Основы радиационной экологии (стр. 5 )

2.2.2.4. Радиоактивность природных вод

Содержание естественных радионуклидов в морских и речных водах показано в таблице 12 . По содержанию урана морские воды при­ближаются к ультраосновным горным породам – дунитам и значи­тельно обеднены торием по сравнению с последними.

Радиоактивность речных и озерных вод зависит от источника их питания. Дождевые, снеговые и ледниковые воды содержат неболь­шое количество солей, поэтому водоемы горных районов высоких широт, имеющие этот источник питания, практически стерильны в отношении естественных радионуклидов.

Природные радионуклиды поступают в открытые водоемы суши в основном с подземными водами. Грунтовые и межпластовые воды, питая озера и реки, определяют уровни природной радиоактивности воды этих водоемов. Поэтому радиоактивность воды рек и озер подвержена значительным колебаниям. Она на­прямую зависит от химического и минерального состава дрениру­емых ими горных пород, в которых располагаются чаши озер или водосборы рек. К другому важному фактору, влияющему на сте­пень радиоактивности воды открытых водоемов, относится кли­мат, от которого зависит степень химического выветривания гор­ных пород, являющихся основным поставщиком природных ра­дионуклидов.

Наконец, концентрация радиоизотопов в озерах зависит от сте­пени водного обмена. Бессточные озера в районах с засушливым кли­матом могут быть значительно обогащены радиоактивными элемен­тами за счет сильного испарения застойной воды.

Если исключить реки, дренирующие урановые рудные районы, то можно считать, что речные воды отличаются пониженным относи­тельно морских вод содержанием урана, радия, тория, калия и ра­дона, хотя есть и исключения из этого правила (например, Сыр-Да­рья). В таблице приведено содержание урана в некоторых реках, по данным .

Таблица 12 – Содержание урана в воде некоторых рек

Реки	Содержание урана, мас. %	Реки	Содержание урана, мас. %
Рион	7´10-8	Дунай	5-30´10-8
Обь	5-30´10-7	Ока	1´10-7
Волга	13-17´10-8	Кама	8-15´10-8
Днепр	13-17´10-8	Енисей	2´10-7
Иртыш	15-21´10-8	Сыр-Дарья	1´10-6

В период паводка радиоактивность речной воды снижается, а в межень – повышается. Зимой, когда реки покрываются льдом, наблюдается повышенное содержание в воде радиоактивных газов – радона и торона.

Подземные воды бывают значительно обогащены ураном, радием, торием и радоном по сравнению с поверхностными. Ко­личество радиоактивных элементов в них зависит от веществен­ного состава вмещающих пород и химизма самих вод. В гидроге­ологии принято выделять радоновые, радиевые и урановые воды, в зависимости от преобладания в их составе того или иного ра­диоактивного элемента. Существуют и смешанные воды: радоно-радиевые, урано-радиевые, радиево-мезото­риевые. Концентра­ция радия в подземных водах может достигать 2,5´10-11%, а урана – 3´10-5%.

Еще в тридцатые годы XX столетия была заме­чена повышенная концентрация радия в воде нефтяных место­рождений. В настоящее время, в результате интенсивной эксплу­атации месторождений углеводородного сырья это приводит к накоплению природных радионуклидов на технологическом обо­рудовании и трубопроводах нефтяных и газовых месторождений. На отдельных месторождениях мощность экспозиционной дозы от оборудования достигает 6 мР/ч, а удельная активность при­родных радионуклидов в шламе превышает 105 Бк/кг. Следстви­ем этого является неконтролируемое облучение персонала и на­селения.

2.2.2.5. Радиоактивность атмосферного воздуха

Атмосфера Земли всегда содержит газообразные радиоактив­ные вещества в виде инертных газов – радона, торона и актинона, источником которых являются эманирующие горные породы. Радио­активные эманации, попадая из почвы в атмосферный воздух, затем разносятся горизонтальными и вертикальными воздушными потока­ми. В свою очередь радиоактивные газы, претерпевая распад, пре­вращаются в твердые радиоизотопы, которые выпадают на поверх­ность Земли в виде активных осадков.

