Загрязнение атмосферы радиоактивными веществами

Испытания ядерного оружия

Другим источником радиоактивного загрязнения атмосферы являются испытательные взрывы ядерного оружия. Они могут быть двух типов:

1) основанные па процессах расщепления, в котором используются U235 или Ри239;

2) основанные па реакциях соединения, в которых используют ся легкие ядра (водород или литий).

Ядерный взрыв представляет собой неконтролируемую цепную реакцию, в ходе которой возникает очень интенсивный поток нейтронов, способный навести радиоактивность на всю окружающую среду. Радиоактивные продукты, образующиеся при взрыве, состоят из оставшихся неиспользованными взрывчатых веществ (U235 и Ри239), продуктов расщепления, возникающих из этих веществ (Sr⁹⁰, Cs¹³⁷, J¹³¹ и т. п.), и продуктов активации, образующихся из элементов, присутствующих в почве и воде (Са45, Na24), под влиянием бомбардировки нейтронами.

Сила взрыва и сопровождающий его значительный подъем температуры превращают эти радиоактивные вещества в газы и переносят их в высокие слои атмосферы в виде более или менее топко размельченных частиц. Загрязнения поднимаются на большую высоту при взрыве водородной бомбы, основанной на синтезе, чем атомной, основанной на расщеплении. Немедленным результатом взрыва является, таким образом, первичное загрязнение атмосферы в данном районе. После этого возникает вторичное загрязнение вследствие выпадения радиоактивных осадков. Размер территории, загрязняемой частицами радиоактивных веществ, варьирует в зависимости от высоты, на которую они были подняты взрывом, и от размеров частиц. В конце концов они оседают или увлекаются вниз дождевыми каплями и покрывают поверхность земли. Таким образом, возникают загрязнения в районах, более или менее отдаленных от места взрыва. Время их появления зависит от типа и силы бомбы. Спустя определенное время после взрыва основными остающимися загрязнениями являются Sr⁹⁰ и Cs¹³⁷.

Количественный и качественный аспекты загрязнения

Важность радиоактивных загрязнений определяется тон опасностью, которая возникает в результате поступления их в атмосферу. Эта опасность зависит не только от общего уровня загрязнении, по и от токсичности радиоактивных веществ. Кроме того, необходимо принимать в расчет область распространения их, а также частоту, с которой эти загрязнения попадают в атмосферу.

Уровень радиоактивных загрязнений атмосферы

С количественной точки зрения следует учитывать как общее количество содержащегося в атмосфере радиоактивного материала, выраженное в кюри, так и концентрацию его в единице объема воздуха, выраженную, например, в кюри на кубический метр. Очевидно, общее количество присутствующих в атмосфере радиоактивных веществ может быть весьма высоким и в то же время безопасным, если удельная активность в единице объема воздуха сохраняется на достаточно низком уровне. Этот принцип лежит в основе метода рассеивания, используемого для контроля загрязнений атмосферы. Поэтому сравнительно большие количества радиоактивных веществ, выбрасываемых высокими трубами ядерных реакторов, приводят лишь к незначительному повышению концентрации и в непосредственно примыкающем районе. С другой стороны, в шахтах, где объем воздуха крайне ограничен, даже небольших количеств радиоактивных материалов уже достаточно для создания опасной концентрации.

Токсичность радиоактивных загрязнений

Ни общее количество радиоактивных материалов, попавших в атмосферу, ни концентрация их в единице объема воздуха сами по себе не определяют возникающей опасности, поскольку токсичность различных радиоактивных изотопов варьирует в широких пределах. Поэтому загрязнение атмосферы редкими газами (например, А41), которые являются бета- и гамма-излучателями, не представляет собой серьезной опасности даже при значительной активности, тогда как загрязнение альфа-излучателями (дочерними продуктами радия или плутония) может явиться опасным уже в очень низкой концентрации. Это объясняет, почему загрязнение воздуха в лабораториях, в которых обрабатываются продукты расщепления, представляет намного меньшую опасность, чем в рудниках и предприятиях, занятых очисткой урана и плутония. Опасность еще более снижается в лабораториях при работе с коротко живущими, радиоактивными изотопами, такими, как Р32 или Jl3.

