Радиоактивное загрязнение атмосферы: основные источники, методы контроля и ликвидации

Радиоактивность атмосферы формируется радиоактивными изотопами естественного происхождения, а также антропогенными.

Одни радионуклиды имеют период полураспада от суток до десятков дней, другие – десятки лет.

Но есть группа веществ, у которых полураспад продолжается несколько миллионов лет, что в человеческих масштабах является вечностью.

К антропогенным радиоактивным изотопам относятся образовавшиеся в результате:

• ядерных испытаний;
• выбросов АЭС;
• добычи и обогащения урана;
• переработки радиоактивных отходов;
• аварийных ситуаций на атомных объектах.

Как видим, основными источниками радиоактивного загрязнения атмосферы являются аварийные выбросы.

Как происходит и распространяется такое загрязнение, к чему приводит повышенный радиационный фон, можно ли предупредить радиационную опасность — эти и другие вопросы рассмотрим в данной статье.

Актуальность проблемы

Физическая природа радиоактивности проявляется как самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого, приводящее к изменению массового числа ядра и возникновению радиоактивного излучения (РИ) – потока частиц высокой энергии, вылетающих из нестабильного ядра.

РИ состоит из:

• α-частиц (ядра гелия);
• β-частиц (электроны или позитроны);
• γ-кванты (фотоны).

Радиоактивные трансформации происходят в результате протекания ядерных реакций. Ядерная реакция – процесс, происходящий при столкновении микрочастицы с ядром, которое в результате может стать неустойчивым и способным к радиоактивному распаду.

Время, за которое распадается половина исходного количества радиоактивного элемента, называется периодом полураспада.

За единицу числа распадов принят 1 Беккерель (Бк), который равен одному распаду в секунду. Используется и внесистемная единица 1 Кюри (Ки). Этот показатель равен числу распадов 1 г радия — 226: 1 Ки = 3,7·10¹º Бк.

Природный гамма-фон – гамма-излучение космического и земного происхождения. Норма для мощности дозы природного гамма-фона – 8–25 мкР/ч. Безопасным уровнем считается до 30–40 мкР/ч.

Радиоактивное загрязнение атмосферы – превышение природных концентраций в ОС радиоактивных веществ (РВ), вызванное:

• испытаниями ядерного оружия;
• ядерными взрывами;
• утечками РВ в результате аварий на предприятиях ядерного цикла, на станциях по захоронению радиоактивных отходов;
• потерями при транспортировке РВ, ядерного топлива;
• добычей и переработкой радиоактивных руд.

Воздействие радиации, когда показатели превышают уровни, установленные основными документами в сфере радиационной безопасности (НРБ-99/2009 и ОСПОРБ), опасно для человека и среды его обитания.

Площадь территории, загрязненной РВ с мощностями доз излучения, опасными для живых организмов, многократно превышает размеры зон поражения ударной волной, световым излучением и проникающей радиацией при ядерном взрыве.

Кроме того, коварность радиоактивного загрязнения заключается в том, что радиоизотопы не обнаруживаются органами чувств человека, а их активность не может быть изменена какими-либо физико-химическими методами.

В чем опасность?

Радиоактивность атмосферы формируется излучением радиоактивных веществ, которое образуется в результате, как природных процессов, так и деятельности человека:

• постоянно генерируемыми космическими изотопами, попадающими в атмосферу с космической пылью и метеоритами;
• природными изотопами;
• техногенными изотопами.

Атмосферные радионуклиды находятся в виде аэрозолей или в молекулярно-дисперсном состоянии.

Атмосфера – мощный акцептор техногенных радиоактивных выбросов. Объем облака при взрыве мощностью 20 кт тротилового эквивалента составляет до 100 км³, а при взрыве мощностью 1 Мт тротилового эквивалента – 5 000 км³.

Часть изотопов попадает в стратосферу, другая часть – в тропосферу. В тропосфере радиоактивные аэрозоли глобально «размываются», перемещаясь потоком воздуха с большой скоростью. Распространение происходит преимущественно по географическим параллелям от мест взрыва.

Основная масса загрязнений тропосферы выпадает с осадками на поверхность земли или водоемов в ближайшие дни и недели.

Незначительный объем частиц РВ сорбируется аэрозолями воздуха, коагулируется с последующим «сухим» выпадением за счет гравитации, вертикального движения воздушных потоков и турбулентной диффузии.

При выпадении РВ атмосферный воздух очищается, а суша и моря – загрязняются. Сухое оседание происходит постоянно, в отличие от «мокрого», которое наблюдается только при выпадении атмосферных осадков. По этой причине соотношение между явлениями зависит от погоды.

Загрязнение побережья Швеции радионуклидами Чернобыля, отдаленного от зараженной зоны на 1500 км, оказалось намного сильнее по сравнению с другими территориями на пути следования радиоактивного облака. В момент катастрофы на этом участке шли сильные дожди, отчего радиоактивные аэрозоли опустились на поверхность.

Состав циркулирующих в атмосферном воздухе радионуклидов непостоянен. Короткоживущие изотопы, составляющие основную массу, распадаются, оставляя место цезий-стронциевым источникам глобального слабоинтенсивного загрязнения среды.

Основная часть выпадений (стратосфера – тропосфера – земная поверхность) происходит на широте 40–50° в обоих полушариях, но наибольшие показатели отмечаются в Северном. Максимум глобальных выпадений приходится на весну и начало лета.

