Ветеринарная радиобиология

При извлечении урана из руд в ходе первичной их переработки образуются хвосты обогащения, которые представляют собой другой источник загрязнения атмосферы. Радиоактивность создается за счет 238U, 230Th, 226Ra и 210Pb.

Производство ядерного топлива включает в себя очистку, переработку в гексафторид урана UF6, обогащение изотопом 235U, переработку в металлический уран и изготовление тепловыделяющих элементов (твэлов). Твердые отходы, образующиеся в ходе этих операций, сходны с теми, что получаются на стадиях добычи и переработки руд. Эмиссия радионуклидов в процессе производства топлива также относительно мала.

Ядерные реакторы - это мощные производители радиоизотопов и главные источники радиоактивных веществ в топливном цикле. Каждый акт деления дает два радиоактивных изотопа - осколка, каждый из которых подвергается радиоактивному распаду, превращаясь, в конце концов, в стабильный изотоп. При этом возникают сотни радиоактивных изотопов. Кроме того, интенсивные нейтронные потоки внутри реактора производят радиоактивные превращения элементов при захвате нейтронов, давая дополнительно радиоактивные изотопы (явление нейтронной активации).

Общее количество радиоактивных веществ внутри активной зоны реактора в каждый момент времени зависит от типа реактора и предшествующего режима его работы. В ходе нормальной работы ядерных реакторов образуются газообразные, жидкие и твердые отходы с низким и умеренным уровнем активности. Радионуклиды, возникающие при ядерном делении и активации, вызывают загрязнение различных материалов вследствие высвобождения их из ядерного топлива или с поверхности оболочек твэлов. Вид и количество отходов определяются такими факторами, как тип реактора, его конструктивные особенности, условия работы и степень выработанности топлива.

Хранение отработанного топлива, его переработка и захоронение отходов.

В результате развития атомной промышленности и энергетики, атомного флота только в России накоплено радиоактивных отходов суммарной активностью около 11,55*1019 Бк и отработанного ядерного топлива суммарной активностью 17,2*1019 Бк. При этом, как отмечено в Постановлении Правительства РФ от 23 октября 1995г, имеющиеся производственные мощности не обеспечивают надежной изоляции накопленных и вновь образующихся радиоактивных отходов и материалов.

В настоящее время ни на одной атомной электростанций России нет полного комплекта установок для подготовки к безопасному длительному хранению - кондиционированию радиоактивных отходов. Хранилища жидких и твердых радиоактивных отходов и отработанного ядерного топлива на АЭС близки к предельному заполнению.

Большая часть произведенного во всем мире количества долгоживущих радионуклидов находится ныне в хранилищах отработанного топлива, на радиохимических заводах, ведущих его переработку, и в хранилищах высокоактивных отходов. Количество отходов, которое необходимо захоронить и скорость, с которой они накапливаются во всем мире, огромны. В выбросах реакторов, хранилищ, радиохимических заводов и мест захоронения отходов принципиальное значение имеют следующие изотопы: 3H, 14C, 60Co, 85Cr, 90Sr, 95Zn, 99Tc, 106Ru, 129I, 131I, 134Cs, 137Cs, 144Ce, 147Pm, 237Np и изотопы плутония. В топливе после его извлечения из реактора кроме остаточного урана и плутония содержатся продукты деления и актиноиды, поэтому перед отправкой его на переработку необходимо дождаться распада короткоживущих радиоизотопов. Для этого отработанное топливо выдерживают в специальных хранилищах на самих АЭС. Топливо перевозится в специально оборудованных контейнерах (или «пеналах»), которые в соответствии с правилами, основанными на рекомендациях Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ), способны противостоять самым тяжелым авариям.

В отработанном топливе содержится не менее 96% урана и до 1% плутония. При переработке с помощью экстракции они переводятся в экстрагирующий растворитель. Почти все радиоактивные продукты деления остаются в водной фазе, образуя высокоактивные отходы, которые после удаления остатков органического растворителя и оболочки твэлов поступают в хранилище.

Газообразные радиоактивные отходы накапливаются за счет образования летучих радионуклидов, наиболее важные из которых - галогены, благородные газы, 3Н и 14С. Для удаления радиоактивных частиц из загрязненных газов и воздуха используют фильтры. В процессе переработки топлива образуются низкоактивные газообразные продукты. Они выделяются главным образом при разрезании и растворении твэлов. Радиоактивные изотопы йода распадаются при выдержке топлива в бассейне-охладителе. Остается лишь небольшая часть этих радионуклидов и их связывают с помощью специальной химической обработки. Изотоп криптон-85 (Т=10,4 года) - это продукт деления, главный источник его - переработка ядерного топлива. Он образуется в ядерных реакторах, но в основном сохраняется внутри тепловыделяющих стержней. При сбросе его через газоотводную трубу никакой специальной выдержки газов не производится.

Радиоактивные жидкие отходы, образующиеся на ядерных энергетических установках, содержат растворимые и нерастворимые компоненты - продукты деления и коррозии. Эксплуатация трубопроводов и оборудования приводит к накоплению жидких отходов как результат операций по их периодической дезактивации. Для того, чтобы основной объем жидких отходов можно было сбросить в окружающую среду или использовать в замкнутом цикле, применяются различные способы обработки стоков. Они основаны на четырех главных методах: выпаривании, химическом осаждении и коагуляции, твердофазной репарации и ионном обмене.

Низкоактивные жидкие стоки (например, вода из охлаждающих бассейнов), после обработки с целью сведения к минимуму концентрации радионуклидов, могут быть сброшены в окружающую среду. Высокоактивные жидкие отходы образуются на первой стадии разделения перерабатываемого топлива. Эти отходы можно сконцентрировать выпариванием для хранения в охлаждаемых емкостях до окончательного захоронения. Желательно, чтобы такие жидкие отходы можно было, в конечном счете, перевести в твердую форму для хранения и захоронения. Для этого используют процессы остеклования, основанные на методах сплавления с металлом или с керамикой, в результате чего высокоактивные отходы превращаются, например, в боросиликатное стекло.

