Радиобиология с основами радиоэкологии

3. Источники радиоактивных веществ и ионизирующих излучений на Земле 91

жизни. К сожалению, первоначальной причиной их является также прогресс ядерной энергетики. В табл. 3.7. приведен перечень лишь некоторых радиационных аварий и инцидентов, в результате которых пострадали либо могли пострадать от радиационного поражения определенные группы людей.

Таким образом, источником облучения человека могут быть не только аварии на предприятиях атомной промышленности и ядерных реакторах, но и аварии на производствах, использующих радиоактивные вещества, и совершенно непредсказу-

Таблица 3.7

Радиационные аварии на предприятиях неядерной промышленности, а также бытовые аварии и инциденты

емые инциденты с источниками ионизирующих излучений в быту. Самая большая бытовая радиационная авария произошла в 1987 г., т.е. через год после аварии на Чернобыльской АЭС, в Бразилии. Это весьма типичный инцидент, похожий на многие другие, хотя и с меньшими по своим масштабам последствиями. 13 сентября того года в г. Гояния – городе с миллионным населением – искателями металлолома в старом заброшенном помещении Института радиационной терапии был найден и случайно разгерметизирован мощный источник γ-излучения на основе 137Cs – так называемая «гамма-пушка» (93 г сыпучей легкорастворимой соли 137CsCl общей активностью 50.9 ТБк, или 1375 Ки) и также случайно рассеян по территории города на площади около 1 км2. На отдельных участках мощность дозы на высоте 1 м достигала 100 Р/ч. Для сравнительного представления уровня загрязнения следует напомнить, что после аварии на Чернобыльской АЭС был установлен рубеж, разделяющий загрязненные по 137Сs и условно чистые территории, который составил 1 Ки/км2, а территории, на которых уровень загрязнения превышал 15 и 40 Ки/км2, отнесены, соответственно, к зоне обязательного отселения и зоне отчуждения. Вследствие этого 249 человек получили дозы облучения от 0.1 до 7.0 Гр, в том числе 24 человека – более 1 Гр. Четверо пострадавших умерли и 28 сильно пострадали от радиационных ожогов, которые для некоторых стали причиной ампутации конечностей. Дезактивация территории потребовала сноса семи жилых домов и некоторых других сооружений, снятия верхнего слоя почвы­ с больших площадей. В целом возникло и было захоронено в специальных контейнерах 3500 м3 радиоактивных отходов. И здесь следует напомнить, что в средствах массовой информации стран СНГ периодически появляются сообщения о случайно выявленных на свалках, в лесах, оврагах источниках радиоактивного излучения различного предназначения,

втом числе и медицинского, о фактах кражи злоумышленниками радиоактивных материалов с разной целью и их попытках, о чем свидетельствуют и данные табл. 3.7. Именно поэтому

вусловиях дополнительного облучения объектов окружающей среды ионизирующими излучениями искусственных источников количественное понятие естественного радиационного фона практически исчезает. Ему на смену приходит понятие просто «радиационный фон», слагаемый из естественного и искусственного, или техногенного радиационного фона.

Таким образом, все живое на Земле подвержено действию ионизирующих излучений различных естественных и искусственных источников. Излучения постоянно воздействуют и на неживые объекты окружающей среды. Однако дозы, которые могут вызвать заметные физические и химические изменения в таких объектах, как правило, в тысячи и десятки тысяч раз вы-

3. Источники радиоактивных веществ и ионизирующих излучений на Земле 93

ше уровней радиационного фона, поэтому возможным их влиянием в данном случае можно пренебречь. У живых организмов даже при уровнях самых низких мощностей доз естественного радиационного фона (0.10–0.15 мкЗв/ч) можно предполагать проявление определенных реакций и последствий действия облучения. В условиях повышенного радиационного фона вероятность появления повреждающих воздействий на живой организм значительно возрастает. Общая оценка тенденций в динамике доз облучения населения Земного шара во второй половине ХХ столетия показана на рис. 3.6, а в табл. 3.8 приведены дозы, получаемые в настоящее время. Это годовые усредненные дозы, а не те, которые получает каждый конкретный человек. Ввиду значительных различий в облучении в зависимости от места обитания, образа жизни, рациона питания и многих других факторов, дозы, получаемые отдельными лицами, могут различаться во много раз. Тем не менее, приводимые средние показатели дают представление об относительной величине доли облучения от каждого источника.