Интенсивный разнос радиоактивных аэрозолей потоками ветра, заражение радионуклидами подземных вод, опасность смерчей являются причиной высокой вероятности радиационных катастроф.

РВ, попавшие в атмосферу, оседают и попадают в почву. За несколько лет радионуклиды поступают в растения, попадая затем в пищу человека и животных. После Чернобыльской аварии радионуклиды обнаруживались в растениях уже через год.

К особенностям радиационного загрязнения атмосферы относится глобальность распространения радионуклидов в биосфере.

Изотопы способны:

• вступать в биохимические реакции;
• встраиваться в ДНК;
• концентрироваться в годичных слоях деревьев;
• участвовать в глобальном круговороте воды;
• встраиваться в пищевые цепи.

Растения, подвергшиеся радиационному заражению, медленно растут, дают низкий урожай. Обитание животных в зараженной зоне приводит к возрастанию заболеваемости, повышенной смертности, развитию генетических перерождений и, как следствие, видовому исчезновению.

Заражение почвы делает ее непригодной для использования в сельском хозяйстве, продукты с таких земель будут обладать повышенными концентрациями изотопов.

Для человека загрязнение гидросферы радионуклидами представляет серьезную опасность — рыба, обитающая в зараженной водной среде, может оказаться у него на столе. Кроме того, радиационное загрязнение водных масс не позволяет использовать пресную воду для питья, приготовления пищи, полива.

Высокие концентрации радионуклидов в:

• ягодах;
• грибах;
• рыбе;
• дичи,

а также радиоактивное загрязнение сена и травы, предназначенных в корм скоту – главные источники попадания опасных частиц в пищу человека.

Наиболее серьезные изменения в атмосфере и ОС были зафиксированы в период испытаний ядерного оружия и при серьезных авариях на ядерных предприятиях. Образующиеся изотопы становятся источником радиоактивного полураспада в течение продолжительного времени.

Наиболее опасны изотопы:

• стронция (29 лет);
• цезия (30 лет);
• трития (12 лет).

Одним из наиболее опасных для живых организмов РВ, поражающих генетический аппарат клеток, является тритий. В организм человека элемент поступает через легкие, кожу и ЖКТ в виде газа и тритиевой (сверхтяжелой) воды.

Токсичность газообразного изотопа в 500 раз ниже, чем у зараженной жидкости. Молекулярный тритий, попадая с воздухом в легкие, покидает организм спустя несколько минут, а тритий в составе воды задерживается на несколько дней суток, успевая передать дозу радиации.

Долгоживущие изотопы углерода, трития, других элементов включаются в биогенную миграцию, повышая уровень мутаций и непрогнозируемо вмешиваясь в эволюционный процесс.

Повышенный радиационный фон приводит к сокращению продолжительности жизни, развитию онкологии, иммунодефицита и гормонального дисбаланса.

Источники

Источники радиации разделяются на 2 категории:

1. Естественные. Природные радиоактивные процессы возникают в атмосфере и недрах Земли без участия человека.
2. Антропогенные. Процессы возникают в результате промышленной, научной и иной деятельности человека.

В результате в общее радиационное состояние атмосферного воздуха вносят свой «посильный» вклад различные источники:

• природные излучения, в том числе космические;
• глобальный радиационный фон, сформировавшийся в периоды испытаний ядерного оружия;
• урановые и ториевые рудники;
• ядерные взрывы «мирного» характера;
• эксплуатация радиационно-опасных объектов;
• радиационные аварии.

Естественные

К естественным источникам относят космическое излучение и излучения радиоизотопов в земной коре.

Естественные радионуклиды образовались на начальном этапе эволюции Земли и при последующих геологических процессах. Природные изотопы распределены в земной коре практически равномерно, их суммарная радиоактивность составляет до 0,003 кюри на 1м³.

В одном кубическом метре Земли (1500 кг почвы), содержится примерно 2 г калия-40, 15 г тория, 5 г урана.

Один из представителей источников естественной радиации – уголь. Это вещество органической природы, подвергшееся медленному биологическому разложению растительных остатков, произраставших миллионы лет назад. Уголь содержит природные радионуклиды, в том числе долгоживущий радиоактивный изотоп калий-40.

Гамма-излучение природного фона планеты формируется присутствием в горных породах:

• тория-232;
• урана-238 и урана-235;
• калия-40.

В результате радиоактивного распада урана и тория в атмосферу поступают два инертных газа – гелий и радиоактивный радон.

Естественный радиоактивный фон атмосферы в основном формируют изотопы радона-222 и радона-220. Больше 50 % дозы изотопов радона приходится на суммарное космическое излучение, меньшая часть приходится на все остальные естественные источники.

Именно радон «ответственен» за основную часть дозы, получаемой человеком от всех природных источников радиации. Радон через поры почвы проникает в приземной слой атмосферы, откуда вымывается осадками и вновь попадает на земную поверхность.

В воздух помещений радон выделяется из строительных материалов (цемента, кирпича, щебня), поступает с водопроводной водой и бытовым газом.

Радон способен далеко перемещаться в пространстве, обладает высокой проникающей способностью. Не имеет характерного запаха и цвета, поэтому идентифицировать вещество без специальных приборов невозможно.

Уровни земной радиации на разных территориях различны, они определяются содержанием радиоактивных веществ вблизи поверхности. Основную дозу облучения (более 80 % годовой эффективной эквивалентной дозы) люди получают именно от природных источников.