Радиоактивные твердые отходы представляют собой оболочки элементов, загрязненное оборудование, отработанные реагенты и др. В зависимости от природы твердых отходов для уменьшения объема и подвижности радиоактивных веществ применяют различные комбинации методов. Чтобы уменьшить объем твердых низкоактивных отходов, а также в качестве предварительной обработки их перед прессованием или сжиганием используют разрезание, измельчение и дробление. Отходы средней активности от переработки топлива могут храниться в ожидании капсулирования и окончательного захоронения. Влажные отходы (ионообменные смолы, фильтрующие среды, осадки) перед окончательным захоронением должны быть превращены в твердые продукты. Для этого используют цементирование, битуминизацию или связывание с полимерами.

Существует 2 пути обращения с радиоактивными отходами и их удаление.

1. Концентрирование отходов и их захоронение в таких местах биосферы или вне ее, когда исключается или сводится к безопасному минимуму контакт отходов с живыми организмами.

2. Рассеяние радионуклидов в окружающей среде в первую очередь в атмосфере и гидросфере, до такой концентрации, которая считается безопасной в радиационно-экологическом отношении.

Первый путь принят во многих странах мира для высокоактивных отходов, 2-й путь - для отходов с низкой активностью.

4. Радиационные аварии

За время существования атомной энергетики на ее объектах в мире произошло более 300 аварий. Наиболее крупными и известными из них были аварии в Уиндскейле ныне Селлафильд (Великобритания) в 1957 году, на Южном Урале в том же 1957 году, на АЭС в Три-Мэйл-Айленд (США) в 1979 году и на Чернобыльской АЭС в 1986 году. Гораздо меньше известно о негласном "плановом" загрязнении [Симак С.В. и др., 1998].

Радиационные аварии различаются по объему выброса, радионуклидному составу, по тяжести последствий этих выбросов и размерам территорий, подвергшихся загрязнению и т.д. Учитывая участившиеся инциденты на атомных объектах, МАГАТЭ предложило оценивать тяжесть радиационных аварий на энергетических реакторах по 7 бальной шкале:

1 балл - Аномалия: нарушения нормальной работы реактора, не требующие защитных мер (ошибки операторов, отказ автоматики).

2 балла - Происшествие: техническое происшествие или аномалия, которая не вызвала серьезных последствий, но может потребовать защитных мероприятий в дальнейшем.

3 балла - Серьезное происшествие: выброс радиоактивности в окружающую среду превышает допустимый уровень. Кратковременно дозы за пределами объекта достигают десятков м Зв. Защитные меры вне АЭС не требуются. Высокий уровень радиации и/или локальное загрязнение вследствие повреждения оборудования или неправильного управления (Пример: гибель подводной лодки «Комсомолец», 1989). Переоблучение обслуживающего персонала (индивидуальные дозы превышают 50 мЗв).

Происшествие, при котором выход из строя систем защиты может привести к аварии, или ситуация, при которой защитные системы неспособны предотвратить аварию (Пример: Ванделло, Испания, 1989).

4 балла - Авария на объекте: радиация в прилегающей местности создает индивидуальную дозу в несколько мЗв. Локально требуются защитные меры, контроль (выборочный) местных продуктов питания. Повреждение активной зоны (механическое и/или частичное расплавление). Дозы у работников АЭС могут привести к острой лучевой болезни (порядка 1 Зв). Пример: Сент-Лорен, Франция, 1980.

5 баллов - Авария, опасная для прилегающей территории: выброс продуктов деления, радиологически эквивалентный 1014 - 1015 Бк йода-131. Требуются местные защитные мероприятия (укрытия и/или эвакуация из пораженной местности), пример: Уиндскейл, Великобритания, 1957г.

Серьезное повреждение активной зоны реактора (разрушение и/или частичное расплавление), пример: Тримайл-Айленд, США, 1979 г.

6 баллов - Серьезная авария: выброс продуктов деления, эквивалентный 1015 - 1016 Бк йода-131. Требуются широкомасштабные мероприятия для предотвращения серьезных последствий для здоровья.

7 баллов - Катастрофа: выброс значительной части активной зоны со смесью коротко- и долгоживущих продуктов деления в количестве, эквивалентном более чем 1016 Бк йода-131. Возможны острые лучевые поражения. Радиобиологические эффекты на большой территории, иногда охватывающей несколько стран. Долговременные последствия для окружающей среды. (Пример: Южный Урал, СССР, 1957г., Чернобыль, СССР, 1986г.) [Люцко А.М. и др., 1996].

В России наиболее известно состояние дел с жидкими радиоактивными отходами комбината "Маяк" в Челябинской области на Южном Урале. 27 сентября 1957 года из-за неполадок в системе охлаждения бетонных емкостей, содержащих высокоактивные отходы, химический взрыв выбросил в атмосферу около 1017 Бк радиоактивных продуктов деления (главным образом 90Sr). Они рассеялись и осели в Челябинской, Свердловской и Тюменской областях. Жители населенных пунктов, где уровень загрязнения многократно превысил предельно допустимые нормы, были эвакуированы. Еще и сейчас вдоль «кыштымского следа» существуют территории с концентрацией активности выше 10 МБк/м2. Катастрофа на Южном Урале еще не изучена до конца и нельзя назвать ее последствия.

В октябре того же 1957 года на другом военном заводе, производящем оружейный плутоний, в Великобритании (Уиндскейл, ныне Селлафильд), из-за частичного расплавления активной зоны реактора в окружающую среду было выброшено 7,5*1014 Бк йода-131, 2,2*1013 Бк цезия-137 и другие изотопы. С территории около 500 кв.км власти эвакуировали население, запретив использовать воду и молочные продукты местного производства. После распада радиоактивного йода через полтора месяца эвакуированные, получив компенсацию за ущерб, смогли вернуться домой. Сейчас в Селлафильде, на месте закрытого военного завода, существует всемирно известный экскурсионный центр, где можно познакомиться с проблемами ядерной энергетики, правилами радиационной безопасности, устройством реактора и использованием ионизирующих излучений.

Катастрофа на Чернобыльской АЭС, произошедшая 26 апреля 1986 года по своим масштабам беспрецедентна, а по радиоэкологическим последствиям сравнима лишь с южноуральской.

Еще одним источником загрязнения окружающей среды радиоактивными веществами являются транспортные реакторы на атомоходах и атомных подводных лодках. При их нормальной работе уровень загрязнения невелик, однако и здесь время от времени происходят аварии (аварии американской подводной лодки "Трайдент" в середине 60-х годов и советской подводной лодки "Комсомолец" в 1990 г. лишь наиболее известные из них). Даже при затоплении судна с не разрушенным реактором неизбежна его коррозия в морской воде и рано или поздно радионуклиды попадут в окружающую среду. Та же судьба ожидает и контейнеры с радиоактивными отходами, которые до ноября 1993 г наша страна сбрасывала в окружающие моря - Карское, Японское, Баренцево [Люцко А.М. и др., 1996].

