ЕСТЕСТВЕННЫЙ РАДИАЦИОННЫЙ ФОН

Лекция 6

ТЕМА: ЕСТЕСТВЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ РАДИАЦИИ.

ЯДЕРНЫЕ РЕАКТОРЫ. АВАРИЯ НА ЧАЭС

 

ЕСТЕСТВЕННЫЙ РАДИАЦИОННЫЙ ФОН

Естественную радиацию образуют лучи, падающие на Землю из космоса (космическая радиация), и радиоактивные элементы, содержащиеся в земных породах, стройматериалах и пище (земная радиация).

1) Радиоактивные изотопы естественного происхождения присутствуют во всех оболочках Земли: литосфере, гидросфере, атмосфере и биосфере.

Все естественные источники облучения могут воздействовать на человека внешним и внутренним путем. Среди внешних заслуживают особого внимания космические лучи и естественная радиация в почве и строительных материалах. Среди внутренних—радиоактивные вещества в воздухе, воде, продуктах питания и организме человека. Пять основных источников природной атомной радиации

1. газ радон и продукты его распада – 49,5 %;

2. радиоизотоп ⁴⁰К – 15 %;

3. космические излучения – 15.3 %;

4. радиевый ряд урана – 12,2 %;

5. ториевый ряд урана – 8 %.

 

Земные источники радиации составляют большую часть облучения, которому подвергается человек. В среднем они дают более 5/6 годовой эффективной эквивалентной дозы, получаемой населением, в основном вследствие внутреннего облучения. Земную радиацию создают радиоактивные элементы, содержащиеся в земных породах, природном газе, строительных материалах, продуктах питания, воде, воздухе и др.

 

Радиоактивные элементы земных пород и пищи.Главным источником поступления во внешнюю среду естественных радиоактивных веществ являются горные породы, в состав которых входят радиоактивные элементы, возникшие в период формирования и развития планеты. В результате деструктивных процессов метеорологического, гидрологического, геохимического и вулканического характера радиоактивные вещества подвергаются широкому рассеиванию. Количество радиоактивных элементов, содержащихся в горных породах, зависит от вида породы и места ее нахождения.

Как правило, в почве отсутствует равновесие между предшественником и дочерним нуклидом вследствие их неодинаковых химических свойств. Повсеместно отмечается избыточное (по отношению к ²²⁶Ra) количество ²¹⁰Рb в верхнем горизонте почв (0-5-10"² м). Считается, что основная причина накопления ²¹⁰Рb в верхних слоях почвы — атмосферные выпадения.

 

Значительное место в процессах миграции и круговорота радиоизотопов занимают растительный и животный мир. Радиоактивность растений и животных обусловлена практически всеми радиоизотопами, которые встречаются в природе. Некоторые из них находятся в смеси со стабильными изотопами элементов, активно участвующими в обмене веществ и обеспечивающими функционирование всех органов и систем живой материи (⁴⁰К, ¹⁴С, ³Н). Содержание их в организме зависит от степени накопления стабильных изотопов. Например, калия в горохе содержится 0,9%, в сливочном масле — 0,014%, поэтому удельная активность гороха за счет калия-40 равна 274 Бк/кг, а сливочного масла—3,7 Бк/кг.

Содержание других радиоизотопов в организме (²³⁸U, ²²⁶Ra, ²³²Th, ²¹⁰Рb, ²¹⁰Ро) зависит от содержания их в окружающей среде.

Так, в золе растений, выращенных на обычных почвах, урана содержится в среднем 3 • 10⁴ г/кг, а в золе растений, произрастающих на обогащенных ураном почвах,— 2 • 10'³ г/кг.

 

На накопление радиоактивных веществ растениями влияют многие факторы. Так, на мелкодисперсных почвах усвоение их, как правило, происходит менее интенсивно, чем на крупнодисперсных. При внесении в почву питательных веществ снижается поступление радионуклидов в растение, причем на влажных почвах коэффициент накопления меньше, чем на сухих. Снижение рН сопровождается ростом коэффициента накопления. На накопление влияют также вид корневой системы, продуктивность, продолжительность вегетационного периода и другие факторы.