Основным источником облучения остается естественный радиационный фон. В настоящее время средняя доза облучения от него для населения Земного шара принята равной 2.2 мЗв/ год, хотя, конечно же, фоновые дозы для разных регионов планеты варьируют в довольно широких пределах, но для конкретных местностей они остаются относительно постоянными. Дозы облучения от всех искусственных источников (глобальные выпадения радионуклидов от ядерных взрывов в атмосфере, аварий на предприятиях ядерной энергетики) остаются существенно меньшими, чем дозы облучения от естественного фона.

него естественного фона. Однако в дальнейшем, после заключения Московского договора о запрещении испытаний ядерного оружия в трех средах, роль этого источника резко снизилась. Загрязнение и облучение человека и биоты могут приобретать заметные масштабы только в случае крупных аварий на предприятиях ядерного топливного цикла. Наиболее характерный пример – авария на Чернобыльской АЭС, которая в 1986 г. привела к облучению в очень высоких дозах определенного количества людей. Облучение было наиболее сильным в местах, непосредственно прилегающих к станции. Но в целом для Европейского региона и Северного полушария средние уровни облучения человека оставались достаточно низкими. Только в течение первого года после аварии средний уровень облучения в Западной Европе достигал 50% дополнительного к естественному радиационному фону. В последующие годы он резко сократился и в настоящее время не превышает 0.1%. Непрерывно возрастающее производство электроэнергии за счет атомной энергетики, достигшее к XXI столетию в среднем в мире 20%, приводит к постоянному увеличению облучения населения. Однако вклад этого источника очень мал (к настоящему времени дозы за счет этого облучения составляют не более 0.05% естественного радиационного фона).

3. Источники радиоактивных веществ и ионизирующих излучений на Земле 95

Вторым по значимости в облучаемости населения является использование источников ионизирующих излучений в медицине для диагностики и лечения – в среднем 14% при варьировании в различных странах в пределах от 5 до 50%. Разумеется, это усредненная для нашей планеты среднестатистическая картина. Для многих регионов, которые в той или иной степени можно отнести к естественным или искусственным радионуклидным аномалиям, наблюдается другое соотношение между компонентами, формирующими такую дозу. В частности, для населения части западных областей России, Украины, особенно той части, которая проживает в северных областях страны, Беларуси, радиационная обстановка значительно усложнилась в связи с аварией на Чернобыльской АЭС. Жители этих регионов постоянно испытывают действие повышенного радиационного фона и за счет внешнего, но, главным образом, внутреннего облучения, обусловленного попаданием искусственных радионуклидов внутрь организма с продуктами питания и водой. Пути поступления в организм человека естественных и искусственных радионуклидов будут рассмотрены в следующей главе.

Контрольные вопросы к главе 3

1.Первичные и космогенные радионуклиды.

2.Радионуклиды, образующие семейства, и радионуклиды, не образующие семейств.

3.Тяжелые и легкие радионуклиды.

4.Источники радиоактивных веществ в биосфере.

5.Источники естественных радионуклидов.

6.Источники искусственных радионуклидов.

7.Атомные взрывы как источник поступления радионуклидов в биосферу.

8.Составляющие компоненты ядерного топливного цикла.

9.Общие принципы работы атомной электростанции.

10.Крупнейшие радиационные аварии в мире.

11.Радиационные аварии как источник поступления искусственных радионуклидов в биосферу.

12.Источники ионизирующих излучений.

13.Естественные источники ионизирующих излучений.