Космогенные изотопы составляют незначительную долю в общей массе радионуклидов Земли. Они достаточно короткоживущие и присутствуют в земном веществе благодаря постоянно протекающим ядерным реакциям.

Около 70 % космогенных радионуклидов образуется в верхних слоях атмосферы, в тропосфере – 30 %.

Поток заряженных космических частиц («солнечный ветер») состоит:

• на 90 % – из протонов высоких энергий;
• на 9 % – из ядер гелия;
• на 1 % – из более тяжелых ядер, нейтрино.

Плотность потока частиц минимальна в экваториальных широтах. Космическое излучение наиболее интенсивно на Северном и Южном полюсах (из-за особенностей магнитного поля). В горных районах и регионах на высоте более 2 000 м над уровнем моря риск облучения живых организмов возрастает.

Антропогенные

Искусственными источниками радиации являются:

• испытательные ядерные взрывы на полигонах;
• атомные аварии и катастрофы;
• радиоактивные отходы (РАО);
• выбросы предприятий топливно-ядерного цикла, радиохимических заводов, АЭС, ТЭС, станций по дезактивации РАО;
• атомные ледоколы;
• аварии космических объектов.

В 1964 году произошло крушение американского навигационного спутника SNAP-9A, оснащенного ядерной установкой, содержащей 950 г активного плутония. В атмосфере Земли рассеялось 95 % опасного вещества.

Применение ионизирующего излучения в медицине и промышленности возрастает, увеличивается и количество отработавших радиоактивных источников, также отнесенных к категории РАО.

РАО образуются на предприятиях по:

• добыче и обогащению урановой руды;
• переработке и регенерации ядерного топлива;
• производству металлов из ртутных концентратов;
• изготовлению тепловыделяющих элементов.

Кроме того, к образованию РАО приводят вспомогательные, ремонтные работы на подобных производствах.

Комбинаты по производству оружейного плутония и вторичной переработке отработавшего ядерного топлива также вносят значительный вклад в радиационное загрязнение среды, сбрасывая малоактивные стоки в открытые природные водоемы, попутно выделяясь в атмосферный воздух.

Как дополнительный источник естественных радионуклидов, поступающих в атмосферу антропогенным путем, можно назвать добычу и переработку сырья для фосфорных удобрений. Добываемые фосфориты и апатитовая руда содержат повышенные концентрации природного урана.

Радиоизотопы широко используются в медицине при диагностике и лечении заболеваний.

Методы исследований, основанные на радиационных процессах:

• рентгенография;
• томография;
• флюорография;
• сцинтиграфия.

Добыча и переработка радиоактивного минерального сырья

Урановые рудники вносят значительный вклад в радиационное заражение среды. Отвалы пустых пород, занимающие огромные площади, являются источниками локального загрязнения воздуха и местности.

Выдуваемые ветром пыль и твердые продукты распада переносятся по воздуху на значительные расстояния. Дополнительно загрязняют среду жидкие РАО – шахтные воды, насыщенные радионуклидами.

Другой сегмент – обогатительные предприятия по гидрометаллургической переработке радиоактивных руд. При переработке рудной массы образуются так называемые «хвосты» – отходы, насыщенные радиоактивными жидкостями.

Вокруг хвостохранилища постепенно формируется постоянно действующий наземный и подземный источник распространения радионуклидов.

Кроме того, урановая руда транспортируется железнодорожным транспортом, часто с нарушениями требований, установленных к перевозке опасных веществ, что также неизбежно загрязняет атмосферу.

Ядерное топливо

В качестве топлива на АЭС используется уран-235 – единственный изотоп природного происхождения, ядро которого способно делиться под воздействием нейтронов любых энергий, в том числе и тепловых.

Процесс получения ядерного топлива включает в себя добычу и переработку руды, аффинаж и конверсию.

Переработка руды включает механическое измельчение и обогащение путем:

• гравитационного разделения;
• флотации;
• использования гидроциклонов;
• выщелачивания;
• экстракции.

В результате производства ядерного топлива образуется значительная масса жидких радиоактивных отходов.

Ядерная энергетика

АЭС

По данным Википедии, по состоянию на июль 2022 года, в 32 странах мира эксплуатируется 440 ядерных реакторов (энергоблоков) общей электрической мощностью 394 ГВт.

Основная функция ядерного реактора – поддержание непрерывной цепной реакции, которая не должна привести к взрыву.

Для этого в реакторе установлены специальные элементы:

• замедлитель;
• отражатель;
• поглотитель нейтронов.

Первый реактор был запущен в 1942 году в США. Первое советское устройство (Ф-1) запустил И.В. Курчатов в 1946 году в Москве. Это шарообразная конструкция диаметром около 6 м из графитовых кирпичей.

В графитовой кладке были устроены отверстия под топливные и регулирующие стержни, а также под исследовательские и контрольные приборы. Топливом в Ф-1 был уран-235, графит служил замедлителем, кадмиевые стержни управляли потоком нейтронов.

Защита советского реактора № 1 была примитивна и сводилась к заглублению реакторного помещения под землю. При увеличении мощности вблизи сооружения отмечался высокий радиационный фон.

При ядерных реакциях в активной зоне реактора происходит выделение радиоактивных газов:

• криптона;
• ксенона;
• радона.

Газы поступают в фильтр-адсорбер, где теряют активность и затем выбрасываются в атмосферу. В окружающую среду также поступают небольшие объемы изотопа углерода и трития.

