Болятко Основы екологии и охраны окружаюсчей 2008
.pdfпродукты удаляются из атмосферы двумя основными механизмами: вымыванием с помощью осадков и сухим выпадением. Первый процесс включает в себя поступление радионуклидов в капли дождевой воды и последующее выпадение вещества на поверхность земли. Сухое выпадение играет большую роль в пределах лежащего у поверхности слоя, где переносимая ветром радиоактивность может контактировать с поверхностью. Выпавшие на поверхность вещества могут впоследствии снова перейти в атмосферу, и этот процесс ресуспензии может продолжаться над загрязненной территорией в течение длительного времени.
Выпавшие радиоактивные вещества могут приводить к внешнему облучению, а также включаться в пищевые цепи. Скорость процессов выпадения определяет интенсивность и распространение загрязнения наземных и водных экосистем. Однако, дозы облучения населения от глобальных выпадений незначительны.
Так, в 1963 г. коллективная среднегодовая доза, связанная с ядерными испытаниями, составила 7% дозы облучения от естественных источников. К 1966 г. она снизилась до 2%, а к началу 80-х годов уменьшилась до 1%. В дальнейшем формирование доз будет происходить практически только за счет 14C.
Суммарная ожидаемая коллективная эффективная доза от всех испытаний, произведенных к настоящему времени, составит в будущем около 30 млн чел.-Зв. К 1980 г. человечество получило лишь 12% этой дозы. Из этой суммарной дозы основной вклад дадут
следующие радионуклиды: 14C – 69% общей дозы; 137Сs – 14%; 95Zr – 5,3%; 90Sr – 3,2%; 106Ru – 2,2%; 144Ce – 1,4%; 3H – 1,2%; 131I – 0,9%
(табл. 6.10).
Средний уровень современного глобального загрязнения по 137Cs составляет 3000 Бк/м2 (0,08 Ки/км2), а по 90Sr – 1700 Бк/м2
(0,045 Ки/км2). Для сравнения в результате Чернобыльской аварии площадь районов с загрязнением более 1500 Бк/м2 (40 Ки/км2) составила 7000 км2, а в локальных точках до 7500 Бк/м2 (200 Ки/км2). Критическими радионуклидами загрязнения являются цезий (79,3%), стронций (19,8%) и плутоний (0,9%).
191
Таблица 6.10
Выход некоторых продуктов деления при ядерном взрыве в атмосфере
Элемент |
Период |
Выход на |
Активность, |
|
полураспада |
деление, % |
1015 Бк/1 Мт |
89Sr |
50,5 сут |
2,56 |
590 |
90Sr |
28,6 лет |
3,5 |
3,9 |
95Zr |
64 сут |
5,07 |
920 |
103Ru |
39,5 сут |
5,2 |
1500 |
106Ru |
368 сут |
2,44 |
78 |
131I |
8 сут |
2,90 |
4200 |
136Cs |
13,2 сут |
0,036 |
32 |
137Cs |
30,2 лет |
5,57 |
5,9 |
140Ba |
12,8 сут |
5,18 |
4700 |
141Ce |
32,5 сут |
4,58 |
1600 |
144Ce |
284 сут |
4,69 |
190 |
3H |
12,3 лет |
0,01 |
2,6∙10-2 |
В табл. 6.11 приведено сравнение выбросов некоторых радионуклидов при ядерных взрывах и авариях на ядерных реакторах в Чернобыле и Виндскейле (Англия).
Таблица 6.11
Сравнение выбросов радионуклидов от различных источников
Радионуклид |
|
Выброс радиоактивности, ГБк |
|
|||
|
Хиросима |
|
Испытания |
Чернобыль |
|
Виндскейл |
|
1945 г. |
|
1954-62 гг. |
1986 г. |
|
1957 г. |
137Cs |
0,1 |
|
1500 |
89 |
|
0,044 |
134Cs |
– |
|
– |
48 |
|
0,0011 |
90Sr |
0,085 |
|
1300 |
7,4 |
|
0,00022 |
133Xe |
140 |
|
2.100.000 |
4400 |
|
14 |
131I |
52 |
|
780.000 |
1300 |
|
0,59 |
192
На рис. 6.4 показано изменение основного долгоживущего загрязнителя от прошедших ядерных испытаний.