14.Галактическое и солнечное космическое излучение.

15.Компоненты естественного радиационного фона.

16.Радионуклидные аномалии.

17.Искусственные источники ионизирующих излучений.

18.Генераторы ионизирующих излучений.

19.Радиационные аварии и инциденты как источник дополнительного излучения.

20.Бытовые источники ионизирующей радиации.

4.МИГРАЦИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ

ВОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ

Общие закономерности миграции радионуклидов в окружающей среде. Миграция радиоактивных веществ в атмосфере. Миграция радиоактивных веществ в звене почва–растения. Роль физико-химических свойств радионуклидов. Роль гранулометрического и минералогического состава почвы. Влияние агрохимических свойств почвы. Влияние погодно-климатических условий. Вертикальная миграция радиоактивных веществ в почве. Горизонтальная миграция радиоактивных веществ по поверхности почвы. Поступление радиоактивных веществ в растения. Некорневое поступление радиоактивных веществ в ра­ стения. Поступление радиоактивных веществ в растения через корни. Особенности миграции радиоактивных веществ в лесных насаждениях. Особенности поступления в растения тяжелых естественных радионуклидов. Поступление радиоактивных веществ в организм животных и человека. Миграция радиоактивных веществ в водоемах. Роль микроорганизмов в миграции радиоактивных веществ.

Практическое значение изучения поведения радиоактивных веществ в окружающей среде, и особенно искусственных, обусловлено прежде всего возможными радиационными последствиями их поступления в продукты питания человека. В исследованиях миграции радиоактивных веществ в биосфере важнейшее место принадлежит поведению их в биологических и пищевых цепочках с участием растений и животных. Это связано с тем, что потребление продуктов растительного и животного происхождения, загрязненных радионуклидами, является основным путем долговременного формирования доз внутреннего облучения. «Вклад» аэрального пути поступления в организм радионуклидов существенен лишь в период их выпадения из атмосферы, а также эпизодически в процессе пылевого переноса.

К настоящему времени накоплены обширные экспериментальные данные об особенностях перехода различных радиоактивных веществ из внешней среды в пищевые продукты. Изучены зависимости, связывающие интенсивность радиоактивных выпадений и содержание отдельных радиоактивных веществ в почве, способность различных видов растений к аккумуляции некоторых радионуклидов и закономерности их перехода в организм животных, особенности поведения радиоактивных веществ в таких специфических сообществах, как лес, водоемы,

втом числе и морские. Сведения о них имеют необычайно важное значение для оценки поступления радиоактивных веществ

врацион населения, в особенности проживающего в условиях повышенного содержания продуктов радиоактивного деления в окружающей среде, и при разработке мероприятий, направленных на снижение их поступления в организм человека.

4.1.Общие закономерности миграции радиоактивных веществ

вокружающей среде

Радиоактивные вещества, попадающие в атмосферу обычно в виде пылевидных частиц различного размера или капелек жидкости – аэрозолей и гидрозолей, под влиянием сил гравитации и электростатических сил (аэрозоли и гидрозоли несут положительный заряд, а почва и особенно вода имеют отрицательный заряд) постепенно выпадают на поверхность Земли

истановятся составной частью природного кругооборота веществ. В самом общем виде схема путей миграции радиоактивных веществ в объекты окружающей среды приведена на рис. 4.1. Согласно ей, радиоактивные вещества, выпадающие из атмосферы на земную поверхность, концентрируются в основном в трех объектах: почве, растениях и водоемах. Поступают они в растения также и из почвы через корневую систему,

ис поливной водой из загрязненных водоемов. Составляя основу кормовой базы животных и существенный компонент рациона человека, растения поедаются. Значительная часть радионуклидов, нередко более половины, поступает в организм человека с продукцией животноводства. Безусловно, попадают радионуклиды в организм животных и человека с питьевой водой. В период активного выпадения радиоактивных осадков существенное количество радиоактивных веществ может поступать в организм аэральным путем – через органы дыхания, кожу и особенно через поврежденные кожные покровы.

