ГЛАВА 12 Аварии с выбросом радиоактивных веществ

12.1.Открытие явления радиоактивности

Вконце 1895 г. весь ученый мир был взволнован появившимися в печати сообщениями об открытии профессором Вильгельмом Конрадом Рентгеном лучей, обладавших необычными свойствами. Эти лучи, названные Рентгеном Х-лучами, свободно проходили сквозь дерево, картон

идругие предметы, не прозрачные для видимого света. Впоследствии они получили название рентгеновских лучей — в честь открывшего их ученого. Это открытие вызвало большую сенсацию в научном мире. Может, по этой причине многими учеными не было имечено другое крупнейшее открытие конца XIX столетия — открытие французским ученым Анри Беккерелем в 1896 г. явления радиоактивности. Вскоре Беккерель на заседании Академии наук сообщил, что наблюдавшиеся им лучи, проникавшие подобно рентгеновским лучам через непрозрачные для света предметы и вызывавшие почернение фотопластинок, спонтанно, без всякого вмешательства извне, излучаются некоторыми веществами. Так было установлено, что новые лучи излучаются веществам, в состав которых входит уран. Вновь открытые лучи Беккерель назвал урановыми. Дальнейшая история новооткрытых лучей тесно связана с именами польского физика Марии Склодовской и ее мужа — француза Пьера Кюри. Супругам Кюри наука обязана тщательным всестороннем изучением вновь открытого явления, которое по предложению Марии КюриСклодовской было названо радиоактивностью.

Радиоактивность — это способность ряда химических элементов самопроизвольно распадаться и испускать невидимое излучение.

Глубокое изучение свойств радиоактивных элементов привело к созданию так называемой планетарной модели атома (английский физик Э. Резерфорд, 1911 г.), затем она была усовершенствована датским ученым Нильсом Бором. Этой моделью мы пользуемся до настоящего времени.

Атом похож на солнечную систему в миниатюре: вокруг крошечного ядра (размеры атома очень малы — поперечник атома составляет около 10-8 см, следовательно, на 1 см можно уложить 100 млн. атомов) движутся по орбитам крошечные «планеты» — электроны. Размеры ядра в 100 тыс. раз меньше размеров самого атома, но плотность его очень велика, поскольку масса ядра почти равна массе его атома. Ядро, как правило, состоит из нескольких более мелких частиц, которые плотно сцеплены друг с другом. Некоторые из этих частиц имеют положительный заряд и называются протонами. Число протонов в ядре определяет, к какому химическому элементу относится данный атом: ядро атома водорода содержит всего один протон, атома кислорода — 8, атома урана — 92. В каждом атоме число электронов в точности равно числу протонов в ядре; каждый электрон несет отрицательный заряд, равный по величине заряду протона, так что в целом атом нейтрален.

Вядре, как правило, присутствуют и частицы другого типа — нейтроны, поскольку они электрически нейтральны. Ядра атомов одного и того же элемента содержат всегда одно и то же число протонов, но число нейтронов в них может быть разным. Атомы, имеющие ядра с одинаковым числом протонов, но различающиеся по числу нейтронов, относятся к разным разновидностям одного и того же химического элемента, называемым изотопами данного элемента. Чтобы отличить их друг от друга, к символу элемента добавляют число, равное сумме всех частиц в ядре данного изотопа. Так, уран-238 содержит 92 протона и 146 нейтронов; в ура-не- 235 тоже 92 протона, но 143 нейтрона. Ядра всех изотопов химических элементов образуют группу

нуклидов.

Некоторые нуклиды стабильны, то есть в отсутствие внешнего воздействия никогда не претерпевают никаких превращений. Большинство же нуклидов нестабильны, они все время превращаются в другие нуклиды. При каждом акте распада высвобождается энергия, которая и передается в виде радиоактивного излучения.

Сразу же после открытия радиоактивности перед наукой встал ряд новых вопросов: что собой представляют открытые лучи, каковы их природа и свойства, насколько широко радиоактивные вещества распространены в природе, какое действие они оказывают на человека и окружающую природу. Понадобилось, однако, несколько десятков лет, чтобы получить ответ на поставленные вопросы.

Прежде всего удалось решить вопрос о природе лучей, испускаемых радиоактивными атомами. Было установлено, что радиоактивное излучение — это сложное излучение, в состав которого входят лучи трех видов, отличающиеся друг от друга проникающей способностью. Хуже

всего проникающие лучи получили название α-лучей, проникающие лучше — β-лучей, и наконец, лучи, имеющие наибольшую проникающую способность, — γ-лучей.

