Миграция радиоактивных веществ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Миграция радиоактивных веществ

Введение

Современный этап развития общества, строительство предприятий ядерного топливного цикла, применение новых технологий (в том числе и в медицине) связаны с возрастающими масштабами применения источников ионизирующего излучения. Несомненно, что данные технологии при определенных обстоятельствах могут являться небезопасными для человека и окружающей среды.

Таким образом, перед наукой возникла огромной важности проблема защиты человека от поражающего действия ионизирующей радиации. Одним из условий успешного решения этой задачи является изучение механизмов миграции радионуклидов в биосфере. Вмешательство человека в окружающую природную среду привело к ухудшению его здоровья как биологического вида, огромный ущерб нанесен состоянию компонентов всех природных экосистем. Загрязнение всех сред - атмосферного воздуха, воды, почвы - нарушает природные механизмы стабилизации.

Основными путями миграции токсичных, радиоактивных и других веществ, опасных для человека, животных и растений, являются:

1) перенос воздушными течениями;

2) распространение по водным объектам, в том числе проникновение в подземные воды, с последующим попаданием в воды Мирового океана;

3) движение по трофическим цепям - ряду видов или их групп, каждое предыдущее звено в которых служит пищей для следующего.

Что же такое миграция? Под термином "миграция" понимают движение химических элементов в компонентах окружающей среды. Дело в том, что в природе все элементы, особенно если это элементы, которые образовывают верхний слой почвенного покрова Земли, находятся в движении. Необходимо отметит, что интенсивность движения каждого из этих элементов разная. Например, элементы, которые обеспечивают развитие растений, интенсивно извлекаются из почвы и с отмиранием растений опять поступают в почву. Так образуется малый круговорот веществ (элементов) в природе

Пути миграции радиоактивных выбросов в биосфере отличаются многообразием и большой сложностью.

Искусственные радионуклиды, образовавшиеся при испытании ядерного оружия и авариях на атомных электростанциях, попадают в атмосферу, из которой в виде "мокрых" и " сухих" выпадений в составе аэрозолей и частиц поступают на поверхность почвы, водных систем и растительности

Среди миграционных цепей наиболее значима цепь: почва-растение-животное. В звеньях этой цепи можно регулировать поступление радионуклидов. Например, в цепи почва-растение это осуществляется внесением минеральных удобрений, а в цепи растение-животное - путем подбора кормов рациона и введения в рацион сорбентов радионуклидов.

Пути поступления радионуклидов в организм животного различны. Значительная их доля поступает в организм животного по двум пищевым цепям: почва-растение-животное и почва-растение - корма животного происхождения - животное. Существует разные уровни организации миграции веществ (их химических соединений), которые происходят как в пределах почвенно-растительного покрова, так и в пределах целого ландшафта.

По своей сути, механизмы обеспечивающие миграцию радиоактивных веществ в окружающей среде, ни чем не отличаются от механизмов миграции других элементов. В большинстве отличия обусловлены физико-химическими свойствами каждого радионуклида.

По происхождению миграцию радионуклидов разделяют на несколько типов:

· природную

· техногенную (иногда ее называют антропогенной).

Под природной миграцией радионуклидов понимают миграцию, вызванную природными явлениями - разливы рек и паводки, пожары, дожди, ураганы и т.д. Под техногенной миграцией понимают движение элементов, обусловленное деятельностью человека - ядерные взрывы, аварии на ядерных энергетических установках, предприятиях по добыче и переработке урана, каменного угля, руды и т.д.

Существуют отличия в направлении движения радионуклидов в окружающей среде. Выделяют вертикальную миграцию радионуклидов (извержение вулканов, дожди, вспашка почвы, выращивание леса и т.д.), а также горизонтальную миграцию (разливы рек, перенос радиоактивной пыли и аэрозолей ветром, миграция живых организмов и т.д.). Существует смешанный тип миграции радионуклидов (ядерные взрывы, большие пожары, добыча и переработка нефти, производство и внесение минеральных удобрений и т.д.). Загрязнение радионуклидами наземных и водных экосистем приводит к вовлечению этих элементов в трофические (пищевые) цепочки. Пищевые цепочки представляют собой ряд последовательных этапов, по которым осуществляется трансформирование вещества и энергии в экосистеме. Все живые организмы связаны между собой, поскольку они являются объектами питания. При загрязнении одной из цепей радиоактивными веществами осуществляется миграция и последовательное накопление нуклидов в других элементах трофической цепи. Особенности биогеохимических циклов определяются, прежде всего, свойствами той среды, в которую радионуклиды попали, а миграция радионуклидов - влиянием абиотических (механических, физических, химических) и биотических (биологические процессы обмена) факторов. Массивное радиоактивное загрязнение, например, в результате атомного взрыва или радиационной аварии опасно локальными непосредственными негативными эффектами в объектах природной среды. Однако и небольшие сбросы радиоактивных отходов могут привести к опасному накоплению радионуклидов в некоторых звеньях их кругооборота, при этом повышенной способностью к концентрированию РВ обладают многие растительные и животные организмы.