От функционирующих АЭС в ОС поступают воды – техническая и дебалансная. Тепловыделяющие элементы (ТВЭЛ), установленные в активной зоне реактора, подвержены деформации, отчего продукты деления оказываются в теплоносителе.

Радионуклиды, образующиеся при облучении материалов реактора нейтронами – дополнительный источник радиации в теплоносителе.

Опыт эксплуатации отечественных АЭС длиной в почти в 60 лет показал, что при исправном состоянии, правильном техническом обслуживании и регулярном мониторинге состояния воздуха они практически безопасны. Радиоактивное воздействие АЭС на атмосферу остается в пределах 2 % от местного радиационного фона.

Выбросы АЭС почти на 100 % состоят из инертных радиоактивных газов – в основном, криптона и ксенона.

Менее одного процента приходится на:

• йод;
• цезий;
• кобальт;
• тритий.

В выбросах также фиксируются незначительные количества продуктов коррозии реактора.

Радиоактивное воздействие АЭС на биосферу остается в пределах 2 % от местного фона. Тем не менее, каждая АЭС представляет собой потенциально опасный объект.

В результате аварийной ситуации возможно загрязнение атмосферы:

• стронцием;
• цезием;
• рутением.

Отсюда высокие требования к обеспечению надежности атомных реакторов, а также к соблюдению жестких правил их эксплуатации, гарантирующих безаварийную эксплуатацию.

ТЭС

Тепловые электростанции несут большую опасность, чем АЭС. Сжигаемые ТЭС торф и газ содержат природные радионуклиды семейств урана и тория. Наиболее высокий радиационный фон создается в зоне ТЭС, работающих на угле и сланце.

Радионуклиды поступают в атмосферу:

• с дымовыми газами;
• во время выноса частиц угля с открытых площадок углехранилищ;
• в виде фракций стекловидной «летучей золы-уноса» с золоотвалов.

Высокодисперсная зола практически не улавливается очистными сооружениями, поэтому главным «виновником» загрязнения от эксплуатации ТЭС являются именно дымовые газы.

В продуктах сгорания микроэлементы и радионуклиды концентрируются.

Показатель концентрирования (обогащения) определяется:

• исходным содержанием радионуклидов в сырье;
• зольностью;
• технологией сжигания;
• условиями работы ТЭС.

В результате термохимических процессов самое интенсивное накопление в золе наблюдается у плутония, его концентрация увеличивается в 5-10 раз. Вещество и его соединения токсичны. Попадая в организм, плутоний накапливается в костях, вызывая их разрушение.

Выбрасываемая в воздух легкая радиоактивная зола высокоопасна из-за способности переноситься на большие расстояния и проникать в легкие человека. Тонкие фракции летучей золы также содержат тяжелые металлы и множество других опасных веществ.

Индивидуальные дозы облучения также свидетельствуют в пользу атомных станций, в районе расположения ТЭС показатели составляют 6–60 мкЗв/год, а от выбросов АЭС – 0,004–0,13 мкЗв/год.

АЭС в экологическом отношении чище ТЭС на угле только в условиях нормальной эксплуатации, обеспечения высокого уровня безопасности участков, недопущения выноса радиоактивных продуктов из технологической зоны за барьеры безопасности.

Переработка отработавшего ядерного топлива

Облученные тепловыделяющие элементы, извлеченные из реактора после окончания эксплуатации, имеют значительную накопленную активность. Переработка отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) – процесс извлечения урана, плутония и других изотопов путем химической обработки.

Задачи переработки ОЯТ:

1. Сокращение радиационной опасности топлива.
2. Безопасная утилизация неиспользуемых компонентов.
3. Выделение ценных веществ для использования.

Процессы переработки ядерного топлива представляют высокую опасность в качестве потенциальных источников радиоактивного загрязнения атмосферы.

Глобальная проблема переработки ОЯТ – огромное количество РАО, в том числе с длительными периодами полураспада.

При переработке с выбросами в атмосферу могут поступать радиоактивные аэрозоли, содержащие изотопы:

• цезия;
• криптона;
• ксенона;
• стронция;
• трития;
• радиоуглерода;
• криптона;
• радиоактивного йода;
• рутения.

Серьезное радиоактивное загрязнение наступает при отклонении от технологического процесса. В этом случае велик риск аварийных выбросов и утечек радионуклидов в окружающую среду. Накопление критической массы способно привести к ядерному взрыву.

Полигоны и ядерные взрывы

Испытания ядерного оружия оказали существенное влияние на увеличение радиоактивности атмосферы.

За несколько десятков лет 20 века в атмосферу было выброшено почти 12,5 т делящихся элементов:

• трития;
• радиоуглерода;
• цезия;
• стронция.

Наиболее известны четыре ядерных полигона:

1. Новая Земля (Россия);
2. Невада (США, Великобритания);
3. Моруроа (Франция);
4. Лобнор (Китай).

В СССР активно эксплуатировался Семипалатинский полигон. Именно на этих объектах произведено большинство экспериментальных взрывов атомных, водородных и нейтронных бомб.

Самый большой ядерный полигон СССР – полигон на Новой Земле, открытый в 1954 году. В 1961 году на этом объекте была взорвана самая мощная в мире термоядерная авиационная бомба. Первая атомная бомба была взорвана американцами в 1945 году – в пустыне Аламогордо (штат Нью-Мексико).