Альфа-лучи оказались потоком частиц с массой, равной четырем, и двойным положительным зарядом, то есть потоком ядер атомов гелия. Эти частицы вылетают из ядра со скоростью 15 000-20 000 км/с, a-частицы обладают очень малой проникающей способностью. В зависимости от энергии частиц в воздухе они могут пройти путь 2-9 см, в биологической ткани — 0,02-0,06 мм; они полностью поглощаются листом чистой бумаги.

Бета-лучи — это поток β-частиц (электронов), вылетающих из ядер со скоростью света. Максимальная энергия β-частиц радиоактивных изотопов может различаться в широких пределах

— от нескольких тысяч до нескольких миллионов электрон-—вольт. Проникающая способность этих частиц значительно больше, чем у α-частиц. Бета-частицы могут пройти в воздухе до 15 м, в воде и биологической ткани — до 12 мм, и алюминии до 5 мм.

у-лучи представляют собой электромагнитное излучение с длиной волны 10-8-10-11 см. Проникающая способность у-лучей очень велика — значительно больше, чем у а- и β-частиц. Чтобы ослабить у-излучение радиоактивного кобальта вдвое, нужно установить защиту из слоя свинца толщиной 1,6 см или слоя бетона толщиной 10 см. Чем короче длина волны, тем большую проникающую способность имеют у-лучи.

Таким образом, под проникающей радиацией понимают поток у-лучей и нейтронов. Коэффициенты половинного ослабления приведены в табл. 12.1.

Таблица 12.1. Коэффициенты половинного ослабления материалов, см

Материал	Проникающая радиация
	у-лучи	нейтроны
Свинец	1,8	8,7
Сталь	2,8	4,7
Бетон	10	12
Грунт, кирпич, песок	14	12
Дерево	30	10
Вода	23	3

Сейчас каждый школьник знает, что проникающая радиация разрушает организм человека, может вызвать у него лучевую болезнь различной степени. Повреждений, вызванных в живом организме излучением, будет тем больше, чем больше энергии оно передаст тканям; количество переданной организму энергии называется дозой. За единицу дозы принят рентген (Р) (1 Р — это такая доза у-излучения, при которой в 1 см3 сухого воздуха при температуре 0°С и давлении 760 мм рт. ст. образуется 2,08 млрд пар ионов (2,08 • 109).

На организм воздействует не вся энергия излучения, а только поглощенная энергия. Поглощенная доза более точно характеризует воздействие ионизирующих лучей на биологические ткани и измеряется во внесистемных единицах, называемых рад. Достоинства рада как дозиметрической единицы в том, что его можно использовать для любого вида излучений в любой среде. Рад — это такая доза, когда энергия, поглощенная 1 кг вещества, равна 0,01 Дж, или 105 эрг. Биологическим эквивалентом рада является бэр.

Надо учитывать тот факт, что при одинаковой поглощенной дозе α-излучение гораздо опаснее β- и у-излучений. Если принять во внимание этот факт, то дозу следует умножить на коэффициент, отражающий способность излучения данного вида повреждать ткани организма; α- излучение считается при этом в 20 раз опаснее других видов излучений. Пересчитанную таким образом дозу называют эквивалентной дозой; в СИ ее измеряют в единицах, называемых зивертами (Зв).

Следует учитывать также, что одни части тела (органы, ткани) более чувствительны, чем другие: например, при одинаковой эквивален гной дозе облучения возникновение рака в легких более вероятно, чем в щитовидной железе, а облучение половых желез особенно опасно из-за риска генетических повреждений. Поэтому дозы облучения органов и тканей также следует учитывать с разными коэффициентами.

Умножив эквивалентные дозы на соответствующие коэффициенты и просуммировав по всем органам и тканям получим, эффективную эквивалентную дозу, отражающую суммарный эффект облучения для организма, — она измеряется в зивертах.

Величины и единицы, используемые в дозиметрии ионизирующих излучений, приведены в табл. 12.2.