Животное, как непосредственный участник круговорота веществ в биосфере, в определенных случаях может стать критическим звеном пищевой цепи, по которой радионуклиды поступают в его организм.

Миграция радиоактивных веществ атмосфере

В атмосферном воздухе радионуклиды могут присутствовать в виде газа (например, радона) или аэрозолей, при этом последние главным образом и участвуют в процессах миграции.

Поведение радионуклидов в аэрозольной форме зависит от степени дисперсности частиц, в которых они содержатся, высоты выбросов, метеорологических условий и других факторов. Крупные частицы оседают в районе их образования или выброса, вызывая локальные загрязнения; более мелкие частицы могут проникать в верхние слои тропосферы и даже в стратосферу, широко рассеиваться воздушными потоками и, оседая, приводить к региональным и глобальным загрязнениям территории.

В стратосферу инжектируются мелкодисперсные (1 мкм и менее) частицы в основном при мощных термоядерных взрывах. С воздушными течениями они переносятся преимущественно в широтном направлении, многократно опоясывая земной шар и вызывая глобальные радиоактивные выпадения. Гравитационное оседание этих частиц крайне замедлено, и поэтому период полуочищения стратосферы от радионуклидов велик и колеблется от 7 месяцев до 1 года и более. В верхние слои тропосферы радионуклиды попадают также в основном при атомных взрывах. Здесь они рассеиваются ветрами и вертикальными смещениями воздушных масс и постепенно выпадают на поверхность земли с атмосферными осадками, в результате гравитационного оседания, электростатического осаждения на частицах нерадиоактивной пыли, соприкосновения с почвой, водой, наземными объектами и других процессов, образуя тропосферные радиоактивные выпадения и приводя к региональным загрязнениям. Период полуочищения тропосферы значительно короче и составляет 20-40 сут. Максимальные загрязнения атмосферного воздуха наблюдаются на широте 25-35° обоих полушарий, а максимальные выпадения радионуклидов - в средних (40-50°) широтах, причем наибольшие уровни этих выпадений обусловлены атмосферными осадками и приходятся на весенне-летний период. Выбросы радионуклидов в атмосферу от радиологических объектов, за исключением крупных аварийных ситуаций, могут приводить в основном к локальным выпадениям и загрязнениям. На степень рассеяния радионуклидов в выбросах этих объектов, помимо вышеуказанных факторов, влияют высота вентиляционных труб, сила тяги в них, температура выбросов, рельеф местности и т.д. Наиболее неблагоприятная обстановка складывается в условиях температурной инверсии и образования так называемой задымляющей струи, когда зона соприкосновения факела с поверхностью земли располагается вблизи трубы и человек может подвергнуться непосредственному воздействию радиоактивных выбросов. Радионуклиды, выпавшие из атмосферного воздуха в наземные биогеоценозы и водную среду, включаются в биогеохимические процессы.

Миграция радионуклидов в гидросфере.

В моря, океаны, пресноводные водоемы радионуклиды могут поступать непосредственно (например, с удаляемыми отходами), в результате выпадения из атмосферы, с жидкими и твердыми стоками с берегов и т.п. Отмечена более высокая плотность радиоактивных выпадений на океаническую поверхность, чем на поверхность континентов. Радиоактивное загрязнение гидросферы создает сложные гигиенические проблемы, связанные с употреблением водной биопродукции, а также с использованием водоемов для водоснабжения, орошения, рекреационных и других целей.

