Глава 5. Природный радиоактивный фон. Что такое радон

Радиация на Земле (и в Космосе) существовала всегда. Радиоактивные элементы входили в состав Земли с начала ее существования и продолжают присутствовать до настоящего времени.

Все живые организмы на Земле, в том числе человек, находятся под постоянным воздействием космического излучения и излучения радионуклидов, содержащихся в атмосфере, воде, почвах, горных породах, строительных и др. материалах. Наибольшее воздействие на живые организмы оказывают природные радионуклиды калий-40, уран-235, уран – 238, торий - 232 и продукты их распада, а также космогенные радионуклиды, образующиеся главным образом в верхних слоях атмосферы под действием космических излучений (углерод -14 и др.).

Жизнь на Земле появилась и развивалась в условиях постоянного воздействия слабых уровней ионизирующей радиации – так называемой естественной радиоактивности.

Естественная облученность живых организмов обусловлена следующими источниками радиации:

- космическими лучами;

- естественной радиоактивностью земной коры, воды и атмосферы;

- естественной радиоактивностью пищевых продуктов;

- естественной радиоактивностью самого организма.

В настоящее время различают 3 категории космических излучений: космическое излучение Галактики, постоянно действующее и состоящее вне атмосферы из протонов (87%), α-частиц (12%) и более тяжелых ядер – C, N, O, Mg, Ca, Fe (1%); излучение двух радиационных поясов Земли, состоящих из захваченных магнитным полем Земли электронов и протонов; космическое излучение Солнца, состоящее из потока протонов, появляющихся после мощных вспышек на поверхности Солнца.

Космическое излучение, попадая в атмосферу Земли, взаимодействует с верхними слоями атмосферы, образуя вторичное излучение из мезонов, электронов, фотонов, протонов и нейтронов различной энергии. Первичное космическое излучение полностью поглощается верхними слоями атмосферы, и уже на высоте 20 км от поверхности Земли оно практически исчезает. До поверхности Земли доходит лишь вторичное излучение. Определение средней облученности тканей человеческого организма вторичным излучением составляет трудную задачу ввиду различной энергии и природы частиц, составляющих этот вид радиации. В качестве средней тканевой дозы космического излучения на уровне моря для средних широт обычно принимается величина 50 мбэр/год. Эта величина резко меняется с высотой и широтой, о чем можно судить по данным табл. 1.

Таблица 1

Изменение мощности общей тканевой дозы космического излучения

в зависимости от высоты и широты

Естественная радиоактивность земной коры, воды и атмосферы обусловлена в основном дисперсно-распыленными в земной коре долгоживущими радиоактивными изотопами урана-238, тория-232, радия-226 и их короткоживущими дочерними продуктами, а также радиоактивным изотопом калия-40. В некоторых породах, включающих органические вещества (например, сланцы), содержится радиоактивный изотоп углерода

(С-14).

Количество этих радиоизотопов колеблется в различных районах земли, в разных породах. На земной поверхности имеются некоторые районы с особенно высоким содержанием этих элементов в земной коре. Например, это некоторые районы в штатах Рио-де-Жанейро и Эспириту-Санту в Бразилии, районы Керала и Мадрас в Индии, остров Ниде в Тихом океане, район в северной части дельты Нила, гранитные, сланцевые и песчаные районы Франции.

Природные воды, как и вода водопроводов, обычно содержат следы естественных радиоактивных элементов (семейства урана и тория), типичные концентрации которых приведены в таблице 2.

Таблица 2

Концентрация естественных радиоактивных элементов в природных водах

В окружающих нас нижних слоях атмосферы постоянно содержатся газообразные продукты распада урана и тория – радон -222 и торон -220. Концентрация этих газообразных радиоактивных веществ быстро падает с удалением от поверхности земли и зависит от движения воздушных масс; эта концентрация внутри зданий обычно выше, чем на открытом воздухе, она меняется в зависимости от материалов, из которых построены здания и условий вентиляции (табл. 3)

Средняя мощность облучения всего организма человека от радона и торона составляет около 4,5 мбэр/год.