Рис. 6.4. Изменение содержания 137Cs в различных продуктах питания:
1– зерновые продукты; 2 – мясо; 3 – молоко; 4 – фрукты; 5 – овощи
6.5.2.Облучение, обусловленное технологически повышенным радиационным фоном
Внастоящее время уголь является наиболее важным в мире горючим ископаемым. Ежегодно сжигается несколько миллиардов тонн угля и около 70% используется для производства энергии. В табл. 6.12 приведены данные по радиоактивности углей и продуктов сжигания. Так, в золе угля содержание естественных радионуклидов возрастает примерно на порядок величины вследствие исключения органического компонента при его сжигании.
Исследование окружающей среды вокруг угольных электростанций показывает, что для всех радионуклидов, приведенных в этой таблице, концентрации оказываются в 10 раз выше, чем естественные уровни.
Попадая в атмосферу вместе с золой, естественные радионуклиды становятся источниками дополнительного облучения
193
населения, проживающего в районе расположения ТЭС за счет ингаляционного поступления, а выпадающие на поверхность радионуклиды поступают в организм человека с пищевыми продуктами, вдыхаемым воздухом и питьевой водой.
Таблица 6.12
Концентрация некоторых радионуклидов в углях и золе, Бк/кг
Радионуклид |
Уголь |
Шлак |
Зола |
|
238U |
9 |
– 31 |
56 – 185 |
70 – 370 |
234U |
|
19 |
92 |
160 |
232Th |
9 |
– 19 |
59 |
81 – 174 |
226Ra |
7 |
– 25 |
20 – 166 |
85 – 281 |
40K |
26 |
– 130 |
230 – 962 |
233 – 740 |
Большая часть мировых запасов нефти приурочена к богатым органическим веществом глинистым сланцам. Благодаря присутствию урансодержащих фосфатов концентрация урана в них достигает 1000 г/т и более. Нефть и газ поступают из пробуренных скважин с примесью растворенных солей, в которых радиоактивность может достигать величины 15 000 Бк/г.
При добыче газа оценочное значение мирового годового выброса 222Rn достигает 1900 ТБк (50 000 Ки).
Использование фосфорных удобрений в сельском хозяйстве, приводящее к усвоению естественных радионуклидов растениями из почвы, и отходов фосфатного производства в качестве строительных материалов (гипса) является дополнительным источником облучения.
Широкое использование во всем мире большого количества потребительских товаров, содержащих естественные радионуклиды, также является источниками дополнительного облучения. Оценка среднегодовой дозы приводит к величине 10 мкЗв.
Тем не менее хотя техногенная радиоактивность может оказаться даже больше, чем вышеприведенные значения, она на порядок меньше, чем естественная эмиссия радионуклидов в атмосферу.
194
В табл. 6.13 сопоставляются данные (1981 г.) по естественной и техногенной эмиссии в атмосферу по различным путям поступления. Сравнение приводится в пересчете выбросов вещества на поток ионизирующей энергии с учетом дочерних изотопов.
Отметим, что одно из следствий сжигания ископаемого топлива, получившее название эффекта Зюсса, – снижение атмосферной радиоактивности, поскольку несколько миллиард тонн углерода, поступающего ежегодно в атмосферу в виде CO2, не содержат радиоактивный 14C.
Таблица 6.13
Относительные уровни эмиссии, пересчитанные на поток энергии, Дж/с
Радионуклид |
ЯТЦ |
Уголь |
Газ и нефть |
Естественные |
|
|
|
|
источники |
222Rn |
53 000 |
3000 |
75 000 |
120 000 000 |
226Ra |
0,22 |
10 |
20 |
1100 |
210Pb |
8 |
26 |
18 |
19 000 |
Сводка данных по средним годовым индивидуальным эквивалентным дозам для населения земли, приведенным к настоящему времени, представлена в табл. 6.14.