Поступление радиоизотопов в окружающую среду возможно и в результате деятельности промышленных и исследовательских реакторов, а также при утере источников радиоактивного излучения (обычно 137Сs или 60Со), используемых в различных приборах. Только за 1982-1990 гг. в г. Москве сотрудниками Геоцентра выявлено 765 участков локального радиоактивного загрязнения [Симак С.В. и др., 1998].

В результате последствий радиационных аварий в настоящее время в России более 110 тысяч человек живут на территориях, которые по медицинским нормам должны быть необитаемой зоной [Дубинин, 1994].

Лекция 8: Территории бывшего СССР с повышенной радиоактивной загрязненности среды

1. Радиоактивные загрязнения, вызванные испытаниями ядерного оружия

Наиболее загрязняющие среду испытания атомных зарядов в России (СССР) велись на Семипалатинском полигоне (население прилегающих территорий 803 тыс. чел.), на Новой Земле, в Северном Ледовитом океане (общая площадь 83 тыс. км2, арктическая пустыня, тундра).

В нашей стране осуществлено 715 взрывов, в том числе самое большое количество испытаний в атмосфере (215). Большинство этих взрывов проведено на Семипалатинском полигоне, а также на Новой Земле, где были проведены взрывы (особенно водородной бомбы в 1961 г.) самой большой мощности в мире. Радиоактивными цезием, стронцием, плутонием загрязнена тундра побережья Баренцева и Карского морей, крайний Север Западной Сибири. Полигон и прилегающие к островам прибрежные воды и заливы используются и как могильник отработавших реакторов, в том числе первого в мире атомного ледокола «Ленин».

Максимальная активность радиоактивных выпадений регистрировалась в Андерме (Ненецкий округ), превышая фон в 11 тыс. раз. Величина радиоактивности в цепочке на территориях севернее 60° с.ш., «миграция радионуклидов - лишайник - северный олень - человек», превышает фоновую в 10 и более раз.

Помимо ядерных испытаний, в нашей стране проводились георазведочные и промышленные ядерные взрывы (по договору от 28.05.1976) при условии полной экологической безопасности. В СССР в мирных целях было проведено 115 подземных ядерных взрывов, в том числе 89 в России (16 в Западной Сибири, 15 в Астраханской области, 10 в Пермской области и от 2 до 5 в Башкирии, на Северном Кавказе, Мурманской и других областях).

Основой экологической безопасности здесь служила температура в точке взрыва ~106°С, ведущая к вплавлению радиоактивных продуктов деления в состав литосферы. Взрывы велись в малообитаемых районах страны. Риску повышенного загрязнения подвергалось незначительное число близлежащих поселков, городов (несколько сотен человек).

Основная часть радионуклидов деления вплавлялась в породу, формируя газоводонепроницаемую емкость. Однако под действием подземных вод, перепадов температур в последующем возможна разгерметизация локальной радиоактивности и ее труднопрогнозируемая миграция. Подобные взрывы признаны нерентабельными, наносящими труднопрогнозируемый ущерб окружающей среде, и в настоящее время не проводятся.

2. Аварийное радиоактивное загрязнение среды

Потенциальными источниками формирования аномальных антропогенных радиоактивных загрязнений среды являются атомные электростанции мира. За 1956-1990 гг. в нашей стране было построено 12 АЭС с 37 реакторами и 20 исследовательских реакторов.

Таблица 8.1.

АЭС и исследовательские реакторы в России

АЭС (годы ввода в эксплуатацию)	Число реакторов	Местоположение и численность жителей
Балаковская (1985)	3	город-порт Балаково на Волге, 180 тыс. жителей
Белоярская (1980)	1	пос. Заречный Свердловской обл., несколько сотен жителей
Билибинская (1974-1976)	4	пос. Билибино Чукотского автономного округа (горнорудная промышленность), несколько сотен жителей
Калининская (1976)	2	ж-д станция «Удомля». Деревообрабатывающий завод, несколько сотен жителей
Кольская(1974)	4	пос. Полярные Зори Мурманской обл., Горнорудная промышленность, несколько сотен жителей
Курская (1974-1975)	4	пос. Курчатов Курской обл. на реке Сейм, несколько сотен жителей
Ленинградская (1973-1985)	4	г. Сосновый Бор Ленинградской обл., Ма-шиностроительный завод., 53тыс. жителей
Нововоронежская (1971-1980)	3	г. Нововоронеж Воронежской обл., несколько сотен жителей
Смоленская (1985-1990)	3	пос. Десногорск Смоленской обл. несколько сотен жителей
Обнинская (1956)	1	г. Обнинск Калужской обл., 91 тыс. жителей
Томская	5	Томск-7, Томская обл., 107 тыс. жителей
Красноярская	3	Красноярск-26, Красноярская обл., около 90 тыс. жителей
Исследовательские реакторы	9	Москва (Химки, Севастопольский, Сокольнический р-ны)
	3	Санкт-Петербург, г. Сосновый бор, Ленинградской обл.
	1	Обнинск (учебный центр по ядерной энергетике)
	7	г. Димитровград Ульяновской обл., НИИ атомных реакторов, 116 тыс. жителей

Отечественные реакторы по системе защиты были признаны (Лондон, 1960) наиболее безопасными, и до аварии на Чернобыльской АЭС инцидентов на них не происходило. Тем не менее, типовые загрязнения среды даже при нормальном режиме работ неизбежны. Поэтому территории, непосредственно прилегающие к АЭС, реакторам, пунктам захоронений радиоактивных отходов, следует отнести к разряду с повышенной радиоактивностью среды. В последующем это подтвердилось рядом аварий на АЭС в США и Англии (20 аварий за 20 лет), а затем в нашей стране и в Японии.



Состав радиоактивного загрязнения среды на прилегающих к АЭС и исследовательским реакторам территориях тот же, что и при ядерных взрывах, авариях, но при значениях, в сотни раз меньших по сравнению с загрязнениями от испытаний ядерного оружия.

