Техногенно измененный радиационный фон

Формируется деятельностью человека. Его главными составляющими являются техногенно измененный естественный радиационный фон (ТИЕРФ) и искусственный радиационный фон (ИРФ).

ТИЕРФ представляет собой ионизирующее излучение от природных источников, претерпевших изменения в результате деятельности человека:

- Извлечение из недр полезных ископаемых (главным образом, минеральных удобрений), содержащих радионуклиды.

- Поступление в среду продуктов сгорания органического топлива.

- Использование стройматериалов с высоким содержанием радионуклидов.

- Широкое использование авиации, что повышает воздействие на человека внеземных источников ИИ.

- Использование бытовых предметов, содержащих естественные радионуклиды.

ИРФ обусловлен искусственно созданными источниками ионизирующего излучения, включая искусственные радионуклиды. К ним можно отнести:

- Применение источников ионизирующего излучения в научных, хозяйственных и медицинских целях для диагностики и лечения.

- Выпадения радионуклидов при испытаниях ядерного оружия и при работе ядерно-топливных предприятий и установок.

- Телевидение, компьютеры и другие приборы, являющиеся источниками электромагнитных излучений.

Индивидуальные дозы, получаемые людьми от искусственных источников, очень вариабельны, хотя в, большинстве случаев, легче контролируются.

Из всех техногенных источников наибольшее значение имеют используемые в медицине в целях диагностики и лечения. Согласно данным по развитым странам на 1000 жителей в год приходится от 300 до 900 рентгенологических исследований в год, не считая рентгенологических исследований зубов и массовой флюорографии. Около половины рентгенологических обследований приходится на грудную клетку. С уменьшением частоты туберкулеза целесообразность массовых обследований уменьшается. Часто облучению подвергается большая площадь тела, чем это надо. Необходимо уменьшать дозы при исследовании молочной железы.

Максимальное уменьшение площади рентгеновского пучка, его фильтрация, использование более чувствительных пленок, правильная экранировка способны значительно уменьшить дозу. В настоящее время среднее мировое значение индивидуальной дозы облучения тела за счет диагностических медицинских процедур оценивается в 0,4-1,0 мЗв/год. В 1996 году облучение населения Беларуси за счет медицинских источников составило 2,0-2,5 мЗв/год, а дозы работников рентгенкабинетов и радиоизотопных лабораторий по данным индивидуальной дозиметрии – 2,5-6,3 мЗв/год.

За последние 50 лет каждый из нас подвергался облучению от радиоактивных осадков, которые образовались в результате ядерных взрывов, причем речь идет только об осадках, связанных с испытанием ядерного оружия в атмосфере. С 1945 по 1980 г. в атмосфере было произведено 500 атомных и термоядерных взрывов, общая мощность которых составила около 560 Мт. При этом около 90% мощности было реализовано в 1952-1962 годах. В результате в стратосферу было выброшено огромное количество радиоактивных веществ, создавших новый фактор радиационного воздействия на человека. В настоящее время нет ни одного продукта биосферы, где бы не присутствовали радионуклиды бомбового происхождения.

Максимум испытаний ядерного оружия в атмосфере приходится на два периода: первый – на 1954-1958 годы, когда взрывы проводили Великобритания, США и СССР, и второй, более значительный – на 1961-1962 годы, когда их проводили в основном США и СССР. Во время первого периода большую часть испытаний провели США, во время второго – СССР.

В 1963 году эти страны подписали Договор об ограничении испытаний ядерного оружия, обязывающий не испытывать его в атмосфере, под водой и в космосе. С тех пор лишь Франция и Китай произвели серию ядерных взрывов в атмосфере. Мощность взрывов была существенно меньше, а сами испытания проводились реже (последнее из них – в 1980 году). Подземные испытания проводятся до сих пор, но они обычно не сопровождаются образованием радиоактивных осадков.

При ядерном взрыве огромное количество радиоактивных веществ уносится в атмосферу. Это прежде всего продукты деления урана и плутония. Они осаждаются на частичках грунта и других материалах, захваченных поднимающимся огненным шаром. В результате образуется радиоактивное облако, которое распространяется в горизонтальном направлении с воздушными потоками и осаждается под действием гравитационных сил. Скорость оседания зависит от размеров частиц, образуя при этом 4 типа выпадений:

- Локальные (ближние).

- Радиоактивный след.

