Радиационные технологии и загрязнение биосферы

Размещено на http://allbest.ru

Оглавление

Введение

1. Общие положения

2. Источники радиоактивного загрязнения биосферы

3. Гигиеническая характеристика потенциальных источников загрязнения окружающей среды

4. Предприятия по добыче, переработке и получению расщепляющихся материалов и искусственных радионуклидов

Заключение

Источники

Введение

В последнее время радиационная медицина имеет весьма важную роль в нашей жизни. Множество радиоактивных факторов, радионуклидов и т.п. окружают нас повсеместно.

Данные явления особенно начали привлекать учёных со всего мира после взрыва четвёртого энергоблока Чернобыльской атомной электростанции.

Появилось множество нормативов, ужесточающих предельно допустимые нормы величин облучения.

Так же исследованиям подверглись и возможные источники выброса радиоактивных веществ в окружающую среду. Среди этих источников будут больше описаны предприятия по добыче, переработке и получения расщепляющихся материалов и искусственных радионуклидов, что и является темой данного реферата.

1. Общие положения

Особое место среди загрязняющих окружающую среду агентов занимают радиоактивные вещества. Внимание к нему сильно возросло после аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 г. и ряда инцидентов на других гражданских и военных объектах с ядерным топливом. Радиоактивность - самопроизвольное превращение (распад) ядер элементов, приводящее к изменению их атомного номера или массового числа. Радиоактивное излучение как самопроизвольное испускание лучей - это естественный процесс, существовавший задолго до образования Земли. Радиоактивное излучение является частью более общего понятия - ионизирующее излучение.

Ионизирующее излучение - это поток корпускулярной (б-частиц, электронов, протонов, нейтронов и др.) и (или) электромагнитной (рентгеновские, г-лучи) энергии, связанной с прямым или косвенным возникновением ионов. Радиоактивные препараты испускают б- и в-частицы, г- и тормозное излучение и нейтроны.

Вот уже более 100 лет с момента случайных открытий Вильгельмом Рентгеном рентгеновских лучей в 1885 г. и Анри Беккерелем самопроизвольного излучения урана в 1886 г. ядерные исследования стали важнейшим направлением науки, а радио-нуклиды нашли применение в самых различных сферах деятельности людей.

б-лучи были идентифицированы как ядра атома гелия, в-лучи представляют поток электронов, а г-лучи - это поток квантов большой энергии, характеризуемых частотой соответствующего волнового процесса.

г-лучи отличаются от рентгеновских, возникающих при торможении быстрых электронов в рентгеновских трубках и ускорителях, лишь механизмом образования.

Основными свойствами ионизирующих излучений являются проникающая и ионизирующая способность. Проникающая способность характеризуется путем пробега частицы в среде. Она максимальна для г-лучей и минимальна для б-лучей. Ионизирующая способность характеризует количество ионов, образующихся при движении частицы в среде на единицу расстояния. Она, напротив, максимальна для тяжелых б-частиц и минимальна для г-излучения. Чистые радиоактивные элементы испускают б- или в-лучи, сопровождаемые чаще всего г-излучением. Испускание только г-лучей наблюдается редко. Интенсивность радиоактивного распада характеризуется активностью.

Активность - это величина, характеризующаяся числом радиоактивных распадов в единицу времени.

2. Источники радиоактивного загрязнения биосферы

Первичные радионуклиды делят на две группы: радионуклиды уранового и ториевого семейств и радионуклиды, находящиеся вне этих радиоактивных семейств.

В первую группу входят 32 радионуклида, среди которых такие долгоживущие нуклиды, как торий-232 (период полураспада 14,1 млрд. лет), уран-238 (4,51 млрд. лет), уран-235 (710 млн. лет), радий-226 (1602 года), свинец-210 (22,3 года) и др.; во вторую группу - 11 долгоживущих радионуклидов, которые присутствуют в различных объектах среды с момента образования Земли и имеют период полураспада от 10⁷ до 10¹⁵ лет (калий-40, рубидий-87 и др.).

Из первичных радионуклидов основной вклад в дозу внешнего облучения вносят гамма-излучающие нуклиды уранового и ториевого рядов, а также калий-40. Содержание этих элементов существенно зависит от типа пород (табл. 1).