Таблица 12.2. Величины и единицы, используемые в дозиметрии ионизирующих

излучений
Физическая величина В СИ	Внесистемная Соотношение между ними
и ее символ

Активность (С)	Беккерель (Бк)	Кюри(Ки)	1Бк=1расп/с=2,7*10-11Ки
			1Ки=3,7-1010Бк
Поглощенная доза (Д)	Грей (Гр)	Рад (рад)	1Гр=100рад=1Дж/кг
			1рад=10-2Гр=100эрг/г
Эквивалентная доза	Зиверт(Зв)	Бэр (бэр)	1Зв=100бэр=1ГрQ=1Дж/кг*Q
(Н)			1бэр=10-2Зв=10-2Гр*Q=1рад*Q

Активность радионуклида означает число распадов в секунду. Один беккерель равен одному распаду в секунду.

12.2. Естественные источники радиоактивности на Земле

Все виды флоры и фауны Земли, в том числе и млекопитающие, возникли и эво-люционно развивались на протяжении сотен миллионов лет при постоянном воздействии естественного радиационного фона.

Радиация — поток корпускулярной (α-, β-, у-лучей, поток нейтронов) и/или электромагнитной энергии.

Радиоактивный фон необходим для существования жизни на нашей планете. Детальное изучение влияния радиационного фона в дозе 1-10мЗввгод,или 100-1000 мбэр в год, не выявило каких-либо изменений в состоянии здоровья человека, уровня заболеваемости и уменьшения продолжительности жизни. Однако повышенный уровень радиоактивности связан с риском для здоровья людей. Природные источники излучения можно разделить на космические и земные.

Космическое излучение состоит из галактического и солнечного, колебания которого связаны с солнечными вспышками. Космическое излучение достигает Земли в виде ядерных частиц, обладающих огромной энергией, часть которой расходуется на столкновение с ядрами атмосферного азота, кислорода, аргона, в результате чего на высоте 20 км возникает вторичное высокое энергетическое излучение, состоящее из мезонов, нейтронов, протонов, электронов. Северный и Южный полюсы получают больше радиации, чем экваториальные области, из-за наличия у земли магнитного поля, отклоняющего заряженные частицы (из которых в основном и состоят космические лучи).

Люди, живущие на уровне моря, из-за космических лучей получают в среднем эффективную эквивалентную дозу около 300 мкЗв в год, люди, живущие выше 2000 м над уровнем моря, получают дозу облучения в несколько раз больше. Еще более интенсивному, хотя и относительно непродолжительному облучению подвергаются экипажи и пассажиры самолетов. При подъеме на высоту от 4000 м (максимальная высота человеческих поселений — деревни шерпов на склонах Эвереста) до 12 000 м (максимальная высота полета трансконтинентальных лайнеров) уровень облучения возрастает в 25 раз.

В состав земных источников излучений входят 32 радионуклида ураново-радиево-го и ториевого семейств, а также 40К, 87Ru и многие другие с большим периодом полураспада. Уровни земной радиации неодинаковы для разных мест земного шара и зависят от концентрации радионуклидов в определенном участке земной коры. Так, 95% населения Франции германии Италии, Японии, США живет в местах, где мощность дозы облучения в среднем составляет от 0,3 до 0,6 мЗв в год. Известны места, где уровни земной радиации намного выше.

Человек подвергается облучению двумя способами. Радиоактивные вещества могут находиться вне организма и облучать его снаружи. В этом случае речь идет о внешнем облучении. Оно связано су-излучением нуклидов, содержащихся в верхнем слое лочвы, в воде, в нижних слоях атмосферы. Внутреннее облучение вызвано попаданием внутрь организма радионуклидов с воздухом, водой, пищей. В районах с нормальным фоном радиации доза внутреннего облучения почти вдвое больше дозы внешнего облучения и составляют, соответственно, 1,35 мЗв (135 мбэр) и 0,65 мЗв (65 мбэр), из них 0,3 мЗв (30 мбэр) приходится на космическое облучение.

Основная масса радиоактивных элементов Земли содержится в горных породах, составляющих земную кору. Отсюда радиоактивные элементы переходят в грунт, затем в растения и, наконец, вместе с растениями попадают в организм животных и человека. Большая роль в этом круговороте принадлежит подземным водам. Они вымывают радиоактивные элементы горных пород, переносят их с одних мест на другие — так осуществляется обмен между живой и неживой природой.

Другой процесс, приводящий к распространению радиоактивных веществ в биосфере, — выветривание горных пород. Мельчайшие частицы, образовавшиеся в результате разрушения горных пород, под действием воды, льда, непрерывных колебаний температуры и других факторов переносятся ветром на значительные расстояния.