Основные направления миграции радионуклидов в водоемах (разбавление, сорбция донными отложениями, накопление гидробионтами, поступление на береговую территорию) определяются интенсивностью гидрологических, гидрохимических, биологических, метеорологических и других процессов. Разбавление радионуклидов в водной среде происходит в результате течений, ветровых волнений и диффузии. Разбавлением достигается снижение высоких опасных концентраций радионуклидов в местах сброса, однако широкое рассеяние их ведет к определенному ухудшению радиоэкологической ситуации на значительных пространствах. О подвижности радионуклидов в воде судят по периоду пребывания их в водной фазе - среднему времени нахождения нуклида в воде между поступлением и переходом в донные отложения. В донные отложения радионуклиды поступают за счет процессов осаждения, диффузии, ионного обмена, с отмирающими организмами и т.д. Степень накопления радионуклидов на дне определяют размер частиц грунта, химические свойства воды, отложений и соединений, содержащих радионуклиды, глубины водоема. Так, суглинки обладают большей сорбционной способностью, чем пески. Стронций-90 сорбируется мало, а прометий-147 - в максимальной степени. С повышением солености воды переход радионуклидов в грунты уменьшается. На малых глубинах в прибрежных районах радионуклиды быстро выпадают на дно, в то время как снижения активности воды в открытом океане почти не наблюдается, хотя содержание стронций-90 и цезия-137 в воде открытых океанов ниже, чем в воде закрытых морей. Инертные в химическом отношении радионуклиды и их соединения не задерживаются в прибрежных районах и выносятся в открытый океан.

Оседающие на дно радионуклиды медленно проникают в грунт на различную глубину в зависимости от степени его рыхлости: в плотных глинистых породах - на 15 см, а в песке и торфе - до 1,5 м. Наряду с сорбцией радионуклидов в донных отложениях происходят и обратные процессы их десорбции в воду. Это взаимосвязанные процессы, динамическое равновесие между которыми наступает при постоянной концентрации радионуклидов в воде, а с уменьшением концентрации - дно может стать источником вторичного загрязнения воды.

Сорбционная способность донных отложений характеризуется коэффициентами распределения - отношением количества радионуклида в единице массы высушенного образца грунта к количеству радионуклида в единице объема воды. Коэффициенты распределения радионуклидов широко варьируют (1*102-1*105): для кальция-45 и стронция-90 они минимальны, а для прометия-147 - максимальны. Высокая сорбционная емкость донных отложений может приводить к накоплению радионуклидов на дне и, соответственно, в донных организмах, с которыми РВ могут попадать в организм человека.

Водные растительные и животные организмы играют важную роль в миграции радионуклидов в водной среде и являются основным звеном пищевой цепи, по которой РВ могут попадать из гидросферы в организм человека. Гидробионты усваивают радионуклиды из воды, донных отложений и других организмов по пищевым цепям. Степень накопления радионуклидов растительными и животными организмами широко колеблется даже у одних и тех же видов в зависимости от минерализации воды, стадии развития гидробионта, химических свойств радионуклида и других экологических условий. Так, содержание стронция-90 и цезия-137 в морских организмах значительно ниже, чем в пресноводных, а травоядные животные по сравнению с хищниками в большей степени усваивают радионуклиды.

Наиболее активно усваиваются гидробионтами радионуклиды, относящиеся к структурным элементам (углерод, азот, фосфор, кремний, кальций, стронций), элементам-катализаторам (железо, цинк, марганец, кобальт, никель, хром), легко гидролизующимся элементам (алюминий, селен, иттрий, церий, рутений), тяжелым галогенам и тяжелым двухвалентным ионам. Оценку аккумуляции радионуклидов гидробионтами проводят по коэффициентам накопления - отношению концентраций радионуклида в гидробионтах и воде. Эти коэффициенты для различных организмов и радионуклидов варьируют очень широко (1*101-1*105), причем наибольшие значения их характерны для зоо- и фитопланктона, бентосных организмов.

На береговую полосу из водоемов радионуклиды могут попадать в результате хозяйственной деятельности человека, переноса образующихся над водной поверхностью аэрозолей, затоплений при паводках и приливах, переноса насекомыми, земноводными, птицами и т.п.

Миграция радионуклидов в наземных биогеоценозах.

Элементы наземных биогеоценозов, как и элементы гидросферы, взаимосвязаны круговоротом веществ в природе и, соответственно, цепочками миграции радионуклидов. В почву радионуклиды попадают с выбросами радиоактивных отходов, атмосферными выпадениями, из растительных и животных организмов и грунтовых вод. Степень сорбции и подвижность радионуклидов в почвах определяется агрохимическим составом последних, физико-химическими свойствами радионуклидов и их соединений, интенсивностью гидрологических, биологических и других процессов. Высокой сорбционной способностью обладают глинистые почвы и чернозем, низкой - пески. Некоторые радионуклиды включаются в состав малорастворимых соединений и, таким образом, переходят в необменную форму, могут выключаться из круговорота веществ. Большая часть радионуклидов, попавших на почву, прочно фиксируется ее поверхностными слоями. Так, до 80% выпавших стронция-90 и цезия-137 удерживается верхним 5-см слоем почвы.