Ядерные заряды были взорваны в скважинах, штольнях и шахтах. Большинство подземных взрывов были камуфлетными (не сопровождались выбросом РВ в атмосферный воздух), но часть взрывов была экскавационной (с выбросом загрязненного радионуклидами грунта), когда в атмосферу поступали радиоактивные продукты, с образованием радиоактивного облака и последующим распространением РВ на большие расстояния.

Вскрытие радиоактивных полостей приводило к загрязнению бурового оборудования и грунта производственных площадок стронцием, цезием и тритием.

За время испытаний ядерного оружия в ОС поступило около 30 млн кюри цезия и 20 млн кюри стронция, что привело к повышению глобального радиационного фона. Основная масса радионуклидов, выброшенных в атмосферу, осела на поверхность земного шара, часть была смыта в Мировой океан.

Огромные территории превратились атомными взрывами в мертвые зоны, которые не могут использоваться в обозримом будущем. Полигоны часто использовались для захоронения РАО. В России в гигантский могильник превращен архипелаг Новая Земля, а также прилегающие к нему акватории Северного Ледовитого океана.

При выпадении продуктов взрыва и загрязненных осадков по следу движения радиоактивного облака наблюдается радиоактивное заражение местности. Территории остаются зараженными до полного полураспада изотопов, на что может потребоваться несколько сотен лет.

По этой причине проводятся мероприятия по изолированию таких зон, а иногда и целых населенных пунктов. Ситуация часто осложняется тем, что активные радионуклиды, поступая из атмосферы в почву и водоемы, распространяются на новые территории.

Коротко о ядерном взрыве

Ядерный взрыв – освобождение большого количества энергии в ограниченном объеме за короткий промежуток времени.

Грандиозный по масштабам и разрушительной силе взрыв происходит при:

1. Высвобождении ядерной энергии.
2. Быстро развившейся цепной реакции деления тяжелых ядер урана или плутония.
3. Термоядерной реакции синтеза ядер гелия из более легких ядер.

При взрыве образуется грандиозное облако радиоактивной пыли. Мощная взрывная волна распространяет частицы во всех направлениях, поднимая их на высоту 30 км.

В первые часы осаждаются крупные фракции, частицы меньшего размера – в течение 5 суток, а мелкодисперсная масса потоками воздуха переносится на тысячи километров и осаждается на поверхность земного шара в течение многих лет.

После ядерного взрыва продукты распада образуют на поверхности и объектах след радиоактивного загрязнения.

Территория, подвергнутая радиационному воздействию при взрыве, условно делится на две зоны:

• район взрыва;
• след облака.

След облака состоит из четырех зон загрязнения:

1. Зона А – умеренного загрязнения. Площадь составляет 70-80 % площади всего следа.
2. Зона Б – сильного загрязнения. На долю этой зоны приходится примерно 10 % площади радиоактивного следа.
3. Зона В – опасного загрязнения. Участок занимает примерно 8-10 % площади следа.
4. Зона Г– чрезвычайно опасного загрязнения.

Каждый взрыв сопровождается образованием:

• значительного количества продуктов деления – радионуклидов (до 70 видов);
• продуктов активации конструкционных материалов и среды (наведенная активность материалов);
• остатков непрореагировавшего ядерного горючего.

Спустя час после взрыва в атмосфере фиксируется уже до 130 радионуклидов:

• стронций-90;
• иттрий-90;
• цирконий-95;
• ниобий-95;
• изотопы рутения;
• родий-106;
• сурьма-125;
• цезий-137.

30 % радионуклидов имеют период полураспада до 1 часа, 26 % – до 24 часов, 32 % – от суток до года, 5 % – свыше 1 года.

Атмосферные взрывы сопровождаются появлением огромного шара, сформированного испарившимся веществом. По мере охлаждения радиоактивные газы конденсируются с образованием частиц.

При взрывах вблизи поверхности Земли в состав радиоактивного облака присутствуют испарившиеся фракции грунта и множество оплавленных минеральных частиц с радионуклидами на поверхности. Образовавшиеся во время радионуклиды со временем выпадают из атмосферы на земную поверхность.

Выпадения бывают:

1. Локальные. В их составе – частицы > 10 мкм. Присутствуют в атмосфере от нескольких часов до нескольких суток. Выпадения ограничены узким шлейфом радиоактивного облака, распространяются на тысячи километров и наиболее быстро вымываются из атмосферы осадками.
2. Тропосферные. Их составляют более мелкие аэрозоли (1-10 мкм) со средним периодом полувыведения до 30 суток. За месяц тропосферные выпадения успевают обогнуть земной шар. В аэрозолях присутствуют радионуклиды с периодом полураспада > нескольких дней. Распространение выпадений по широте составляет до 15-20°.
3. Стратосферные (глобальные). Стратосферный резервуар считается своеобразным «депо» для радиоактивных аэрозолей микронного и субмикронного размера — выпадения состоят из частиц < 1 мкм. После перемещения в стратосферу изотопы быстро рассеиваются по всему полушарию. Интенсивность весенних глобальных выпадений радионуклидов в несколько раз выше среднегодового показателя. Состоят из наиболее долгоживущих радионуклидов (стронций-90, цезий-137, радиоуглерода, трехатомного водорода). На Землю поступают с осадками или при сухом осаждении. Период полувыведения – несколько лет.

При подземных ядерных взрывах без выброса грунта радионуклиды практически не выходят на поверхность. Только изотопы криптона и ксенона диффундируют по трещинам и поступают в атмосферу.

Аварийные выбросы, техногенные катастрофы

Серьезную опасность радиоактивного загрязнения атмосферы представляют радиационные аварии.