Актинон и торон не являются долгоживущими. Период по­лураспада первой эманации равняется всего лишь 3,92 с, а второй – 54,5 с, поэтому они встречаются в небольших количествах лишь в самых нижних слоях атмосферы вблизи земной поверх­ности. Период полураспада радона более значителен (3,82 сут.), вследствие чего сама эманация и продукты ее распада транс­портируются ветром на большие расстояния от места выделе­ния.

Наблюдения показывают, что нижние слои атмосферы над кон­тинентами содержат 1-2 атома радона на 1 см3 воздуха. Концентра­ция торона обычно в 10000 раз меньше. Атмосферный воздух над океаном содержит радона в 100 раз меньше, чем над сушей. Концен­трация радона быстро убывает с высотой. Уже на высоте 1 км его ко­личество в 2 раза, а на высоте 4 км – в 14 раз меньше, чем у земной поверхности.

Закономерность распределения продуктов распада радиоак­тивных эманаций совершенно иная. Многие из твердых радиоизото­пов, следующих в естественных радиоактивных рядах за эманациями, почти равномерно распределены в нижних слоях атмосферы. К примеру, концентрация Ra D на уровне земной поверхности и на вы­соте 10 км почти одинакова.

Твердые радиоактивные частицы, содержащиеся в возду­хе, захватываются конденсирующимися каплями воды и выпа­дают на поверхность Земли с атмосферными осадками. После обильных дождей и снегопада радиоактивность воздуха умень­шается.

Кроме радиоактивных эманации и твердых продуктов их рас­пада в атмосфере присутствуют радиоизотопы, образующиеся под действием космических лучей. К таким радионуклидам относится в первую очередь углерод-14, количество которого в воздухе ничтож­но мало.

Вклад отдельных естественных источников в образовании эффективных эквивалентных доз человека представлен в таблице 13.

Таблица 13 – Эффективные эквивалентные дозы человека от природных источников

Источники радиации	Среднемировые данные	Россия
мЗв/год	%	мЗв/год	%
Космическое излучение	0,355	14,8	0,320	10,9
Гамма-излучение Земли	0,410	17,1	0,410	14,0
Внутреннее облучение	0,355	14,8	0,362	12,3
Излучение стройматериалов (радон)	1,280	53,3	1,850	62,8
ИТОГО	2,400	100	2,942	100

2.3. Искусственные источники ионизирующих излучений
и их характеристика

За последние десятилетия человек создал несколько сотен искусственных радионуклидов и научился использовать энергию атома в мирных целях: в медицине и для создания ядерного оружия, для производства электроэнергии и обнаружения пожаров, для изготовления светящихся циферблатов часов, приборов ночного видения и для поиска полезных ископаемых.

Индивидуальные дозы, полученные людьми от искусственных источников ионизирующего излучения, сильно различаются, иногда облучение за счет техногенных источников ионизирующих излучений оказывается намного сильнее, чем за счет естественной радиации.

2.3.1. Источники ионизирующих излучений,
использующиеся в медицине

Основной вклад в дозу, получаемую человеком от техногенных ис­точников радиации, в настоящее время вносят медицинские процеду­ры и методы лечения, связанные с применением ионизирующих излу­чений.

Ориентировочные дозы, которые получают люди при проведе­нии некоторых медицинских процедур, представлены в таблице 14.

Таблица 14 – Ориентировочные значения поглощенной дозы
при некоторых медицинских процедурах, сЗв

Медицинская процедура	Доза
Флюорография легких	2
Рентгеновский снимок зубов (ортопантография)	5
Рентгеноскопия органов грудной полости	10
Рентгеноскопия органов брюшной полости	15
Лечение злокачественных опухолей	до 5000

Коллективная эффективная доза в год для всего населения Земли оценивается в этом случае величиной 1,6 млн чел.-Зв или около 1/5 дозы от естественного фона. Эта доза по-разному распределяется среди жителей разных стран. Наибольший вклад в коллективную дозу от ис­точников медицинского предназначения вносят диагностические об­следования, которым ежегодно подвергаются сотни миллионов людей. В среднем при медицинских обследованиях на одного жителя Земли в год приходится доза облучения, эквивалентная 0,4 мЗв.