Таблица 1 - Среднее содержание в горных породах урана, тория в массовых долях на млн. часть горной породы и калия %

Районы с повышенным естественным фоном. На земном шаре имеются районы, где мощность поглощенной дозы в воздухе вне помещений значительно превышает среднее значение (около 5 мкР/ч), характерное для районов с "нормальным" радиационным фоном.

Это - провинции Лацио и Кампанья в Италии, районы в штатах Керала и Тамилнад в Индии, в штатах Эспириту-Санту , Минас-Жерайс и Рио-де-Жанейро в Бразилии, ряд районов во Франции, Иране, Нигерии, на Мадагаскаре и в некоторых других странах мира.

Так, отмечены места в штате Минас-Жерайс, где мощность поглощенной дозы в воздухе достигает 28 мкГр/ч (примерно соответствует 2800 мкР/ч).

Во Франции в ряде районов типичное значение мощности поглощенной дозы в воздухе достигает 2 мкГр/ч (200 мкР/ч); в этой стране обнаружен также небольшой район, где мощность поглощенной дозы составляет 100 мкГр/ч (10 тыс. мкР/ч).

В урановой провинции Атабаска (Канада) по высоким концентрациям урана в хвое черной канадской ели обнаружена Уолластоунская биохимическая аномалия размером 3 000 км², связанная с поступлением в приземной слой атмосферы урансодержащих газовых эманации по глубинным разломам.

Естественно повышенный радиационный фон наблюдается в районах Крайнего Севера из-за поступления в эти районы частиц солнечного ветра.

Радиационное загрязнение биосферы. В связи с индустриализацией в природную среду поступают сегодня в больших количествах естественные радионуклиды (их в насчитывается более 60), извлекаемые из глубин земли вместе с углем, газом, нефтью, минеральными удобрениями, строительными материалами и др.

Кроме этого, в биосфере в результате деятельности человека появилось огромное количество искусственных радионуклидов (несколько сотен) и источников излучения.

Технологически измененный естественный радиационный фон. Этот термин используют для характеристики изменения естественного радиационного фона под влиянием хозяйственной деятельности человека.

В него не включают поступившие в окружающую среду искусственные радиоактивные вещества от испытаний ядерного оружия и от работы предприятий ядерного топливного цикла (ЯТЦ).

Используется Единица активности - беккерель, Бк. 1 Бк равен одному ядерному превращению (распаду) за 1 секунду: 1 Бк = 1 расп./с.

Однако к нему относят такие источники, как:

ь геотермические электростанции, создающие в среднем выброс около 4·10¹⁴ Бк Rn-222 на 1 ГВт/год выработанной электроэнергии;

ь дополнительное облучение при полетах в самолете; радий-226, прометий-147 и тритий, используемые для светосоставов постоянного действия;

ь электронные и электрические устройства, содержащие радионуклиды или излучающие рентгеновское излучение;

ь радионуклид Ро-210, используемый для снятия статического заряда в некоторых производствах; пожарные дымовые детекторы, содержащие Ra-226, Pu-238 или Am-241;

ь керамическая и стеклянная посуда, содержащая уран и торий и др.

Уголь, сжигаемый в промышленных энергетических установках или жилых домах, содержит естественные радиоактивные К-40, а также U-238 и Th-232 в равновесии с их продуктами распада.

В угольной золе содержится в среднем такая удельная активность, Бк/кг: 265 - ⁴⁰K; 200 - ²³⁸U; 240 -²²⁶Ra; 930 - ²¹⁰Pb; 1700 - ²¹⁰Po; 70 - ²³²Th; 110 - ²³⁸Th и 130 - ²²⁸Ra.

Количество выброшенных в атмосферу радионуклидов зависит от зольности угля и эффективности очистных фильтров сжигающих устройств. ТЭЦ различного типа выбрасывают в атмосферу от 1 до 20 % общего количества образующейся золы. Индивидуальная средняя доза облучения в районе ТЭС электрической мощностью 1 ГВт (район радиусом 20 км, площадью около 1000 км²) составляет 5,3 мкЗв/год, при этом костный мозг накапливает 145 мкЗв, легкие - 420 мкЗв, костная ткань - 1140 мкЗв.

Удобрения, применяемые в сельском хозяйстве, содержат немалое количество радионуклидов, которые после внесения их в почву проходят по пищевым цепям и поступают в живые организмы.

Мировая добыча фосфатных руд составляет около 1,3 млн. тонн в год. Одними из самых чистых в мире считаются отечественные удобрения, однако это связано не с технологией их изготовления, а с качеством исходных пород.