Таблица 3

Концентрация радона и торона в воздухе

Естественные радиоактивные вещества поглощаются из окружающей среды растениями и с растительной пищей попадают в организм животных и человека. Многие наземные растения, и особенно водоросли, обладают способностью концентрировать в своих тканях радий из почвы и воды. Некоторые виды растений специфически накапливают в своих тканях уран и используются как индикаторные растения, указывающие на месторождения урановых руд. Особенно показательны в этом отношении различные астрагалы (Astragalus patterson, A. gray, A. preussi и др.), корни которых проникают на глубину более 10 м. Для этой же цели использовались многие хвойные породы деревьев и другие растения.

Анализы продуктов питания показали, что радий-226 постоянно присутствует в хлебе, овощах, мясе, рыбе и других пищевых продуктах.

Из продуктов питания и питьевой воды радий и другие естественные радиоактивные элементы попадают по пищевым цепочкам в организм человека, накапливаясь главным образом в костной ткани.

Таким образом, естественные источники радиации, постоянно облучая живые организмы, должны учитываться среди других факторов внешней среды, влияющих на развитие и эволюцию жизни на Земле. Особого внимания заслуживает их воздействие на такие радиочувствительные ткани, как гонады, костный мозг, а также костную ткань, где происходит концентрация некоторых естественных радиоактивных элементов (радий-226, радий-228, свинец-210). Общая облученность этих тканей от естественных источников радиации приведена в табл. 4.

Таблица 4

Мощность тканевых доз (мбэр/год) от естественных источников радиации на высоте уровня моря в средних широтах при нормальном содержании радиоактивных элементов

Таким образом, около 130 мбэр/год человеческий организм получает от естественных источников радиации. Эта величина значительно колеблется, возрастая для жителей горных районов (увеличение от космических лучей), жителей городов (влияние бетона, большая концентрация радона) и особенно для жителей районов с повышенным содержанием радия, урана и тория в почве и источниках питьевой воды.

Окружающий нас природный радиоактивный фон (ПРФ), точнее тот его уровень, к которому адаптирован наш организм в результате миллионов лет эволюции, не только полезен, но и необходим для нормального существования живых организмов, в том числе для здоровья человека. Характерно, что постоянное очень слабое воздействие ПРФ на многочисленные регуляторные системы организма выполняет функции слабого раздражителя, поддерживающего эти системы в должном тонусе. Здесь действует общебиологический закон Арндта-Шульце: согласно которому «слабые раздражения возбуждают жизнедеятельность, раздражения средней силы подавляют ее, более сильные совсем приостанавливают». Если ПРФ необходим для нормальной жизнедеятельности, то есть для поддержания здоровья человека, то его небольшое повышение, той или иной длительности, не превышающее определенного предела, также может быть полезным для здоровья. Полагают, что этот предел лежит не выше 0,1 Зв в год.

Известно, что многие курорты и излюбленные места отдыха и восстановления здоровья, наряду с благоприятными климатическими факторами, как правило, включают и фактор повышенного ПРФ. В условиях повышенного ПРФ, например, находятся путешествующие и отдыхающие в горах Швейцарии, Кавказа, Памира, Колорадо.

Десятки тысяч отдыхающих приезжают провести свой отпуск в места с наиболее высоким ПРФ - в Гуарапари в Бразилии и в штат Керала в Индии. Миллионы больных улучшают состояние своего здоровья на курортах, возникших вокруг источников с повышенным содержанием радона – инертного радиоактивного газа. Такие известные курорты, как Цхалтубо, Пятигорск, Белокуриха, Хмельники в СНГ, Браубах, Висбаден, Баден-Баден в Германии, Бадгастайн в Австрии, Масутами-Спрингс в Японии и другие, помимо повышенного ПРФ окружающей среды, оказывают оздоровляющее влияние на приезжающих путем специально дозированного облучения их радоном и его дочерними продуктами распада.

