Изотопы, попавшие в выброс в результате чернобыльской аварии

Резкое уменьшение выбросов через 10 дней после аварии объяснялось быстрым охлаждением топлива по мере того, как остатки топлива прошли через нижний уровень защиты и вступили во взаимодействие с другими материалами в реакторе. После 6 мая выбросы были незначительными.

(оценки на январь 2000 г.)

Химические и физические формы выбросов. Выброс радиоактивных материалов в атмосферу состоял из газов, аэрозолей и топлива, измельченного до микроскопических частиц.

Газообразные элементы, такие как криптон и ксенон, практически полностью оказались выброшенными в атмосферу из ядерного топлива. Помимо того, что йод встречался в газообразной форме и в форме частиц, на месте аварии был также обнаружен органически связанный йод. Всего было выброшено от 50 до 60% йода из реактора в атмосферу. Другие летучие элементы и смеси, такие как цезий и теллур, вместе с аэрозолями были выброшены в воздух отдельно от частиц топлива. Пробы воздуха показали наличие частиц этих элементов размером от 0,5 до 1 мм.

Элементы низкой летучести, такие как церий, цирконий, актиниды и в значительной степени барий и лантан, а также стронций, оказались привязанными к частицам топлива. Более крупные частицы выпали в районе станции, а более мелкие «горячие» частицы были обнаружены на больших расстояниях от места аварии.

Загрязнение территории радионуклидами оказалось неравномерным, так как в течение первых 10 суток выбросы происходили периодически, а ветер неоднократно менял свое направление (рис.3.3, 3.4).

Основной вклад в радиоактивное загрязнение местности Республики Беларусь в первые дни после аварии внесли йод-131,132, телур-132, другие короткоживущие радионуклиды рутений-103, барий-140 и другие (рис.3.2). Позже стали доминировать цезий-134 и цезий-137 (рис.3.2). 25% от общего количества выброшенных радионуклидов составлял йод-131. Практически вся территория Республики Беларусь была загрязнена йодом-131 (рис.3.3). На отдельных участках территории республики активность йода-131 в почве достигала 37000 кБк/м² (1000 Кu/км²). Являясь бета - и гамма - излучателем (рис.3.5.), находясь в аэрозольном состоянии, он нанес основной удар по щитовидной железе людям с дефицитом йода. Он легко проникает в овощи, ягоды, молоко. Период биологического полувыведения — 138 суток. Другие коротко живущие радионуклиды существенного вклада в облучение людей не внесли. После распада йода-131 (его период полураспада составляет 8,05 суток) и других короткоживущих радионуклидов основными источниками радиоактивного загрязнения местности в Республике Беларусь в настоящее время остались:

· цезий-137 — загрязнил 23% территории республики (46450км² );

· стронций-90 — загрязнил 10% территории республики (4230 км² );

· плутоний-239 — загрязнил 2% территории республики (430 км²).

Степень загрязнения в отдельных местах составила от 1 до 200 Кu/км².

Схема радиоактивного загрязнения местности цезием-137 на январь 2000 года представлена на рис.3.4. Радиационное загрязнение местности в настоящее время создают выше перечисленные радионуклиды и продукты их распада (рис.3.5, 3.6).

В результате первоначального радиоактивного загрязнения цезием-134, 137, стронцием-90 и плутонием-239 в зонах загрязнения оказалось 3668 населенных пунктов с населением более 2 млн. человек, в том числе 500 тыс. детей. Полностью оказались радиоактивно загрязненными Гомельская и Могилевская области, 10 районов Минской области, 6 районов Брестской области, 6 районов Гродненской области и 1 район Витебской области. 

Примечание: на схеме отмечены только крупные загрязненные радионуклидами участки местности.

На территории Республики Беларусь плотность радиоактивного загрязнения составила от 1 до 200 Кu/км². Распределение жителей по зонам на январь 1996 г. составило:

· 1–5 Кu/км² — более 1 млн. 400 тыс. человек;

· 5–15 Кu/км² — примерно 700 тыс. человек;

· 15–40 Кu/км² — 120 тыс. человек;

· Более 40 Кu/км² — около 10 тыс. человек.