Радиоактивное загрязнение среды в крупных масштабах произошло в результате аварии на военном ядерном центре «Челябинск-40» (или «Маяк») в 1957 г. вследствие теплового взрыва одного из ядерных хранилищ. Радиоактивный выброс (облако) охватил значительную часть Челябинской области (с населением 3548 тыс. чел.) и прилегающие районы Тюменской, Курганской, Свердловской областей. Максимальная длина образовавшегося Восточно-Уральского радиационного следа составила 300 км. Загрязнение среды активностью свыше 0,1 Ки/км2 (по стронцию-90, основному радионуклиду взрыва) охватило 23 тыс. км2, 217 населенных пунктов с общей численностью населения 270 тыс. чел. Территория с плотностью загрязнения более 2 Ки/км2 составила 1000 км2 с населением 2,1 тыс. чел. С территорий, загрязненность которых превышала 2 Ки/км2 (принятый предел), были переселены 10,2 тыс. чел.

Помимо аварийной загрязненности, на территории района площадью 30-40 км2 (санитарно защитная зона междуречья Теча - Мишеляк) было сосредоточено более 200 могильников: с радиоактивностью 4 млн Ки - вплавлены в стекло; с 150 млн Ки - в спецхранилищах и емкостях; с 200 млн. Ки - сброшены в озеро Карачай, Старое Болото, пойму реки Течи (отделенной к настоящему времени от реки дамбой).

Авария на Чернобыльской АЭС, приостановившая развитие ядерной энергетики мира, вследствие «радиационного страха», произошла 26 апреля 1986 г. в ходе эксперимента с недозволенным отключением систем блокировки. Два взрыва вынесли в среду радиоактивность ядерного топлива реактора и продуктов его деления на высоту 600-1200 м. Первичный выброс в виде газов и аэрозолей 137Cs (134Cs) составил 2*106 Ки, 3Н - 2*107 Ки при незначительной доле других радионуклидов.

Оставшаяся активность сочилась в течение последующих 10 суток, загрязняя среду. Население об этом не оповещалось (сообщалось об управляемости аварией), должные меры защиты приняты не были.

На АЭС в момент взрыва работало 200 чел. и 900 чел. (ночная смена) находились на расстоянии 5 км от аварийного реактора, на строительстве 5-го и 6-го блоков АЭС. В момент взрыва погибли два человека. В течение первых трех дней 399 чел. были отправлены в Москву и Киев с подозрением на острую лучевую болезнь.

Таблица 8.2.

Суммарная активность некоторых радионуклидов, выброшенных в атмосферу ЧАЭС (по литературным данным)

Нуклид	Период полураспада	Суммарная активность выброса, Ки	Доля, % от
			количества в реакторе	суммарной активности выпадений к 1993 г.
l27Cs	30 лет	2,3	31	89,4
134Cs	2 года	1,4	31	4,4
I31J	8 суток	1798	55	-
90Sr	29 лет	0,46	4	1,9

Территориальное распределение радиоактивного загрязнения шло неравномерно. Радиоактивным выпадениям, повысившим радиационный фон не более чем в 5-10 раз за счет короткоживущих изотопов, подверглись территории Польши, Германии (ГДР), Италии, Швейцарии, Франции, Бельгии, Нидерландов. К началу мая аналогичные выпадения регистрировались в Великобритании, Греции, Израиле, Кувейте, Турции. Но наиболее массивным загрязнениям были подвержены 13 областей России, Белоруссии, Украины: Минская, Брестская, Ровненская, Могилевская, Гомельская, Житомирская, Киевская, Черкасская, Черниговская, Брянская, Калужская, Орловская, Тульская. Суммарная площадь районов с загрязнением > 40 Ки/км2, потребовавших срочной эвакуации свыше 130 тыс. чел., составила 7000 км2 (2000 км2 в России). Общая площадь цезий-стронций-плутониевой и короткоживущей йодной радиоактивной загрязненности в России составила 147 тыс. км2 с 4270 населенными пунктами и общей численностью населения ~3 млн. чел. Треть населения территорий с резко изменившимся составом среды (783 тыс.) - дети. Для дезактивации территорий было снято около 200 тыс. м3 грунта, снесены и захоронены несколько деревень.

Таблица 8.3.

Области России с загрязнением более 1 Ки/км2

Область	Число населенных пунктов	% загрязненных почв области
Белгородская	37	8
Брянская	1177	34
Воронежская	21	1,5
Калужская	338	17
Курская	171	4,4
Ленинградская	44	1
Липецкая	85	8
Орловская	525	40
Рязанская	378	15
Смоленская	47	0,5
Тульская	1447	47

Примечание. Средний уровень современного (глобального) фонового загрязнения среды по 137Cs составляет 0,08 Ки/км:, по Sr - 0,045; плутонию - 0,005 Ки/км2.

Наиболее сильно в России пострадали Брянская, Калужская, Тульская области, а также ряд районов Воронежской и Липецкой областей (табл. 2.7).

Критическими радионуклидами загрязнений являются цезий (79,3 % от суммарной радиоактивности среды); стронций (19,8 %) и микровкрапления плутония (0,9 %).

В Белоруссии доля территорий, радиоактивность которых превышала (по данным Международной программы по последствиям чернобыльской аварии) 1 Ки/км2, составила 22 % (20 % населения). Общая площадь загрязненности - 80 %. Из зон отселения и отчуждения было срочно эвакуировано 24,7 тыс. чел., 33 лечебно-профилактических учреждения осуществляли экстренное медицинское обслуживание эвакуированных.

На Украине загрязнению подверглось около 30 % территорий. Наиболее пострадавшим, потребовавшим экстренной медицинской помощи, оказалось Полесье. Радиоактивность Овручинского, Ивановского, Полесского районов достигала здесь 40 Ки/км2, накапливаемые эквивалентные дозы - 48,6 мЗв/год. Общая численность населения республики, получившего повышенные лучевые нагрузки (по данным 1991 г.), составила 1,53 млн чел.

К локальным, менее значительным территориальным загрязнителям следует отнести ремонтные заводы и базы атомных кораблей, хранилища ядерного оружия и другие объекты. На таких объектах (побережье Северного Ледовитого океана, Мурманская, Архангельская, Ленинградская, Московская, Пермская, Новосибирская, Читинская области и Дальний Восток) были зафиксированы случаи повышения радиоактивности внутри объектов или выявлены участки локального повышения радиоактивности. Однако последствий локальных загрязнений зарегистрировано не было.