Область загрязнения

Даже зная концентрацию радиоактивных веществ в атмосфере и их токсичность, все еще невозможно дать окончательную оценку опасности, возникающей при загрязнении атмосферы радиоактивными веществами. Важным фактором является размер загрязненной области. Очевидно, чем большее число лиц подвергается действию загрязнений, тем большая опасность угрожает здоровью населения. Как мы увидим позднее, максимально допустимые уровни радиоактивных загрязнений атмосферы различны для работающих в зоне действия этих загрязнений и для широких слоев населения, поскольку определенная опасность, например, в отношении генетических мутаций, возрастает с увеличением числа лиц, подвергающихся действию радиации.

Размеры области загрязнения атмосферы можно подразделить следующим образом.

Локальное загрязнение. Загрязнение ограничено областью, непосредственно окружающей место выброса радиоактивных веществ в атмосферу. Примерами являются галереи рудников, металлургические лаборатории, производящие уран и плутоний, и лаборатории, где работают с радиоактивными изотопами в газовой фазе. Действию загрязнений подвергаются только работающие па этой территории, т. е. незначительное число людей. В этом заключается одна из причин, почему разрешается работа в таких условиях, если предприняты соответствующие меры предосторожности.

Региональное загрязнение. Этот термин употребляется для обозначения загрязнений, выходящих за пределы ближайшего окружения промышленных предприятий. Обычно имеется в виду территория с радиусом в несколько километров. Примерами являются атомные станции и предприятия, производящие радиоактивные изотопы. Высота фабричных труб рассчитана на такое рассеяние радиоактивности, которое оказалось бы достаточным для того, чтобы конечная концентрация радиоактивных загрязнений не превысила опасный уровень. В этих случаях воздействию загрязненной атмосферы подвергаются не только рабочие ядерных предприятий, но и население окружающего района. Чаще всего число лиц, подвергающихся такому воздействию, не превышает нескольких тысяч, а вторичное загрязнение почвы, растений и животных наблюдается только на ограниченной территории. Тем не менее возможность регионального загрязнения атмосферы всегда необходимо учитывать в районе расположения ядерного реактора.

Общее загрязнение. Использование атомной энергии в мирных целях может привести только к общему загрязнению атмосферы в результате аддитивного эффекта ряда источников регионального загрязнения при значительном расширении использования атомной энергии. С другой стороны, атмосферные загрязнения, в результате испытательных взрывов ядерного оружия, не только охватывают чрезвычайно большие районы, окружающие место взрыва, но обнаруживаются в любой точке земного шара. Радиоактивные осадки, состоящие главным образом из Sr⁹⁰ и Cs¹³⁷, встречаются в течение длительного периода после взрыва па обширных территориях и включаются в пищевую цепь. Таким образом, в данном случае наибольшая опасность связана скорее с большой протяженностью зараженного района, нежели со степенью активности, которая в данном случае оказывается довольно низкой.

Частота и продолжительность загрязнения

Загрязнение атмосферы редко может быть постоянным или регулярным. В большинстве случаев имеются значительные колебания, в виду этого различают продолжительный, периодический и случайный виды загрязнения.