Примечание: из территорий с активностью более 40 Кu/км² после аварии на ЧАЭС население было выселено, но часть из них была снова заселена мигрантами из СНГ. Всего было отселено 135 тысяч человек.

Распределение населения, проживающего на радиоактивно загрязненных территориях, по областям показано на рис. 3.6.

Дадим краткую характеристику основным оставшимся радионуклидам и продуктам их распада.

Цезий-137. Это щелочной металл серебристо-белого цвета, мяг­кий, тягучий. В воздухе моментально воспламеняется. В природе входит в состав отдельных минералов. Хорошо сорбируется почвами (особенно черноземами). Бета- и гамма-излучатель (рис.3.7). На территорию республики выпал в виде дисперсных частиц размером от 2 мкм до нескольких сотен мкм.

Цезий-137 закрепляется в бедных калием почвах, а в почвах бога­тых органикой хорошо усваивается корневой системой и легко передвигается в самих растениях. Цезия много в хлебе, стеблях картофеля, в зелени и других растениях. В водной среде процессы миграции цезия идут интенсивнее, поэтому в рыбе он накапливается в значительных количествах.

В организм человека поступает через желудочно-кишечный тракт. Легко всасывается в желудочно-кишечном тракте (50%–80%) и свободно циркулирует в составе крови по всему телу. Основная часть цезия накапливается в мышцах (80%), в костях — (8%). Выводится из организма с мочой, калом и потом. Период биологического полувыведения из организма взрослого человека — до 3-х месяцев, у детей до 15 лет — 50 суток, до 5 лет — 20 суток.

Аналогичное накопление радионуклидов происходит и у животных, но у коров большая часть цезия переходит в молоко, у кур - в яйца. По химическим свойствам цезий-137 близок к калию и является его конкурентом (если в организме дефицит калия, усваивается цезий). При попадании в организм человека вызывает лейкемию, рак молочной железы, печени, подавление системы кроветворения, угнетение костного мозга, опухоли кожи. При попадании на кожу цезий всасывается по кровеносным и лимфатическим капиллярам, период биологического полувыведения его из кожи равен одним суткам.

Стронций-90. Это серо-белый металл, легкий, ковкий, пластичный.

Входит в состав минералов. Бета-излучатель. Период полураспада 29 лет (рис.3.8). Входит в состав биологической ткани животных и растений. В растениях в основном накапливается в корневой системе. Его также много в зерне, листовых овощах.

Обладая хорошей растворимостью, стронций легко вымывается из почвы и попадает в водоемы, где активно накапливается гидробионтами.

Стронций-90 конкурирует с кальцием, поэтому у человека и животных избирательно накапливается в костях, но некоторое накопление происходит в почках, слюнной и щитовидной железах, в легких, откладывается также на стенках сосудов, способствует интенсивному отложению солей. Больше стронция откладывается в молодых костях.

Процент всасывания стронция зависит от ряда факторов:

· возраста (у детей процент всасывания выше);

· физиологического состояния организма (период беременности, лактации);

· приема витамина D (витамин ускоряет всасывание стронция);

· количества поступающего в организм кальция (чем больше поступает кальция, тем меньше всасывается стронция);

· пола (у мужчин всасывание идет активней).

У кур стронций переходит в скорлупу яиц, у коров значительная часть переходит в молоко. Вызывает заболевания различными видами рака, катаракту глаз. Период биологического полувыведения –– около 20 лет.