Главное место среди изотопов по величине создаваемой активности занимает изотоп калия — ⁴⁰К, который усваивается вместе с нерадиоактивными изотопами калия, необходимыми для жизнедеятельности организма.

Природный элемент К состоит из трех изотопов: ³⁹К (93,98 %), ⁴⁰К (0,119%) и ⁴¹К (6,91%). Из них ⁴⁰К является радиоактивным изотопом с периодом полураспада 1,3 •10⁹ года.

В таблице 5 представлены сведения о содержании калия в некоторых пищевых продуктах растительного и животного происхождения и их удельной активности по ⁴⁰К.

Радиоактивность тела человека обусловлена присутствием в организме всех тех радиоизотопов, которые встречаются в биосфере.

Данные о содержании естественных радионуклидов в теле человека приведены в таблице.

Суммарное содержание калия в организме взрослого человека (масса 70 кг) составляет 0,19% (130 г). Особенно богаты калием ткани и органы, обладающие высокой функциональной активностью. К числу их относится скелетная мускулатура, нервная ткань, сердце, печень, селезенка и др. Ввиду того, что ⁴⁰К встречается в природе в смеси со стабильными изотопами, удельная радиоактивность органов и тканей человека по ⁴⁰К определяется содержанием в них стабильных изотопов (табл. 7). Содержание калия, а следовательно, и ⁴⁰К в организме человека зависит от пола, возраста, массы тела, характера мышечной деятельности и т. д. У мужчин калия в мышцах обычно больше, чем у женщин; большие концентрации калия обнаруживаются у лиц, выполняющих физическую работу. Дистрофические изменения в мягких тканях при старении организма сопровождаются снижением уровня калия.

 

Общее содержание углерода в теле взрослого человека достигает 18%, т. с. около 12,6 кг. Учитывая равномерное распределение углерода в тканях, можно считать, что удельная радиоактивность их по ¹⁴С составляет 52 Бк/кг.

Количество трития — 10,2% в мышцах и 6,4% в костях. Удельная активность мягких тканей тела человека за счет ³Н составляет 0,55 Бк/кг, а костей - 0,34 Бк/кг.

 

Рубидий близок по химическому составу к калию. Радиоизотоп ⁸⁷Rb – долгоживущий (период полураспада 6.1 • I0¹⁰ лет) с мягким β-излучением (0,275 МэВ) и γ-излучением (0,94МэВ). Концентрация в мягких тканях организма приблизительно 8,5 Бк/кг.

На степень радиоактивности отдельных органов и тканей тела человека влияет скорость обменных процессов, функциональное состояние организма и содержание радиоизотопов в рационе. При постоянном однозначном поступлении с рационом радиоактивных веществ устанавливается равновесие между поступлением и выведением их из организма, при увеличении содержания изотопов в рационе равновесная концентрация возрастает.

Строительные материалы.Материалы, применяемые в строительстве, могут содержать радиоактивные вещества.

 

Особый интерес представляют уровни радиоактивного фона в жилых зданиях. Наименьший γ-фон отмечается в зданиях, построенных из дерева,— до 0,5 Гр/кг, больший — в зданиях кирпичных — до 1 Гр/кг и железобетонных — до 1,7 Гр/кг. Усредненная мощность поглощенной дозы внутри помещений равна 6•I0^-9 Гр/ч.

Значительную дозу облучения человек получает с вдыхаемым воздухом, находясь длительное время в непроветриваемых помещениях. Наиболее высокий вклад в дозу вносит невидимый, не имеющий вкуса и запаха газ радон.

Благородный газ радон ²²²Rn образуется из рассеянного в породах земной коры, непрерывно распадающегося радия -226 (²²⁶Rа). ²²²Rn является инертным газом, сравнительно хорошо растворимым в воде (коэффициент растворимости приблизительно 0,5 – 0,2 % при t = 0 – 30^о С). Из почвы он поступает в приземный слой атмосферы и воды подземных источников, непрерывно облучая высокоэнергетичными (5,49 МэВ) α-частицами и мягкими (0,51 МэВ) γ-излучением почвенную микрофлору, корни растений и наземную флору и фауну.