195
Таблица 6.14
Средние значения эффективных эквивалентных доз облучения
Источники |
Вид |
Годовые дозы |
|
|
облучения |
облучения, мкЗв |
|
|
|
в мире |
в России |
Естественные: |
|
400 |
300 |
Космическое излучение |
Внешнее |
||
|
Внутреннее |
450 |
300 |
Природные радионуклиды |
Внешнее |
||
|
Внутреннее |
630 |
650 |
Техногенный фон: |
|
50 |
100 |
Нахождения в помещениях |
Внешнее |
||
|
Внутреннее |
970 |
950 |
Полеты на самолетах |
Внешнее |
0,5 |
- |
Удобрения |
Внешнее |
3,4∙10-1 |
3,5∙10-2 |
|
Внутреннее |
1,1 |
0,1 |
Угольные ТЭС |
Внешнее |
2,0∙10-2 |
5,0∙10-2 |
(Россия – 76 ГВт (эл); |
Внутреннее |
0,5 |
1,9 |
Мир – 1000 ГВт (эл)) |
|
- |
9,0∙10-2 |
АЭС |
Внешнее |
||
(Россия – 14 ГВт (эл); |
Внутреннее |
0,1 |
8,0∙10-2 |
Мир – 80 ГВт (эл)) |
|
|
|
Отопление и |
|
- |
- |
приготовление пищи |
|
||
Предметы ширпотреба |
|
1,0 |
- |
Искусственный фон: |
|
1000 |
1700 |
Медицинские процедуры |
Внешнее |
||
Ядерные взрывы |
Внешнее |
|
10 |
|
Внутреннее |
10 |
13 |
Итого: |
|
3400 |
4000 |
6.6. Биосферный перенос радионуклидов
Радионуклиды могут существовать в различных физических и химических формах в зависимости от условий выброса и переноса (газы, аэрозоли и частицы). Газы могут быть инертными, как
196
благородные газы, или реакционно-способные, как йод. Частицы с высокой активностью («горячие частицы») могут образовываться при ядерных взрывах и авариях реакторов.
При выбросах антропогенных радионуклидов их дальнейшее поведение проявляется в биогеохимических процессах. Данные радионуклиды попадают в наземные экосистемы из атмосферы, через поверхностные воды или из грунтовых вод и их дальнейшее поведение определяется химической формой. Большое значение имеют пути миграции радионуклидов в пресных водах, особенно в озерах, так как эти экосистемы особенно чувствительны к загрязнению.
Перенос радионуклидов из атмосферы на растительность включает в себя процессы выпадения, поглощения и удержания. Существуют два способа поглощения радионуклидов растениями – листвой и корнями. Эффективность этих процессов определяется временем нахождения загрязняющего вещества на поверхности растения и способностью корней различных видов растений поглощать из раствора разные радионуклиды. После поглощения радионуклиды могут переместиться выше или ниже точки проникновения.
Затем перенос радионуклидов с пастбища в организм животного и включение их в метаболизм оценивается коэффициентом переноса «растение – животное», который определяется как отношение концентрации радионуклида в мясе или молоке к суточному потреблению корма.
Благородные газы (Kr, Xe). Такие газы освобождаются в результате работы предприятий ЯТЦ, а также при испытаниях ядерных зарядов и при авариях. Все они имеют короткий период полураспада (за исключением изотопа 85Kr ~ 10,4 года), химически инертны и имеют очень слабую адсорбцию.
Йод. Он относится к группе галогенов и является продуктом деления, который может выделяться из неисправного тепловыделяющего элемента. Особенно важен изотоп ≈ 8 дн.), который может поступать в атмосферу в различных формах (газ или аэрозольная фракция), а также образовывать органические соединения. Сразу после аварийных выбросов становится радионуклидом первейшей важности. Характерной особенностью
197
обмена йода служит способность его накапливаться в щитовидной железе.