Миграция радионуклидов в почве происходит благодаря совокупности разных процессов, которые приводят к перемещению радионуклидов в почве или к перераспределению разных форм и состояний радионуклидов, что приводит к перераспределению нуклидов в глубь почвенного покрова. Основными "движущими силами", которые приводят к миграции радионуклидов в почве являются: конвективный перенос (фильтрация атмосферных осадков вглубь почвы, капиллярный поток влаги к поверхности почвы, который вызван испарениями, теплоперенос влаги под действием градиента температуры), диффузия свободных и адсорбированных ионов, перенос радионуклидов корневыми системами растений, перенос радионуклидов коллоидными частичками (лессиваж), роющая деятельность животных (дикие кабан, крот и т.д.) и хозяйственная деятельность человека. Указанные факторы не являются равнозначными, поскольку интенсивность и длительность их действия разные и зависят от конкретных условий. Наиболее значимыми факторами, влияющими на интенсивность миграции радионуклидов в почвах (не обрабатываемых человеком) являются конвективный перенос и диффузия. Корневой перенос радионуклидов в значительной степени зависит от глубины корневого слоя и густоты корневых систем. Кроме того, корневая миграция в значительной степени зависит от физико-химических форм радионуклидов. Дождевые черви и другая почвенная фауна также способствуют миграции радионуклидов в почвах, как благодаря механическим, так и биологическим путям, перемешивая почву и\или вовлекая радионуклиды в ткани своего организма. Миграция радионуклидов в почвах покрытых лесом имеет свою специфику, которая обуславливается наличием лесной подстилки. Этот компонент является мощным буфером на пути миграции радионуклидов в глубь почвы. Исследования, которые проводятся в Чернобыльской зоне уже на протяжении 20-ти лет, свидетельствую о хорошей способности подстилки аккумулировать и удерживать радионуклиды. Длительное удержание радионуклидов в лесной подстилке объясняется наличием нескольких, медленно разлагающихся, слоев. Процесс разложения каждого слоя подстилки имеет свою длительность, что обеспечивает длительную (5-10 лет) изоляцию радионуклидов от минеральной части почвы.

В зависимости от режима увлажнения почвы, на которых формируются лесные экосистемы, формируется разная толщина лесной подстилки. Как свидетельствуют исследования, толщина подстилки, а также природа органического вещества является основным фактором, который влияет на вертикальную миграцию радионуклидов.

Миграция (накопление) радионуклидов из почвы в растения зависит от комплекса факторов. Основными факторами, определяющими уровни накопления радионуклидов в растениях, является: физико-химические формы радионуклидов, агрохимические свойства почв, биологические особенности растений, агротехника выращивания культур.

Для определения поступления радионуклидов из почвы в растения используют следующие показатели:

· коэффициент биологического поглощения,

· коэффициент перехода

· коэффициент пропорциональности.

Данные показатели используются в радиоэкологии - с помощью этих показателей сравнивают и характеризуют уровни накопления радионуклидов для разных видов растений, животных и т.д.

Например, для сравнения величины поступления радионуклидов с почвы в растения было установлено, что в зависимости от уровня увлажнения величины перехода 137Cs в растительность изменяется в 600 раз. Значительные отличия в накоплении были отмечены для разных типов почв Чернобыльской зоны отчуждения - дерново-подзолистых и торфянистых.

В растения радионуклиды попадают также с их поверхности (при выпадении радиоактивных осадков). На поверхности растений хорошо задерживаются частицы размером менее 50 мкм. Эффективность этого процесса оценивают по коэффициенту задержки - процентному отношению количества сорбированных на поверхности растения радионуклидов к количеству осевших. Этот коэффициент для травы составляет в среднем 25%. Осевшие на поверхности растения радионуклиды могут смываться дождем, сдуваться ветром или поступать во внутренние части растения и усваиваться. С поедаемыми растениями радионуклиды поступают в организм животных, где их поведение определяется участием в биохимических процессах. Радиоактивность органов и тканей при разовом поступлении радионуклидов в организм быстро нарастает и так же быстро снижается. Это характерно для аварийных ситуаций. При длительном поступлении содержание радионуклидов в органах и тканях определяется сложным комплексом процессов их резорбции и выведения. Например, выведение стронция-90, иода-131 с одним литром молока составляет 0,3 - 1,0% суточного поступления, тогда как для кобальта-60, рутения-106 и церия-144 эта величина равняется всего лишь тысячным и даже меньшим долям процента.