Rn, распадаясь, в свою очередь, дает ряд дочерних продуктов. Среди них первая часть также является излучателями высокоэнергетичных α-частиц: полоний – 218 (период полураспада (ПП) – 3,05 минут); висмут – 214 (ПП – 19,7 минут); полоний – 210 ( ПП – 138,4 сут); а вторая часть – более проникающих β-частиц и γ-квантов: висмут – 214 (ПП – 19,7 мин); талий – 206 (ПП – 4,2 мин). Все дочерние элементы при нормальной температуре окружающей среды – твердые вещества. Они образуются из отдельных молекул газообразного радона и существуют в молекулярном дисперсном состоянии в воде и в виде аэрозоля в атмосфере. При наличии в атмосфере других аэрозольных частиц возможно присоединение (осаждение) дочерних изотопов в ним. Такое же осаждение происходит на внешних и внутренних поверхностях такней животных, растений, м/о. Поэтому, нескотря на короткий ПП, дочерние продукты радона постоянно его сопровождают в виде аэрозолей (состояние равновесия).

 

Просачиваясь через фундамент и пол из грунта или высвобождаясь из материалов, использованных при строительстве дома, радон скапливается в закрытых непроветриваемых помещениях (подвалах, ванных комнатах, кухнях).

Самые распространенные строительные материалы содержат немного радона. Это дерево, кирпич и бетон. Гораздо больше его в пемзе, граните, сухой штукатурке, строительных блоках, изготовленных из фосфогипса.

Главным источником поступления радона в закрытые помещения является грунт. Концентрация радона на верхних этажах многоэтажного здания, как правило, ниже, чем на первом и цокольном этажах. Эффективным средством уменьшения высоких концентраций радона, просачивающегося через пол, являются вентиляционные установки в подвалах. Выделение радона из стен уменьшается при покрытии их тремя слоями масляной краски или слоем обоев, а также при облицовке их пластиковыми материалами.

 

Радон проникает в кухонные помещения вместе с природным газом. Снижение содержания радона в природном газе происходит при его переработке на газонаполнительных станциях и в процессе хранения. Чем длиннее путь от станции до потребителя, тем меньше радона в природном газе. Снизить накопление радона в кухне можно с помощью местной вытяжной вентиляции.

Кроме того, содержание радона отмечается в воде озер и рек, большее — в грунтовых водах, воде глубоких скважин и некоторых минеральных источников. В незначительных дозах радон стимулирующее действует на организм, а в больших — угнетающее. Присутствующий в воде радон в значительной степени улетучивается при приготовлении пищи или кипячении. Но даже при поступлении в организм он быстро выводится.

Опасность для человека представляет попадание паров воды с высоким содержанием радона в легкие вместе с вдыхаемым воздухом, что чаще всего происходит в ванной комнате. Концентрация радона в ванной комнате приблизительно в 40 раз выше, чем в жилых.

Радон, выделяющийся из почвы, воды, строительных материалов, рассеивается в воздухе. Продукты распада, т.е. дочерние продукты радона (обычно в виде положительных ионов), присоединяются к капелькам воды или молекулам кислорода и других газов, а затем адсорбируются на аэрозольных частицах, содержащихся в воздухе. Вдыхаемые аэрозольные частицы осаждаются в дыхательных путях. Содержание радона в легких на 20—40% выше, чем в других тканях.

Наибольшие концентрации радиоактивных газов обнаруживаются в приземном слое. При падении атмосферного давления эмиссия газов увеличивается, а уменьшается во время таяния снёгов и образования льда. Отмечаются такжё сёзонные колебания содержания радона с минимумом зимой и максимумом лётом.

В отдельных немногочисленных районах мира мощность дозы естественного радиационного фона значительно выше той, которую испытывает на себе большинство населения Земли. Есть населенные места на нашей планете, где существенно увеличен уровень радиации, исходящей из почвы и гор. Такие зоны обнаружены в районах Памира и Тибета, где отмечается высокое содержание урана и радия в породах вулканического происхождения.

 

Радиоактивность Земли иногда в несколько раз превышает радиацию космоса. Так, если все источники облучения человека принять за 100%, то на радиацию из воздуха приходится 52%, грунта и строительных материалов— 14%, пищевых продуктов и питья — 12%, космическую — 10%.

