свитер для девочки купить
Канальный кипящий графитовый реактор Реакторы водо-водяного типа Реакторы на быстрых нейтронах Задачи по физике ядра Испытания ядерного оружия Атомные батареи Физика ядерного реактора

Лекции по радиобиологии

 

Загрязнение окружающей среды в результате ядерных взрывов

Образование радиоактивных продуктов ядерных взрывов. Ядерные взрывы осуществляются в результате двух типов ядерных превращений. Первоначально были созданы атомные бомбы, в которых выделение огромного количества энергии осуществлялось в результате деления природного урана ( 235U) или плутония- (239Pu), полученного в реакторе из урана (238U). В дальнейшем были созданы так называемые водородные бомбы, в которых в процессе синтеза гелия из водорода и трития, выделяется большое количество энергии. Эта реакция протекает лишь при очень высоких температурах ( несколько миллионов градусов). Такие значения температуры достигаются при взрыве урановой и плутонивой атомных бомб. При взрыве водородной бомбы выделяются нейтроны высокой энергии, которые обладают способностью вызывать реакцию деления ядер 238U. В составе природного урана более 99 % приходится на долю этого изотопа. Поэтому для увеличения мощности взрыва термоядерный заряд помещают в урановую оболочку. В бомбах такого типа, осуществляются три типа ядерных реакций: вначале реакция деления 235U или 239Pu, затем реакция синтеза гелия и, наконец, вновь реакция деления урана (238U). Все эти реакции и ядерных превращений быстротечны, взрыв происходит в течение миллионной доли секунды.

В результате деления ядер урана или плутония образуется большое количество (около 80 типов) так называемых осколков деления. Большинство осколков деления представляют собой радиоактивные изотопы более легких элементов, от 72Zn до 161Тb. Они подвергаются радиоактивному распаду, образуя, в свою очередь, радиоактивные осколки деления ядер. Каждый осколок претерпевает обычно несколько радиоактивных распадов до того, как превратится в стабильный нуклид. Ниже приведен один из подобных примеров радиоактивного распада осколка (в скобках даны периоды полураспада) :

 90Br (16 с) ® 90Kr (33 с)-® 90Rb (4 мин)- ® 90Sr (28 лет) ® 90It (64,2 ч)-® 90Ce (стабильный изотоп).

Каждый из осколков деления тя­желых ядер характеризуется различной активностью, период полураспада каждого нуклида может колебаться от нескольких секунд до десятков лет. Смесь продуктов деления на каждый момент вре­мени имеет сложный состав. Однако, как показали ис­следования, суммарная радиоактивность осколков де­ления снижается с течением времени с определенной закономерностью, которая описывается соотношением:

А2 = А1 t-1,2

где А2 , А1— активность смеси осколков деления соответственнов моменты времени t2 и t1. t—время деления (t2 - t1 ).

Из закона радиоактивного распада ( в случае распада смеси множества радионуклидов – активных осколков деления) выведено следующее правило: каждое десяти­кратное снижение активности осколков деления и мощности дозы гамма-излучения происходит в результате увели­чения их возраста в 7 раз.

Данные о динамике  суммарной активности осколков де­ления после ядерного взрыва приведены в таблице 4. Как видно, через сутки после взрыва остаточная активность радионуклидов составляет около 0,02 %, через 10 суток – около 0,001 % от исходной радиоактивности.

Мощность ядерного взрыва обычно сравнивается с энергией, выделяемой при взрыве тротила: 1 килотонна = 103 т тротила, 1 мегатонна = 106 т тротила. На каждую килотонну мощности взрыва образуется примерно 37 г высокоактивных осколков, через 1 мин после ядерного взрыва их активность по g-излучению эквивалентна активности 30 000 т радия. Однако, про­дукты деления при ядерном взрыве, главным образом, представлены быст­ро распадающимися радионуклидами. Поэтому активность ос­колков в течение суток после взрыва снижается более чем в 3000 раз. Долговременное радиоактивное заражение местности после ядерного взрыва обуславливается активностью следующих долгоживущих продуктов деления ( в скобках указаны периоды полураспада): 89Sr (50,5 сут), 103Ru (39,8 сут), 131I (8,05 сут), 141Ce (31,1 сут), 95Zr (65 сут), 106Ru (365 сут), 140Ba (12,8 сут), 144Ce (285 сут), 85Kr (10,7 лет), 137Cs (30 лет), 90Sr (28 лет).