Трофическая, или пищевая цепочка (цепь) – это путь, по которому радиоактивные вещества транспортируются (мигри­ руют) к человеку. Он может быть очень коротким: атмосфера (радиоактивные­ осадки)–человек (с воздухом через органы дыхания); более длинным:

атмосфера–водоем–чело- век (с питьевой водой); еще более длинным: ат-

Рис. 4.1. Схема путей миграции радиоактивных веществ в основных объектах окружающей среды.

мосфера–почва–растения–животные–человек. Существуют­ и другие пути, в том числе и не приведенные в этой схеме, но которые можно легко представить. Например, атмосфера–водоемы– водные растения–рыба–человек.

Концентрация радионуклидов в процессе миграции по трофической цепочке от одного звена к другому изменяется как правило, уменьшается. Например, их количество на единицу массы растения будет ниже, чем почвы, на которой это растение произрастает; на единицу массы молока или мяса животных ниже, чем растений, которые им скармливаются и т.д. Таким образом, чем длиннее трофическая цепочка, тем меньше радионуклидов поступает в организм человека.

Но существуют и противоположные случаи, когда при переходе радионуклидов из определенных почв в некоторые виды растений их концентрация возрастает. В высоких количествах могут накапливаться некоторые радионуклиды в отдельных органах и тканях животных.

Мерой накопления (аккумуляции) радиоактивных веществ в организме является коэффициент накопления (КН, или КН) радионуклида. Есть несколько определений коэффициента накопления. В самом общем виде коэффициент накопления ра­ дионуклида – это соотношение между его содержанием в ор­ ганизме и среде обитания. Но такая наиболее правильная и наиболее полная формулировка делает необычайно трудной задачей количественную оценку данной величины, поэтому имеются конкретные определения.

Коэффициент накопления радионуклида – это отношение его содержания в каком-либо звене трофической цепочки к со­ держанию в предыдущем звене.

Исходя из этой формулировки, можно легко представить не только частные случаи определения данной величины, но и методологию ее количественной оценки.

Так, коэффициент накопления какого-либо определенного радионуклида растением (отдельным органом, например, клубнем, зерном) – это отношение его концентрации (количества на единицу массы) в растении к концентрации в почве. В случае животных коэффициент накопления – это отношение концентрации радионуклида в единице массы органов (или продукции – мясо, молоко, яйца) к концентрации в корме и т.д.

Исходя из положения о том, что концентрация радионук­ лидов в процессе миграции, как правило, уменьшается, коэффициент накопления в большинстве случаев составляет величину меньше единицы.

Мигрируют радиоактивные вещества и обратными путями. Так, ветром загрязненные частицы почвы могут подниматься с поверхности земли, переноситься на довольно большие расстояния и вновь выпадать на различные объекты, в том числе

ина менее загрязненные радионуклидами. С растительными остатками, отходами животноводства радиоактивные вещества возвращаются в почву и снова радионуклиды начинают свой путь по цепочкам миграции. Радиоактивные частицы смываются дождями и талыми водами с поверхности почвы в водоемы, просачиваются в подземные воды. Аналогичные обратные связи возникают и между другими звеньями трофических связей, например, человеком и почвой, животными и водоемами, однако их вклад в миграцию радиоактивных веществ невелик,

иэти пути не обозначены на схеме.

Иногда первичным источником поступления радионуклидов в биосферу может явиться не атмосфера, а водоем, загрязненная почва. Именно так произошло в упомянутых в предыдущей главе случаях на уральской р. Теча и оз. Карачай, куда сбрасывались жидкие радиоактивные отходы предприятий ядерной промышленности. Но принципиально схема путей миграции радиоактивных веществ в объектах окружающей среды при этом не меняется.