Продолжительное загрязнение. Большинство уже рассмотренных процессов, где бы они не совершались - па урановых рудниках, ядерных реакторах, химических или металлургических предприятиях - сопровождаются продолжительным загрязнением атмосферы. В некоторых случаях можно наблюдать постоянное загрязнение, например в процессе работы ядерных реакторов, имеющих закрытую циклическую систему охлаждения, происходят небольшие потери теплоносителя, что приводит к постоянному загрязнению атмосферы. Загрязнение, возникающее при некоторых других видах работы с радиоактивными веществами, хотя и является продолжительным, но может подвергаться большим колебаниям. Например, в урановых или ториевых рудниках степень загрязненности воздуха значительно изменяется в зависимости от того, открывается ли новая галерея, увеличивается ли доступ воздуха или просто удаляется руда. При таких условиях часто трудно правильно оценить средний уровень радиоактивных загрязнений за данный период.

Случайное загрязнение. Работники общественного здравоохранения сталкиваются не только с продолжительным загрязнением атмосферы, возникающим при обычном ходе работы с радиоактивными веществами, а также и с возможностью случайного загрязнения, причиной которого является нарушение технологических процессов на данном предприятии. Хотя на урановых рудниках возможность таких случаев практически исключается, ее необходимо предвидеть при химических и металлургических работах и в особенности па ядерных реакторах. Действительно, повреждение закрытой циклической системы охлаждения в ядерном реакторе может привести к внезапному массивному загрязнению атмосферы продуктами активации, образующимися в охладителе. Однако активность освобождающихся радиоактивных веществ относительно низка, и они обычно оказываются не очень токсичными. Более серьезные случаи могут возникнуть при загорании ядерного топлива. Это приводит к загрязнению очень токсичными радиоактивными изотопами, такими, как плутоний и продукты деления. Более того, само количество освобождающегося радиоактивного материала весьма значительно, что создает условия для загрязнения атмосферы над обширной областью вокруг предприятия. Эту возможность необходимо учитывать при выборе места для строительства ядерных реакторов. Эта проблема приобретает еще большее значение в будущем, когда получат распространение небольшие реакторы, которые можно будет использовать в качестве ядерных двигателей па транспорте.

Периодическое загрязнение. Оно может возникать в результате отдельных экспериментов или испытаний, например при использовании радиоактивных меток в железо- и сталеплавильной промышленности, или в сельском хозяйстве. Опасность такого загрязнения определяется частотой, с которой возникают случаи выпуска радиоактивных веществ в атмосферу. Это относится также и к испытаниям ядерного оружия, однако в этом случае загрязнение будет "периодическим" лишь поблизости от места взрыва. Несмотря на то что испытательные взрывы проводятся с интервалами, общее загрязнение атмосферы носит постоянный характер вследствие выпадения долгоживущих радиоактивных изотопов. При этом в зависимости от метеорологических условий и в особенности от удельного веса осадков могут наблюдаться известные колебания уровня радиоактивных загрязнений.

Судьба радиоактивных загрязнителей, присутствующих в атмосфере

Важно изучить судьбу радиоактивных загрязнителей помере их поступления в атмосферу, поскольку от этого в конечном счете зависит их влияние на здоровье человека и состояние окружающей его среды. Последовательность изменений определяется как внутренними факторами, связанными с природой загрязняющих веществ, так и с внешними факторами, зависящими от состояния среды, в которую поступают загрязнения.

Внутренние факторы

Свойства радиоактивных загрязнений можно подразделить на две главные группы: физико-химические свойства и специфические радиоактивные свойства.

Физико-химические свойства. В каждый вид радиоактивного загрязнения входит носитель радиоактивности, обладающий определенными физическими и химическими свойствами.

Этот носитель может быть в различном физическом состоянии и состоять либо из единичных атомов, если это редкий газ, либо из молекул более или менее сложных химических соединений, либо из больших агрегатов молекул - частиц. Особый интерес представляют две физические формы носителя, а именно газообразная и корпускулярная. Радиоактивные газы и пары очень легко поступают в легкие человека, а оттуда диффундируют в кровь. Взвешенные в воздухе частицы могут иметь форму аэрозолей с жидкой или твердой дисперсной фазой. Очевидно, что способность этих аэрозолей подвергаться любым физическим процессам, таким, как диффузия, седиментация, абсорбция или адсорбция, будет обусловливаться определенными свойствами, связанными с дисперсным состоянием, в особенности с размером частиц.

