Rambler's Top100 Service
Поиск   
 
Обратите внимание!   Посетите Сервер по Физике Обратите внимание!
 
  Наука >> Физика >> Общая физика >> Физика микромира >> Ядерная физика | Популярные статьи
 Написать комментарий  Добавить новое сообщение
 См. также

КнигиЯдерное электричество: 6.5 Безопасность реакторов

Обзорные статьиДети в чрезвычайных ситуациях: (1)

НовостиКак вырастить ядовитый гриб

Радиоактивный цезий-137

И.Я.Василенко.
Опубликовано в журнале "Природа", N 3, 1999 г.
Содержание

Об авторе

Иван Яковлевич Василенко, доктор медицинских наук, профессор, лауреат Государственной премии СССР, ведущий научный сотрудник Государственного научного центра РФ - Института биофизики. Область научных интересов - токсикология продуктов ядерного деления, радиационная гигиена.

Введение

Среди антропогенных радионуклидов, глобально загрязняющих биосферу, особого к себе внимания требует радиоактивный цезий - один из основных источников, формирующих дозы внешнего и внутреннего облучения людей. Известно 34 изотопа цезия с массовыми числами 114-148, из них только один (133Cs) стабильный, остальные - радиоактивны.

133Cs относится к рассеянным элементам. В незначительных количествах он содержится практически во всех объектах внешней среды. Кларковое (среднее) содержание нуклида в земной коре - $3.7 \cdot 10^{-4}$ %, в почве - $5 \cdot 10^{-5}$ %. Цезий - постоянный микроэлемент растительных и животных организмов: в живой фитомассе содержится в количестве $6 \cdot 10^{-6}$ %, в организме человека - примерно 1$5 \cdot 106{-4}$ г. Этот нуклид поступает в основном с пищей в количестве 10 мкг/сут. Выводится из организма преимущественно с мочой (в среднем 9 мкг/сут). Биологическая роль цезия до сих пор окончательно не раскрыта.

Из радиоактивных изотопов цезия наиболее интересен 137Cs с периодом полураспада 30 лет. 137Cs - $\beta$-излучающий нуклид со средней энергией $\beta$-частиц 170.8 кэВ. Его дочерний нуклид 137mBa имеет период полураспада 2.55 мин и испускает $\gamma$-кванты с энергией 661 кэВ. 137Cs широко применяется в медицине (для диагностики и лечения), радиационной стерилизации, дефектоскопии и во многих других технологиях. Другие радиоизотопы цезия имеют меньшее значение.

Источники образования радиоактивного цезия

Известно, что выброс радиоактивного цезия в окружающую среду происходит в основном в результате испытаний ядерного оружия и аварий на предприятиях атомной энергетики. В реакторах выход 137Cs зависит от делящегося материала и энергии нейтронов, вызывающих деление, и составляет1 по активности 5.1-6.3%. Относительное содержание радиоцезия в продуктах деления меняется с их "возрастом" (табл.1).

Таблица 1
Динамика накопления 137Cs (в % полной $\beta$-активности) в работающем ядерном реакторе

Испытание ядерного оружия - один из наиболее значимых источников радиоактивного загрязнения планеты, в том числе 137Cs. К началу 1981 г. суммарная активность2 поступившего в окружающую среду 137Cs достигла 960љПБк. Плотность загрязнения3 в Северном и Южном полушариях и в среднем на земном шаре составляла соответственно 3.42; 0.86 и 3.14 кБк/м2, а на территории бывшего СССР4 в среднем - 3.4љкБк/м2.

В ядерных реакторах в процессе их эксплуатации накапливаются продукты деления (фиссиум) и трансурановые элементы, суммарная активность которых огромна. Среди радионуклидов фиссиума радиоизотопы цезия занимают значительное место (табл.2). На 1љМВт (эл. мощности) этого радионуклида за год образуется столько, что его активность составляет 130 ТБк (Т, тера - 1012). Суммарное накопление нуклида в реакторах всего мира (в пересчете на активность) к концу столетия достигнет 900 ЭБк (Э, экса - 1018), что примерно в тысячу раз больше количества поступивших во внешнюю среду радионуклидов при ядерных взрывах.

