12 ПБк радионукли­дов, в том числе ¹³¹I - 740 ТБк, ^I37Cs - 44 ТБк, ^I06Ru - 12 ТБк и др. При аварии на АЭС в Три Майл Айленде (1979) произошел выброс пара и продуктов деления из поврежденного реактора. В атмосферу поступило 370 ПБк РБГ, в основном ¹³³Хе, около 550 ТБк ¹³¹I. Авария на Чернобыльской АЭС (1986) явилась са­мой крупной за весь период развития ядерной энергетики. Из разрушенного ядерного реактора было выброшено огромное ко­личество радионуклидов – 1,85 ЭБк (без РБГ). На долю радио­активного цезия пришлось 270 ПБк. Распространение радио­нуклидов приняло практически глобальный характер. На территории бывшего СССР выпало около 40 % инжектированного радиоцезия, который после распада радиоактивного йода (через 2–3 мес) стал критическим нуклидом. Особенностью Чернобыльской аварии является крайне неоднородный характер радиоактивного загрязнения, связанный с длительным выбро­сом радионуклидов (10 сут) и изменявшимися погодными усло­виями (выпадение осадков и изменения направления ветра).

На Урале произошло 2 крупные аварии. Первую из них мож­но лишь условно назвать аварией. С 1949 по 1956 г. осуществ­лялся вынужденный сброс высокоактивных отходов радиохи­мическим заводом предприятия «Маяк» в реку Течу. Было сброшено 102 ПБк радионуклидов, в том числе 12,4 ПБк ^!37Cs. Около четверти суммарной активности приходилось на ⁹⁰Sr и ^l37Cs. Присутствовали также радиоизотопы ниобия, рутения, редкоземельных элементов. В 1951 г. в верховьях реки Течи уровни загрязнения воды местами превышали допустимые кон­центрации в 2–3 тыс. раз по ⁹⁰Sr и в 100 раз по ^l37Cs и ⁸⁹Sr. Другая авария произошла в 1957 г. в районе города Кыштыма, когда в результате теплохимического взрыва хранилища высо­коактивных отходов из хранившихся 74·10¹⁶ Бк (20 МКи) про­изошел выброс радионуклидов общей активностью 74 ПБк (2 МКи), в том числе ¹³⁷Сз. Радиоактивному загрязнению подверглись значительные территории Челябинской, Сверд­ловской и Тюменской областей. Загрязненным оказался регион площадью около 15 000 км². Следует также отметить ветровой вынос радионуклидов из поймы озера Карачай (1967), который составил 37 ТБк. На долю ¹³⁷Cs пришлось 0,4 ТБк,

Таким образом, радиоактивное загрязнение цезием-137 при испытаниях ядерного оружия носило глобальный характер. Ра­диоактивному загрязнению при аварии на ЧАЭС подверглись не только территории бывшего СССР, но и всего Северного по­лушария. При других радиационных авариях загрязнение носи­ло в основном локальный характер. Суммарный запас ^l37Cs на территории России оценивается в 5,66·10¹⁶ Бк (1,53 млн Ки), из которых 58 % приходится на глобальное загрязнение, 38 % является следствием выпадений в результате аварии на ЧАЭС, 3,6 % – следствием аварий и инцидентов в районе ПО «Маяк» на Южном Урале, 0,4 % – следствием сбросов жидких радио­активных отходов Красноярским ГХК в реку Енисей и прочие источники — менее 0,1 %.

Радиоактивный стронций. Стронций (Sr) – элемент 2-й группы Периодической систе­мы. Природный стронций относится к микроэлементам и состо­ит из смеси 4 стабильных изотопов – ⁸⁴Sr (0,56 %), ⁸⁶Sr (9,86 %), ⁸⁷Sr (7,02 %), ⁸⁸Sr (82,56 %). По физико-химическим свойствам он является аналогом кальция и в геохимических процессах его спутником. Кларковое содержание в земной коре оценено как 340·10 ^-4 %. Стронций содержится во всех растительных и жи­вотных организмах в количестве 10^-2 ÷10^-3 % сухой массы. В ор­ганизме взрослого человека содержится около 0,3 г стронция. Почти весь он находится в скелете. На другие органы приходится лишь 3,3 мг. Суточное поступление с пищей и водой составляет около 1,9 мг. Выводится из организма с фекалиями (1,5 мг) и мо­чой (0,34 мг). Физиологическое значение стронция остается не­ясным. Однако избыточное содержание его в организме стано­вится реальной угрозой развития уровской болезни (болезни Кашина-Бека), проявляющейся заболеваниями суставов, повышенной ломкостью и уродством костей. Рахитогенное действие стронция связывают с блокированием действия витамина D и из­быточным отложением в костях фосфора. Считают, что причинами болезни являются также избыточное содержание бария и недостаток кальция в пище. В регионах, эндемичных по избыточному содержанию_стронция в почве и воде (Восточная Сибирь, Северный Китай, Северная Корея), уровские патологии наблюдаются не только у людей, но и среди животных.

Из радиоактивных изотопов стронция известны нуклиды с массовыми числами 77÷83, 85, 89÷99. Ядерно-физические ха­рактеристики основных радиоизотопов приведены в таблице 1.11.