Химическая природа радиоактивного вещества также влияет на судьбу радиоактивного элемента, более или менее временным носителем которого оно является. В ходе последовательных химических реакций окончательный вид носителя определяется преимущественно химическим сродством радиоактивного элемента. Однако часто внимание уделяется только этому химическому сродству, тогда как в действительности по крайней мере не меньшее значение имеют и другие свойства носителя, особенно его растворимость. Судьба Р32, например, может быть совершенно различной в зависимости от того, присутствует ли он в виде коллоидального, нерастворимого или растворимого фосфата.

Радиоактивные свойства. Они определяют судьбу радиоактивного изотопа только па вторичной стадии. Главными чертами являются распад радиоактивного изотопа и сопровождающее его излучение.

Вообще говоря, распад радиоактивных элементов подчиняется экспоненциальному закону. Каждый радиоактивный изотоп имеет характерную константу распада, которая обычно выражается периодом полураспада, т. е. временем, необходимым для того, чтобы распалась половина наличного и данный момент количества атомов элемента. Период полураспада может колебаться от нескольких секунд до сотен тысяч лет. Отсюда следует, что в случае загрязнения атмосферы радиоактивными изотопами, имеющими короткий период полураспада, радиоактивность ее быстро снижается (если, конечно, не будет нового загрязнения), тогда как при загрязнении долгоживущими изотопами радиоактивность атмосферы при прочих равных условиях может сохраняться практически неизменной. Радиоактивные элементы могут испускать три типа излучений: альфа-лучи, несущие положительный заряд, бета-лучи, несущие отрицательный заряд, и электромагнитные гамма-лучи. Энергия этих излучений может варьировать от очень малых значений до нескольких миллионов электрон-вольт. Влияние на живые организмы во многом определяется видом излучения, особенно его проникающей способностью, которая мала для альфа-лучей, умеренна для бета-лучей и очень высока для гамма-лучей.

Факторы окружающей среды

Судьба радиоактивных загрязнений определяется также окружающими условиями. Последние можно подразделить на две группы, а именно специфические атмосферные условия и условия, создаваемые экологическими факторами.

Атмосферные условия. Для того чтобы определить, каким изменениям подвергнется загрязнение атмосферы, необходимо знать атмосферные условия. Эти условия определяют скорость диффузии радиоактивных загрязнений, турбулентность, которой они подвергаются, скорость седиментации и отложения их. Атмосферные условия особенно сказываются на размере территории распространения загрязнений и на однородности их концентрации. Эти условия удобно рассматривать, подразделив их на две группы: 1) ограниченные пространства, например, в производственных помещениях и открытая атмосфера.

1) Ограниченные пространства. Для того чтобы определить каким изменениям может подвергнуться радиоактивное загрязнение воздуха в каком-либо помещении, необходимо предварительно выяснить воздушный режим в данном ограниченном пространстве застой воздуха, число обменов, турбулентность). Существуют большие различия в судьбе радиоактивных загрязнений атмосферы в химических лабораториях с их относительно неподвижным воздухом, в зданиях металлургических заводов, с их многократными обменами, штреках урановых рудников, где воздух характеризуется высокой турбулентностью. В химической лаборатории условия благоприятны для оседания загрязнений на пол и степы, тогда как в условиях рудничных штреков сильная турбулентность воздуха препятствует оседанию, и частицы загрязнений удерживаются во взвешенном состоянии.

2) Открытая атмосфера. В открытой атмосфере решающим фактором являются метеорологические условия, особенно скорость и направление ветра, влажность и градиенты температуры. Влияние этих условий на региональное и общее загрязнения рекомендуется рассматривать в отдельности.