Таблица 4

Суммарная относительная активностьосколков деления в зависмости от времени после ядерного взрыва (в условных единицах)

Время после взрыва, ч

Относитель­ная

актив­ность

Время после взрыва, ч

Относитель­ная

актив­ность

1

1000

30

17

1,5

610

40

12

2

440

60

7,3

3

270

100

4,3

5

150

200

1,7

7

97

400

0,75

10

63

600

0,46

15

39

800

0,33

20

27

1000

0,25

В состав продуктов ядерных взрывов, помимо ос­колков деления тяжелых элементов, входит и часть ядерного горюче­го (239Рu или 235U) атомной бомбы, не успевшего про­реагировать во время взрыва. Считается, что во время взрыва, в реакции деления  участвуют только 20-30 % ядер тяжелых элементов. После взрыва атомной бомбы мощностью 20 килотонн в окружающую среду выбрасывается около 2,7×103 Ки 239Рu. Кроме того, в составе продуктов ядерного взрыва в заметных количествах (особенно в первые дни после взрыва) находятся продукты нейтронной активации. При ядерном взрыве в расчете на 1 килотонну мощно­сти взрыва образуется 2,25×1023 нейтронов, которые, взаимодействуя с конструктивными материалами бом­бы и ядрами элементов почвы, воды и воздуха, пре­вращают стабильные элементы в радионуклиды. При наземном взрыве бомбы мощностью 1 мегатонна через сутки радиоактивность осколков деления составляет 4×109 Ки, продуктов нейтронной активации - 1×108 Ки. С радиологической точки зрения, из всех радионукли­дов, являющихся продуктами нейтронной активации, наиболее важными являются 3Н, 14С, 54Мn и 56Fe.

Определенный вклад в загрязнение окружающей сре­ды радионуклидами внесли так называемые мирные ядерные взрывы, т. е. взрывы, которые производились для использования результатов  в различных отраслях промышленности (сооружение каналов, соз­дание подземных полостей для хранения нефти, газа, различного рода отходов и т. д.). Ядерные устройства, использовавшиеся для этого, основывались на приме­нении такого же ядерного топлива, что и в военной технологии. В результате мир­ных ядерных взрывов образовывались те же радионук­лиды, что и при взрывах атомных и термоядерных бомб, но они поступали в окружающую среду в зна­чительно меньших количествах. К счастью, мирные ядерные взрывы на нашей планете прово­дились в ограниченных масштабах, и поэтому их вклад в загрязнение биосферы радионук­лидами значительно меньше, чем от взрывов военного назначения.

 Далее рассмотрим более подробно процессы, происходящие при ядерном взрыве и их последствия.

Локальные и глобальные выпадения продуктов ядер­ных взрывов. Наиболее опасными для загрязнения биосферы продуктами ядерных взрывов являются наземные взрывы ядерных бомб. При наземном взрыве образуется гигантский огненный шар, и огромные массы грунта с поверхности Земли вовлекаются в этот шар. Так, при наземном ядерном взрыве мощностью 20 килотонн, образуется воронка диаметром 80 м и глубиной около 20 м. В радиоактивное облако вовлекается много пыли с окружающей терри­тории вследствие сильных потоков воздуха от перифе­рии к эпицентру взрыва. Выброс грунта при наземном взрыве составляет примерно 5000 т на 1 килотонну мощности. Высота подъема огненного шара и размеры образу­ющегося грибовидного облака определяются в основ­ном мощностью взрыва и метеорологическими условия­ми. При мощности взрыва 100 килотонн вы­сота подъема облака составляет примерно 10—12 км, при более мощных взрывах (1 мегатонна) облако поднимается до 15—17 км. По мере подъема происходит охлаждение огненного шара, он принимает форму гриба, ножка которого состоит из крупных ча­стиц земли, а шляпка представляет собой расширенное облако из пылевидных частиц и аэрозолей. При охлаждении шара происходит конденса­ция и выпадение радиоактивных частиц и аэрозолей.