Таблица 2
Содержание 137Cs (ПБк/т урана) в реакторе ВВЭР-1000 (после его остановки) во времени (Колобашкин В.М. и др., 1982)

Известно, что при нормальных условиях эксплуатации АЭС выбросы радионуклидов, в том числе радиоактивного цезия, незначительны. Подавляющее количество продуктов ядерного деления остается в топливе. По данным дозиметрического контроля, концентрация цезия в районах расположения АЭС лишь незначительно превышает концентрацию нуклида в контрольных районах, где загрязнение среды происходит за счет испытаний ядерного оружия5. Объем выбросов радионуклидов зависит от конструктивных особенностей реакторов, времени их эксплуатации, способа очистки и состояния оборудования. Источником загрязнения могут быть и радиохимические заводы (РХЗ) по переработке отработанных твэлов, и хранилища радиоактивных отходов. По прогнозу Научного комитета по действию атомной радиации при ООН (НКДАР), выбросы радиоцезия к 2000љг. могут достигнуть 1.5-5.2 ТБк.

Чрезвычайно сложные ситуации возникают после аварий, когда во внешнюю среду поступает огромное количество радионуклидов и загрязнению подвергаются большие территории. Например, при аварии на Южном Урале в 1957 г. произошел тепловой взрыв хранилища радиоактивных отходов, и в атмосферу поступили радионуклиды с суммарной активностью 74 ПБк, в том числе 0.2 ПБк 137Cs. При пожаре на РХЗ в Уинденейле в Великобритании в 1957љг. произошел выброс 12 ПБк радионуклидов, из них 46 ТБк 137Cs. Технологический сброс радиоактивных отходов предприятия "Маяк" на Южном Урале в р.Течу в 1950 г. составил 102љПБк, в том числе 137Cs 12.4 ПБк. Ветровой вынос радионуклидов из поймы оз.Карачай на Южном Урале в 1967љг. составил 30 ТБк. На долю 137Cs пришлось 0.4 ТБк. Настоящей катастрофой стала в 1986 г. авария на Чернобыльской атомной электростанции (ЧАЭС): из разрушенного реактора было выброшено 1850 ПБк радионуклидов, при этом на долю радиоактивного цезия пришлось 270 ПБк. Распространение радионуклидов приняло планетарные масштабы. На Украине, в Белоруссии и Центральном экономическом районе Российской Федерации выпало более половины от общего количества радионуклидов, осевших на территории СНГ. Известны случаи загрязнения внешней среды в результате небрежного хранения источников радиоактивного цезия для медицинских и технологических целей.

Миграция во внешней среде

Цезий легко мигрирует во внешней среде, чему способствуют два обстоятельства. Во-первых, 137Cs - конечный продукт цепочки распадов:
${}^{137}I(24.2с) \stackrel{\longrightarrow}{\beta^-} {}^{137}Xe (3.9 мин) \stackrel{\longrightarrow}{\beta^-} {}^{137}Cs$,
в которой йод и ксенон присутствуют в газовой фазе. При ядерных взрывах образуются мелкодисперсные частицы, адсорбирующие цезий и медленно выпадающие на поверхность земли. Процесс выпадения ускоряют атмосферные осадки и агрегация частиц с образованием более крупных. Во-вторых, при всех (кроме подземных) ядерных взрывах и аварийных выбросах предприятий атомной энергетики выпадения содержат цезий в хорошо растворимой форме, что имеет принципиальное значение в процессах его миграции. При наземных взрывах на силикатных почво-грунтах образуются слаборастворимые частицы. Содержание радионуклида в атмосферных осадках при ядерных взрывах в слаборастворимой форме колебалось в широких пределах6 - 3.3-82.4% (мас).

Выпавший на поверхность земли радиоактивный цезий перемещается под воздействием природных факторов в горизонтальном и вертикальном направлениях. Горизонтальная миграция происходит при ветровой эрозии почв, смывании атмосферными осадками в низменные бессточные участки. Скорость миграции зависит от гидрометеорологических факторов (скорости ветра и интенсивности атмосферных осадков), рельефа местности, вида почв и растительности и физико-химических свойств нуклида.

Вертикальный перенос цезия происходит с фильтрационными токами воды и связан с деятельностью почвенных животных и микроорганизмов, выносом из корнеобитаемого слоя почвы в наземные части растений и др. Подвижность и биологическая доступность нуклида со временем снижается в результате перехода в "слабообменное" состояние.

В первые годы после выпадения цезий в основном содержится в верхнем, 5-10-сантиметровом, слое почвы независимо от ее вида. Удержание нуклида происходит благодаря высокому содержанию в верхнем слое мелкодисперсных фракций (особенно глинистых) и органических веществ, повышающих сорбционные свойства почвы. Проникновение радиоактивного цезия на глубины 30-50 см, очевидно, занимает десятки и сотни лет, однако перераспределение его по профилю почвы может произойти и быстрее - в результате сельскохозяйственной деятельности. В этом случае нуклид относительно равномерно рассредоточивается в пределах всего пахотного слоя.