Изменения радиоактивного загрязнения атмосферы в окружности ядерного реактора определяются региональными, т.е. микроклиматическими условиями. Особенно важно иметь точные данные о преобладающих направлениях ветров и частоте температурных инверсий. При выборе мест для строительства атомных установок па основе указанных метеорологических факторов необходимо определять степень опасности для местного населения от постоянного или случайного радиоактивного загрязнения воздуха.

С другой стороны, при изучении общего загрязнения атмосферы, вызываемого испытательными взрывами ядерного оружия, необходимо учитывать климатические условия глобального характера. Распространение радиоактивных продуктов в верхние слои стратосферы совершается по обычным законам диффузии; переход их из стратосферы в нижние слои атмосферы совершается в соответствии с законами, которые еще до конца не ясны. Судьбу радиоактивных загрязнений, особенно в связи с выпадением дождей, можно изучить лишь в нижних слоях, где любые сдвиги в атмосфере хорошо известны.

Экологические условия. Радиоактивное загрязнение атмосферы неизбежно приводит и к радиоактивному загрязнению биосферы. Заражение биологических объектов может происходить прямым или косвенным путем.

Многие живые организмы могут заражаться непосредственно путем вдыхания воздуха, загрязненного радиоактивными веществами. Это относится ко всем животным, которые дышат воздухом, и к людям. Загрязнение, возникающее таким путем, характеризуется том, что вторичная концентрация радиоактивных веществ внутри организма зависит лишь от избирательной способности органов фиксировать те изотопы, которые обнаруживают особое сродство к ним. Кроме исключительных случаев, достигаемая при этом концентрация радиоактивности в организме сравнительно низка.

В случае косвенного загрязнения радиоактивные вещества могут проходить весьма сложный путь, включаясь в пищевую цепь. Атмосферные загрязнения оседают, образуя отложения загрязнений па земле или на поверхности воды. Радиоактивные вещества более или менее глубоко проникают в почву, которая может служить, хотя бы временно, фильтром радиоактивности. С другой стороны, вода, будучи вторично загрязненной, является обычно средой, в которой легко распространяется радиоактивность.

Эти загрязнения попадают в организм животных и растений, которые извлекают из почвы и воды питательные вещества. При этом судьба загрязнений будет зависеть от биологического цикла, свойственного каждому организму, а также от последовательного обмена радиоактивными веществами между растительными видами и животными. По ходу этих процессов в некоторых организмах возникает вторичная, часто весьма высокая концентрация радиоактивных веществ. Так, удельная радиоактивность водорослей легко может превысить радиоактивность окружающей их воды в 1000 раз, а для планктона это превышение может составить 5000 раз. Очевидно, концентрация радиоактивных загрязнений в теле животных, живущих в воде и питающихся этими организмами, может еще более возрастать. Радиоактивные вещества концентрируются в земных растениях, больше в листьях и стеблях, чем в семенах. Поэтому травоядные животные подвергаются большей опасности, чем животные, питающиеся зернами или плодами.

Разнообразная диета человека представляет собой многочисленные источники загрязнения. В настоящее время одним из главных носителей косвенного загрязнения в европейских странах должно считаться молоко. Это объясняет, почему кости детей, которые питаются преимущественно молоком, содержат большие количества Sr⁹⁰, чем кости взрослых.

Человек находится в конце цепи реакций обмена и взаимодействия радиоактивных загрязнений. Общее облучение организма складывается в результате двух основных процессов:

1) прямого облучения, возникающего при воздействии излучений, испускаемых радиоактивными газами или суспензированными в воздухе частицами, а также при радиоактивном загрязнении кожи или дыхательных путей;

2) косвенного облучения, возникающего при поступлении загрязнений внутрь через пищеварительный тракт, после прохождения радиоактивных веществ через весь пищевой цикл.

Прямому воздействию загрязнения первого типа подвергаются лишь те лица, которые находятся поблизости от ядерных реакторов или при наличии профессиональной опасности; косвенному же облучению подвергается все население земного шара.