3. Радиационная обстановка в Ставропольском крае

Основными факторами, определяющими радиационную обстановку на территории края, являются:

· естественная радиоактивность;

· привнесенная радиоактивность (в виде отходов, образующихся при добыче, транспортировке и переработке нефти и газа, термальных, питьевых и минеральных вод, радиоактивных руд, строительных материалов);

· радиационные аварии.

Природная радиоактивность территории края определяется преимущественно современными ландшафтами и особенностями геологического строения этой части региона.

Большая часть территории края (90 %) представлена степной ландшафтной зоной с лугово-черноземными и каштановыми типами почв и, в незначительной мере, полупустынной ландшафтной зоной (крайний восток и юго- восток края) с серо- коричневыми почвами и сероземами. Примерно на 8 % территории края мощность экспозиционной дозы гамма-излучения (МЭД ГИ) составляет 10-12 мкР/ч, что характерно для участков развития глинистых толщ майкопской серии, содержащими прослои детрита (костные остатки рыб) с повышенным содержанием урана. Районы с такими значениями уровня гамма-фона находятся в основном в южной и юго-западной частях края (Кочубеевский, Андроповский, Предгорный, Минераловодский и отчасти Шпаковский и Георгиевский районы). Кроме того, аналогичные по величине МЭД ГИ спорадические участки имеют место и в других районах края (Советский, Курской, Левокумский, Нефтекумский, Буденновский, Арзгирский, Ипатовский, Новоалександровский).

На оставшиеся 2 % площади территории края приходятся уровни гамма-фона с МЭД ГИ более 12 мкР/ч. Это связано с развитием магматических пород кислого состава (породы гранитоидного, трахитового и липаритового составов) и приурочены к горным районам и району гор-лакколитов Особо-охраняемого эколого-курортного района Кавказских Минеральных Вод.

В регионе Кавказских Минеральных Вод радиационная обстановка обусловлена суммарным воздействием на окружающую среду природных, природно-техногенных и техногенных факторов.

Природные факторы связаны со своеобразием геологического строения региона и, в первую очередь, выходящими на дневную поверхность 17 разобщенных лакколитообразных тел гранитоидного состава, обладающих повышенным уровнем гамма фона, которые прорывают толщу эоценовых и майкопских отложений. Повышенным уровнем гамма-фона обладают и склоновые отложения вокруг гор-лакколитов, а также травертиновые образования по периметру гор Железной и Машук.

Природно-техногенные факторы связаны с использованием до 60-70 годов высокорадиоактивных гранитоидных материалов из карьеров горы Змейки, Кинжала, Шелудивой. Существенную роль в формировании общего радиационного фона данного региона играют хемогенные отложения минеральных источников - травертины, расположенные по склонам гор-лакколитов, уровень радиоактивности которых варьирует в пределах 30-50 мкР/ч и более.

Техногенные источники повышенной радиационной опасности связаны с газонефтедобывающая отраслью. На территории Нефтекумского, Левокумского, отчасти Буденновского районов находится около 40 газо-нефтяных месторождений. Проливы на грунт водо-нефтяной смеси, размещение пластовых вод в отстойниках и на полях испарения, являющихся по удельной активности слабоактивными жидкими радиоактивными отходами, накопление радиоактивных солей в насосно-компрессорных трубах (НКТ) и другом нефтяном оборудовании, реализация местному населению и организациям радиоактивных труб привела к накоплению в регионе нефтедобычи радиоактивных отходов.

В 2004 году были продолжены комплексные геоэкологические работы на территории нефепромыслов восточного Ставрополья, в том числе и радиационно-экологические исследования на Величаевско-Колодезном месторождении УВС.

В результате проведенных работ установлено, что радиоактивные загрязнения преимущественно связаны с трубами и различными металлоконструкциями из них, а также с почво-грунтами площадок эксплуатируемых скважин, отстойников и полей фильтрации дебалансных вод.

Для утилизации насосно-компрессорных труб в ОАО «Роснефть» и НК «Ставропольнефтегаз» создана специально оборудованная площадка в п. Затеречном, где в настоящее время хранится более 40 тыс. штук насосно-компрессорных труб.

Отсутствие ограничений на реализацию утилизированных насосно-компрессорных труб населению и различным организациям и дальнейшее их использование для строительства различного рода инженерных сетей (водоводы, газоводы и пр.) и строительных конструкций (опоры, элементы детских и спортивных площадок, ограждения и т.п.) являются существенным фактором техногенного радиоактивного воздействия на объекты окружающей среды, а также на население во многих городах и поселках края.

Для нормализации и контроля радиационной обстановки в крае с целью ограничения облучения населения как от природных, так и техногенных (антропогенных) источников ионизирующего излучения необходимо проведение всего комплекса радиационно-экологических исследований по её оценке с привлечением компетентных организаций:

· районирование территории края по степени потенциальной радоноопасности;

· радиационно-экологический мониторинг селитебных территорий городов и поселков;

· радиационно-экологическое обследование месторождений строительных материалов, месторождений углеводородного сырья.

Тема 4. МИГРАЦИЯ РАДИОНУКЛИДОВ

Лекция 9: Распространение радионуклидов в атмосфере

1. Физические и химические формы существования радионуклидов - общие аспекты

Радионуклиды могут существовать в различных физических и химических формах в зависимости от условий выброса и переноса, а также свойств участвующих при этом элементов. Самое общее деление - это газы, аэрозоли и частицы.

Инертные газы, например благородный газ криптон - 87Kr, 88Kr, удаляются из атмосферы только в результате естественного радиоактивного распада.

Реакционноспособные вещества, такие как ксенон - 133Xe, 135Xe и элементарный йод - 129I, 131I, который может физически или химически взаимодействовать с другими веществами, например адсорбируясь на поверхности аэрозолей.

Частицы, несущие радионуклиды (барий - Ba, лантан - La, стронций - Sr), возникают как в результате изначального выброса частиц, так и при последующей конденсации из газа. Частицы с высокой специфической активностью (так называемые «горячие частицы») могут образовываться при взрывах ядерных зарядов и авариях реакторов. По физическим характеристикам частицы могут быть сферические оплавленные силикатные частицы грунта или конструкций, пылевидными частицами, частицами из матриц тепловыделяющих элементов реакторов и др.

Радионуклиды конденсируются также и на естественных аэрозолях. Размер частиц радионуклидных аэрозолей колеблется 0,001-800мкм: аэрозоли (цезий - Cs и телур - Te, 0,5-1,0 мм). Растворимость колеблется от долей % до 100%.