Как правило, "путешествие" 137Cs по пищевым цепочкам начинается с растений, куда нуклид может попасть непосредственно в момент радиоактивных выпадений, либо косвенно - через листья, стебли и корневую систему с пылью и водой. Уровни поверхностного загрязнения растений определяются их морфологическими особенностями и физико-химическими свойствами выпадающих аэрозолей. Известно, что растения способны задерживать аэрозоли с размером частиц менее 45 мкм. Особенно высокое содержание радионуклидов отмечено у лишайников, чая и хвойных деревьев, что связано с их биологическими особенностями. Относительно аэрозольного цезия установлено, что более всего он накапливается в капусте, далее по убыванию - свекле, картофеле, пшенице и естественной травянистой растительности. Накопление цезия в растительном покрове (разнотравье) относительно содержания этого нуклида в окружающией среде в средней полосе колеблется от 0.1 до 0.36. Со временем уровни загрязнения растений снижаются в результате прямых потерь (под действием дождя и ветра) и прироста биомассы: так, примерно в течение двух недель содержание нуклидов в пастбищной растительности уменьшается вдвое.

Уровень поглощения растворимого цезия растениями с их поверхности может достигать 10%. Сначала он накапливается в листьях, зернах, клубнях и корнеплодах, а в дальнейшем поступает в основном через корневую систему. Степень его усвоения колеблется в широких пределах и зависит от вида почв и особенностей растений. Наиболее высокие показатели зафиксированы на торфянисто-болотистых почвах Украинско-Белорусского полесья7. После аварии на ЧАЭС коэффициент перехода цезия (т.е. отношение активности единицы массы растения, Бк/кг, к загрязнению почвы, Бк/км2) в растения из почв полесского типа составлял8: для зерна - $4.8 \cdot 106{-9}$, картофеля - $1-2 \cdot 10^{-11}$, огурцов - $6 \cdot 10^{-12}$, помидоров - $1-4 \cdot 10^{-11}$.

Основной источник поступления цезия в организм человека - загрязненные нуклидом продукты питания животного происхождения. Содержание радиоактивного цезия9 в литре коровьего молока достигает 0.8-1.1% от суточного поступления нуклида, козьего и овечьего - 10-20%. Однако в основном он накапливается в мышечной ткани животных: в 1 кг мяса коров, овец, свиней и кур содержится 4, 8, 20 и 26% (соответственно) от суточного поступления цезия. В белок куриных яиц попадает меньше - 1.8-2.1%. Еще в больших количествах цезий накапливается в мышечных тканях гидробионтов: активность 1 кг пресноводных рыб может превышать активность 1 л воды более чем в 1000 раз (у морских - ниже).

Отметим, основной источник цезия для населения России - молочные и зерновые продукты (после аварии на ЧАЭС - молочные и мясные), в странах Европы и США цезий поступает в основном с молочными и мясными продуктами и меньше - с зерновыми и овощными.


1 Гусев Н.Г. Радиоактивные выбросы в биосфере: Справочник. М., 1986.
2 Напомним: Бк (Беккерель) - единица радиоактивности в системе СИ. Такую активность имеет источник, в котором происходит 1 радиоактивный распад за 1 с. На практике чаще пользуются старой единицей активности Ки (Кюри). В источнике с активностью 1 Ки происходит $3.7 \cdot 10^{10}$ распадов в 1љс. Поэтому $960 {ПБК} \approx 26 {МКи}$ (приставка П, пэта, означает $10^{15}$).
3 Ионизирующее излучение: источники и биологические эффекты // Докл. за 1982 г. Нью-Йорк: Научный ком. по действию атомной радиации при ООН, 1982. Т.1.
4 Моисеев А.А. Цезий-137: Окружающая среда. Человек. М., 1980.
5 Гусев Н.Г. // Атомная энергия. 1976. Вып.41. Nљ4. С.254-260.
6 Павлоцкая Ф.И. Миграция продуктов глобальных выпадений в почвах. М., 1974.
7 Марей А.Н., Зыкова А.С., Сауров М.М. Радиационная коммунальная гигиена. М., 1984.
8 Книжников В.А., Бархударов Р.М., Брук Г.Я. и др. Медицинские аспекты аварии на Чернобыльской атомной электростанции // Материалы науч. конф. 11-13 мая 1988, Киев, 1988. С.66-76.
9 Василенко И.Я. // Вопр. питания. 1988. N 4. С.4-11.

Назад | Вперед


Написать комментарий
 Copyright © 2000-2015, РОО "Мир Науки и Культуры". ISSN 1684-9876 Rambler's Top100 Яндекс цитирования