Рентгеновское излучение Ускорители элементарных частиц и ионов. Первый бетатрон для ускорения электронов Реактор БИГР Атомные батареи в космосе Атомные батареи для маяков, бакенов Космические ядерные аварии
Импульсные реакторы Излучатели нейтронов Лекции по радиобиологии Загрязнение окружающей среды в результате ядерных взрывов

Атомные реакторы и батареи. Радиобиология

Загрязнение окружающей среды в результате ядерных взрывов

Образование радиоактивных продуктов ядерных взрывов. Ядерные взрывы осуществляются в результате двух типов ядерных превращений. Первоначально были созданы атомные бомбы, в которых выделение огромного количества энергии осуществлялось в результате деления природного урана ( 235U) или плутония- (239Pu), полученного в реакторе из урана (238U). В дальнейшем были созданы так называемые водородные бомбы, в которых в процессе синтеза гелия из водорода и трития, выделяется большое количество энергии. Эта реакция протекает лишь при очень высоких температурах ( несколько миллионов градусов). Такие значения температуры достигаются при взрыве урановой и плутонивой атомных бомб. При взрыве водородной бомбы выделяются нейтроны высокой энергии, которые обладают способностью вызывать реакцию деления ядер 238U. В составе природного урана более 99 % приходится на долю этого изотопа. Поэтому для увеличения мощности взрыва термоядерный заряд помещают в урановую оболочку. В бомбах такого типа, осуществляются три типа ядерных реакций: вначале реакция деления 235U или 239Pu, затем реакция синтеза гелия и, наконец, вновь реакция деления урана (238U). Все эти реакции и ядерных превращений быстротечны, взрыв происходит в течение миллионной доли секунды.

В результате деления ядер урана или плутония образуется большое количество (около 80 типов) так называемых осколков деления. Большинство осколков деления представляют собой радиоактивные изотопы более легких элементов, от 72Zn до 161Тb. Они подвергаются радиоактивному распаду, образуя, в свою очередь, радиоактивные осколки деления ядер. Каждый осколок претерпевает обычно несколько радиоактивных распадов до того, как превратится в стабильный нуклид. Ниже приведен один из подобных примеров радиоактивного распада осколка (в скобках даны периоды полураспада) :

 90Br (16 с) ® 90Kr (33 с)-® 90Rb (4 мин)- ® 90Sr (28 лет) ® 90It (64,2 ч)-® 90Ce (стабильный изотоп).

Каждый из осколков деления тяжелых ядер характеризуется различной активностью, период полураспада каждого нуклида может колебаться от нескольких секунд до десятков лет. Смесь продуктов деления на каждый момент времени имеет сложный состав. Однако, как показали исследования, суммарная радиоактивность осколков деления снижается с течением времени с определенной закономерностью, которая описывается соотношением:

А2 = А1 t-1,2

где А2 , А1— активность смеси осколков деления соответственнов моменты времени t2 и t1. t—время деления (t2 - t1 ).

Из закона радиоактивного распада ( в случае распада смеси множества радионуклидов – активных осколков деления) выведено следующее правило: каждое десятикратное снижение активности осколков деления и мощности дозы гамма-излучения происходит в результате увеличения их возраста в 7 раз.

Данные о динамике суммарной активности осколков деления после ядерного взрыва приведены в таблице 4. Как видно, через сутки после взрыва остаточная активность радионуклидов составляет около 0,02 %, через 10 суток – около 0,001 % от исходной радиоактивности.

Мощность ядерного взрыва обычно сравнивается с энергией, выделяемой при взрыве тротила: 1 килотонна = 103 т тротила, 1 мегатонна = 106 т тротила. На каждую килотонну мощности взрыва образуется примерно 37 г высокоактивных осколков, через 1 мин после ядерного взрыва их активность по g-излучению эквивалентна активности 30 000 т радия. Однако, продукты деления при ядерном взрыве, главным образом, представлены быстро распадающимися радионуклидами. Поэтому активность осколков в течение суток после взрыва снижается более чем в 3000 раз. Долговременное радиоактивное заражение местности после ядерного взрыва обуславливается активностью следующих долгоживущих продуктов деления ( в скобках указаны периоды полураспада): 89Sr (50,5 сут), 103Ru (39,8 сут), 131I (8,05 сут), 141Ce (31,1 сут), 95Zr (65 сут), 106Ru (365 сут), 140Ba (12,8 сут), 144Ce (285 сут), 85Kr (10,7 лет), 137Cs (30 лет), 90Sr (28 лет).