- Полуглобальные (тропосферные).

- Глобальные (стратосферные).

Крупные частицы (>30 мкм) под действием силы тяжести довольно быстро выпадают в районе взрыва, создавая местное, локальное загрязнение. Здесь присутствуют практически все продукты деления урана, в сотни и тысячи раз увеличен гамма-фон.

В течение последующих нескольких часов, оседающие под действием силы тяжести частицы образуют полосу выпадений шириной несколько сотен метров и длиной несколько десятков километров – радиоактивный след. При наземных взрывах здесь выпадает до 80% активности всего взрыва.

Более мелкие частицы (10-20 мкм) в составе радиоактивного облака попадают в тропосферу (самый нижний слой атмосферы высотой до 10 км), где происходит их разбавление в результате диффузии в направлении движения ветра и смещения воздушных струй по вертикали. Эти частицы могут находиться в тропосфере от 20 до 40 дней, и, прежде чем тропосфера очистится от радиоактивных осколков, они успевают несколько раз обойти земной шар вдоль параллели. Так как полоса максимальной загрязненности расположена на широте проведенного испытания (особенно в средних широтах), эти выпадения и получили название полуглобальных или тропосферных. На их долю приходится около 5% активности взрыва. При испытаниях в зоне экватора полоса максимального тропосферного выпадения смещается от широты места взрыва в сторону полюса.

Насколько быстро переносятся в тропосфере радиоактивные частицы можно видеть на следующих примерах. Продукты взрыва, проведенного в штате Невада 7 марта 1955 г., через 5 дней выпали в значительном количестве в окрестностях Ленинграда. После взрыва 13 февраля 1960 г. в Сахаре радиоактивные продукты были обнаружены 17 февраля в Крыму. Во Франции в штаб-квартире МАГАТЭ есть карты цезиевой загрязненности европейской части Советского Союза 1962-63 годов. Прямо над Беларусью было выделено несколько перекрывающих друг друга облаков загрязнения, появившихся в результате полуглобальных выпадений, после испытательных взрывов на Новой Земле и в Китае. Полуглобальные выпадения относятся к атомным зарядам килотонного класса.

При взрывах мегатонного класса возникают еще глобальные или стратосферные осадки, образующиеся мельчайшими частицами субмикронного и микронного уровня. В стратосфере (слой атмосферы, лежащий на высоте 10-50 км) они могут удерживаться от нескольких месяцев до нескольких лет. За это время происходит распад короткоживущих радионуклидов, и остаются радиоактивные элементы с большими периодами полураспада (Sr-90, Cs-137, Zr-95, Ce-144, Pu-239 и другие).

Перемещение радиоактивных частиц подчинено общим закономерностям циркуляции атмосферы. В экологии стратосферных выпадений имеет значение смещение воздушных масс верхних слоев атмосферы от экватора к полюсам и наличие пограничного слоя воздуха высокого давления между тропосферой и стратосферой в районах средних широт. В результате зоны стратосферных выпадений смещаются к полюсам. А в средних широтах максимум выпадений зависит от сезона года. В северном полушарии это II квартал, а в южном – IV, т.е. в обоих полушариях это весна и начало лета.

Выпадение мелких частиц веществ на земную поверхность происходит в результате ряда процессов в виде сухих и влажных выпадений. Особенность сухих выпадений состоит в том, что отсутствуют четкие границы между чистыми территориями и загрязненными участками и нет резких перепадов в интенсивности загрязнения соседних площадей.

Сухие выпадения происходят в результате:

- Гравитационного осаждения наиболее крупных частиц.

- Инерционного осаждения мелких частиц за счет прилипания к поверхности наземных предметов при обтекании их приземным слоем воздуха.

- Коагуляции с частицами местной нейтральной, нерадиоактивной пыли.

Влажные выпадения образуются в результате:

- Конденсации влаги на радиоактивных пылевых частицах при высокой влажности воздуха.

- Захвата аэрозолей элементами природных облаков при их формировании.

- Вымывания радиоактивных веществ из аэрозолей при осадках.

Эффект вымывания осадками радиоактивных частиц часто выражен на далеких расстояниях от места выброса. Осадкам принадлежит решающая роль при очистке тропосферного воздуха. В умеренных широтах в течение года за все дни с осадками выпадает в 9 раз больше радиоактивных продуктов, чем за все дни без осадков. Влажные выпадения обусловливают появление участков с хорошо выраженной границей и высокими плотностями загрязнения. Характерны резко выраженные перепады плотности загрязнения на соседних территориях.