Т а б л и ц а 1.11 – Ядерно-физические свойства основных радиоактивных изотопов стронция

Наибольший практический интерес представляют ⁸⁹Sr (T_1/2 = 50,5 сут) и ⁹⁰Sr (T_1/2 = 29,1 года), характеризующиеся большим выходом в реакциях делении урана и плутония (табл. 1.12), где они образуются в цепочках превращений:

⁸⁹Кг ⁸⁹Rb ⁸⁹Sr ⁸⁹Y (стабильный),

⁹⁰Кг ⁹⁰Rb ⁹⁰Sr ⁹⁰Y ⁹⁰Zr (стабильный).

Таблица 1.12 – Выход ⁸⁹Sr и ⁹⁰Sr (%) в реакциях деления урана и плутония

Содержание их в продуктах деления (ПЯД) в зависимости от возраста ПЯД приведено в таблице 1.13

Таблица 1.13 – Содержание ⁸⁹Sr и ⁹⁰Sr в продуктах деления в зависимости от возраста (в % β-активности)

Основным источником загрязнения внешней среды радио­активным стронцием были испытания ядерного оружия и ава­рии на предприятиях топливно-ядерного цикла. Атмосфера — первичный резервуар ⁸⁹Sr и ⁹⁰Sr, откуда радионуклиды посту­пают на сушу и в гидросферу. Осаждение определяется грави­тацией, адсорбцией на нейтральной пыли, постоянно присут­ствующей в атмосфере, и удалением атмосферными осадками (дождь, снег). Время пребывания радиоактивных аэрозолей в атмосфере составляет 30–40 сут, в стратосфере – несколько лет. Вследствие различных периодов полураспада соотношение ⁸⁹Sr : ⁹⁰Sr в выпадениях постоянно меняется. В начальный пе­риод после взрыва в выпадениях преобладает ⁸⁹Sr, а затем ⁹⁰Sr, поскольку отношение активности ⁸⁹Sr : ⁹⁰Sr в начальном пери­оде равно 150. В начальном периоде ⁸⁹Sr является одним из компонентов загрязнения внешней среды в зонах ближних вы­падений радионуклидов. Суммарное количество ⁸⁹Sr, поступив­шего в атмосферу, оценивается в 90 ЭБк, a ⁹⁰Sr – в 600 ПБк. В эти величины не входит стронций локальных выпадений. На­блюдалась отчетливо выраженная зональность выпадений, за­висящих от особенностей атмосферных течений. За период 1961—1969 гг. в умеренных широтах Северного полушария плотность выпадения ⁸⁹Sr составила 1,3·10⁴ Бк/м², a ⁹⁰Sr за пе­риод 1951–1980 гг. – примерно 2,1·10⁴ Бк/м².

Источником загрязнения внешней среды, как уже отмеча­лось, были и остаются предприятия атомной энергетики. В ус­ловиях нормальной эксплуатации АЭС выбросы радионукли­дов незначительны. В основном они обусловлены газообразны­ми радионуклидами – РБГ, ¹⁴С, тритием и йодом. В условиях аварий, особенно крупных, выбросы радионуклидов, в том чис­ле радиоизотопов стронция, могут быть значительными. При­мером являются известные аварии на промышленном реакторе в Уиндскейле (1957) и ЧАЭС (1986). В Уиндскейле произошел пожар, причем выброс составил соответственно 29,6·10¹¹ и 33,3·10¹⁰ Бк. На ЧАЭС в разрушенном реакторе, по оцен­кам, могло накопиться 22,6·10¹⁶ и 233,1·10¹⁶ Бк. Выброс мог составить 4 и 3 % накопленной в реакторе активности. В 1957 г. в результате нарушения режима хранения РАО в ПО «Маяк» произошел взрыв емкости, где хранились радионуклиды в ко­личестве 74·10¹⁶ Бк. При взрыве 74·10¹⁵ Бк 10% активности в виде жидкой пульпы было поднято взрывом на высоту до 1 км. В выброшенной активности на долю ⁸⁹Sr и ⁹⁰Sr пришлось 2,2 и 2,5 %, которые обусловили длительное загрязнение боль­ших территорий ряда областей Южного Урала. Образовался Восточно-Уральский радиоактивный след (ВУРС). В началь­ном периоде работы ПО «Маяк» в результате сброса 10¹⁷ Бк РАО в реку Течу произошло загрязнение ее поймы. В сбросах содержались радиоизотопы цезия, стронция и редкоземельных элементов.

Плутоний – трансурановый элемент. Известны радиоактив­ные изотопы с массовыми числами 232÷246. Практическое зна­чение имеют ²³⁸Рu и ²³⁹Рu. Ядерно-физические характеристики основных радиоизотопов приведены в таблице 1.14. Стабильные изотопы плутония в природе не обнаружены.

Радиоизотопы плутония получают в промышленных урано­вых реакторах по реакции (n, γ). Тяжелые изотопы получают об­лучением ²³⁹Рu нейтронами. ²³⁹Рu наряду с ²³⁵U используют в ядерных и термоядерных боеприпасах, а также в качестве ядерного горючего на АЭС. ²³⁸Рu нашел широкое применение для изготовления атомных электрических батарей, источников питания для электрокардиостимуляторов, получения энергии в космических аппаратах.

Наиболее значимым источником загрязнения внешней среды плутонием (^239÷241Рu и др.) были испытания ядерного оружия. Только в пик испытаний (1952–1962) во внешнюю среду посту­пило 13 ТБк ^239,240Рu, 360 ТБк²⁴¹Рu и 0,13 ТБк других трансура­новых элементов с массовыми числами более 241.

Таблица 1.14 – Ядерно-физические свойства основных радиоактивных изотопов плутония