Таблица 4

Суммарная относительная активностьосколков деления в зависмости от времени после ядерного взрыва (в условных единицах)

Время после взрыва, ч

Относительная

активность

Время после взрыва, ч

Относительная

активность

1

1000

30

17

1,5

610

40

12

2

440

60

7,3

3

270

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

В состав продуктов ядерных взрывов, помимо осколков деления тяжелых элементов, входит и часть ядерного горючего (239Рu или 235U) атомной бомбы, не успевшего прореагировать во время взрыва. Считается, что во время взрыва, в реакции деления  участвуют только 20-30 % ядер тяжелых элементов. После взрыва атомной бомбы мощностью 20 килотонн в окружающую среду выбрасывается около 2,7×103 Ки 239Рu. Кроме того, в составе продуктов ядерного взрыва в заметных количествах (особенно в первые дни после взрыва) находятся продукты нейтронной активации. При ядерном взрыве в расчете на 1 килотонну мощности взрыва образуется 2,25×1023 нейтронов, которые, взаимодействуя с конструктивными материалами бомбы и ядрами элементов почвы, воды и воздуха, превращают стабильные элементы в радионуклиды. При наземном взрыве бомбы мощностью 1 мегатонна через сутки радиоактивность осколков деления составляет 4×109 Ки, продуктов нейтронной активации - 1×108 Ки. С радиологической точки зрения, из всех радионуклидов, являющихся продуктами нейтронной активации, наиболее важными являются 3Н, 14С, 54Мn и 56Fe.

Определенный вклад в загрязнение окружающей среды радионуклидами внесли так называемые мирные ядерные взрывы, т. е. взрывы, которые производились для использования результатов  в различных отраслях промышленности (сооружение каналов, создание подземных полостей для хранения нефти, газа, различного рода отходов и т. д.). Ядерные устройства, использовавшиеся для этого, основывались на применении такого же ядерного топлива, что и в военной технологии. В результате мирных ядерных взрывов образовывались те же радионуклиды, что и при взрывах атомных и термоядерных бомб, но они поступали в окружающую среду в значительно меньших количествах. К счастью, мирные ядерные взрывы на нашей планете проводились в ограниченных масштабах, и поэтому их вклад в загрязнение биосферы радионуклидами значительно меньше, чем от взрывов военного назначения.

 Далее рассмотрим более подробно процессы, происходящие при ядерном взрыве и их последствия.

Локальные и глобальные выпадения продуктов ядерных взрывов. Наиболее опасными для загрязнения биосферы продуктами ядерных взрывов являются наземные взрывы ядерных бомб. При наземном взрыве образуется гигантский огненный шар, и огромные массы грунта с поверхности Земли вовлекаются в этот шар. Так, при наземном ядерном взрыве мощностью 20 килотонн, образуется воронка диаметром 80 м и глубиной около 20 м. В радиоактивное облако вовлекается много пыли с окружающей территории вследствие сильных потоков воздуха от периферии к эпицентру взрыва. Выброс грунта при наземном взрыве составляет примерно 5000 т на 1 килотонну мощности. Высота подъема огненного шара и размеры образующегося грибовидного облака определяются в основном мощностью взрыва и метеорологическими условиями. При мощности взрыва 100 килотонн высота подъема облака составляет примерно 10—12 км, при более мощных взрывах (1 мегатонна) облако поднимается до 15—17 км. По мере подъема происходит охлаждение огненного шара, он принимает форму гриба, ножка которого состоит из крупных частиц земли, а шляпка представляет собой расширенное облако из пылевидных частиц и аэрозолей. При охлаждении шара происходит конденсация и выпадение радиоактивных частиц и аэрозолей.

Выпадение радиоактивных продуктов ядерного взрыва начинается уже вскоре после взрыва. В непосредственной близости от эпицентра выпадают довольно крупные частицы диаметром около 1 см. Более мелкие частицы оседают на поверхность земли в более отдаленных местах на расстоянии нескольких сот километров от эпицентра. Это так называемые локальные, или, как их еще называют, местные, выпадения, которые формируют след радиоактивного облака в течение ближайших 10—20 ч после взрыва. Часть продуктов ядерного взрыва находится в мелких частицах (5 мк и менее), которые оказываются в верхних слоях тропосферы. Тропосферные воздушные массы переносят их на многие тысячи километров от места взрыва, обширная территория загрязняется преимущественно в зоне той широты, на которой производился ядерный взрыв. Выпадение так называемых тропосферных осадков происходит медленно, скорость убывания радиоактивных частиц из тропосферы характеризуется периодом полуочищения, составляющим приблизительно 20 суток. Выпадение радиоактивных осадков из тропосферы происходит, в основном,  в течение двух месяцев после взрыва. Большая часть короткоживущих радионуклидов распадается во время пребывания их в тропосфере, в связи с чем, вклад тропосферных осадков в общий уровень радиации на поверхности Земли, относительно невелик.