В процессе радонотерапии за месяц пребывания на курорте больные получают (в зависимости от радиоактивности источника и характера процедур) на организм в целом дозы порядка 0,1-0,8 мЗв, то есть величины, лежащие в пределах колебаний ПРФ (0,16-2,38 мЗв за месяц). При приеме радоновых ванн наибольшему воздействию радона подвергается кожа человека. За месячный срок кожа получает суммарную дозу порядка 3-10 мЗв, т. е. в 30-100 раз превосходящую ПРФ и уже лежащую в тех пределах, в которых на ряде объектов была экспериментально показана стимуляция биологических процессов. В укреплении здоровья человека не последняя роль принадлежит повышенному иммунитету, возникающему и сохраняющемуся в течение месяцев у лиц, прошедших курс лечения радоновыми ваннами, а также активации репарирующих систем в клетках человека под влиянием повышенного ПРФ.

Как показали многолетние клинические исследования, радоновые ванны оказывают благоприятное действие на здоровье при очень широком спектре заболеваний. Отсюда следует вывод, что под влиянием кратковременно повышенного ПРФ происходит неспецифическое общее стимулирующее действие малых доз радиации на организм в целом, повышающее его сопротивляемость неблагоприятным факторам.

Однако не только для больных, но и для здоровых людей пребывание во время отпуска в зонах повышенного ПРФ считается благоприятным для здоровья. Например, при принятии обычного душа содержание радона в окружающем человека воздухе повышается с 19 Бк/м.куб. до 5900 Бк/м куб., т. е. рецепторы кожи получают в 300 раз большее раздражение чем в норме, и не исключено, что это - один из факторов (наряду с температурой и др.), способствующих бодрящему действию душа. Отмечены суточные и сезонные колебания содержания радона в воздухе (максимум в ночные часы и летом, минимум – в дневные часы и зимой).

Выводы о благоприятном действии для биоты малых доз радиации относятся к ПРФ и его умеренно повышенным уровням, то есть к тем видам радиации, к которым за миллионы лет эволюции адаптирована биота на нашей планете.

Ответственность за естественную земную радиацию, в основном, несут уран и торий. Эти химические элементы нестабильны; распадаясь, они выделяют энергию или становятся источниками ионизирующего излучения. Как правило, при распаде образуется невидимый, не имеющий вкуса и запаха тяжелый газ радон. Он существует в виде двух изотопов: радон-222, член радиоактивного ряда, образуемого продуктами распада урана-238, и радон-220 (называемый также торон), член радиоактивного ряда тория-232. Радон постоянно образуется в глубинах Земли, накапливается в горных породах, а затем постепенно по трещинам перемещается к поверхности Земли. Но оказывается, что этот инертный газ довольно коварен. Не вступая в химические реакции, он способен подниматься к поверхности земли с больших глубин, повышая по мере подъема свою концентрацию в грунтовой газовой смеси. Сталкиваясь на своем пути с газонепроницаемыми слоями, он может накапливаться, достигая высоких концентраций. Обходя газонепроницаемые слои, радон может выходить на поверхность земли вдали от источника своего образования. Радон тяжелее воздуха.
Облучение от радона человек очень часто получает, находясь у себя дома или на работе и не подозревая об опасности, как правило - в закрытом, непроветриваемом помещении, где повышена его концентрация этого газа -- источника радиации.
Радон проникает в дом из грунта - сквозь трещины в фундаменте и через пол, и накапливается в основном на нижних этажах жилых и производственных построек. Но известны и такие случаи, когда жилые дома и производственные корпуса возводят непосредственно на старых отвалах горнодобывающих предприятий, где радиоактивные элементы присутствуют в значительных количествах. Если в строительстве производстве применяют такие материалы как гранит, пемза, глинозем, фосфогипс, красный кирпич, кальциево-силикатный шлак, источником радоновой радиации становится материал стен.
Природный газ, используемый в газовых плитах (особенно сжиженный пропан в баллонах) - тоже потенциальный источник радона. А если воду для бытовых нужд выкачивают из глубоко залегающих водяных пластов, насыщенных радоном, то высокая концентрация радона в воздухе бывает даже при стирке белья!
Кстати, было установлено, что средняя концентрация радона в ванной комнате, как правило, в 40 раз выше, чем в жилых комнатах и в несколько раз выше, чем на кухне.