Выпадение радиоактивных продуктов ядерного взры­ва начинается уже вскоре после взрыва. В непосредст­венной близости от эпицентра выпадают довольно круп­ные частицы диаметром около 1 см. Более мелкие ча­стицы оседают на поверхность земли в более отдален­ных местах на расстоянии нескольких сот километров от эпицентра. Это так называемые локальные, или, как их еще называют, местные, выпадения, которые формируют след радиоактивного облака в те­чение ближайших 10—20 ч после взрыва. Часть продуктов ядерного взрыва находится в мел­ких частицах (5 мк и менее), которые оказываются в верхних слоях тропосферы. Тропосферные воздушные мас­сы переносят их на многие тысячи километров от ме­ста взрыва, обширная территория загрязняется пре­имущественно в зоне той широты, на которой произ­водился ядерный взрыв. Выпадение так называемых тропосферных осадков происходит медленно, скорость убывания радиоактивных частиц из тропосферы харак­теризуется периодом полуочищения, составляющим при­близительно 20 суток. Выпадение радио­активных осадков из тропосферы происходит, в основном,  в течение двух месяцев после взрыва. Боль­шая часть короткоживущих радионуклидов распадает­ся во время пребывания их в тропосфере, в связи с чем, вклад тропосферных осадков в общий уровень радиации на поверхности Земли, относительно невелик.

При ядерных взрывах большой мощности (1 мега­тонна и более) и взрывах ядерных боеприпасов на больших высотах определенное количество радиоактив­ных частиц попадает в стратосферу (слой атмосферы, расположенный над тропосферой). Аэрозольные частицы, инжектированные в стратосфе­ру, в последующем переносятся в тропосферу, из нее они удаляются вместе с осадками или в сухом виде. Выпадения носят глобальный характер, и ос­новная часть радионуклидов выпадает в том полуша­рии, где произведен ядерный взрыв. Загрязнение тер­ритории радионуклидами из стратосферного резервуара определяют как загрязнение за счет глобальных выпа­дений. Выпадение радионуклидов из стратосферы про­исходит медленно: время пребывания их на высоте 15—25 км варьирует в пределах от 0,3 до 2 лет и за­висит от высоты и широты. В связи с большой дли­тельностью пребывания радионуклидов в стратосфере короткоживущие и среднеживущие нуклиды полностью распа­даются и основное радиологическое значение приобре­тают долгоживущие радионуклиды - 90Sr и 137Cs, кото­рые в литературе именуются как «глобальные». 

Дозы ионизирующих излучений от радиоактивных продуктов ядерных взрывов. В зоне следа радиоактив­ного облака растения и животные подвергаются воз­действию, прежде всего внешнего ионизирующего излу­чения. Оно исходит от радионуклидов, выпавших на землю, а также осевших на растения или кожу живот­ных. Основной вклад в поглощенную дозу вносят γ-лучение и β-излучение. Величина поглощенной дозы (Р) определяется, прежде всего, мощностью дозы излучения. В свою очередь, мощ­ность дозы γ -излучения зависит от плотности загряз­нения (А ) местности продуктами ядерного взрыва. Расчет мощности экспрозиционной дозы проводят по этой формуле

Р = 0,1 А

При известной плотности загрязнения местности γ -излучающими продуктами ядерного взрыва погло­щенную дозу можно рассчитать с помощью коэффици­ентов (табл. 5). Для перехода от поглощенных доз в воздухе, к дозам, поглощенным организмом, необходи­мо приведенные в таблице 5 данные умножить на 0,32. Этот коэффициент учитывает различия в поглощении ионизирующих излучений воздухом и тканями, рассеивание излучений и защиту от них другими тканями организма (поправ­ка—0,8). а также снижение мощности поглощенной дозы за счет экранирующего, защитного влияния зда­ния (поправка—0,4; общий коэффициент поправки 0,8). Следовательно, если известно, что плот­ность загрязнения территории 137Cs составляет 1 Kи/км2, то годовая поглощенная доза внешнего γ -излучения от 137Cs будет равна 1000 · 0,033 · 0,32=10,6 мрад.