Наиболее крупные атомные аварии прошлого века:

• на атомной станции в Великобритании;
• дважды на хранилищах ПО «Маяк» в Челябинской области (1957 и 1967);
• на американской атомной станции Три-Майл-Айленд;
• на 4 блоке Припятской АЭС (1986), находящейся в 18 км от Чернобыля.

Радиационная авария – потеря управления источником ионизирующего излучения при наступлении определенных обстоятельств, которая привела к получению людьми доз выше предельных норм или к радиоактивному загрязнению ОС.

В 1978 году авария советского спутника «Космос-954» стала причиной поступления в ОС продуктов деления из бортового атомного реактора – в верхних слоях атмосферы было рассеяно 37,1 кг отработавшего ядерного топлива.

Причинами аварийных ситуаций могут быть:

• неисправность оборудования;
• неправильные действия персонала;
• стихийные бедствия;
• иные причины.

Глобальный повышенный радиационный фон России сформировался в результате проводившихся ядерных испытаний, радиоактивных выбросов после аварии на Чернобыльской АЭС и двух катастроф на военном ПО «Маяк».

На ПО «Маяк» произошла утечка РАО, захороненных в «бессточном» озере, радиоактивные вещества загрязнили 23 тыс. км2 почвы.

Загрязнение атмосферы произошло в результате разноса ветром радиоактивной пыли с берегов и обнажившегося после засухи дна озера. К зонам радиоактивного загрязнения отнесено 14 российских регионов.

На предприятиях по обогащению природного урана и изготовлению ядерного топлива выход радионуклидов за границы СЗЗ возможен в результате самопроизвольной цепной реакции или взрывов и пожаров на производственных участках.

Основная масса радиоактивных веществ образуется и находится в ядерном топливе, внутри герметичных трубок тепловыделяющих элементов реактора. В каждом реакторе накапливаются десятки миллионов кюри продуктов деления урана.

РВ могут выйти за пределы АЭС при последовательном повреждении нескольких барьеров:

1. Нарушение охлаждения и повреждение трубок с ураном.
2. Повреждение оборудования или трубопроводов первого контура реакторной установки.
3. Нарушение герметичности корпуса реактора.

Главное техническое средство защиты атмосферы от выбросов радиоактивных изотопов при авариях на АЭС – защитная оболочка ядерного реактора и аварийные вентиляционные системы. Существует множество конструкций оболочек, в основном снабженных орошающими системами для охлаждения и конденсации паров воды и предотвращения ядерных реакций.

К самым опасным последствиям аварии на реакторе АЭС приводит расплавление его активной зоны, содержащей ядерное топливо в цилиндрических стержнях из сплава циркония. При высоких температурах вода (теплоноситель) начинает взаимодействовать с цирконием.

Давление внутри защитной оболочки реактора будет увеличиваться от испарения воды и за счет образования водорода. В результате может наступить разрыв защиты и выброс в атмосферу большой массы радиоактивных веществ.

При авариях на ядерных реакторах наиболее опасны выбрасываемые из реактора газоаэрозольные смеси, содержащие как коротко, так и долгоживущие радионуклиды, образующиеся при делении ядерного горючего.

Поднимаясь на высоту до 1,5 км и более, распространяясь воздушным потоком на значительные расстояния и выпадая затем на поверхность, РВ загрязняют тысячи квадратных метров морей и суши.

Радиоактивное заражение после аварийной ситуации на АЭС будет сохраняться дольше, чем при наземном ядерном взрыве. При этом площадь зараженной поверхности (при небольшой высоте аварийного выброса) будет в десятки раз меньше.

Радиоактивные отходы

Ядерные технологии сопровождаются образованием радиоактивных отходов – наиболее опасных для ОС. К РАО относятся твердые, жидкие и газообразные вещества, содержащие радионуклиды в количествах, превышающих установленные предельные значения, непригодные для дальнейшего использования.

РАО образуются на всех стадиях ядерного цикла: 

• при добыче и переработке урановой руды;
• при производстве и использовании ядерного топлива;
• после регенерации отработавшего ядерного топлива;
• при выводе из эксплуатации ядерных объектов;
• при использовании радионуклидных источников в промышленности, медицине, сельском хозяйстве.

Кроме того, РАО образуются на атомных электростанциях, в ядерных реакторах морских судов и подводных лодок.

Хранилища РАО размещаются глубоко под землей. Радионуклиды выделяют большое количество тепла, поэтому за объектами ведется постоянное наблюдение. Для повышения безопасности жидкие высокоактивные РАО трансформируют в твердые инертные вещества. В зонах расположения полигонов для захоронения РАО вводятся ограничения пользования недрами.

В России накоплено около 500 миллионов кубометров РАО. Большая масса отходов сосредоточена в Теченском каскаде водохранилищ, в донных отложениях. Это место находится недалеко от печально известного ПО «Маяк» в Озерске.

Атомный флот

При эксплуатации атомного флота образуются жидкие РАО – отработанная при охлаждении реакторов вода, которую просто сливают в Северный Ледовитый океан и некоторые моря.

Самыми радиационно опасными считаются базы подводных лодок, объекты переоборудования и ликвидации боевых ракет атомных подводных лодок.

Атомные суда терпят аварии и погружаются на дно океана вместе с реакторами и ядерными зарядами. В результате Мировой океан загрязнен затопленными реакторами подводных лодок, причем иногда даже с невыгруженным ядерным топливом.