При выбросах искусственно созданных радионуклидов их последующая эволюция определяется физическими и химическими свойствами, проявляемыми в биогеохимических процессах.

2. Процессы переноса в атмосфере

Попавшие в атмосферу радионуклиды подвергаются влиянию различных физических процессов, которые и определяют их дальнейшую судьбу (рис. 9.1.). Наиболее важные с точки зрения дозиметрии процессы - это рассеяние радиоактивных продуктов в атмосфере и последующее их удаление из атмосферы.

Рассеяние радионуклидов, поступивших в планетарный пограничный слой (нижние несколько километров атмосферы), обусловлено как ветровым переносом (адвекция), так и перемешиванием (диффузия), происходящими в локальном и в глобальном масштабе. Первоначально радионуклиды рассеиваются благодаря локальной циркуляции атмосферы. Этот процесс занимает несколько секунд или минут и приводит к распространению их в горизонтальной плоскости в пределах нескольких километров. Разбавление и перемешивание вызываются турбулентными вихрями и сдвигами ветра. В вертикальном направлении эти вихри ограничены размерами слоя перемешивания, а в горизонтальном они распространяются до синоптических размеров крупномасштабных погодообразующих систем.



Рис. 9.1. Процессы, оказывающие влияние на радионуклиды в атмосфере.

Флуктуации ветра (вихри), большие, чем размер облака, стремятся перенести по ветру целое облако и не рассеять его, тогда как вихри, весьма близкие по размеру к облаку, приводят к быстрому росту последнего и разбавлению радиоактивности. Таким образом, атмосферная турбулентность (диффузия) состоит из широкого спектра вихрей, охватывающих расстояния от тысячи километров до размера молекул. Интенсивность турбулентного перемешивания атмосферы в первую очередь зависит от неоднородности подстилающей поверхности, сдвигов ветра по высоте и вертикального распределения температур в атмосфере. Следовательно, можно ожидать большей интенсивности турбулентного движения над пересеченной местностью, нежели над равниной, и в периоды, когда сильный нагрев солнечным светом приводит к вертикальной температурной нестабильности.

Ветровые системы, как в стратосфере, так и в тропосфере преимущественно зональные, т.е. ориентированные с запада на восток или с востока на запад. Потоки воздуха в тропосфере в северных широтах движутся в основном с запада на восток, при этом скорость ветра возрастает с высотой вплоть до уровня струйных течений. Интенсивность самих струйных течений варьирует в зависимости от места и высоты. В более низких широтах наиболее часты восточные ветры. В тропосфере низких широт также может иметь место меридиональный перенос. В этом случае потоки воздуха поднимаются над экватором, движутся по направлению к полюсам и опускаются к поверхности земли в субтропических областях. Движение по направлению к экватору компенсирует движение в сторону полюсов в высоких широтах.

Зональные потоки воздуха видоизменяются под влиянием циклонов и антициклонов, в результате образуется «вихревая» ветровая система, в которой есть компоненты, движущиеся с севера на юг. Кроме того, ближе к земной поверхности над определенными территориями наблюдаются региональные ветровые системы, например муссоны в районе Индийского океана, вызываемые неравномерным нагревом суши и моря. Существуют также ветровые системы, изменяющие направление в зависимости от сезона.

Анализ данных по обнаружение радиоактивных осколков показывает, что в случае испытаний в средних и высоких широтах передвижение в основном осуществляется западными ветрами, возможно под влияние струйных течений. Время полного переноса радионуклидов вокруг Земли составляет примерно 10-14 суток. Быстрое зональное движение, вызванное струйными течениями, приводит к тому, что распространение радиоактивных веществ максимально на той широте, где проводится испытание, и снижается в более низких и высоких широтах, при этом географическое расстояние особой роли не играет.

3. Фракционирование радионуклидов

В период формирования аэрозольных частиц в стратосфере и тропосфере происходит так называемое фракционирование радионуклидов, т.е. в период конденсации испарившегося во время взрыва вещества имеет место избирательный захват изотопов формирующимися частицами. При фракционировании смесь изотопов в атмосферных выпадениях изменяется в зависимости от расстояния и времени переноса продуктов деления в атмосфере. Фракционирование радионуклидов определяется мощностью ядерного взрыва и местом его проведения.

Изотопы тугоплавких элементов цирконий (95Zr), церий (144Се), вольфрам (181W) и др. в результате конденсации и коагуляции включаются в состав крупных твердых частиц. Радиоактивные изотопы 90Sr и 137Cs не принимают участия в процессе конденсации, они адсорбируются на поверхности мелких частиц и парах влаги с образованием мелкодисперсных аэрозолей.

Зона переходных зародышевых частиц. Это очень мелкие частицы - продукты конденсации паров и конверсии газов в твердые образования. Они представляют собой первичные частицы, образовавшиеся таким образом, и являются не долгоживущими образованиями. Аэрозольное вещество, образовавшееся из элементов с умеренной летучестью (например, цезий) при высокотемпературных авариях (например, в Чернобыле), будет выбрасываться в основном в виде пара с последующей быстрой конденсацией в аэрозоль, где максимум распределения будет приходиться именно на эту зону. Элементы, высвобождающиеся в газообразной форме, а затем переходящие в менее летучую форму (например, йод), также связываются в основном с частицами этой зоны благодаря высокому отношению площади поверхности к объему у очень мелких частиц.

Зона аккумуляционных частиц. Аэрозоли, состоящие из переходных зародышей частиц, по природе своей неустойчивы в отношении таких механизмов роста, как коагуляция и конденсация паров, следовательно, существует тенденция к их росту, ведущая к образованию аккумуляционных частиц. Высокая скорость коагуляции зародышей частиц способствует образованию аккумуляционных частиц, при этом их численная плотность падает и дальнейшая коагуляция идет очень медленно. Другим фактором, благоприятствующим существованию аккумуляционных частиц, служит неэффективность процессов выведения для частиц таких размеров. Для более мелких частиц одинаково предпочтительно как сухое, так и мокрое оседание в силу высокой диффузионной способности таких аэрозольных частиц, тогда как на более крупные частицы действуют инерционные и гравитационные силы, что ведет к эффективному сухому выведению. Таким образом, аккумуляционная зона находится в области минимума на кривой эффективности как для сухого, так и для мокрого оседания. Когда вымывание ни в слое облаков, ни под ним не эффективно.