Таким образом, даже в том случае, когда прекращается поступление радиоактивных веществ в биосферу, те из них, которые одноразово поступили в нее при атомных взрывах, выбросах предприятий ядерного топливного цикла и из других источников, могут в течение долгих десятилетий и столетий мигрировать от одного объекта к другому, вновь и вновь возвращаться к ним, подвергая постоянному действию ионизирующей радиации растения, животных, человека.

Именно поэтому детальное изучение путей миграции радио­ активных веществ в объектах окружающей среды, т.е. в отдельных звеньях трофических цепочек, мест их накопления и концентрации, а следовательно, возможного поражения живых организмов, является одной из важнейших задач радиобиологии и ее специального направления – радиоэкологии.

4.2. Миграция радиоактивных веществ в атмосфере

Атмосфера, как было только что отмечено, не всегда является первичным и основным звеном приема выброшенных в окружающую среду радиоактивных веществ. Но она – то звено, которое способствует максимальной миграции радиоактивных веществ и переносу их на очень большие расстояния. Так, при упомянутой аварии в Челябинской области в 1957 г. при взрыве емкости с радиоактивными отходами около 90% выброшенных радионуклидов попали на почву тут же возле самого места выброса, обусловливая радиоактивное загрязнение хотя и очень сильное, но относительно небольшого пространства. Это локальное загрязнение было быстро ликвидировано, но 10% радиоактивности, выброшенной в атмосферу в виде аэ-

розоля на высоту до 1 км, вызвало загрязнение более 1000 км2 лесов и сельскохозяйственных угодий.

Радиоактивные продукты взрывов в атмосфере атомной бомбы, распространяясь над всей планетой, выпадают на протяжении 1.5–2.0 лет, а взрывов в космосе (их было 10) – повидимому, десятилетий. Именно поэтому они получили название глобальных выпадений.

Четыре основных фактора играют ведущую роль в миграции радиоактивных веществ в атмосфере: высота выброса (инжекции), движение воздуха (ветер), сила тяжести (гравитация) и атмосферные осадки. В зависимости от взаимодействия всех этих факторов либо части из них выделяют локальные, тропосферные и стратосферные выпадения радиоактивных веществ.

Локальные выпадения имеют место при высоте выброса радиоактивных веществ до 4 км. В этих случаях радиоактивные вещества в основном сосредотачиваются в нижних слоях атмосферы и продолжительность их выпадения на поверхность Земли в случае разовых выбросов, как правило, не превышает нескольких суток. При таком выбросе на земной поверхности образуется «след» от движущегося радиоактивного облака. Обычно локальные выпадения радионуклидов распространяются в зоне радиусом не более 30 км от места выброса. Именно поэтому радиус аварийной зоны в районе предприятия ядерного топливного цикла определяется данной величиной.

Локальные выпадения радиоактивных веществ сопровождали аварию на экспериментальном реакторе в Уиндскейле, аварию на атомной электростанции «Три-Майл-Айленд» и большинство аварий на предприятиях ядерной промышленности. Но в связи с тем, что в распространении осадков громаднейшее значение имеет ветер, радиоактивное облако и при локальных выбросах может мигрировать на значительные расстояния. Так, при выбросе в Кыштыме при высоте всего 1 км длина образовавшегося радиоактивного следа достигла 100 км. Тем не менее, основная масса радиоактивности выпала все же в пределах 30-километровой зоны.

Тропосферные выпадения происходят при высоте выброса до 10 км. Радиоактивное облако или облака быстро переносятся тропосферными ветрами с запада на восток и за весьма короткий период (две-шесть недель) успевают обогнуть Земной шар.

Именно тропосферные выпадения были характерны для аварии на Чернобыльской АЭС. На протяжении 15 сут. острого периода аварии, в течение которых произошло три мощных выброса, восходящий поток продуктов горения поднимал радио­ активные вещества в тропосферу на высоту до 7 км. Из-за быстрой смены направлений ветров радиоактивные выпадения из нижних слоев облака уже через 1–3 сут. были обнаружены во