Радионуклиды, образующиеся при ядерных и термоядерных взрывах, оседая на поверхность земли в процессе глобальных выпадений, являются источником внешнего облучения, но они могут попасть и внутрь организма по цепочке: почва → растительность → животное → человек.

В настоящее время источниками облучения являются цезий-137, стронций-90, тритий и углерод-14. Суммарная ожидаемая коллективная эффективная доза от всех ядерных взрывов, проведенных в атмосфере, составляет 30 млн. чел-3в. Пока мы получили лишь 18% этой дозы. Увеличение годовой эффективной дозы, получаемой каждым человеком, совпадает с периодами испытания ядерного оружия в атмосфере. В 1963 г. эффективная доза, связанная с ядерными испытаниями, составила 7% дозы от естественных источников. В 1966 году она уменьшилась до 2 %, а в начале 80-х до 1%. Что же касается ожидаемой индивидуальной эффективной дозы, то она к 2000 году должна составить примерно 4,0–4,2 м3в.

Все эти цифры, конечно, усредненные, т.к. в связи с особенностями глобальных выпадений в разных точках земного шара люди получают разные дозы. Например, население приполярных районов получают дозы облучения от Cs-137 превышают средние индивидуальные эффективные дозы для остального населения. Большие дозы получает население Маршалловых островов, где проводила испытания ядерного оружия Франция.

Наиболее интенсивные споры в настоящее время ведутся вокруг такого источника облучения, как атомные электростанции. В настоящее время в мире работает около 400 ядерных реакторов, вырабатывающих электроэнергию. Согласно оценкам МАГАТЭ их мощность в 2000 году была равна около 700 ГВт и составляла около 13% мощности всех источников электроэнергии в мире.

Атомные электростанции представляет собой часть ядерного топливного цикла, который включает:

- Добычу и обогащение урановой руды ураном-235.

- Производство ядерного топлива в виде тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ).

- Использование ТВЭЛ на АЭС в процессе эксплуатации.

- Вторичную обработку отработанного ядерного топлива с целью извлечения урана и плутония.

- Захоронение ядерных отходов.

Примерно половина всей урановой руды добывается открытым способом и другая половина шахтным. Обогатительная фабрика обычно располагается рядом. И рудники, и обогатительные фабрики служат источниками загрязнения среды радиоактивными веществами. Возле них накапливается большое количество отходов.

Еще более значительный вклад в загрязнение окружающей среды вносят вторичная переработка ядерного топлива на ядерно-химических заводах и нормальная эксплуатация АЭС. В процессе эксплуатации выделяются газообразные и жидкие отходы, содержащие радиоактивные инертные газы, йод-131, цезий-137 и 134 и стронций-90. Люди, проживающие вблизи ядерных реакторов, получают большие дозы, чем население в среднем. Однако по оценкам НКДАР эти дозы при нормальной работе реактора не превышают нескольких процентов естественного радиационного фона. Прибавка к индивидуальной эффективной дозе при нормальной эксплуатации АЭС оценивается в 0,1 мкЗв в год.

Следует отметить, что угольная электростанция мощностью 1 ГВт/год создает в результате сжигания топлива выброс в атмосферу природных радионуклидов (калий-40, уран-238, торий-232, свинец-210, полоний-210), химических канцерогенов (бензпирены) в сотни раз больший, чем АЭС такой же мощности. Годовое потребление угля в мире составляет несколько млрд. тонн, из которых 70% сжигается в топках электростанций, 20% – в коксовальных печах и 10% используется для отопления.

Современная тепловая электростанция, работающая на угле, потребляет 3 млн. тонн угля в год и выбрасывает 100000 т золы в воздух. Рассеиваясь в атмосфере вместе с золой, естественные радионуклиды становятся источником дополнительного облучения населения, проживающего в районе расположения электростанции, в первую очередь за счет ингаляционного поступления при прохождении шлейфа выброса. Наряду с этим, выпадающие на поверхность земли естественные радионуклиды поступают в организм человека с пищевыми продуктами, вдыхаемым воздухом и водой. Основной вклад в облучение легких вносит торий-232 и продукты его распада, в облучение костного мозга – полоний-210, в облучение всего тела – калий-40.