Космические излучения имеют три источника своего происхождения.

1. галактическая радиация;

2. радиационные пояса Земли;

3. солнечная радиация;

Галактическая радиацияпопадает в Солнечную систему из межзвездного пространства, из глубин космоса. Астронавты описывают ее в виде светящихся облаков, звезд, мельчайших полосок. Видеть ее можно было даже в полной темноте с закрытыми глазами вследствие прохождения частиц сквозь веко и непосредственного воздействия на сетчатку. Они обладают очень высокой энергией, большой массой и крупными размерами.

Но большая часть из них отклоняется под влиянием геомагнитного поля Земли, а остальные, проходя через атмосферу, многократно сталкиваются с другими атомами и молекулами и тем самым замедляются.

Космические лучи, достигающие Земли, представляют собой поток ядерных частиц, средняя энергия которых составляет 1,6·10^-9 Дж. Это так называемое первичное космическое излучение.Состоит оно из протонов (92%), а-частиц — ядер гелия (7%) и ядер других атомов. При взаимодействии космических частиц с атомами и молекулами атмосферы возникает вторичное космическое излучениеприводящее к образованное радионуклидов. По мере приближения к поверхности Земли интенсивность первичного космического излучения уменьшается; на плотность потока его влияет магнитное поле Земли, отклоняющее заряженные частицы обратно в космическое пространство.

Радиационные пояса Земли.Вокруг Земли есть области (слои), в которых магнитное поле задерживает огромное количество заряженных частиц и заставляет их двигаться взад и вперед от полюса к полюсу в разных направлениях по замкнутым траекториям. Данные слои называют радиационными поясами, или поясами Ван-Аллена.

Различают два пояса: внешний и внутренний. Внутренний имеет максимальную плотность частиц (преимущественно протонов) над экватором на высоте около 35·10⁵ м, внешний слой— электронный — на высоте около 22·10⁶ м.

Радиационные пояса Земли — источник радиационной опасности при космических полетах.

Определенный вклад в общий поток космических частиц, падающих на поверхность Земли, вносит Солнце. При резком увеличении солнечной активности возрастает и интенсивность космического излучения.

Солнечная радиация— электромагнитное и корпускулярное излучения Солнца. Электромагнитное излучениеохватывает диапазон длин волн от гамма-излучения до радиоволн, его энергетический максимум приходится на видимую часть спектра, а корпускулярное излучение— главным образом протоны и электроны.

 

Поверхность Солнца нагрета до температуры 5700°С, но изредка какая-нибудь зона его поверхности достигает температуры в миллион градусов. Подобная активность начинается с солнечных пятен (образований в фотосфере Солнца), которые время от времени превращаются в солнечные вспышки (внезапные местные увеличения яркости хромосферы Солнца). Солнечные вспышки развиваются быстро, в считанные минуты, их невозможно точно предсказать, за исключением того, что они повторяются через 11 лет.

Во время вспышек Солнце испускает огромное количество энергии в виде излучения в области видимого, ультрафиолетового и рентгеновского спектра излучения. Все виды образующихся волн (свет, радиоволны, рентгеновские лучи) достигают Земли. Каждая вспышка на Солнце влияет на человека, нервные окончания реагируют даже на ничтожные энергии, причем колебания магнитного поля очень сильно действуют на больных.

Более глобальные исследования в этой области принадлежат нашему соотечественнику А.Л.Чижевскому (1897— 1964) ( в 2007 году отмечали 110 годовщину). Он исследовал влияние Солнца на все живые организмы, раскрыл механизмы воздействия и их последствия, установил связи между изменяющейся активностью Солнца и характером реакций земных организмов. Засухи, «мокрые» годы, увеличение или уменьшение числа грызунов, изменение поголовья копытных животных и белок, катастрофическая гибель мигрирующих птиц, урожайность сельскохозяйственных культур — буквально все проходит пики минимума и максимума в зависимости от изменения активности Солнца.

 

Уран - довольно распространенный химический элемент, причем его содержание уменьшается от поверхности Земли к ее центру.