При ядерных взрывах большой мощности (1 мегатонна и более) и взрывах ядерных боеприпасов на больших высотах определенное количество радиоактивных частиц попадает в стратосферу (слой атмосферы, расположенный над тропосферой). Аэрозольные частицы, инжектированные в стратосферу, в последующем переносятся в тропосферу, из нее они удаляются вместе с осадками или в сухом виде. Выпадения носят глобальный характер, и основная часть радионуклидов выпадает в том полушарии, где произведен ядерный взрыв. Загрязнение территории радионуклидами из стратосферного резервуара определяют как загрязнение за счет глобальных выпадений. Выпадение радионуклидов из стратосферы происходит медленно: время пребывания их на высоте 15—25 км варьирует в пределах от 0,3 до 2 лет и зависит от высоты и широты. В связи с большой длительностью пребывания радионуклидов в стратосфере короткоживущие и среднеживущие нуклиды полностью распадаются и основное радиологическое значение приобретают долгоживущие радионуклиды - 90Sr и 137Cs, которые в литературе именуются как «глобальные». 

Дозы ионизирующих излучений от радиоактивных продуктов ядерных взрывов. В зоне следа радиоактивного облака растения и животные подвергаются воздействию, прежде всего внешнего ионизирующего излучения. Оно исходит от радионуклидов, выпавших на землю, а также осевших на растения или кожу животных. Основной вклад в поглощенную дозу вносят γ-лучение и β-излучение. Величина поглощенной дозы (Р) определяется, прежде всего, мощностью дозы излучения. В свою очередь, мощность дозы γ -излучения зависит от плотности загрязнения (А ) местности продуктами ядерного взрыва. Расчет мощности экспрозиционной дозы проводят по этой формуле

Р = 0,1 А

При известной плотности загрязнения местности γ -излучающими продуктами ядерного взрыва поглощенную дозу можно рассчитать с помощью коэффициентов (табл. 5). Для перехода от поглощенных доз в воздухе, к дозам, поглощенным организмом, необходимо приведенные в таблице 5 данные умножить на 0,32. Этот коэффициент учитывает различия в поглощении ионизирующих излучений воздухом и тканями, рассеивание излучений и защиту от них другими тканями организма (поправка—0,8). а также снижение мощности поглощенной дозы за счет экранирующего, защитного влияния здания (поправка—0,4; общий коэффициент поправки 0,8). Следовательно, если известно, что плотность загрязнения территории 137Cs составляет 1 Kи/км2, то годовая поглощенная доза внешнего γ -излучения от 137Cs будет равна 1000 · 0,033 · 0,32=10,6 мрад.

Величина экспозиционной дозы ионизирующих излучений на следе радиоактивного облака формируется за счет локальных выпадений продуктов ядерного взрыва. Как правило, эта величина постепенно понижается от эпицентра ядерного взрыва к периферии следа радиоактивного облака. Для характеристики зоны радиоактивного следа обычно используется такое понятие, как суммарная доза γ -излучения за время от момента выпадения продуктов ядерного взрыва до полного их распада (D∞). Ее рассчитывают по следующей формуле:

D∞ == 5Р0 =5Рв tв1,2 (P) выправить

где Р0 и Рв — мощности доз излучения соответственно через 1 ч после ядерного взрыва и в момент выпадения в конкретной зоне следа, Р/ч; tв — возраст осколков после взрыва, ч.

Подсчитано, что основную часть суммарной поглощенной дозы, растения и животные в зоне следа радиоактивного облака получают в первые 4 сутки после взрыва. Дозы облучения различных органов и тканей в организме человека, от инкорпорированных, т. е. задержанных в них продуктов ядерного взрыва (внутреннее облучение), могут варьировать в широких пределах. Одни радионуклиды (103Ru, 106Ru, 141Се, 144Се, 239Рu) поступают в организм ингаляционным путем, для других радиологически значимых падионуклидов (3Н, 14C, 55Fe, 89Sr, 90Sr, 137Cs, 140Ba, 131I) основным путем поступления является алиментарпый (пищевой) путь. Основная часть поглощенной дозы от внешнего облучения формируется в первые несколько дней после образования радиоактивного следа и затем снижается. Напротив, поглощенная доза внутреннего облучения постоянно повышается, за счет радиоактивного распада инкорпорированных и постоянно поступающих средне-и долгоживущих нуклидов. Особое значение в инкорпорированном облучении имеют нуклиды, способные накапливаться в органах и тканях. Навпример, основная доля поглощенной дозы в щитовидной железе формирует радиоактивный йод (131I), который накапливается в этом органе.