В 1989 году у берегов Норвегии потерпела крушение подводная лодка «Комсомолец», в результате чего на дне Норвежского моря на глубине 1885 метров лежат ядерные боеголовки и реактор с обогащенным ураном.

Подъем лодки невозможен, поэтому радиационная обстановка на норвежском побережье (в том числе и состояние атмосферного воздуха) постоянно изучается.

Оружие, суда и самолеты с обедненным ураном

В 90-х обедненный уран стал дополнительным источником радиоактивного загрязнения атмосферы в зонах локальных военных конфликтов в:

• Персидском заливе;
• Боснии и Герцеговине;
• Сербии;
• Ираке.

Вещество идеально для изготовления бронебойных боеприпасов и усиленной брони. Оно является очень плотным металлом, обладает высокой температурой плавления (1132 °С), способно к самовоспламенению на воздухе при отсутствии нагрева, обладает высоким показателем прочности на разрыв.

При столкновении боеприпаса с мишенью пыль обедненного урана рассеивается в атмосфере, Микроскопические частицы долго «висят» в воздухе и разносятся ветром на десятки километров.

Главная опасность для человека связана не с радиоактивностью вещества, а с его химической токсичностью. Однако уран, полученный при переработке облученного ядерного топлива из ядерных реакторов, содержит множество трансурановых радионуклидов:

• плутония;
• америция;
• нептуния;
• технеция,

что не может не повлиять на здоровье.

Последствия для биосферы

Поступление радиоизотопов в атмосферу приводит к локальным и глобальным радиоактивным загрязнениям биосферы.

При снижении массы радионуклидов в атмосфере отмечается их накопление в:

• гидросфере;
• почве;
• экосистемах.

Эволюция человека и животных и человека протекала в стабилизированных радиационных условиях. Дозовое воздействие было сравнимо с естественным уровнем радиоактивности наших дней.

Антропогенное изменение радиоэкологической ситуации произошло за несколько десятков лет прошлого века. В биосфере появилось большое количество природных и искусственных делящихся элементов. Радиоактивные вещества, включаются в биосферный круговорот, попадая в воздух, почву и воду, накапливаясь в растениях.

Наиболее интенсивно распространяются:

• тритий;
• стронций;
• цезий;
• радиоуглерод;
• радиоизотопы иода, фосфора, серы, калия;
• радионуклиды семейств урана и тория.

По пищевым цепям вместе с продуктами питания изотопы поступают в ткани и органы животных и человека, приводя к внешнему и внутреннему облучению.

При радиоактивном загрязнении атмосферы и экосистемы в целом отмечаются качественные изменения организмов, в частности, снижение популяции радиочувствительных видов и разнообразия видов из-за трансформаций в системе воспроизводства.

В вопросе экологических последствий радиационного загрязнения биосферы «образцом» служит Чернобыльская катастрофа. Радионуклидным загрязнением, хоть и неравномерно, но охвачена территория радиусом более 2000 км.

Практически навсегда утрачены огромные сельскохозяйственные площади, обширная сеть водоемов. С 1986 года резко возросло число детей с врожденными пороками развития, патологиями всех систем организма, резко возросла заболеваемость раком щитовидной железы. Эта катастрофа – масштабная модель глобального экологического кризиса.

В результате Чернобыльской аварии высокую дозу облучения получили жители 16 населенных пунктов, расположенных в радиусе 30 км от эпицентра.

Радионуклиды с воздухом попадают в организм и поражают жизненно важные органы.

Излучения радиоактивных веществ:

• ослабляют облученный организм;
• замедляют рост;
• снижают сопротивляемость к инфекциям и иммунитет;
• уменьшают продолжительность жизни;
• сокращают показатели естественного прироста из-за временной или полной стерилизации;
• поражают гены, проявляясь во втором или третьем поколениях;
• оказывают кумулятивное (накапливающееся) воздействие, вызывая необратимые эффекты.

Наиболее опасно для человека гамма-излучение, трансформирующее структуру липидов, белка и ДНК.

Биологическая опасность атмосферных изотопов зависит от того, в каком они состоянии – атомарно-дисперсном или в виде аэрозолей. Кроме того, важна дисперсность аэрозоля, на котором адсорбирован радионуклид — частицы от 20 мкм и выше задерживаются в верхних дыхательных путях, а более мелкие достигают легких.

Определение дисперсности радиоактивных аэрозолей важно для оценки поглощенной дозы – от этого зависит степень облучения органов и тканей.

Радиоактивные вещества поступают в организм контактным путем (внешнее облучение) или воздушно-капельным путем, а также по пищевой цепи (внутреннее облучение).

Средняя доза ионизирующего облучения человека формируется следующим образом:

• на 28 % – искусственными источниками (медицинские процедуры – 26 %), из них радиоактивные осадки – 1,7%, атомная энергетика – 0,3 %;
• на 72 % – естественными источниками.

Радионуклиды, оказавшиеся внутри живого организма, называются инкорпорированными. Присутствуя в органах и тканях, радионуклиды создают внутреннее облучение. На величину поглощенной дозы влияют вид и энергия ионизирующего излучения, испускаемого радионуклидами.

Сразу после облучения большими дозами возникают соматические (детерминированные) эффекты:

• острая и хроническая лучевая болезнь – сложный комплекс изменений всего организма;
• локальное лучевое повреждение (катаракта, поражение кожи);
• нарушение репродуктивных функций.

При этом тяжесть эффекта определяется дозой.