Природный уран (U)состоит из трех радиоактивных изотопов: ²³⁸U (ПП 4,5·10⁹ лет), ²³⁵U (ПП 7,13·10⁸ лет) и ²³⁴U (ПП 2,48·10⁵ лет). Основную массу природного урана составляет ²³⁸U (99,282 %), на ²³⁵U приходится 0,712 %, на ²³⁴U – 0,006 %. В природную облученность биосферы основной вклад вносит ²³⁸U и радиоактивные продукты его распада. ²³⁴U, который имеет значительно меньший ПП, в α-облучении среды вносит почти такой же вклад, что и ²³⁸U, несмотря на его малое процентное содержание.

В практическом отношении богатыми считаются место рождения, содержащие до 0,1% урана к общей массе породы. Месторождения, содержащие 0,02-0,05% урана, хотя сейчас широко не разрабатываются, но считаются очень перспективными. В районах, где присутствуют залежи урана радиоактивный фон увеличивается. Из земных пород уран поступает в почву, воду и включается в пищевые цепи.

Из продуктов радиоактивного распада ²³⁸U наибольший интерес представляют радий-226, свинец-210, полоний-210

²²⁶Ra (α- и γ-излучатель) сопутствует уран в местах его накопления, а в мелкодисперсном состоянии повсеместно распространен в земных породах, почве, воде различного происхождения. Гидробионты морей и океанов накапливают Ra из воды с различной интенсивностью. С растительной и животной пищей Ra поступает в организм человека. Ra является щелочно-земельным элементом, аналогично Са, в основном накапливается в костях скелета (70-90 %), а в ионном состоянии присутствует и в мягких тканях. Общее содержание в теле 0,55 – 51,8· 10^-2 Бк/кг.

 

Торий – 232 (²³²Th) является вторым после урана широко распространенным естественным радионуклидом. В природе находится в состоянии равновесия со своими многочисленными, как правило, короткоживущими дочерними продуктами радиоактивного распада.

Чисты ²³²Th с ПП = 1,1 · 10¹⁰ лет является только α-излучателем (с энергией 3,95-4,01 МэВ).

Торий встречается в природе в виде крупных месторождений в мелкодисперсном состоянии во всех земных породах и водах. В приземном воздухе концентрация тория повышается с увеличением запыленности. Торий распадается в легких при дыхании, где его среднее содержание у человека составляет 20 мБК/кг, в костной ткани – 6-24 мБк/кг, в мягких тканях – 0,15-3,0 мБк/кг.

Все живые организмы, включая человека, непрерывно облучается природной атомной радиацией. В основном она слагается из рассмотренных выше источников. Каждый из этих источников, присутствуя в биосфере в малом количестве, дает малую интенсивность излучения. Поэтому правомерно рассматривать общий суммарный уровень, интенсивность природной атомной радиации от всех постоянно излучающих ее источников.

Для измерения уровней радиации, существующих в природе принято употреблять величину, равную 10^-5 Зв.

Вот сравнительные уровни радиоактивного облучения, по данным, полученным специалистами Соединенных Штатов. За счет космических лучей, естественной радиоактивности человеческого тела, горных пород и почв, воздуха на одного жителя приходится 70-200·10^-5 Зв/год. Дополнительное излучение внутри каменного дома, вызванное естественной радиоактивностью строительных материалов, - 50-150·10^-5 Зв/год, цветные телевизоры - 2 · 10^-5 Зв/год, при рентгеноскопии грудной клетки - 200 · 10^-5 Зв/год, желудка - 22000 · 10^-5 Зв/год.

Всё вышесказанное относилось к естественным источникам радиации. Среди искусственных источников радиации можно назвать: ядерные реакторы, атомные электростанции и различные аварии на атомных объектах

Опасность для человечества представляют испытания атомного оружия в атмосфере, воде и (правда, значительно меньше) под землей. Такие испытания, безусловно, запрещены международными соглашениями. Их подписали подавляющее большинство стран мира, и контроль установлен самый тщательный и надежный. До сего времени сказываются последствия проводившихся ранее испытаний атомного оружия.

Одним из основных источников искусственного излучения являются ядерные реакторы. Источником энергии в ядерных реакторах является распад радиоактивных элементов, протекание ядерных реакций.

Ядерная реакция – это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры ядра и выделением вторичных частиц или γ-квантов.