Наиболее распространенным видом излучения, применяемым в диагностической практике, являются рентгеновские лучи. Согласно данным по развитым странам, на каждую 1000 жителей приходится от 300 до 900 обследований в год. И это не считая рентгенологических об­следований зубов и массовой флюорографии. Внедрение технических усовершенствований (компьютерной томографии, использование бо­лее чувствительных пленок, электрографии, рационального экраниро­вания и пр.) позволяет резко снизить дозы облучения без уменьшения диагностической и лечебной эффективности процедур.

Радиоизотопы применяются для исследования различных процес­сов, протекающих в организме, и для локализации опухолей. За по­следние годы их применение сильно возросло, но все же они использу­ются реже, чем рентгенологические исследования: в промышленно развитых странах на 1000 населения приходится около 10-40 радио­изотопных исследований. Как это не парадоксально звучит, но одним из наиболее эффективных методов лечения опухолевых заболеваний является лучевая терапия.

2.3.2. Ядерные и термоядерные взрывы

Значительно меньше по сравнению с влиянием естественного фона доза, получаемая от радиоактивных выпадений в результате испытаний ядерного оружия.

2 декабря 1942 года на спортивной площадке Чикагского универ­ситета группой физиков-атомщиков под руководством великого италь­янского ученого Энрико Ферми был запущен первый атомный котел, в котором происходила самоподдерживающаяся управляемая атомная реакция.

Этому успеху предшествовали почти полувековые иссле­дования в области теоретической и экспериментальной физики, проводимые под руководством П. Кюри, М. Склодовской-Кюри, Э. Резерфорда, Н. Бора, А. Эйнштейна, М. Планка, Ф. Жолио-Кюри, И. Жолио-Кюри, Л. Мейт­нер, О. Гана, Д. Чедвика, В. Гейзенберга, и других
выдающихся ученых-атомщиков.

Результаты осуществленной группой Ферми цепной реакции были с самого начала поставлены на военные рельсы, а именно – на срочное создание в США атомного оружия с целью опередить Гитле­ра, физики которого работали в этом же направлении.

В 1944 году в США под руководством Э. Ферми была создана и ис­пытана атомная бомба, а в августе 1945 г. атомной бомбардировке подверглись японские города Хиросима и Нагасаки. Тогда погибла третья часть населения этих городов. В последующие годы многие умирали от лучевой болезни, лейкозов и других недугов, связанных с радиоактивным облучением.

25 декабря 1946 г. под руководством был осу­ществлен запуск первого советского управляемого уран-графито­вого реактора, в котором в дальнейшем производился оружейный плутоний, использующийся в качестве ядерного заряда вместо урана-235 при производстве атомного оружия (рис. 4). Первая советс­кая атомная бомба была испытана 29 августа 1949 года.

При атомном взрыве образуются продукты деления и остается часть неразделившихся атомов урана-235 или плутония-239, которые при наземном взрыве выбрасыва­ются в атмосферу.

Впоследствии в СССР была созда­на и испытана в 1953 г. водородная бом­ба, действие которой основано на тер­моядерной реакции взаимодействия дейтерия и трития:

+ ® + .

дейтерий тритий гелий нейтрон

Эта реакция протекает мгновенно (3´10-6 секунды), но для ее начала не­обходима очень высокая температура, которую возможно получить лишь при атомном взрыве. Вследствие этого в водородной бомбе, содержащей смесь дейтерия и трития, в качестве детонато­ра служит атомный плутониевый заряд.

В атомной бомбе происходит неуправляемый процесс деления ядер. Для мирных же целей важен управляемый процесс цепной ре­акции. Он осуществляется в ядерных реакторах, подобных тому, ко­торый был сооружен в Чикаго в 1942 году Э. Ферми. В 1946 году был за­пущен первый советский атомный реактор. Впоследствии были пост­роены атомные котлы различных конструкций для выработки электро­энергии, в исследовательских целях, а также для получения плутония-239 из природного урана-238 и урана-233 и из природного тория-232. Деление урана-235, плутония-239 и особенно термоядерная реакция, вы­деляют большое количество нейтронов. Последние бомбардируют окружающие вещества, превращая их в радиоактивные (наведенная радиоактив­ность). Кроме того в атмосферу выбрасывается большое количест­во продуктов деления. Наиболее важные из них – цезий-137 и стронций-90.