В Кольском апатите фосфорные удобрения содержат, например, Ra-226 и U-238 до 70 Бк/кг и в фосфорите - 400 Бк/кг. Тройной суперфосфат, выпускаемый в США, содержит, Бк/кг: 2100 - ²³⁸U; 1800 - ²³⁰Th; 780 - ²²⁶Ra; 48 - ²³²Th. Азотно-фосфорно-калиевые удобрения (Бельгия) содержат, Бк/кг: 470 - ²³⁸U; 210 - ²²⁶Ra; 5900 - ⁴⁰K.

Нефть. Сама нефть не содержать радионуклидов в опасных количествах, но при бурении скважин на нефть может выбрасываться на поверхность шлам содержащий радиоактивные элементы.

В водонефтяной оторочке возникают благоприятные условия для осаждения и накопления Ra, что может загрязнять как инструменты, так шлам, который извлекается из скважины.

Шлам - это горные породы + вещества, используемые для промывки инструментов и извлечения породы из скважины. Складируется в шламовые амбары, около кустового основания.

Находясь в контакте с радиоактивными изотопами мы поглощаем радиацию. Поглощенная доза излучения равна отношению средней энергии DЕ, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе Dm вещества в этом объеме. Единица измерения поглощенной дозы служит грэй, Гр. 1 Гр = 1 Дж/кг.

Единица эквивалентной дозы - зиверт, Зв. 1 Зв = 1 Дж/кг. Зиверт равен дозе излучения любого вида, производящей такое же биологическое действие, как и доза образцового рентгеновского излучения в 1 Гр.

Эквивалентная доза излучения введена для оценки возможного ущерба здоровью человека от хронического воздействия ионизирующего излучения при значении эквивалентной дозы за календарный год не более 5 предельно допустимых доз (ПДД), то есть не превышающего 250 мЗв в год. Эквивалентная доза равна произведению поглощенной дозы на средний коэффициент качества k ионизирующего излучения в данном элементе объема биологической ткани.

Предметы широкого потребления являются дополнительным источником облучения человека. Так, часы с циферблатом, содержащим радий-226 создают мощность дозы 0,074 мкГр/час. Мягкое рентгеновское излучение цветного телевизора создает на расстоянии 250 см от экрана мощность дозы, равную 0,003 мкГр/час, а на расстоянии 5 см от экрана - 100 мкГр/час.

3. Гигиеническая характеристика потенциальных источников загрязнения окружающей среды

По потенциальной опасности возможного поступления р/а загрязнений в биосферу все источники м.б. разделены на несколько групп:

- испытания ядерного оружия;

- предприятия по добыче, переработке и получению расщепляющихся материалов и искусственных радионуклидов;

- учреждения, предприятия и лаборатории, использующие р/н в технологии производственного процесса.

Глобальные выпадения радионуклидов - это радионуклиды, образовавшиеся в результате проведения с 1945 по 1980 года 450 атомных и термоядерных взрывов в атмосфере. 90% мощности было проведено за 10 лет - с 1952 по 1962 гг.

В результате ядерного взрыва и последующего распада образуется смесь продуктов деления из 200 изотопов 36 химических элементов. Эти радионуклиды вошли в биологические цепочки.

Считается, что сейчас средняя эффективная эквивалентная доза за год, обусловленная проведенными испытаниями в атмосфере, составляет 0.02 - 0.025 мЗв. Наиболее потенциально опасными осколками ввиду включения в биологический цикл и большого периода полураспада являются цезий-137 и стронций-90.

К второй группе потенциальных источников загрязнения ОС относятся предприятия атомной промышленности: урановые рудники и гидрометаллургические заводы по получению обогащенного урана, заводы по очистке урановых концентратов и изготовлению твэлов, экспериментальные и энергетические реакторы, заводы по производству ядерного оружия. излучение уран ядерный радионуклид

К третьей группе относятся радиоизотопные лаборатории и радиологические отделения медицинских учреждений, применяющие открытые радионуклиды для целей терапии, лаборатории НИИ, где производят работы с открытыми р/а источниками и т.д.

В зависимости от характера технологического процесса эти лаборатории м.б. источниками газообразных, жидких и твердых отходов с высоким содержанием разнообразных радиоактивных отходов. Следует отметить, что объем и удельная активность отходов данной группы сравнительно невелики, по сравнению с отходами предприятий, относящихся ко второй группе потенциальных источников загрязнений ОС.