Зона гигантских частиц механического происхождения. Для распределения аэрозольных частиц по массе в окружающем воздухе характерен минимум в области 2 - 3 мкм; частицы большего размера называют «гигантскими» или «механически образованными». Последнее название отражает то обстоятельство, что первичные аэрозоли такого размера образуются в основном вследствие механического трения, а не из газа или пара. Радиоактивность, характерная для этих более крупных частиц, может быть не связана с механическим разрушением; процессы коагуляции и конденсации в равной мере могут приводить к присоединению радиоактивного вещества к крупным, находящимся в воздухе частицам. Конденсация паров может способствовать образованию частиц с неактивной сердцевиной и радиоактивной наружной оболочкой. Гигантские частицы довольно быстро оседают под воздействием сил гравитации. Столь же эффективно удаляются из атмосферы под влиянием процессов, зависящих от сил инерции.

Процессы аэрозольной коагуляции затрагивают частицы всех размеров, хотя наиболее быстро они идут у мелких частиц при высокой численной плотности. Смешение факела, содержащего радиоактивные частицы, с окружающим воздухом ведет к коагуляции радионуклидов с аэрозольным веществом окружающего воздуха. В результате изменяются распределение аэрозоля по размерам частиц и его физико-химическое поведение.

Аэрозольные переходные зародышевые частицы быстро теряются в результате оседания, либо трансформируются в частицы более крупных размеров. Поэтому они обычно наблюдаются только рядом с источником. «Гигантские» частицы тоже образуются довольно локально (в том числе и из-за ресуспензии), атмосферные турбулентные процессы могут переносить их по воздуху на значительные расстояния: на десятки, сотни, а в исключительных случаях на тысячи километров. Основная же часть аэрозольного вещества, переносимого на значительные расстояния, связана с частицами аккумуляционной зоны. Эти аэрозоли обладают очень низкой скоростью оседания, обычно 0,01-0,1 см/с. Поэтому время жизни с точки зрения сухого оседания составляет 12-120 суток в пограничном слое высотой 1 км. На практике, наиболее типичная продолжительность жизни достигает 7-30 дней.

Аэрозольные частицы в условиях высокой относительной влажности подвержены гигроскопическому росту - решающему процессу при образовании облаков и вымывании осадками. Быстрее всего частицы растут за счет поглощения воды водорастворимыми солями, которые могут присутствовать в составе частиц.

Иногда аэрозольные частицы могут приобретать электрический заряд, который заметно влияет на их поведение.

Фракционирование радионуклидов в радиоактивных выпадениях приводит к неравномерному очищению атмосферы от продуктов деления. Это, прежде всего, обусловлено тем, что скорость оседания частиц различного размера неодинакова. Крупные частицы выпадают быстрее, мелкие - медленнее.

4. Осаждение радиоактивных аэрозолей на земную поверхность

В зависимости от источника и условий формирования радиоактивных осадков характер выпадений и их физико-химические свойства сильно различаются, что сказывается на степени и размерах загрязняемой территории. Радиоактивные вещества могут выпасть в течение первых суток вблизи места взрыва, образуя локальные выпадения, или, поступив в верхние слои атмосферы, задержаться в стратосферных и тропосферных резервуарах. Стратосферный и тропосферный резервуары - источник повсеместных (глобальных) выпадений радиоактивных веществ.

В результате наземных ядерных взрывов мощностью менее 1 Мт доля локальных выпадений составляет 80%, а от воздушных взрывов такой же мощности все 100% представлены тропосферными выпадениями. При мощности более 1 Мт значительная часть радиоактивных аэрозолей попадает в стратосферный резервуар (от наземного взрыва - 20%, от воздушного - 99%). Радиоактивные выпадения от наземных ядерных взрывов представляют собой оплавленные частицы грунта, на котором произведен взрыв. При проведении взрывов на почвах, сформированных на подстилающих силикатных породах, образуются крупнодисперсные остеклованные частицы, практически нерастворимые. При проведении взрывов на почвах, образовавшихся на карбонатных почвообразующих породах, формируются хорошо растворимые радиоактивные частицы независимо от их дисперсности.

После наземного ядерного взрыва радиоактивные частицы, находящиеся в нижних слоях атмосферы, осаждаются на растительный и почвенный покров в течение нескольких часов. Это объясняется сравнительно большим размером радиоактивных частиц при наземных ядерных взрывах (1 - 0,01 мм). Вначале выпадают более крупные частицы, затем - более мелкие и в конце пути радиоактивного облака - самые мелкие частицы. Крупные частицы в основном оседают под действием силы тяжести.

При попадании радиоактивных аэрозолей в тропосферу происходит их глобальное «размывание» и перемещение током воздушных масс с большой скоростью, преимущественно по географическим параллелям от места взрыва. Тропосферный резервуар очищается сравнительно быстро, период полуочищения колеблется в пределах от 2 до 3 недель. Пребывание в тропосфере долгоживущих радионуклидов обычно не превышает 30 суток в результате вовлечения аэрозолей в процессы формирования облаков. В ряде случаев наблюдается более высокая скорость выпадения 90Sr и 137Cs из нижних слоев атмосферы - в течение 5 суток.

Радиоактивные выпадения стратосферного происхождения, попадая в тропосферу, в дальнейшем оседают на поверхность земли в основном в результате вымывания атмосферными осадками. Гравитационное оседание частиц, ушедших в стратосферу, происходит крайне медленно, на протяжении десятилетий. Среднее время пребывания радиоактивных веществ в стратосфере зависит от высоты и мощности взрыва, географической широты места проведения взрыва, времени года и метеорологических условий. Состав радионуклидов ядерного происхождения за время циркуляции в стратосфере меняется. Короткоживущие радионуклиды (наибольшая часть взрыва) распадаются, оставляя место цезий-стронциевым источникам глобального малоинтенсивного загрязнения среды.

Рис. 9.2. Широтное распределение глобальных радиоактивных выпадений (для мелких аэрозолей, заброшенных в верхнюю атмосферу).

Переход стратосферных радионуклидов в тропосферу с последующим осаждением происходит преимущественно на широте 25-30 градусов в обоих полушариях с максимумом в Северном полушарии (Рис. 9.2.). Наибольшая часть выпадений (стратосфера-тропосфера-земная поверхность) смещается на широту 40-50 градусов. При проведении взрывов в более высоких географических широтах среднее время пребывания в нижних слоях атмосферы обычно меньше (Северное полушарие - около 6 месяцев), чем при проведении ядерных взрывов в средних широтах (2-3 года).