Рис. 4. Схема атомной бомбы: 1 – заряд урана-235 или плутония-239; 2 – обычное взрывчатое вещество (запал для соединения кусков урана с целью достижения крити­ческой массы); 3 – обо­лочка из металла большой плотности

Максимум ядерных испытаний пришелся на период с 1954 по 1958 годы, когда взрывы проводили США, СССР и Великоб­ритания. Еще более мощные испытания, в которых участвовали и дру­гие страны (но наиболее сильно США и СССР), проводили в годах. Всего за период с 1945 по 1998 годы было проведено 2056 ядерных взрывов (табл. 15).

Таблица 15 – Общее количество ядерных взрывов на территории земного шара

Страна	Год	Число взрывов
США		1030
СССР-Россия		716
Франция		210
Великобритания		44
Китай		45
Индия	1974, 1998	6
Пакистан	1998	5

В частности, на территории США было проведено 1030 ядерных взрывов, в том числе в Неваде – 935, Нью-Мексико – 3, Миссиси­пи – 2, Колорадо – 2, на Аляске – 3 взрыва. На территории России состоялось 214 ядерных взрывов (в том числе на Новой Земле – 132), в Казахстане – 496, на Украине – 2, в Узбекистане – 2 и в Туркмени­стане – 1 взрыв. На полигоне Лобнор в Китае (штат Синьцзян) прове­ли 45 взрывов, в Алжире – 17, в Австралии – 12. Индия испытывала ядерное оружие 6 раз (на площадке Покхаране), а Пакистан – 5 (горный район Чагаи, провинция Белуджистан). Кроме того, ядерные взрывы проводились на атоллах Муруроа (175) и Эниветок (43), на островах Рождества (30), Бикини (23), Джонстон (12), Фангатофа (12), Молден (3), в Тихом океане (4) и Южной Атлантике (3).

Высокодисперсные фракции продуктов ядерных взрывов поднима­ются в верхние слои атмосферы и годами и даже десятилетиями циркулируют там, распространяясь вначале над своим полушарием, а зaтeм и над всей территорией земного шара, и лишь постепенно выпадают на поверхность Земли. В течение 10 лет, когда испытания проводились наиболее интенсивно, население Земли получило за счет глобальных выпадений дополнительно 2 мЗв (одна годовая доза от естественного фона).

При атомном взрыве образуются продукты деления ядерного горючего 235U, 238U, 239Pu с образованием сложной смеси из 200 изотопов 36 химических элементов с периодом полураспада от 1 с до млн лет. По характеру излучения все они относятся к бета - и гамма+бета-излучателям, кроме 147Sm и 144Nd – альфа-излучатели. Дополнительным источником радиоактивного загрязнения местности служит также наведенная радиоактивность, возникающая в результате воздействия потока нейтронов, образующихся при цепной реакции деления урана или плутония на ядра атомов различных веществ окружающей среды.

Наибольший практический интерес для радиобиологии представляют следующие радионуклиды: 89Sr, 90Sr, 131J, 137Cs, 140Ba, 144Ce.

Активность продуктов ядерного деления быстро снижается в первые часы и сутки, например, в первые сутки наблюдается снижение активности в 50 раз.

Таблица 16 – Снижение активности ПЯД с течением времени

Время, ч	Относительная активность	Время, ч	Относительная активность
1	1000	30	17
1,5	610	40	12
2	440	60	7,3
3	70	100	4,3
5	150	200	1,7
7	97	400	0,75
10	63	600	0,46
15	39	800	0,33
20	27	1000	0,25

Из закона радиоактивного распада выведено правило: каждое десятикратное снижение активности осколков и мощности дозы гамма-излучения происходит в результате увеличения их возраста в 7 раз.