Повышает опасность для населения и характерная особенность зданий в период отопления - понижение давления в помещениях относительно атмосферного. Этот эффект может приводить не просто к диффузионному поступлению радона в помещения, а к отсосу зданием радона из грунта. В различных странах мира выявлены десятки тысяч зданий с концентрацией радона, в тысячи раз превышающей его содержание наружной атмосфере. В обитаемых помещениях (в том числе в детских учреждениях) обнаружены концентрации радона, многократно превышающие уровни, признанные недопустимыми даже для очистных забоев урановых рудников. То, что радон представляет опасность не только для шахтеров, было впервые осознанно в конце 50-х годов. Но лишь в 1977 году научным комитетом ООН по воздействию атомной радиации радон был определен как основной источник опасности для населения.

Этот инертный газ сопровождает человека с древних времен, в пещерах его было еще больше, чем в современном жилье. Но только недавно ученые установили, что радон является наиболее весомым из всех естественных источников радиации. Вместе со своими дочерними продуктами радиоактивного распада этот газ ответствен за три четверти дозы облучения, получаемой человеком от источников радиации, находящихся в земле и скальном грунте, и за половину - от всех совокупных естественных источников (земля, вода, воздух). Одной из первых стран, где стали проводиться исследования по радону, была Швеция. Жители этой страны, борясь за экономию энергии, с целью утепления наглухо закупоривали свои дома. И чем меньше проветривались, вентилировались помещения, тем больше в них скапливалось радона. Положение усугублялось тем, что дома в Швеции, как правило, малоэтажные, в качестве добавки к стройматериалам использовался глинозем.
В Финляндии было установлено, что в Хельсинки в некоторых домах концентрация радона в 5000 раз превышала его содержание в наружном воздухе. Ученые, специалисты, занимавшиеся в Скандинавских странах исследованиями радона, выяснили, что дерево, кирпич, бетон выделяют этого газа немного. Куда больше радона выделяют гранит и пемза. Особенно радиоактивными оказались кирпичи из красной глины, используемой в производстве алюминия, доменный шлак, зольная пыль.
Основная рекомендация: прежде всего следует чаще проветривать помещения, особенно на первых этажах. Выделение газа из стен при этом уменьшается в десять раз, особенно если облицевать их пластиковыми материалами типа полиамида, поливинилхлорида и (или) покрасить тремя слоями масляной краски или одним на эпоксидной основе. Даже при оклейке стен обоями радона из них выделяется меньше на 30%

Глава 6. Антропогенное загрязнение биосферы.

Радионуклиды искусственного происхождения

Искусственные радионуклиды не свойственны биосфере, они появились лишь с середины ХХ века в результате развития ядерных технологий оборонного и гражданского применения (в первую очередь – аварии на АЭС).

Радиоактивные вещества, образующиеся в результате ядерного взрыва, представлены в основном продуктами деления урана-238 и плутония-239, невыгоревшим ядерным топливом и материалами с наведенной активностью.

В зависимости от времени, прошедшего с момента взрыва до оседания частиц на земную поверхность, радиоактивные выпадения делятся на три вида:

1. Ближние, или локальные выпадения представлены относительно крупными (более 100 мкм) частицами, оседающими на землю преимущественно под действием силы тяжести. Локальные выпадения начинаются сразу после взрыва и продолжаются в течение последующих 1-2 суток, охватывая по мере переноса радиоактивного облака ветром все более обширную территорию. В результате локальных выпадений на земной поверхности образуется радиоактивный след шириной в несколько десятков и протяженностью в несколько сот километров. Крупные частицы, оседающие под действием силы тяжести, попадают непосредственно на земную поверхность, в том числе на растительность и животных, обуславливая их поверхностное загрязнение. Считается, что при наземных ядерных взрывах мегатонной мощности на ближние выпадения приходится до 80%, а при атмосферных – около 10%.

2. Промежуточные, или тропосферные выпадения представлены мелкими частицами (несколько микрометров и менее). Эти частицы формируются в тропосфере, ниже тропопаузы, на высоте 11-16 км. Период полувыведения этих частиц из тропосферы составляет 20-30 суток. На тропосферные выпадения при наземных взрывах мегатонной мощности приходится 5%.