4. Предприятия по добыче, переработке и получению расщепляющихся материалов и искусственных радионуклидов

К этой группе потенциальных источников загрязнения окружающей среды радионуклидами относятся предприятия атомной промышленности: урановые рудники и гидрометаллургические заводы по получению обогащенного урана (уранового концентрата), заводы по очистке урановых концентратов и изготовлению тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ), экспериментальные и энергетические реакторы, заводы по производству ядерного горючего.

Отходами, возникающими при добыче урановой руды, являются шахтные, рудные отвалы и рудничный воздух. Химический состав шахтных вод может колебаться в широких пределах и зависит от разнообразия состава урановых руд. Содержание урана в этих водах достигает 0,3-10 мг/л, радия - 0,2-3,7 мг/л. Объем откачиваемых шахтных вод может достигать 2000 м³в сутки и более, поэтому в течение суток в окружающую среду возможно поступление более 1 кг урана и до 0,2 мкг радия.

Рудные отвалы в виде хвостов грохочения и сортировки, а также отвальные породы от подготовительных работ по химическому составу представляют собой в основном исходную руду. В этих отвалах содержатся сотые доли процента урана, радия - от 5*10^-11 до 1*10^-10 г/г. Вследствие вымывания и ветровой эрозии отвалов они могут становиться источниками загрязнения окружающей территории. Рудничный воздух, поступающий в атмосферу при вентилировании шахт, может содержать повышенное количество радона и его дочерних продуктов.

Основные отходы гидрометаллургических заводов - рудные пульпы, состоящие из песковой и шламовой фракций. Твердая часть этой пульпы по химическому составу близка к исходной руде, из которой выщелочено основное количество урана и небольшое количество минеральных солей.

Другие радиоактивные элементы, сопутствующие урану, почти полностью остаются в твердой части пульпы. В сбрасываемых песках и шламах содержание урана 0,02-0,028%, радия в песках 2-3?10^-10 г/г. Примерно 99,8% содержания радия в руде концентрируется в твердой фазе.

При переработке руды с содержанием 0,2% U₃O₈ на каждый килограмм извлеченного урана в виде химического концентрата приходится 0,8-0,9 т твердых и 3,1-3,9 т жидких отходов.

Для завода, перерабатывающего около 5000 т руды в сутки, количество сбрасываемой твердой части пульпы составляет примерно 500 т, а жидкой части - около 2000 м³. С этим количеством отходов могут поступать в окружающую среду около 100 кг урана, 110 ГБк дочерних радиоактивных элементов и до 74 МБк радия в сутки. Приведенные данные о радиохимическом составе рудных пульп ориентировочные: они могут меняться в зависимости от состава исходных руд и методов их переработки.

К жидким радиоактивным отходам гидрометаллургических заводов относятся воды прачечных и душевых, в которых содержание урана варьирует от 0,5 до 15 мг/л, радия - до 52 Бк/л, а также условно чистые воды (воды, получаемые от охлаждения машин, холодильников, вакуумнасосов и др.), где содержание урана достигает 1 мг/л.

Следует отметить, что в жидких отходах может содержаться значительное количество самых разнообразных химических соединений.

С газовыми выбросами гидрометаллургических предприятий при удалении вентиляционного воздуха с участков измельчения руды, сушки, прокалки и фасовки уранового концентрата и т.д. в атмосферный воздух могут поступать радон, аэрозоли урана, радия и др.

На заводах по очистке урановых концентратов (или обогащения урана) в процессе производства возникает до 5,7 м³жидких отходов на 1 т обогащенного урана.

По радиохимическому составу эти отходы аналогичны сбросным водам обогатительных фабрик, однако они содержат меньше ²²⁶Ra. Газообразные выбросы этих заводов могут содержать гексафторид урана, урансодержащие пыли, дымы от химических процессов и механической обработки металлического урана.

Урансодержащие жидкие отходы при изготовлении ТВЭЛ образуются в результате травления металлов, но объем их незначителен. В процессе обогащениях урана и изготовления ТВЭЛ появляются твердые отходы, состоящие из загрязненных вышедших из строя оборудования, шлаков, скрапа, сплавов, бумаги, тряпок и т.п.