 Наибольший вклад в повышение радиационного фона Земли внесли радиоактивные осадки при испытаниях ядерного оружия в 1945—1962 гг. После заключения Московского договора о запрещении испытаний атомного оружия в атмосфере, космическом пространстве и под водой (1963 г), существенного добавления продуктов ядерного взрыва в биосферу не происходило. В настоящее время проводят только подземные  ядерные взрывы небольшой мощности (Франция, Китай), и поэтому образование продуктов ядерного взрыва и их попадание в атмосферу относительно невелико.

По данным научного комитета ООН по действию атомной радиации, при испытаниях ядерного оружия, проводимых до 1963 г., суммарная мощность взорванных боеприпасов и устройств составила 510,9 мегатонны ( при воздушных взрывах 406,2 мегатонны, при наземных—104,7 мегатонны). Суммарное выпадение радионуклидов на сушу и водную поверхность Земли составило (МКи): 3H - 3560, 14С - 6,2, 55Fe - 50, 89Sr – 2800, 90Sr – 12,2, 106Ru – 330, 144Ce – 182,4, 137Cs – 19,5, 239Pu - 0,32. Подсчитаны средние ожидаемые поглощенные дозы от радионуклидов, образовавшихся в результате ядерных испытаний, проведенных до 1976 г. Для жителя средней полосы Северного полушария эти величины следующие: поглощенная доза от внешнего облучения—110 мрад, от инкорпорированных радионуклидов: для гонад 37 мрад, костного мозга—150, костной ткани - 180 и для легких- 150 мрад. (за год ?).

Следует отметить, что формирование поглощенных доз от коротко- и среднеживущих продуктов ядерных взрывов практически завершилось уже в 1975—1976 гг. В формирование текущих, годовых поглощенных доз основной вклад из долгоживущих радионуклидов вносят, в первую очередь, 137Cs и 90Sr. 137Cs подвергает организмы внешнему и внутреннему облучению, 90Sr ответствен лишь за внутреннее облучение. Ежегодное приращение поглощенной дозы от этих радионуклидов к поглощенным дозам, обусловленным естественными ионизирующими излучениями, незначительно.

Аварии на атомных реакторах, как источники загрязнения внешней среды радионуклидами Многолетний опыт эксплуатации реакторов в различных странах показывает, что при нормальном режиме их работы, выброс радиоактивных продуктов деления ядерного горючего в окружающую среду сравнительно невелик. Подсчитано, что при безаварийной работе всех ядерных энергетических установок планеты с суммарной мощностью 2∙106 МВт радиационный фон к 2000 году повысился бы приблизительно на 4 % за счет поступления искусственных радионуклидов в биосферу. К сожалению, число «незапланированных» утечек продуктов ядерного деления в атмосферу, различного рода происшествий и аварии на этих объектах по-прежнему остается весьма значительным

Радиоактивные аэрозоли в атмосфере. Основным источником загрязнения объектов внешней среды являются радиоактивные аэрозоли, вносимые в атмосферу в результате ядерных взрывов, а также аварий и разрушений атомных электростанций и предприятий ядерно-топливного цикла. Радиоактивные аэрозоли, инжектированные в атмосферу, постепенно осаждаются и загрязняют поверхность Земли. В растительные организмы радионуклиды могут  поступать воздушным путем (через устьица в процессе газообмена) и через почву при поглощении корнями воды и минеральных веществ. В животные организмы радиоактивные соединения попадают через дыхательные пути, через кожный покров и вместе с пищей и водой

Радиационная безопасность. Нормы радиационной безопасности. Словосочетанием «радиационная безопасность»  обозначают систему законов, норм, правил, направленных на охрану здоровья людей от вредного воздействия ионизирующих излучений при практическом использовании радиации и при радиационных авариях.

Требования к ограничению облучения населения Для ограничения облучения населения отдельными техногенными источниками при их нормальной эксплуатации федеральным органом госсанэпиднадзора  могут устанавливатся квоты (доли) предела годовой дозы для разных видов источников так, чтобы сумма квот не превышала пределов дозы, указанных в таблице 1.


Энергетика