Динамика глобальных выпадений меняется в течение года. Максимум приходится на весну и начало лета (1 и 2 кварталы - в Северном и 4 - в Южном полушариях). В средних широтах 60% суммарного отложения радионуклидов за год приходится на весенние и летние месяцы. Скорость отложения радионуклидов измеряется в кБк на 1км2 за единицу времени. (В изменения собственно функций и структуры атмосферы радиационные загрязнения этого ряда существенного вклада не вносят).

Выделяют два пути осаждения радионуклидов из атмосферы: мокрый и сухой.

При мокром выпадении радионуклиды поступают на поверхность земли с дождем, снегом, туманом. Вымывание радионуклидов атмосферными осадками обусловлено не только захватом радионуклидных частиц падающими каплями, но, прежде всего тем, что сами частицы, попав в зону облаков, становятся центрами конденсации. При мокром выпадении радионуклидов их размер равен 0,02-0,2 мкм. Интенсивность данного процесса, который определяет длительность пребывания вещества в атмосфере, может в значительной степени обусловливать характер поля выпадений и концентрации, переносимых по ветру веществ.

Удаление радиоактивных частиц и газов из атмосферы через выпадение осадков зависит от сложных микрофизических и микрохимических процессов. Эти процессы являются функцией условий как внутри, так и вне несущих природные облака слоев. К ним относятся образование капель на ядрах конденсации, диффузия газов и твердых частиц в облачные и дождевые капли, аэродинамический и электростатический захват, термофорез и диффузиофорез.

Сухое выпадение состоит в выпадении самих аэрозольных частиц и определяется в основном гравитационными силами, вертикальным движением воздушных масс, турбулентной диффузией. Процесс зависит от топографии района, высоты над уровнем моря и т.д. Удаление из атмосферы посредством сухого выпадения играет большую роль в пределах лежащего у поверхности слоя, где переносимая ветром радиоактивность может приходить в контакт с поверхностью посредством различных механизмов. Это диффузия, гравитационное оседание, столкновения, захват, электростатические эффекты, диффузиофорез и термофорез. Эти процессы чрезвычайно сложны и мало изучены, поэтому их обычно моделируют через скорость осаждения, которую определяют как поток осаждаемого вещества, деленный на концентрацию в воздухе.

Соотношение между сухим и мокрым отложением зависит от климатических условий. В местах с сухим климатом будет преобладать сухое осаждение, в местах, где отмечается повышенная влажность воздуха и часты осадки - мокрое осаждение.

Повторное загрязнение атмосферы радионуклидами.

Выпавший на поверхность радиоактивный материал может в последствии снова перейти в атмосферу под влиянием ветра и механических воздействий, обусловленных деятельностью человека. Процесс повторного перехода в суспензию может продолжаться над загрязненной территорией в течение длительного времени. Считается, что скорость ресуспензии зависит от типа почв, размеров частиц, влажности поверхности, силы ветра у поверхности и атмосферной стабильности, однако они также варьируют в пределах нескольких порядков величины [Уорнер Ф. и др., 1999; Люцко А.М. и др., 1996].

Лекция 10: Поведение радионуклидов в почве

1. Миграция радионуклидов в почве

Радиоактивные вещества, попадающие в атмосферу, в конечном счете, концентрируются в почве. Они могут частично вымываться из почвы и попадать в грунтовые воды. Однако почва довольно прочно удерживает попадающие в нее радиоактивные вещества. От поведения радионуклидов в почве зависит их дальнейшая судьба: размеры вымывания их с осадками, миграция по почвенному профилю, степень перехода в прочносорбированное (фиксированное) состояние и интенсивность поступления в растения. Чем полнее радионуклиды поглотятся почвенным поглощающим комплексом ППК, чем прочнее они закрепятся в поглощенном состоянии, тем меньше будут вымываться с осадками, мигрировать по профилю почвы и в относительно меньших количествах будут поступать в растения.

Миграцию радионуклидов в почве можно рассматривать как непрерывно повторяющийся ряд процессов сорбции и десорбции под влиянием различных факторов, приводящих к их векторному переносу, рассеиванию и концентрированию.

Факторы, влияющие на миграцию радионуклидов разнообразны по природе и степени влияния. К ним относятся:

1. физико-химические свойства радионуклидов;

2. формы их нахождения в почве;

3. физико-химические свойства почв (присутствие в почвенном растворе посторонних или конкурирующих катионов; величина рН; наличие в растворе мигрирующих коллоидов; комплексообразующая способность растворенных органических веществ и др.);

4. климатические и геоморфологические свойства (смена почв с глубиной, гидрология, характер подстилающих пород);

5. тип растительности;

6. хозяйственная деятельность человека.

Радионуклиды, входящие в состав первоначально осажденных частиц, будучи необратимо сорбированными почвенными частицами или находясь в ионообменных позициях в этих частицах, подвержены процессам, сопряженным с миграцией самих этих частиц. Те же радионуклиды, которые находятся в почвенном растворе или входят в органические комплексы, подвержены процессам, сопряженным с движением растворов [Анненков Б.Н. и др., 1991; Уорнер Ф. и др., 1999].

Важнейшие процессы, ответственные за миграцию радионуклидов в почве.

· сорбция;

· ресуспензия;

· перенос вещества (массоперенос и биотурбация);

· выщелачивание.

Сорбция.

Возможность переноса радионуклидов в почвенном профиле зависит от их химической и биологической «доступности». Химически растворимая фракция радионуклидов в почве, доступная для переноса в потоке вещества, не всегда биологически доступна. Наиболее распространенным подходом в оценке величины сорбции является использование коэффициента распределения Кd, определяемого как отношение концентрации радионуклидов в твердой фазе (Бк/г сухой массы) и их концентрации в жидкой фазе растворов (Бк/мл). Радионуклиды с высокими значениями Кd (например, плутоний, цезий) в определенных условиях обычно незначительно мигрируют в почве и обладают большим потенциалом для ресуспензии, тогда как радионуклиды с низкими значениями Кd (например, стронций) активнее мигрируют в почве и обладают незначительной вероятностью быть вовлеченными в процесс ресуспензии.

...