72. Основные дозообразующие радионуклиды, их характеристика, воздействие на организм человека.

6.1. Тритий (³Н)

        Радиоизотоп водорода тритий, ³Н (период полураспада T^1/2 = 12,3 года), подобно радиоуглероду, постоянно образуется в атмосфере в результате взаимодействия космического излучения с ядрами атомов азота, кислорода и аргона (например, по реакции ¹⁴₇N+ ¹₀n → ¹²₆С + ³₁Н), а также при расщеплении ядер различных элементов космическими лучами большой энергии.

        Искусственно тритий привносится во внешнюю среду двумя путями: 1. Во время атомных и термоядерных взрывов, которые приводят к увеличению концентрации ³H в дождевой воде в 10 - 100 раз (рис. 6.1). 2. При производстве ядерной энергии на двух этапах топливного цикла: работе реакторов и переработке отработавшего топлива. Концентрация природного трития в воде Мирового океана оценивается на уровне 0,1 Бк/л.

        На других этапах производства ядерной энергии к источникам ³Н в биосфере следует отнести хранилища радиоактивных отходов. Хранение и захоронение низко- и среднеактивных отходов в поверхностных слоях грунта приводит к выделению на поверхность диффундирующих ³Н₂ и Н³НО, а также к образованию и выделению третированного метана СНз³Н и других органических соединений, к появлению Н³НО в грунтовых водах.

        Наиболее обстоятельно тритий в водных объектах изучен на Урале (Уткин и др., 2004). По оценкам этих авторов техногенный фон трития составляет около 5 Бк/л.

        В водохранилище Белоярской атомной электростанции концентрация трития колебалась от 5-7 до 100 и более Бк/л (рис. 6.2, 6.3).

        Содержания трития в воде рек и озер в Свердловской и Челябинской областях выше, чем таковое в Пермской и Оренбургской областях. В р. Теча этот показатель составляет 55-134 Бк/л, в р. Исеть 13 Бк/л (рис 6.4).

6.2. Углерод-14 (¹⁴С)

        Радиоуглерод (Т^1/2 = 5730 лет) образуется на земле в результате следующих ядерных реакций: ¹⁴N (n; Р) ¹⁴С; ¹⁷О (n; α)¹⁴С; ¹³С (n; γ)¹⁴С.

        Эти реакции протекают как в верхних слоях атмосферы под воздействием космического излучения (при образовании природного ¹⁴С), так и при образовании техногенного радиоуглерода в результате атомных взрывов и работы атомных реакторов, как промышленных, так и транспортных, и исследовательских.

        Основным поставщиком ¹⁴С является первая реакция в виду большого содержания азота (78%) в составе воздуха. Причем, в водографитовых реакторах (именно такой тип реактора на Сибирском химическом комбинате) образующийся на азоте ¹⁴С практически целиком выносится в атмосферу. Кроме того, в реакторах этого типа часть образующегося ¹⁴С попадает во внешнюю среду с жидкими сбросами в виде растворимых карбонатов и углекислоты.

        Существуют понятия локального и глобального загрязнения радиоуглеродом.

        Источником локального загрязнения можно рассматривать не только атомный взрыв, но и каждую АЭС, предприятия ЯТЦ, изотопные производства по получению препаратов, меченных ¹⁴С, научно-исследовательские учреждения.

        Среднее поступление реакторного ¹⁴С в организм местных жителей, проживающих в районе действия такого источника, может составить в зонах 0 - 10 км -0,32,10 - 20 км - 0,08 мкКи/год.

        Глобальное радиоуглеродное загрязнение окружающей среды связано с развитием атомной энергетики в целом и ядерными испытаниями. При термоядерных взрывах 90 % радиационного фона в атмосфере обусловлено С-14. Как показывают расчеты (Рублевский и др., 1979), ежегодное поступление ¹⁴С в организм человека с продуктами питания превысит естественный путь поступления ¹⁴С к 2010 году в 5 раз, а годовая доза на все тело по сравнению с 1975 годом возрастет с 0,04 до 7 мРад, т.е. увеличится почти в 200 раз (рис. 6.5) и, по подсчетам Ярмоненко С.П., будет сказываться 11000 лет, затронув 300 поколений людей. Нарисунке 6.6 показана динамика накопления С-14 в волосах и крови людей от испытания ядерного оружия в атмосфере.

        Опасные последствия такой динамики связаны с тем, что радиоуглерод, участвуя в обменных процессах наряду с атомами стабильного углерода, проникает во все органы и ткани организма, включаясь непосредственно в молекулы органических соединений.