Величина экспозиционной дозы ионизирующих излучений на следе радиоак­тивного облака формируется за счет ло­кальных выпадений продуктов ядерного взрыва. Как правило, эта величина постепенно понижается от эпицентра ядерного взрыва к периферии следа радио­активного облака. Для характеристики зоны радиоак­тивного следа обычно используется такое понятие, как суммарная доза γ -излучения за время от момента вы­падения продуктов ядерного взрыва до полного их рас­пада (D∞). Ее рассчитывают по следующей формуле:

D∞ == 5Р0 =5Рв tв1,2 (P) выправить

где Р0 и Рв — мощности доз излучения соответственно через 1 ч после ядерного взрыва и в момент выпадения в конкретной зоне следа, Р/ч; tв — возраст осколков после взрыва, ч.

Подсчитано, что основную часть суммарной поглощенной дозы, растения и животные в зоне следа радиоактивного облака получают в первые 4 сутки после взрыва. Дозы облучения различных органов и тканей в организме человека, от инкорпорированных, т. е. задержанных в них продук­тов ядерного взрыва (внутреннее облучение), могут варьировать в широких пределах. Одни радионук­лиды (103Ru, 106Ru, 141Се, 144Се, 239Рu) поступают в организм ингаляционным путем, для других радиологически значимых падионуклидов (3Н, 14C, 55Fe, 89Sr, 90Sr, 137Cs, 140Ba, 131I) основным путем поступления является алиментарпый (пищевой) путь. Основная часть поглощенной дозы от внешнего облучения фор­мируется в первые несколько дней после образования радиоактивного следа и затем снижается. Напротив, погло­щенная доза внутреннего облучения постоянно повышается, за счет радиоактивного распада инкорпорированных и постоянно поступающих средне-и долгоживущих нуклидов. Особое значение в инкорпорированном облучении имеют нуклиды, способные накапливаться в органах и тканях. Навпример, основная доля поглощенной дозы в щитовидной железе формирует радиоактивный йод (131I), который накапливается в этом органе.

 Наибольший вклад в повышение радиационного фона Земли внесли радиоактивные осадки при испытаниях ядерного оружия в 1945—1962 гг. После заключения Московского договора о запрещении испытаний атом­ного оружия в атмосфере, космическом пространстве и под водой (1963 г), существенного добавления продуктов ядер­ного взрыва в биосферу не происходило. В настоящее время проводят только подземные  ядерные взрывы небольшой мощности (Франция, Китай), и поэтому образование продуктов ядерного взрыва и их попадание в атмосферу относи­тельно невелико.

По данным научного комитета ООН по действию атомной радиации, при испытаниях ядерного оружия, проводимых до 1963 г., суммарная мощность взорван­ных боеприпасов и устройств составила 510,9 мегатон­ны ( при воздушных взрывах 406,2 мега­тонны, при наземных—104,7 мегатонны). Суммарное выпадение радионуклидов на сушу и водную по­верхность Земли составило (МКи): 3H - 3560, 14С - 6,2, 55Fe - 50, 89Sr – 2800, 90Sr – 12,2, 106Ru – 330, 144Ce – 182,4, 137Cs – 19,5, 239Pu - 0,32. Подсчитаны средние ожидаемые поглощенные дозы от радионуклидов, образовавшихся в результате ядерных испытаний, проведенных до 1976 г. Для жителя средней полосы Север­ного полушария эти величины следующие: поглощенная доза от внешнего облучения—110 мрад, от инкорпорированных радионуклидов: для гонад 37 мрад, костного мозга—150, костной ткани - 180 и для легких- 150 мрад. (за год ?).

Следует отметить, что формирование по­глощенных доз от коротко- и среднеживущих продук­тов ядерных взрывов практически завершилось уже в 1975—1976 гг. В формирование текущих, годовых по­глощенных доз основной вклад из долгоживущих ра­дионуклидов вносят, в первую очередь, 137Cs и 90Sr. 137Cs подвергает организмы внешнему и внутреннему облучению, 90Sr ответствен лишь за внут­реннее облучение. Ежегодное приращение поглощенной дозы от этих радионуклидов к поглощенным дозам, обусловленным естественными ионизирующими излу­чениями, незначительно.


На главную