При эксплуатации атомных электростанций и экспериментальных реакторов формируются газообразные, жидкие и твердые радиоактивные отходы. Радиоактивные газы и аэрозоли возникают в результате облучения газов и аэрозолей воздуха нейтронами в зоне реактора (например, ⁴¹Ar, ¹⁹O, ⁵⁹Fe, ³¹Si и др.). Например, активность воздуха, удаляемого из зоны реактора атомной электро-

станции Академии наук РФ (Обнинск), по ⁴¹Аг составляет около 60 ГБк/ч. При однократном использовании воздуха в качестве охладителя активность отработавшего воздуха по ⁴¹Аг может достигать 6?10⁵ ГБк/сут (Брукхейвенская национальная лаборатория, США).

Источниками жидких радиоактивных отходов реакторов в качестве теплоносителя могут служить вода или любые растворы. В этом случае наведенная активность, возникающая в теплоносителе первого контура, обусловлена захватом нейтронов атомами элементов, поступающих в теплоноситель в результате коррозии элементов конструкций. Поэтому в теплоносителе обнаруживают ⁶⁰Со, ⁵⁹Fe и др.

Кроме того, возможна диффузия продуктов деления из ТВЭЛ в теплоноситель. Другим источником жидких отходов являются бассейны выдержки ТВЭЛ, используемые для подводного хранения отработавших ТВЭЛ.

Такое хранение обеспечивает необходимую защиту и отвод тепла от ТВЭЛ. Вода бассейнов может загрязняться продуктами деления при нарушении целостности оболочек ТВЭЛ, примесями, имеющимися на оболочках, и другими материалами, попадающими в воду бассейна при разгрузке реактора. Наконец, жидкие радиоактивные отходы (сточные воды санитарных пропускников и спецпрачечной) образуются после дезактивации оборудования и помещений.

К твердым радиоактивным отходам реакторов могут быть отнесены отдельные элементы их конструкций, подвергавшиеся воздействию потоков нейтронов, спецодежда, обувь и др.

На заводах по производству ядерного горючего, прежде всего, удаляют оболочки ТВЭЛ. Алюминиевые оболочки удаляют едким натром; при этом образуется до 2000 л раствора на 1 т отработанного топлива. Циркониевые оболочки удаляют с помощью фторида аммония; при этом образуется около 20 000 л отходов на 1 т топлива.

Оболочки из нержавеющей стали удаляют серной кислотой; при этом образуется 11 000 л отходов на 1 т топлива. В указанные растворы переходит примерно 0,02% общей радиоактивности ТВЭЛ. После удаления оболочек топливо растворяют и экстрагируют уран и плутоний.

В зависимости от исходного сырья (чистый уран, окись урана, циркониево-урановое топливо) для этих целей используют пурекс-процесс (растворение в горячей азотной кислоте и экстракция трибутилфосфатом), редокс-процесс (растворение в подкисленном гексоне и разделение плутония и урана на 3 экстракционных колонках и отделение их от основной массы продуктов деления при введении в нагретый рабочий раствор бихромата натрия, нитрата алюминия) и др.

При указанных процессах возникают жидкие радиоактивные отходы в значительном объеме с удельной активностью до 1 Ки/л и более. Процессы получения ядерного горючего сопровождаются образованием газообразных отходов, основная активность которых обусловлена присутствием в них значительного количества радиоактивных изотопов йода.

Для всех заводов по производству ядерного горючего характерны также и другие радиоактивные отходы, отходы центров по дезактивации транспорта и контейнеров, воды санитарных пропускников и спецпрачечных, твердые отходы, по своему характеру напоминающие отходы реактора.

Заключение

Предприятия по добыче, переработке и получения расщепляющихся материалов и искусственных радионуклидов вносят значительный вклад в формировании радиационного фона.

Учитывая это, необходимо разрабатывать методики очищения окружающей среды от радионуклидов, или же уменьшать добычу расщепляющихся материалов и искусственных радионуклидов и искать альтернативные источники энергии, которые не навредят человеческой жизни.

На данный момент времени существует множество относительно безвредных источников энергии, такие, как солнце и ветер. Учёным необходимо акцентировать большее внимание на эту проблему, иначе последствия радиационного загрязнения могут оказаться плачевными.

Источники

1. http://biofile.ru/geo/3224.html Дата доступа: 23.03.2015

2. http://vmede.org/sait/?page=13&id=Gigiena_rad_ilin_2010&menu=Gigiena_rad_ilin_2010 Дата доступа: 20.03.2015

Размещено на Allbest.ru