Тритий. Он обладает большим периодом полураспада (12,3 лет) и вследствие этого является глобальным загрязнителем природных комплексов. Достаточно легко рассеивается в окружающей среде вследствие своей химической идентичности с водородом и обладает большой миграционной способностью. Кроме того, тритий способен проникать через кожу животного и человека, если он представлен в виде тритированной воды.
Слаболетучие радионуклиды. Это, прежде всего,
долгоживущие (T1/2 ≈ 30 лет) 137Cs и 90Sr, представляющие главную опасность при загрязнении природных объектов после ядерных аварий. Цезий более летуч, чем стронций, и его миграция из ядерного топлива выше. При контакте с водой он может растворяться и становиться доступным для поглощения живыми организмами. В период испытаний ядерного оружия нахождение радиоцезия 137Cs в арктических и альпийских экосистемах играло исключительно важную роль с точки зрения воздействия на человека. Хорошими концентраторами радиоцезия служат мхи и лишайники, в которых его активность часто на порядок выше, чем в высших растениях этих же экосистем.
Таблица 6.15
Некоторые значения коэффициентов переноса «почва – растение»
Радионуклид |
Культура |
Значение КП |
|
|
|
137Cs |
Пшеница (зерно) |
0,018 |
|
Картофель (клубень) |
0,1 |
|
Травы |
0,21 |
90Sr |
Зерновые (зерно) |
0,13 |
|
Картофель (клубень) |
0,17 |
|
Бобы (боб) |
1,2 |
|
Травы |
1,3 |
|
Зеленые овощи |
2,3 |
198
Втабл. 6.15 приведены для 137Cs и 90Sr значения коэффициентов переноса (КП) из почвы в растения, определяемые как отношение удельной активности (Бк/кг) сухой культуры к активности сухой почвы (Бк/кг). Наибольшее количество радионуклидов накапливается в листовой части растений.
Втабл. 6.16 приведены данные по активности 137Cs в загрязненном сосновом лесу вблизи Чернобыля в 1990 г., показывающие, что большая часть активности сосредоточилась в органическом слое почвы. Важным фактором воздействия радиоактивного загрязнения на лесные массивы является время года. Например, лиственные леса в меньшей степени подверглись риску после Чернобыльской аварии, поскольку в это время года слабо поглощают радиоактивность.
Таблица 6.16
Распределение активности 137Cs в лесном массиве
Компоненты |
Активность, |
Распределение, |
леса |
МБк/га |
% |
Хвоя |
47 |
- |
Побеги |
189 |
- |
Кора |
201 |
1,4 |
Древесина |
108 |
- |
Подстилка |
1612 |
4,3 |
Почва |
|
|
0 - 2 см |
30350 |
80,7 |
2 - 5 см |
4048 |
10,8 |
5 - 10 см |
1045 |
2,8 |
Нелетучие элементы (церий, цирконий). Такие элементы могут выбрасываться в окружающую среду только в определенных условиях и в виде мельчайших частиц разноситься ветром.
На рис. 6.5 показаны основные пути поступления радионуклидов в организм человека. Среди основных естественных элементов находится 40K, а также долгоживущие радионуклиды рядов 238U и 232Th. В регионах со средним уровнем естественной
199
радиации годовое поступление 238U оценивается в 5 Бк, 226Ra с пищей – 15 Бк, 222Rn от 20 до 200 Бк.
Значительное количество искусственных радионуклидов поступает в организм человека в результате загрязнения окружающей среды. Например, наиболее важными радионуклидами после Чернобыльской аварии, поступившими с загрязненными продуктами питания, являлись 131I и 137Cs. Концентрация последнего радионуклида составила в мясе оленей 10 кБк/кг в Швеции, а в грибах на территории Германии до 250 Бк/кг. Большие концентрации 137Cs были отмечены в озерной рыбе. Проведенные исследования показали, что 50% дозы внутреннего облучения связаны с этим радионуклидом.
Рис. 6.5. Пути воздействия радиоактивных отходов на человека
В заключение приведем часть материалов из ежегодного (2005 г.) государственного доклада по экологической обстановке в России.
200