3. Глобальные, или стратосферные выпадения состоят из частиц от нескольких сотых до десятых долей микрометра, забрасываемых в стратосферу на высоту 10-30 км. Оттуда они переносятся в тропосферу струйными течениями и циклональными вихрями либо с воздушными массами через разрывы в тропопаузе.

В умеренных широтах глобальные выпадения с атмосферными осадками (влажные выпадения) составляют 60-70% общей суммы радиоактивных выпадений, остальная их часть (30-40%) представлена сухими выпадениями. Глобальные выпадения распределяются по всей поверхности земного шара.

Из глобальных выпадений в водный раствор переходит около 50% общего количества радионуклидов, в водонерастворимой форме поступает до 95% стронция-90 и до 70% цезия-137, в растворимой форме – 30% церия-144 и 40% циркония-95. Из локальных и тропосферных выпадений от атмосферных взрывов, представленных частицами величиной до 20 мкм, в воде растворяется до 30% (в основном это радионуклиды йода, цезия, стронция, бария).

Количество радиоактивных изотопов, образованных при ядерных взрывах, включающихся в пищевые цепочки, определяется не только тем, сколько их выпало из воздуха, но также структурой экосистемы и особенностями биогеохимических циклов. В целом в малопродуктивных местообитаниях значительная доля осадков включается в пищевые цепочки. В экосистемах с высокой продуктивностью интенсивность обмена веществ и большая сорбирующая емкость почвы или донных отложений обеспечивают такое разбавление осадков, что в растения они попадают в относительно небольшом количестве. Выпавшие радиоактивные осадки (особенно стронций-90 и цезий-137) доходят по пищевой цепочке до человека, но их содержание в тканях организма человека никогда не бывает таким высоким, как в тканях животных.

В результате работы реактора накапливаются деления ядерного топлива, продукты нейтронной активации и остатки выгоревшего топлива. Продукты деления образуются преимущественно внутри тепловыделяющих элементов (твэлов) и там остаются. Выход за пределы оболочки твэлов ничтожно мал для всех радионуклидов, кроме трития (через оболочки из нержавеющей стали проникает около 80% трития). В состав продуктов деления входят также благородные газы, летучие и нелетучие вещества. Все они являются бета- и гамма-излучателями и имеют периоды полураспада от долей секунды до десятков лет. Среди продуктов нейтронной активации также присутствуют радионуклиды различного состава и продолжительности жизни. Отработанные твэлы выдерживают на территории АЭС в специальных бассейнах выдержки для распада короткоживущих радионуклидов, а затем отправляют на радиохимические заводы для переработки.

При нормальной работе АЭС поступление радионуклидов во внешнюю среду незначительно. Загрязнение окружающей среды в результате работы радиохимических заводов гораздо серьезнее. Значительный вклад в глобальное загрязнение биосферы предприятиями ядерного топливного цикла (ЯТЦ) вносят углерод-14, криптон-85, тритий и йод-137. Другие долгоживущие негазообразные радионуклиды (стронций-90, цезий-137, изотопы трансурановых элементов), поступающие в окружающую среду с выбросами предприятий ЯТЦ, рассеиваются на ограниченной территории, то есть создают локальное загрязнение.

Помимо «плановых» выбросов, источником радиоактивного загрязнения окружающей среды являются аварии на ядерных реакторах. Основную опасность при этом представляют продукты деления и нейтронной активации, накопившиеся в активной зоне реактора. Условием их сохранения внутри твэлов является герметичность и достаточное охлаждение твэлов и кожуха. Перегрев топлива и оплавление активной зоны реактора могут произойти лишь в том случае, если количество тепловой энергии, выделяемой в процессе ядерной реакции, превысит величину, снимаемую теплоносителем. Тогда теплоноситель переходит в пар, который вместе с облаком газообразных продуктов деления может привести к избыточному давлению и взрыву. При разрушении защитного колпака продукты деления и нейтронной активации вместе с неразделившимся (невыгоревшим) топливом поступят во внешнюю среду и вызовут радиоактивное загрязнение территории, площадь которой будет зависеть от мощности взрыва и метеорологических условий. В главе 7 будет подробнее описана авария на Чернобыльской АЭС.