        Повреждающее действие ¹⁴С, вошедшего в состав молекул белков и особенно ДНК и РНК живого организма, определяется, во-первых, радиационным воздействием β-частиц и ядер отдачи азота, возникающих в результате распада ¹⁴С по схеме ¹⁴С → ¹⁴N; во-вторых, изменением химического состава молекулы за счет превращения атома ¹⁴С в атом ¹⁴N (трансмутационный эффект).

6.3. Криптон - 85 (⁸⁵Кr)

        Из радиоактивных изотопов VIII группы таблицы Менделеева наибольший интерес представляет изотоп ⁸⁵Кr.

        По данным Томаса Кохрана и др., (1992), Сибирский химический комбинат выбрасывает в атмосферу 3 изотопа этой группы:

        ⁸⁵Кr                   330 000 кКи/год,

        ¹³¹Хе                  190 кКи/год,

        ¹³³Хе                  540 кКи/год.

        Просачивающийся сквозь изоляционное покрытие твэлов, Кг-89 менее опасен, поскольку он распадается до радиоактивного стронция, составляет незначительную долю, к тому же его период полураспада 3 мин, и поэтому он имеет значение только в пределах зон, близких от реактора.

        Время жизни изотопов Хе исчисляется несколькими сутками, и через 10-30 часов они полностью выводятся из организма. ⁸⁵Кr имеет период полураспада 10,72 года и его воздействие на организм требует серьезного отношения и дальнейшего изучения.

        В малых количествах ⁸⁵Кr присутствует в окружающей среде вследствие спонтанного и вызванного нейтронами деления природного урана, а также вследствие облучения нейтронами космического излучения атомов атмосферного ⁸⁵Кr.

        Однако, количество ⁸⁵Кr в атмосфере в последние годы существенно возросло (рис. 6.7), и, по прогнозам, мощность дозы облучения кожи за счет этого фактора может возрасти к 2000 году более чем в 100 раз, составив примерно 0,03 Зв/год.

        В настоящее время основным источником поступления ⁸⁵Кr в окружающую среду являются предприятия по производству плутония. Кроме того, ⁸⁵Кr может поступать в атмосферу от производимых в мирных целях атомных взрывов и работы атомных реакторов, в том числе, и реакторов морских двигателей, но их выбросы являются и будут оставаться незначительными по сравнению с выбросами заводов по производству плутония.

6.4. Йод - 131 и - 129 (¹³¹I, ¹²⁹I)

        В настоящее время известно 24 изотопа йода, из которых радиоэкологическую опасность представляют в основном 2 изотопа - йод-131 и йод-129.

        Период полураспада йода-131 всего 8,04 суток. Этим обусловлена его сравнительно невысокая опасность и возможность медикаментозной помощи.

        Йод-129 относится к числу наиболее радиологически значимых нуклидов в глобальном масштабе, благодаря своему периоду полураспада, который оценивается в 17 млн. лет. Его вклад в окружающую среду в отдаленной перспективе оценивается значительным. Активно включаясь в глобальный цикл, йод-129 является потенциальным глобальным облучателем на протяжении миллионов лет. К сожалению I¹²⁹, как правило, не оценивается как радиационно – опасный фактор, хотя суммарный его выброс в атмосферу составил 10¹² Бк (Уткин и др., 2004).

        Антропогенными источниками этих изотопов могут быть заводы по переработке облученного ядерного топлива, АЭС и атомные взрывы. Непосредственно в реакции деления выход этих изотопов невелик, но они образуются в значительных количествах из своих радиоактивных предшественников: ¹²⁹I из ^129mТе и ¹²⁹Те, a ¹³¹I из ^131mТе и ¹³¹Те.

        Повышенная концентрация радиоактивных изотопов йода фиксируются во всех районах размещения ПЯТЦ (Челябинск, Томск и т.д.). На рисунке 6.8 показано поступление I¹³¹ в атмосферу на ПО «Маяк».

        Анализ этой кривой, выполненный Уткиным В.И. и др., 2004, показывает что не смотря на значительную вариабельность данных по мощности выбросов 131 I в атмосферный воздух, отмечены определенные закономерности этих выбросов во времени. В частности достаточно мощные выбросы I относятся к периоду 1957-1959 гг., когда показатели выброса составляли 01-1 Ku/cyт. (3,7-37 ГБк/сут.). В 1957 г завод Б был остановлен, в 1959 г. пущен в эксплуатацию новый производственный комплекс - завод ДБ, который обладал более высокими технологическими и экологическими показателями. Период с 1965 г характеризовался значительным снижением выбросов ¹³¹I в атмосферу, что связано с постепенным сворачиванием производства оружейного плутония на ПО «Маяк». На рис. 6.7 показана динамика мощности выбросов радионуклида в период с 1949 по 1985 гг. (1949 по 1957 гг. данные получены путем реконструкции выбросов).