Говоря о роли земной коры в создании естественного радиационного фона, целесообразно подробнее остановиться на роли газа радона. Лишь недавно ученые поняли, что наиболее весомым из всех естественных источников радиации является невидимый, не имеющий вкуса и запаха тяжелый газ (в 7,5 раз тяжелее воздуха) радон. В природе радон встречается как член

радиоактивного ряда, образуемого продуктами распада урана-238 и тория-232 (соответственно, радон-222 и радон-220). Радон высвобождается из земной коры повсеместно.

Радон вместе со своими дочерними продуктами радиоактивного распада ответственен примерно за 3/4 годовой индивидуальной эффективной эквивалентной дозы облучения, получаемой населением от земных источников радиации, и примерно за половину этой дозы от всех источников радиации. Большую часть этой дозы человек получает от радионуклидов, попадающих в его организм вместе с вдыхаемым воздухом, особенно в непроветриваемых помещениях.

Радон концентрируется в воздухе внутри помещений лишь тогда, когда они в достаточной мере изолированы от внешней среды. Поступая внутрь помещения тем или иным способом (просачиваясь через фундамент и пол из грунта или, реже, высвобождаясь из материалов, использованных в конструкции дома), радон скапливается в нем. Герметизация помещений с целью утепления только усугубляет дело, поскольку это затрудняет выход газа из помещения.

Самые распространенные строительные материалы — дерево, кирпич и бетон — выделяют относительно немного радона. Гораздо большей удельной радиоактивностью обладают гранит, пемза, используемые в качестве строительных материалов.

Еще один, как правило, менее важный источник поступления радона в жилье представляют собой вода и природный газ. Однако основная опасность, как это ни удивительно, исходит вовсе не от питья воды, даже при высоком содержании в ней радона. Люди потребляют большую часть воды в составе пищи и в виде горячих напитков (чай, кофе). При кипячении же воды или приготовлении горячих блюд значительная часть радона улетучивается. Гораздо большую опасность представляет попадание паров воды с высоким содержанием радона в легкие вместе с вдыхаемым воздухом, что чаще всего происходит в ванной. При обследовании домов в Финляндии оказалось, что в среднем концентрация радона в ванной комнате в 3 раза выше, чем на кухне, и приблизительно в 40 раз выше, чем в жилых комнатах. Исследования, проведенные в Канаде, показали, что все 7 минут, в течение которых был включен теплый душ, концентрация радона и его дочерних продуктов в ванной комнате быстро возрастала, и прошло более полутора часов с момента отключения душа, прежде чем содержание радона вновь упало до исходного уровня. В процесс жизнедеятельности растения усваивают, а некоторые и накапливают в себе радиоактивные вещества, содержащиеся в почве, воде и в воздухе. Из всех радиоактивных веществ лучше всего усваивается растениями калий. Радиоактивность растений увеличивается от применения калийных удобрений, которые приводят одновременно к повышению урожайности и улучшению качества различных сельскохозяйственных культур (повышение сахаристости сахарной свеклы, крахмалистое™ зерен озимой пшеницы и т. д.).

В радиоактивности растений и животных — причина радиоактивности пищевых продуктов. Вместе с пищей радиоактивные вещества попадают в организм человека (табл. 12.3).

Таблица 12.3. Количество калия, употребляемого человеком с пищей

Продукт	Ежемесячное	Содержание	калия в Ежемесячное
	потребление, кг	1 кг продукта	потребление калия,г
Молочные	2,6	13,4	35
Мясо	5,2	2,7	14
Мука и зерно	5,8	1,1	6
Овощи	7,3	2,2	17
Картофель	4,0	4,4	18
Цитрусовые	1,4	2,2	3
Всего калия	-	-	93

Вместе с пищей, водой, воздухом определенное количество радиоактивных элементов попадает в организм человека. Если бы все они оставались в организме, то радиоактивность человека была бы очень велика. Однако это не так — значительная их часть выделяется из организма вместе с мочой, калом, потом и др., то есть общая радиоактивность человека зависит от интенсивности обменных процессов.

12.3. АЭС и урановые рудники как источники радиоактивного загрязнения

Источником облучения, вокруг которого ведутся наиболее интенсивные споры, являются АЭС, хотя в настоящее время они вносят весьма незначительный вклад в суммарное облучение населения. При нормальной работе ядерных установок выбросы радиоактивных материалов в окружающую среду очень невелики.

Доза облучения от ядерного реактора зависит от времени и расстояния. Чем дальше человек живет от атомной электростанции, тем меньшую дозу он получает. Каждый реактор выбрасывает в окружающую среду целый ряд радионуклидов с разными периодами полураспада.