За последние 80 лет наблюдается увеличение концентрации радионуклидов на территориях вблизи промышленных центров. В этих районах в верхнем 5-сантиметровом слое почвы концентрация радия, урана, тория выше, чем в слое глубиной 10 см, что говорит об искусственном источнике оседания этих веществ. В сельской местности такой эффект не наблюдается.

При перелетах на самолетах облучение обусловлено космическим излучением, интенсивность которого на высоте полета современных самолетов в несколько десятков раз выше, чем на уровне моря. Так за 3-часовой перелет из Европы в Америку на сверхзвуковом самолете эквивалентная доза составит 0,05 м3в. Дозы облучения, получаемые при полетах по трассам той же продолжительности на обычных самолетах, были примерно на 30% выше, чем сверхзвуковых из-за большей длительности полета. При орбитальных полетах космонавты также подвергаются облучению частицами первичного космического излучения, особенно возрастающего при солнечных вспышках.

Во всем мире используется большое количество потребительских товаров, содержащих естественные радионуклиды. Распространенными источниками облучения являются часы со светящимся циферблатом. Они дают годовую дозу в 4 раза превышающую дозу, обусловленную утечками на АЭС. При изготовлении таких часов использовался радий, что приводило к облучению всего организма, хотя с увеличением расстояния от циферблата излучение слабеет. Сейчас пытаются заменить радий тритием или прометием-147, которые приводят к существенно меньшему облучению. Радиоактивные изотопы используются также в светящихся указателях, в компасах, телефонных дисках, прицелах. Действие антистатических щеток для удаления пыли основано на испускании альфа-частиц.

Принцип действия многих детекторов дыма также основан на использовании альфа-излучения. К концу 1990 года только в США было установлено более 30 млн. таких детекторов, содержащих америций-241, однако при правильной эксплуатации они дают небольшую дозу облучения. Радионуклиды применяют в компонентах флуоресцентных светильников и в других электроприборах. В Германии на сегодняшний день в эксплуатации находится более 200 млн. таких приборов, которые, впрочем, не приводят к большому облучению, если они исправны.

При изготовлении особо тонких оптических линз применяется торий, который может привести к существенному облучению хрусталика глаза. Для придания блеска искусственным зубам широко использовались соединения урана, который может служить источником облучения тканей полости рта. Среднегодовая доза, обусловленная использованием изделий, содержащих радионуклиды, составляет примерно 0,1 м3в.

Источниками рентгеновского излучения являются цветные телевизоры и компьютеры. Они создают дополнительное облучение примерно 0,01 м3в в год.

Изготовление строительных материалов из различных горных пород передает им радиоактивность сырья. Самой высокой удельной радиоактивностью обладают граниты и пемза, из которых много строили в Советском Союзе и Германии. В Швеции источником излучения оказались глиноземы, используемые при производстве бетона, с применением которого было построено около 700 тысяч домов. Во многих странах в качестве компонента бетона применялся кальций силикатный шлак ‑ побочный продукт переработки фосфорных руд, обладающих, как выяснилось, довольно высокой удельной радиоактивностью. Примерно такой же радиоактивностью обладает и фосфогипс, который широко применялся для изготовления строительных блоков, сухой штукатурки, перегородок и цемента. Он должен был заменить природный гипс, т.к. был дешевле и его использование снижало загрязнение окружающей среды и стоимость жилья. Но люди, живущие в домах, построенных с применением фосфогипса, подвергаются облучению на 30% большему, чем в других домах.

Среди других промышленных отходов с высокой радиоактивностью, применявшихся в строительстве можно назвать кирпичи из красной глины, получаемой при производстве алюминия, доменный шлак и зольную пыль, образующуюся при сжигании угля. Известны случаи применения в строительстве в 50– 60-х годах даже отходов урановых рудников.

Таким образом, с одной стороны здания оказывают экранирующее действие, но с другой стороны, в зависимости от природы строительного материала, могут вызывать более интенсивное облучение. Меньше всего радиоактивных веществ содержится в дереве, затем идет кирпич, железобетон, шлакобетон.

На основании данных Ленинградского института радиационной гигиены (ЛИРГ) на территории бывшего СССР установлен уровень облучения за счет естественных и искусственных источников облучения в 4,22 мЗв/год и 300 мЗв за 70 лет жизни.

Лекция 3.