Плутоний-239. Это металл серого цвета. Альфа-излучатель. Обладает также слабым гамма-излучением и мягким рентгеновским излучением. Период полураспада –– 24065 лет (рис.3.9). Особо опасен при попадании в органы дыхания, желудочно-кишечный тракт и на поврежденную кожу. При де­фиците кальция и стронция избирательно накапливается в костях, но при попадании в кровеносное русло 45% плутония задерживается в печени, откуда половина выводится только через 20 лет. Однако, на практике уже через 2–3 месяца возникает цирроз печени. Плутоний также аккумулируется в скелете и в лимфатических узлах. Плутоний-239 подавляет систему кроветворения и иммунную систему. На территории республики плутоний-239 выпал только в Брагинском, Светлогорском и Рогачевском районах.

Америций-241. Америций-241 является продуктом распада плутония-241 (рис.3.10), альфа - и гамма - излучатель. На территорию Республики Беларусь плутония-241 выпало незначительное количество (меньше чем плутония-239). Однако наряду с цезием-137 и стронцием-90 он будет представлять значительную угрозу здоровью людей. Этот элемент опасен тем, что в отличие от других радионуклидов, обладает очень жестким гамма - излучением. Это означает, что излучение будет пронизывать человека насквозь, оно более опасно, чем рентгеновское излучение.

Кроме того, опасность америция-241 состоит в том, что он хорошо растворяется в воде. Это означает, что он будет активно поступать в организм человека с водой, растительной пищей, с животными продуктами. Учитывая, что америций-241 имеет большой период полураспада (432 года), то будет представлять опасность тысячи лет.

Америций-241 обладает еще одним важным свойством. Для его цепной реакции требуется небольшая критическая масса, которая исчисляется микрограммами (в то время как для урана или плутония — килограммами). Микровзрывы опасны и для биологического мира, и для защитных сооружений.

По своему воздействию на организм человека он аналогичен плутонию-239, но с более тяжелыми последствиями, связанными с микровзрывами.

«Горячие» частицы. Наряду с аэрозолями отдельных радионуклидов в чернобыльском выбросе имелись и аэрозоли диспергированного ядерного топлива. Они бывают различной величины (от 2 мкм до сотен микрометров), активности и радионуклидного состава. В настоящее время основное количество этих частиц (до 70%) находится в верхнем односантиметровом слое почвы. Эти частицы представляют опасность для всего живого ввиду высокой концентрации в них радионуклидов с разными видами излучений.

При попадании таких частиц в организм человека последствия для здоровья будут крайне тяжелыми и будут зависеть от особенностей каждого типа радионуклида, содержащегося в «горячей» частице.

Особенности миграции радионуклидов и прогнозирование радиоактивного загрязнения местности

В результате аварии на ЧАЭС на территорию Республики Беларусь было выброшено и значительное количество долгоживущих радионуклидов. После выброса газов, «горячих» частиц образовались и аэрозоли в результате процессов диспергирования, конденсации, десублимации, адсорбции радионуклидов. Размеры таких частиц составляют от 2 мкм до сотен мкм, но активность одной частицы не превышает 10^–14 Кu. Правда «горячие» частицы (фрагменты ядерного топлива) имели и большие размеры и в них было по несколько радионуклидов. Активность частиц пропорциональна их размеру:

А₁ = кДⁿ, (3.1)

где к — коэффициент пропорциональности, характерный для данного вида радионуклида. Когда активность сосредоточена на поверхности частицы, то n = 2, а по всему объему — n = 3. Наличие таких частиц и обусловило особенности миграции радионуклидов.

Для случая выброса радионуклидов на ЧАЭС спад радиоактивности подчиняется Закону:

А_t = 0,5 А_о [1 + erf (К^½ [a1] llLl llL:Ln(t/T))], (3.2)

где А_о и А_t — активность продуктов деления в момент аварии и по истечении времени t после аварии, Кu;

T — время, в течении которого начальная активность смеси радионуклидов уменьшится в 2 раза;

К ^½ — параметр нормально-логарифмического закона распределения равный: К^1/2 = 1/2^1/2d; где d — среднеквадратическое распределение.

Для реактора РБМК параметр Кснижается с 0,1766до 0,1485. Расчеты показывают, что радиоактивный спад продолжается много месяцев и даже лет.