Сельскохозяйственная продукция - один из главных источников поступления радионуклидов в организм человека. Так, 30-60% дозовой нагрузки от глобальных радиоактивных выпадений связано именно с пищевым путем поступления радионуклидов. В некоторых районах Земли пищевые продукты могут явиться причиной повышенного поступления радионуклидов в организм человека. Так, пастухи на Крайнем Севере получают дозы от цезия-137, в 100-1000 раз превышающие среднюю индивидуальную ЭД для населения умеренных широт, поскольку цезий-137 накапливается в мхе (ягеле), затем мясе северных оленей, являющемся одним из основных продуктов питания народов Крайнего Севера. Эта же пищевая цепь обусловливает и повышенное поступление в организм людей северных народностей полония-210. В районах Белорусско-Украинского полесья торфяниковыми почвами слабо фиксируется цезий-137, в результате чего он в относительно больших количествах поступает в растения, организм животных и человека. Основными поставщиками его являются молоко (до 70%) и картофель (10-27%). миграция радионуклид биосфера

Агротехнические приемы могут существенно уменьшить поступление радионуклидов по пищевым цепям. Например, глубокая вспашка почвы снижает накопление радионуклидов в корнеобитаемом слое, а известкование кислых почв и внесение фосфатных удобрений фиксируют в почвах стронций-90, повышенные дозы калийных удобрений уменьшают поступление цезия-137. В то же время азотные удобрения способствуют усвоению ряда радионуклидов. Рациональным вскармливанием (введение в пищу кальция, замена сена силосом-концентратом и т.д.) достигается снижение поступления радионуклидов в организм сельскохозяйственных животных.

В организм животного, как и в другие живые организмы, радиоактивные и химические загрязнения проникают через дыхательные пути и желудочно-кишечный тракт с потребляемой пищей и водой. В ходе метаболизма загрязняющие вещества превращаются в неопасные продукты, выводимые затем из организма через выделительную систему. Ксенобиотики не перерабатываются ферментными системами организмов. Значительная часть канцерогенных веществ превращается в еще более опасные и токсичные вещества, чем до поступления в организм. Продукты питания могут загрязняться в результате миграции вредных веществ из упаковочных материалов, применения пищевых добавок. Обязательным звеном кругооборота радионуклидов в природе является человек. Поэтому всякий сброс РВ в окружающую среду с гигиенической точки зрения не обоснован, ибо при отсутствии порога негативного действия ИИ (согласно общепринятой концепции беспорогового действия радиации) единственным адекватным подходом в этом случае является запрет на выброс в окружающую среду любых количеств РВ. Именно это обстоятельство никогда не должно выпадать из поля зрения гигиенистов, так как оно оправдывает жесткий подход к разрешению сбросов радиоактивных отходов, запрещает использование ПДК для расчета количества этих сбросов, стимулирует разработку методов обезвреживания и захоронения радиоактивных отходов и гарантирует надежную защиту окружающей среды от загрязнения.

Заключение

В заключении хотелось бы сказать, что обеспечение радиационной безопасности было и остается актуальным. Особенно для регионов, имеющих на своей территории объекты повышенной опасности (АЭС, места захоронения радиоактивных отходов и т. д.). Выполняются различные меры предосторожности при использовании радиационного топлива и его последующей утилизации, однако не стоит забывать про то что некоторые нуклиды имеют период распада равный миллионам лет и малейшая неосторожность при их использовании может повлечь тяжелые последствия для биологических организмов в зоне заражения включая самого человека.

Список литературы

1. И.В. Гулякин, Е.В. Юденцева, Cельскохозяйственная радиобиология. - // М,. ВО "Колосс" 1973. - 272 с.

2. http://www.vmedaonline.narod.ru/Chapt15/C15_33.html

3. http://neznaniya.net/agrojekologija/radiacionnaja-bezopasnost/916-migraciya-radionuklidov-v-biosfere-i-v-sfere-selskohozyaystvennogo-proizvodstva.htm

4. В.Ф. Кириллов, Е.Ф. Черкассов. Радиационная гигиена. М., 1982г.

5. А.Н. Стожаров. Радиационная медицина. М., 2010г.

Размещено на Allbest.ru