В результате ядерных реакций могут образовываться новые радиоактивные изотопы, которых нет на Земле в естественных условиях.

Первая ядерная реакция была осуществлена Э. Резерфордом в 1919 году в опытах по обнаружению протонов в продуктах распада ядер. В 1939 году немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом было открыто деление ядер урана.

Кинетическая энергия, выделяющаяся при делении одного ядра урана, огромна – порядка 200 МэВ.

В ядерном реакторе происходит деление ядер урана-235, вызванное столкновением с нейтроном. В процессе этого освобождается 2 или 3 нейтрона. При благоприятных условиях эти нейтроны могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. На этом этапе появятся уже от 4 до 9 нейтронов, способных вызвать новые распады ядер урана и т. д. Такой лавинообразный процесс называется цепной реакцией.

Для осуществления цепной реакции необходимо, чтобы так называемый коэффициент размножения нейтронов был больше единицы. Другими словами, в каждом последующем поколении нейтронов должно быть больше, чем в предыдущем.

Дело в том, что нейтроны, рождающиеся при распаде ядер урана, имеют слишком большие скорости, а вероятность захвата медленных нейтронов ядрами урана-235 в сотни раз больше, чем быстрых. Поэтому одним из элементов ядерного реактора является, так называемый, замедлитель нейтронов.

Наилучшим замедлителем нейтронов является тяжелая водаD₂O. Обычная вода при взаимодействии с нейтронами сама превращается в тяжелую воду.

Хорошим замедлителем является также графит, ядра которого не поглощают нейтронов.

Таким образом, ядерным (или атомным) реактором называется устройство, в котором поддерживается управляемая реакция деления ядер.

Ядерный реактор состоит из следующих частей:

· Активная зона с ядерным топливом и замедлителем;

· Отражатель нейтронов, окружающий активную зону;

· Теплоноситель;

· Система регулирования цепной реакции, в том числе аварийная защита;

· Радиационная защита;

· Система дистанционного управления.

Основная характеристика реактора — его выходная мощность. Мощность в 1 МВт соответствует цепной реакции, при которой происходит 3·10¹⁶ делений в 1 сек.

Ядерная реакция протекает в активной зоне реактора, которая заполнена замедлителем и пронизана стержнями, содержащими обогащенную смесь изотопов урана с повышенным содержанием урана-235 (до 3 %). В активную зону вводятся регулирующие стержни, содержащие кадмий или бор, которые интенсивно поглощают нейтроны. Введение стержней в активную зону позволяет управлять скоростью цепной реакции.

Активная зона охлаждается с помощью прокачиваемого теплоносителя, в качестве которого может применяться вода или металл с низкой температурой плавления (например, натрий, имеющий температуру плавления 98 °C). В парогенераторе теплоноситель передает тепловую энергию воде, превращая ее в пар высокого давления. Пар направляется в турбину, соединенную с электрогенератором. Из турбины пар поступает в конденсатор.

 

У современных атомных электростанций коэффициент полезного действия приблизительно равен 1/3. Следовательно, для производства 1000 МВт электрической мощности тепловая мощность реактора должна достигать 3000 МВт. 2000 МВт уносятся водой, охлаждающей конденсатор. Это приводит к локальному перегреву естественных водоемов и последующему возникновению экологических проблем.

Однако, главная проблема состоит в обеспечении полной радиационной безопасности людей, работающих на атомных электростанциях, и предотвращении случайных выбросов радиоактивных веществ, которые в большом количестве накапливаются в активной зоне реактора. При разработке ядерных реакторов этой проблеме уделяется большое внимание. Тем не менее, после аварий на некоторых АЭС, в частности на АЭС в Пенсильвании (США, 1979 г.) и на Чернобыльской АЭС (1986 г.), проблема безопасности ядерной энергетики встала с особенной остротой.

Авария на энергоблоке № 4 Чернобыльской АЭС произошла 26 апреля 1986 года в 01 ч. 23 мин. 40 с. (время московское) в ходе проведения проектных испытаний одной из систем обеспечения безопасности. В результате этой аварии погибло около 126000 людей и около 10 миллионов людей получили облучения различной степени.