        В целом, на кривой динамики выбросов отчетливо видны два пика 1 - с момента пуска в эксплуатацию первых производственных мощностей ПО «Маяк» вплоть до 1953 г, когда выбросы I возросли с нескольких десятков до 4000 Ки/мес (148 ТБк/мсс }, что, возможно, связано с недостатками технологического характера промахами в проектировании и особенностями системы контроля, 2- в период с 1961 по 1963 гг., когда выбросы¹³¹I увеличились примерно на два порядка величин; этот рост был обусловлен переработкой партии топлива с пониженной продолжительностью выдержки перед его растворением (Уткин и др., 2004).

        В обычном режиме работы АЭС выбросы йода также невелики, но в аварийных ситуациях радиоактивная опасность обуславливается ( в начальный период) именно изотопами йода, поступающими в организм, в основном, перорально и через органы дыхания.

        Обладая высокой миграцией, он быстро включается в биологические цепи и становится источником внешнего и внутреннего облучения. Особенно большие дозы формируются в щитовидной железе детей, что обусловлено ее малыми размерами, и могут в 2 -10 раз превышать дозу облучения железы у взрослого.

6.5. Стронций - 90 (⁹⁰Sr)

        Природный стронций является стабильным. Он входит в состав микроорганизмов, растений, животных и человека, являясь строительным материалом костной ткани. Избыток в ней стронция (выше 0,02 %) может вызвать ломкость костей, рахит и другие заболевания.

        Радиоактивные изотопы стронция образуются при атомных взрывах, вследствие утечек и аварий на атомных реакторах. Наиболее опасным из них считается ⁹⁰Sr. Его период полураспада 28,5 лет, а период полувыведения из организма (биологический период полураспада) довольно долгий -11 лет.

        Попадая в окружающую среду, ⁹⁰Sr включается (главным образом вместе с Са) в процессы обмена у растений , животных и человека. В растения ⁹⁰Sr может поступать непосредственно через листья или из почвы через корни. Относительно больше ⁹⁰Sr накапливают бобовые, клубни и корнеплоды, меньше злаки. В семенах и плодах его значительно меньше, чем в листьях и стеблях.

6.6. Цезий- 137(¹³⁷Cs)

        В природе этот серебристо-белый металл встречается в виде стабильного изотопа Cs-133. Это - редкий элемент со средним содержанием в земной коре 3,7*10^-4 %.. Цезий -постоянный химический микрокомпонент организма растений и животных. Главный накопитель цезия в организме млекопитающих - мышцы, сердце, печень. Он малотоксичен, его биологическая роль в организме окончательно не раскрыта.

        ¹³⁷Cs - β- γ- излучающий радиоизотоп цезия, один из главных компонентов техногенного радиоактивного загрязнения биосферы. Образуется в результате ядерных реакций деления. Содержится в радиоактивных выпадениях, сбросах, отходах радиохимических заводов. Интенсивно сорбируется почвой и донными отложениями. Коэффициент накопления особенно высок у пресноводных водорослей и арктических наземных растений, особенно, лишайников, из животных - у северных оленей, через ягель, которым они питаются.

        В организме человека ¹³⁷Cs распределен более или менее равномерно и существенного поражающего действия он не оказывает, однако, нормирование территории по степени загрязненности ее радионуклидами ведется, прежде всего, по цезию-137. 

6.7. Плутоний

6.7.1. Общие сведения

        Плутоний (Pu) химический элемент, открытый в 1940 году Сиборгом Г.Т., А.Валем и Дж.У.Кеннеди (г. Беркли, Калифорния. США), которые получили его при облучении урана ядрами тяжёлого водорода (дейтонами). Это был второй искусственно полученный элемент (первый был нептуний, 1940), которые дали начало, так называемым, трансурановым элементам (ТЭУ), входящим в группу актиноидов, т.е. элементов, обладающих радиоактивностью.

        Цепочка рядов радиоактивного распада наиболее хорошо распространенных ТЭУ представлена на рис. 6.10.

        На момент своего открытия в природе элемент не встречался. Сегодня существуют данные, которые позволяют предполагать, что Pu имел материнские изотопы, в существующих сегодня рядах урана и тория.

        На сегодняшний день известно 15 (с учетом ядерных изомеров) изотопов Pu.