Рассмотрим теперь подробнее основные антропогенные источники радиоактивного загрязнения на территории России.

В результате деятельности человека на территории России в приземном слое присутствуют долгоживущие радиоактивные изотопы чернобыльского и других источников происхождения. Это цезий-137, стронций-90, криптон-85, тритий,но их содержание в приземном слое ниже ПДК, за исключением “чернобыльских пятен”.

На большей части территории России мощность дозы гамма-излучений на местности колеблется в пределах 10-20 мкр /час. В Восточной Сибири и на Урале зона повышенной радиоактивности занимает площадь около 4 тыс. кв. км и расположена в Свердловской, Челябинской и Курганской областях. Содержание цезия-137 в почвах этой зоны составляет более 1 ки /кв. км и выше. Загрязнение является результатом аварийных ситуаций 1949,1957 и 1967 гг,а также производственной деятельности комбината “Маяк”. Гамма-излучение здесь составляет около 60 мкр / час.

Что касается полигона испытаний ядерного оружия на Новой Земле и прилегающих территорий Крайнего Севера, то здесь обстановка следующая. Средний уровень загрязнения поверхности земли здесь наиболее высок относительно всего Заполярья и превышает значения, характерные для Аляски и Гренландии примерно в 2-3 раза. Непосредственно в зоне испытаний ядерного оружия на Новой Земле мощность гамма-излучения достигает в настоящее время десятков и сотен микрорентген в час, но эти зоны обладают статусом санитарно-защитных зон.

Основные источники радиоактивного загрязнения в России продолжают оставаться следующие:

1. Предприятия по производству расщепляющегося материала для ядерного оружия (Арзамас-16,Челябинск-40,Красноярск-45,Томск-7 и др.).

2 .Действующие 11 АЭС, дающие всего около 12% от потребляемой в России электроэнергии (всего на территории России действует 31 энергетический реактор и 6 реакторов продолжают строиться).

3. Атомные ледоколы и подводные лодки.

4. Полигоны для захоронения радиоактивных отходов (их 15), отходы поступают не только из России, но и из других стран, где построено по нашей технологии.

5. НИИ и лаборатории, использующие расщепляющийся материал.

6. Полигоны для ядерных испытаний. Первые испытания ядерного оружия проводились в северном Прикаспии, затем был избран новый полигон - на Новой Земле, в 280 км от Амдермы,440 км от Нарьян-Мара,560 км от Воркуты,900 км от Мурманска и 1000 км от Архангельска. На новоземельском полигоне проводились воздушные, наземные, подводные, а затем и подземные испытания.

Основную роль в облучении населения после двух лет после взрыва играют: углерод-14, цезий-137, цирконий-95, стронций-90 и некоторые другие элементы.

При атмосферных испытаниях радионуклиды частично выпадают неподалеку от места взрыва, часть их задерживается в тропосфере и перемещается воздушными течениями на большие расстояния. Находятся они в тропосфере около месяца, постепенно выпадая на землю. Основная часть радионуклидов выбрасывается в стратосферу, выше 10 км над уровнем моря, где они задерживаются на длительное время, очень медленно выпадая на поверхность Земли.

7. Ядерные аварии. Примеры: на северном Урале вблизи города Кыштыма в 1957 году произошёл взрыв на военном атомном предприятии “Маяк”, пожар на Белоярской АЭС в 1978 году, аварии на Ленинградской АЭС в 1978 году и Чернобыльской АЭС в 1986 году (, рис. 5 -а и б, глава 7).

Основные центры радиоактивного загрязнения и потенциально опас­ные объекты в России и СНГ представлены на карте-схеме (рис.3).

Рис.5. Центры радиоактивного загрязнения и потенциально опас­ные объекты России и стран СНГ: 1 — места испытаний ядерного оружия; 2 - производство и демонтаж ядерного оружия; 3 - базы, место отстоя и ремонта судов с ядерными реакторами; 4 - ядерные полигоны; 5 - крупнейшие хранилища радиоактивных отходов.

Поиск по сайту: