Курс лекций Ставрополь, 2015 содержание стр. Введение лекция Введение в радиобиологию. Тема физические основы радиоэкологии лекция 2: Физическая характеристика атомов и радиоактивный распад ядер
Скачать 2.7 Mb.
|
Среднее значение эффективной дозы, получаемое жителем нашей планеты от природных источников за год, составляет 2,4 мЗв. Примерно 1/3 этой дозы формируется за счет внешнего излучения (примерно поровну от космического излучения и от радионуклидов земной коры). 2/3 обусловлены внутренним облучением [Белоус Д.А., 2004]. Суммарная доза, получаемая от природного радиационного фона людьми, колеблется в разных точках земной поверхности от 1 до 110 Зв/год на человека [Симак С.В. и др., 1998; Белов А.Д. и др., 1999; Анненков Б.Н. и др., 1991]. Неравномерность природного радиационного фона на нашей планете обусловлено:
Лекция 7. Антропогенные источники ионизирующих излучений и радионуклидов
С деятельностью человека связано появление во внешней среде искусственных радионуклидов. В результате технологических процессов естественный радиационный фон в окружающей среде может быть изменен, так как вследствие антропогенного влияния происходит перераспределение естественных радионуклидов в биосфере и увеличивается интенсивность вовлечения их в биологический и технологический круговорот веществ в природе. Повышение естественного радиационного фона может быть связана с поступлением естественных радиоактивных веществ во внешнюю среду в результате испытаний ядерного и термоядерного оружия (особенно если они проводятся на поверхности земной коры, в воздухе и воде), в качестве радиоактивных отходов промышленных и энергетических реакторов и в результате аварийных ситуаций на этих установках. Определенное количество радиоактивных материалов поступает в окружающую среду в процессе работы неядерной промышленности (нефте- и газодобывающие и перерабатывающие предприятия, ТЭЦ). 1. Технологически повышенный естественный радиационный фон. Для оценки изменения естественного радиационного фона под влиянием хозяйственной деятельности человека в 1975 г. (Причардом и ) было введено понятие техногенно повышенный естественный радиационный фон (ТПЕРФ) под которым понимается изменение облучения от истинно естественных источников и облучение в результате техногенной деятельности человека. Основными источниками ТПЕРФ являются: уголь, сжигаемый на электростанциях, используемый в хозяйственной деятельности природный и сжиженный газ, строительные материалы, минеральные удобрения в сельском хозяйстве, воды с повышенным содержанием естественных радионуклидов, пассажирские полеты на больших высотах. Уголь. Все угли содержат радионуклиды урановых и ториевого рядов распада. В зависимости от зональности месторождения в 1 кг угля содержится от 1 до 70 Бк 40К, от 3 до 500 Бк 238U, от 3 до 300 Бк 232Th. Концентрация 222Rn в угле может доходить до 20 Бк/кг, а 226Ra – 370 кБк/кг. Электростанции, работающие на угле, выделяют в атмосферу сравнимое с АЭС количество биологически значимых долгоживущих радионуклидов. В результате сжигания угля нелетучие компоненты остаются в золе. Если принять, что ЭС мощностью 1000 МВт ежегодно потребляют 2,3 млн.т. угля, то она выделяет около 7,4*1010 Бк изотопов радия. При хорошей очистке выбросов (99,5%) при сжигании угля в атмосферу выделяется 37*107 Бк смеси радиоактивных изотопов (сюда же входят и 210Po и 210Pb). Однако не все электростанции достигают такой высокой степени очистки выбросов от летучей золы. Для Великобритании этот показатель составляет в среднем 99,3%, для различных районов Северной Америки – редко достигает 97,5%. Проектная эффективность очистки на современных ТЭС России составляет 98,5%. Однако большая часть стран существенно уступает современным европейским и американским стандартам [Уорнер Ф. и др., 1999; Белоус Д.А., 2004]. Нефть и природный газ. Главный источник радиоактивности нефтяных и газовых залежей – урановые ряды (продукты распада урана-238 и урана-235). Главными радиоактивными загрязнителями нефти являются 226Ra (Т=1620 лет), 210Pb (Т=22,3 года) и 210Po (Т=138 дней). Они также отлагаются в заводском оборудовании и трубопроводах, образуясь из радона, поступающего вместе с природных газом из подземных залежей [Уорнер Ф. и др., 1999]. Нефть и газ поступают из пробуренных скважин в начале эксплуатации сухими, но затем к их потоку начинает примешиваться вода, содержащая много растворенных солей. Эти соли образуют осадки на стенках труб. В них могут содержаться радий и его дочерние продукты. На большинстве освоенных месторождений выполняют технологические операции, связанные с радиоактивностью осадков, которая может изменяться от < 1 до > 15000 Бк на грамм. Сюда входят физические наблюдения за безопасностью для здоровья, необходимые ремонтные работы и захоронение радиоактивных отходов. Основной способ захоронения – это затопление в море. Природный газ. При сжигании природного газа во внешнюю среду выделяется 222Rn. Особое значение имеет сжигание газа в жилище человека. В условиях плохой вентиляции, выделяющийся из природного газа радон дает большой вклад в количество этого радионуклида, присутствующего в помещении. Среднее поступление радона в помещение примерно 370-555 Бк/сутки. Вклад радона, связанный со сжиганием природного газа, в дозу не велик по сравнению с вкладом радона, выделяющегося из стройматериалов. Сжиженный газ. При термическом фракционировании природного газа для выделения фракции тяжелых углеводородов, радон концентрируется в пропановой и этановой фракциях, что приводит к 8 кратному увеличению содержания радона в сжиженном газе. Так как сжиженный газ перед использованием хранится, в результате чего часть радона распадается (Т=3,823 суток), в радиационно-гигиеническом отношении сжиженный газ не отличается от природного. Из сопоставления техногенной эмиссии естественных радионуклидов в атмосферу следует, что поступление радона из нефтяных и газовых скважин значительно превосходит соответствующую величину при сжигании угля. С другой стороны, важно помнить, что если 226Ra и 210Pb от сжигания углей – это доля, которая поступает в атмосферу, то почти весь Ra и Pb от добычи нефти и газа сбрасывается в море. Строительные материалы Так как земные породы используют в качестве строительного материала, то от последнего зависит радиационный фон внутри здания. Содержание радионуклидов в строительных материалах может быть связано как с повышенной естественной концентрацией (например, в граните), так и с использованием побочных продуктов (отходов) других производств, где произошло концентрирование природных радионуклидов (например, угольный шлак). Основной вклад вносит радон-222 (продукт распада радия-226). Так в деревянных домах и сооружениях концентрация радона в норме составляет 1,5*10-2 Бк/л воздуха, кирпичных – 4,0; бетонных 11,6. При плохой вентиляции концентрация радона может значительно возрастать (до 100 раз), создавая повышенное облучение человека. Такая ситуация характерна в большей степени для подвалов и первых этажей зданий, где удельная активность радона может составлять величину порядка 1 – 10 кБк/м3 [Симак С.В. и др., 1998; Белоус Д.А., 2004]. Сельскохозяйственные удобрения. Важным источником повышения естественного радиационного фона являются минеральные удобрения (суперфосфаты, фосфориты, калийные). Они содержат радионуклиды 238U, 226Ra, 232Th, 210Po, 210Pb и 40K в количестве от нескольких мБк/г до нескольких Бк/г. Внесение этих удобрений на поля в агрохимически обоснованном количестве может поднять мощность дозы излучения в месте внесения удобрений примерно на 0,5 мкР/ч. Водный сток удобрений в реки и озера повышает концентрацию радия в воде. Следует помнить, что технологически увеличенная природная радиоактивность на порядок меньше, чем глобальная естественная эмиссия. Однако в локальном масштабе рукотворные источники могут оказаться доминирующими. 2. Загрязнение окружающей среды радионуклидами в результате испытания атомного и ядерного оружия. Впервые проблема антропогенных радионуклидов в биосфере появилась в середине сороковых годов, с началом эры испытаний и применения атомного, а позднее и ядерного оружия. Действие атомной бомбы основано на реакции деления ядер урана-235 или плутона-239 (который получают при облучении урана-238 медленными нейтронами). Ядерное или водородное оружие использует другой принцип: синтез гелия 42He из изотопов водорода дейтерия 21H и трития 31H. 21H + 31H = 42He + 10n Эта реакция идет при температуре несколько десятков миллионов градусов и огромном давлении. Такие условия достигаются при взрыве обычного атомного заряда [Симак С.В. и др., 1998]. При термоядерных взрывах в момент реакции синтеза возникает интенсивный поток нейтронов, вызывающий образование значительного количества продуктов активации (наведенной радиоактивности), в частности 3Н, бериллия, 14С. В результате взрывов образуется около 80 осколков деления – радиоактивных изотопов различных элементов. Каждый осколок обычно претерпевает еще несколько превращений до того как превратится в стабильный нуклид. При этом испускаются β-частицы и γ-кванты. Большинство образующихся при этом радионуклидов короткоживущие. Помимо осколков деления, при взрыве рассеивается часть атомной начинки (235U или 239Pu) – до 70-80% от ее исходного количества. С увеличением возраста продуктов деления их общая активность быстро уменьшается. Из закона радиоактивного распада смеси осколков деления выявлено правило: каждое десятикратное снижение активности осколков и мощности дозы гамма-излучения происходит в результате увеличения их возраста в 7 раз. Уже через сутки после взрыва радиоактивность падает более чем в 3000 раз [Симак С.В. и др., 1998]. Из большого числа ядерных осколков и их дочерних продуктов интерес для радиобиологии по своим радиотоксикологическим и физическим характеристикам (величина выхода продукта при делении, период полураспада, вид и качество излучения) представляют лишь 10 радионуклидов: 89,90Sr, 95Zn, 95Nb, 103,106Ru, 131I, 137Cs, 140Ba, 144Ce. Из них только два (103,106Ru) относятся к непосредственным осколкам деления, а остальные восемь представляют собой продукт второго – четвертого актов бета-распада ядер-осколков. В первые месяцы после ядерного взрыва основную опасность в смеси осколков деления представляют 131I, 140Ba и 89Sr, а в последующем 90Sr и 137Cs. Загрязнение местности зависит от характера ядерного взрыва (наземный, воздушный и т.д.), калибра ядерного устройства, атмосферных условий (скорость ветра, влажность, выпадение осколков, распределение температуры по высоте, которое влияет на перемещение масс воздуха), географических зон и широт и др. Тип и «начинка» ядерных зарядов заметно влияют на характер возникающей радиоактивности. Наземные взрывы создают сильное загрязнение радиоактивными продуктами деления непосредственно в районе взрыва, а также на прилегающей территории, над которой проходило радиоактивное облако. При воздушном взрыве не происходит значительного локального загрязнения местности радиоактивными продуктами деления, так как они распыляются на очень большой площади. Однако, под влиянием атмосферных осадков, выпавших в момент прохождения радиоактивного облака, может повыситься степень загрязнения в том или ином районе. Средние и малые взрывы до нескольких килотонн тротилового эквивалента загрязняют в основном тропосферу (до высоты 18 км). Крупные взрывы в несколько мегатонн загрязняют главным образом стратосферу (до высоты 80 км). Благодаря наличию воздушных течений частицы радиоактивных продуктов деления способны совершать очень большой путь, вплоть до нескольких оборотов вокруг земного шара, поэтому радиоактивное загрязнение может возникнуть в любой точке земного шара, т.е. носить характер глобального загрязнения [Радиобиология/ А.Д. Белов]. При взрывах почти во всех случаях опасность от выпадения продуктов ядерного деления преобладает над радиационной опасностью, связанной с нейтронной активацией. Облучение людей продуктами ядерных взрывов происходит извне и с поступающими в организм по пищевым цепям радиоактивными веществами. Испытания на Новой Земле чрезвычайно загрязнили приполярные тундры. Оленеводы Крайнего Севера получили дозы облучения в 100-1000 раз более высокие, чем остальное население, так как основной их продукт питания – оленина имела очень высокую концентрацию радиоактивности из-за накопления ягелем цезия и стронция. Вследствие запрещения испытательных взрывов в трех средах началось постепенное снижение вызванного ими радиационного фона. В 1963 г. соответствующая среднегодовая коллективная доза составила примерно 7% от дозы естественного облучения, в начале 80-х годов – около 1%. Рассчитанные средние индивидуальные дозы, полученные жителями Земли в результате испытаний в мЗв, приведены в табл. [Люцко А.М. и др., 1996]. Таблица 7.1. Средние индивидуальные дозы, полученные жителями Земли в результате испытаний в мЗв (Антонов В.П., 1989)
Ожидаемая коллективная доза от всех произведенных ядерных взрывов составляет 30 млн чел*Зв. К 1980 г. человечество уже получило 12% этой дозы. Приведенные выше индивидуальные ожидаемые дозы тоже будут накапливаться в течение длительного времени (большая часть до 2020 г.), так что их нельзя сравнивать с годовыми дозами от других источников радиации. Тем не менее это существенный избыток над естественным облучением. Отметим, что образовавшийся при термоядерных испытаниях радиоуглерод, смешавшись со стабильным углеродом биосферы, вследствие большого периода полураспада (5730 лет) будет служить дополнительным источником облучения для многих поколений людей [Люцко А.М. и др., 1996]. 3. Радиоактивность, связанная с работой предприятий ядерно-топливного цикла. Важным источником антропогенных поступлений радионуклидов в окружающую среду являются предприятия ядерно-топливного цикла (ЯТЦ), включающего в себя урановые рудники, предприятия по обогащению и переработке руды, производству ядерного топлива, его транспортировке, производство электроэнергии на атомных электростанциях и захоронение радиоактивных отходов. На каждом из этих этапов возможны утечки и аварийные ситуации, при которых перемещенные природные радионуклиды или радиоактивные вещества антропогенного происхождения загрязняют окружающую среду. При добычи урана главный излучатель – 222Rn. Масштабы его выделения составляют около 1 ГБк на тонну руды с содержанием 1% оксида урана U3O8. Мировая добыча урановых руд составляет примерно 40 тыс. т/год. При извлечении урана из руд в ходе первичной их переработки образуются хвосты обогащения, которые представляют собой другой источник загрязнения атмосферы. Радиоактивность создается за счет 238U, 230Th, 226Ra и 210Pb. Производство ядерного топлива включает в себя очистку, переработку в гексафторид урана UF6, обогащение изотопом 235U, переработку в металлический уран и изготовление тепловыделяющих элементов (твэлов). Твердые отходы, образующиеся в ходе этих операций, сходны с теми, что получаются на стадиях добычи и переработки руд. Эмиссия радионуклидов в процессе производства топлива также относительно мала. Ядерные реакторы – это мощные производители радиоизотопов и главные источники радиоактивных веществ в топливном цикле. Каждый акт деления дает два радиоактивных изотопа – осколка, каждый из которых подвергается радиоактивному распаду, превращаясь, в конце концов, в стабильный изотоп. При этом возникают сотни радиоактивных изотопов. Кроме того, интенсивные нейтронные потоки внутри реактора производят радиоактивные превращения элементов при захвате нейтронов, давая дополнительно радиоактивные изотопы (явление нейтронной активации). Общее количество радиоактивных веществ внутри активной зоны реактора в каждый момент времени зависит от типа реактора и предшествующего режима его работы. В ходе нормальной работы ядерных реакторов образуются газообразные, жидкие и твердые отходы с низким и умеренным уровнем активности. Радионуклиды, возникающие при ядерном делении и активации, вызывают загрязнение различных материалов вследствие высвобождения их из ядерного топлива или с поверхности оболочек твэлов. Вид и количество отходов определяются такими факторами, как тип реактора, его конструктивные особенности, условия работы и степень выработанности топлива. Хранение отработанного топлива, его переработка и захоронение отходов. В результате развития атомной промышленности и энергетики, атомного флота только в России накоплено радиоактивных отходов суммарной активностью около 11,55*1019 Бк и отработанного ядерного топлива суммарной активностью 17,2*1019 Бк. При этом, как отмечено в Постановлении Правительства РФ от 23 октября 1995г, имеющиеся производственные мощности не обеспечивают надежной изоляции накопленных и вновь образующихся радиоактивных отходов и материалов. В настоящее время ни на одной атомной электростанций России нет полного комплекта установок для подготовки к безопасному длительному хранению – кондиционированию радиоактивных отходов. Хранилища жидких и твердых радиоактивных отходов и отработанного ядерного топлива на АЭС близки к предельному заполнению. Большая часть произведенного во всем мире количества долгоживущих радионуклидов находится ныне в хранилищах отработанного топлива, на радиохимических заводах, ведущих его переработку, и в хранилищах высокоактивных отходов. Количество отходов, которое необходимо захоронить и скорость, с которой они накапливаются во всем мире, огромны. В выбросах реакторов, хранилищ, радиохимических заводов и мест захоронения отходов принципиальное значение имеют следующие изотопы: 3H, 14C, 60Co, 85Cr, 90Sr, 95Zn, 99Tc, 106Ru, 129I, 131I, 134Cs, 137Cs, 144Ce, 147Pm, 237Np и изотопы плутония. В топливе после его извлечения из реактора кроме остаточного урана и плутония содержатся продукты деления и актиноиды, поэтому перед отправкой его на переработку необходимо дождаться распада короткоживущих радиоизотопов. Для этого отработанное топливо выдерживают в специальных хранилищах на самих АЭС. Топливо перевозится в специально оборудованных контейнерах (или «пеналах»), которые в соответствии с правилами, основанными на рекомендациях Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ), способны противостоять самым тяжелым авариям. В отработанном топливе содержится не менее 96% урана и до 1% плутония. При переработке с помощью экстракции они переводятся в экстрагирующий растворитель. Почти все радиоактивные продукты деления остаются в водной фазе, образуя высокоактивные отходы, которые после удаления остатков органического растворителя и оболочки твэлов поступают в хранилище. Газообразные радиоактивные отходы накапливаются за счет образования летучих радионуклидов, наиболее важные из которых – галогены, благородные газы, 3Н и 14С. Для удаления радиоактивных частиц из загрязненных газов и воздуха используют фильтры. В процессе переработки топлива образуются низкоактивные газообразные продукты. Они выделяются главным образом при разрезании и растворении твэлов. Радиоактивные изотопы йода распадаются при выдержке топлива в бассейне-охладителе. Остается лишь небольшая часть этих радионуклидов и их связывают с помощью специальной химической обработки. Изотоп криптон-85 (Т=10,4 года) – это продукт деления, главный источник его – переработка ядерного топлива. Он образуется в ядерных реакторах, но в основном сохраняется внутри тепловыделяющих стержней. При сбросе его через газоотводную трубу никакой специальной выдержки газов не производится. Радиоактивные жидкие отходы, образующиеся на ядерных энергетических установках, содержат растворимые и нерастворимые компоненты – продукты деления и коррозии. Эксплуатация трубопроводов и оборудования приводит к накоплению жидких отходов как результат операций по их периодической дезактивации. Для того, чтобы основной объем жидких отходов можно было сбросить в окружающую среду или использовать в замкнутом цикле, применяются различные способы обработки стоков. Они основаны на четырех главных методах: выпаривании, химическом осаждении и коагуляции, твердофазной репарации и ионном обмене. Низкоактивные жидкие стоки (например, вода из охлаждающих бассейнов), после обработки с целью сведения к минимуму концентрации радионуклидов, могут быть сброшены в окружающую среду. Высокоактивные жидкие отходы образуются на первой стадии разделения перерабатываемого топлива. Эти отходы можно сконцентрировать выпариванием для хранения в охлаждаемых емкостях до окончательного захоронения. Желательно, чтобы такие жидкие отходы можно было, в конечном счете, перевести в твердую форму для хранения и захоронения. Для этого используют процессы остеклования, основанные на методах сплавления с металлом или с керамикой, в результате чего высокоактивные отходы превращаются, например, в боросиликатное стекло. Радиоактивные твердые отходы представляют собой оболочки элементов, загрязненное оборудование, отработанные реагенты и др. В зависимости от природы твердых отходов для уменьшения объема и подвижности радиоактивных веществ применяют различные комбинации методов. Чтобы уменьшить объем твердых низкоактивных отходов, а также в качестве предварительной обработки их перед прессованием или сжиганием используют разрезание, измельчение и дробление. Отходы средней активности от переработки топлива могут храниться в ожидании капсулирования и окончательного захоронения. Влажные отходы (ионообменные смолы, фильтрующие среды, осадки) перед окончательным захоронением должны быть превращены в твердые продукты. Для этого используют цементирование, битуминизацию или связывание с полимерами. Существует 2 пути обращения с радиоактивными отходами и их удаление.
Первый путь принят во многих странах мира для высокоактивных отходов, 2-й путь – для отходов с низкой активностью. 4. Радиационные аварии. За время существования атомной энергетики на ее объектах в мире произошло более 300 аварий. Наиболее крупными и известными из них были аварии в Уиндскейле ныне Селлафильд (Великобритания) в 1957 году, на Южном Урале в том же 1957 году, на АЭС в Три-Мэйл-Айленд (США) в 1979 году и на Чернобыльской АЭС в 1986 году. Гораздо меньше известно о негласном "плановом" загрязнении [Симак С.В. и др., 1998]. Радиационные аварии различаются по объему выброса, радионуклидному составу, по тяжести последствий этих выбросов и размерам территорий, подвергшихся загрязнению и т.д. Учитывая участившиеся инциденты на атомных объектах, МАГАТЭ предложило оценивать тяжесть радиационных аварий на энергетических реакторах по 7 бальной шкале: |
Похожие:
 | Изучением курса “Введение в специальность” студенты начинают постижение самой, пожалуй, молодой, и в то же время сложной профессии... |  | Лекция №6. Организация и проведение соревнований по легкой атлетике |
| Тема Теория социальной работы как учебная дисциплина; научные основы социальной работы | | Лекция Физическая культура в общекультурной и профессиональной подготовке студента |
| «Черный» pr – неотъемлемая технология любой предвыборной кампании (8 стр) | | Лекция Тема: Современные трактовки предметной области политической философии (4 час.) |
| Лекция Здоровье и здоровый образ жизни. Факторы, способствующие укреплению здоровья | | Лекция Национальная политика советского государства: теория и практика вопроса |
| Редактор Т. Липкина Художник Л. Чинёное Корректор Г. Казакова Компьютерная верстка М. Егоровой | | Лекция Инкаминг. Характеристика современного туррынка. Особенности истории развития въездного туризма |