Для лучевого поражения характерны реакции, приводящие к изменению функций, структур органов и систем всего организма:

• нарушение в клеточных мембранах;
• сбой метаболических процессов в клетках;
• торможение клеточного деления;
• нарушение процессов кроветворения;
• поражение хромосомного аппарата и других, что приводит к изменению функций и структур органов, систем и реакции всего организма.

Другие соматические эффекты носят стохастический (случайный) характер.

Это:

• понижение сопротивляемости к инфекциям;
• сокращение продолжительности жизни;
• возникновение опухолей, лейкозов.

Эффекты проявляются спустя время только в будущих поколениях, причем могут возникнуть только у части облученных.

Генетическое воздействие на половые и зародышевые клетки становится причиной наследственного материала, проявляясь только у будущих поколений.

В итоге возникают хромосомные перестройки, а также генные мутации, индикаторами которых становятся:

• изменение соотношений полов при рождении;
• частота появлений врожденных пороков развития;
• число новорожденных, их смертность.

Таким образом, радиоактивное загрязнение атмосферы и биосферы в целом не только действует моментально, вызывая ранние острые повреждения, но и способствует проявлению отдаленных эффектов:

• генетических;
• канцерогенных;
• тератогенных (вызывающих нарушение процесса эмбрионального развития).

Пути решения

Научный и технологический прогресс не остановить, поэтому важно комплексно минимизировать их опасные последствия.

Радиационный контроль

Для обнаружения радиоактивных элементов в атмосферном воздухе должны проводиться измерения радиоактивного излучения в районе расположения радиационного объекта. Радиационный контроль (дозиметрический и радиометрический) – получение информации о радиационной обстановке на объекте, в окружающей среде, а также об уровнях облучения людей.

Радиационный контроль и достоверность данных о радиационной обстановке позволяет принимать оперативные решения по снижению уровня облучения людей и при нормальной эксплуатации объекта, и в случае аварии.

Разработка систем наднационального контроля за распространением радиоактивных загрязнений, а также о свойствах загрязнения РВ в реальном времени – приоритетная задача космического мониторинга.

Методы дистанционного зондирования следов радиации разделяются на:

1. Прямые, фиксирующие интенсивность и спектр радиоактивности объекта.
2. Косвенные, фиксирующие изменение ОС от воздействия излучения.

Российские ученые считают наиболее перспективными для разработки методов мониторинга:

1. Биоиндикацию. Биота реагирует на радиоактивное загрязнение, что приводит к изменению цветности водоемов или растений. Эффект может быть зарегистрирован путем спектрозональной съемки.
2. Способ малых газовых составляющих. Реакции ионизированной атмосферы изменяют концентрации компонентов газов. Зафиксировать событие можно с помощью ИК-радиометрии.
3. Ионосферный отклик. В результате ионизации атмосферы электрические характеристики в цепи тропосфера-ионосфера меняются. Возмущения регистрируются с помощью бортового ионозонда.
4. Нейтральный кластер. Во влажной атмосфере, подверженной радиации, появляется радиоизлучение, которое фиксируется радиоспектрометрами.
5. Латентное тепло. Ионизирующее излучение в приземном слое в зоне выброса РВ приводит к резкому уменьшению влажности воздуха.

Обращение с РАО

При захоронении РАО предъявляются жесткие требования к геологическому пространству, чтобы изолировать отходы от биосферы.

Конкретные геологические участки под захоронение РАО оцениваются с учетом различных критериев:

1. Геологический – присутствие водоупорных пластов, сорбционных пород выше уровня объекта.
2. Геотектонический – районы с наименьшей вероятностью аварийных сценариев из-за землетрясений (исключаются сейсмоопасные территории).
3. Гидрогеологический – минимум неопределенности в миграции радионуклидов с грунтовыми водами.

Для предотвращения утечек РВ в атмосферу применяются различные методы фильтрации, изоляции и обезвреживания РАО:

• герметизация технологических процессов, связанных с образованием зараженных аэрозолей;
• централизованный сбор, хранение и обезвреживание РАО;
• организация СЗЗ, зон наблюдения и радиационного контроля.

Обезвреживание выбросов, содержащих радионуклиды

Для очистки воздуха от РВ применяются различные способы абсорбции и фильтрации, а также выдержка во времени.

На АЭС очистку загрязненного РВ воздуха ведут раздельно от аэрозолей и йода (и его соединений). Аэрозоли улавливаются волокнистыми фильтрами, а йод – фильтрами с активированным углем.

Таким образом, система очистки воздуха от радионуклидов наиболее эффективна, если состоит из трех блоков:

1. Аэрозольный фильтр.
2. Угольный адсорбер.
3. Аэрозольный фильтр для улавливания частиц, источник которых – активированный уголь.

Заключение

Радиационная обстановка в России определяется глобальным радиоактивным фоном, созданным загрязненными территориями в результате Кыштымской и Чернобыльской аварий, разработкой месторождений урана, эксплуатацией АЭС, атомного флота и хранилищ РАО, а также аномальными зонами с природными источниками радионуклидов.

Полностью устранить последствия радиационного воздействия невозможно. Чтобы предупредить человека и экосферу от заражения, предпринимаются меры по сохранению уровня радиоактивного загрязнения в пределах допустимых значений.

Чтобы уровень загрязнения оставался в безопасных пределах, ограничивается выброс радиоизотопов в атмосферу, изолируются зараженные зоны, минимизируются области распространения радиации.