Особенности радиоактивного загрязнения местности Республики Бе­ларусь во многом обусловлены не только видами радионуклидов, но и физико-химическими процессами, определяющих элементарные акты загрязнений.

Для прогнозирования последствий радиоактивного загрязнения местности очень важно знать особенности миграции радионуклидов. Миграция радионуклидов может быть по воздуху, в почве и водоносных системах. Различают вертикальную и горизонтальную миграцию. На миграцию радионуклидов влияют следующие факторы:

· химическая природа изотопов;

· условия выпадения радионуклидов и количество атмосферных осадков;

· режим существования почво - растительного комплекса;

· антропогенные воздействия на почву: ее влажность, интенсивность промывного режима;

· особенности минерального и органического состава почвы и др.

Вертикальная миграция радионуклидов в почве. Поверхностное заражение почвы происходит в основном за счет адгезии и адсорбции.

Адгезия (прилипание) радиоактивных частиц характерна для аэрозолей, в меньшей степени — для «горячих» частиц.

Адсорбция может быть физическая и химическая. При физической адсорбции радионуклид сохраняет свою индивидуальность, а проникает в вещество за счет межмолекулярного взаимодействия. Химическая адсорбция возникает за счет химического взаимодействия и образования нового химического соединения.

Радионуклиды могут проникать в глубину почвы и за счет диффузии. При этом диффузия в различных грунтах разная.

Радионуклиды проникают в почву и в результате смыва дождевыми или талыми водами, через микропоры в почве.

По мере миграции радионуклидов в вертикальной плоскости происходит изменение и радиоактивности. Исследования показывают, что в Республике Беларусь радионуклиды цезия и стронция сосредоточены в основном в слое 5–20 см. Процесс миграции радионуклидов в вертикальной плоскости медленный и в среднем каждые 20 лет количество радионуклидов будет уменьшаться в 2 раза для двадцати сантиметрового слоя.

Миграция радионуклидов в вертикальной плоскости зависит от вида почвы. Так, в подзолистых и песчаных грунтах вертикальная миграция меньше, чем в торфяно-болотных почвах (5–8 см и 20 см соответственно для цезия-137). Стронций-90, хотя и имеет более высокую миграционную подвижность, но в дерново-подзолистых и супесчаных почвах распределен так же, как и цезий-137, и только в торфяных почвах он проник глубже. Существует опасность попадания стронция-90 в подземные воды, особенно после того, как радионуклиды вступили в различные водо-растворимые химические соединения. Замечено, что чем ближе к ЧАЭС, тем меньше миграция, так как здесь больше «горячих» частиц.

Горизонтальная миграция. Существует несколько причин горизонтальной миграции. Естественной причиной является распространение радионуклидов вместе с пылью за счет ветра. Частично радионуклиды смываются дождевыми и паводковыми водами. По этой причине наблюдается повышенное содержание радионуклидов в низинах. Однако наибольшая миграция радионуклидов происходит по вине человека. В частности радионуклиды разносятся транспортом с загрязненных районов в «чистые», Почти 1 млн. т радиоактивного зерна, свыше 1,6 млн. т обрата, свыше 100 тыс. тонн хвойной и травяной муки, заготовленных в загрязненной зоне, распространились через комбикорма почти по всей территории республики. Миграция радионуклидов происходит и за счет лесных пожаров.

Прогноз распространения радионуклидов в основном связан с горизонтальной миграцией, деятельностью человека, состоянием погоды и способностью растений аккумулировать радионуклиды. Долгосрочный прогноз показывает, что самоочищение почв, особенно от цезия-137, вследствие вертикальной миграции, будет происходить крайне медленно. Однако заглубление плутония будет значительным по мере разрушения «горячих» частиц. Одновременно миграция по воздуху и за счет паводковых вод на отдельных участках территории достигает 5 км/год. Обычно в низинах содержание радионуклидов больше. Ввиду длительного пребывания цезия-137 в пахотном слое на десятилетия остается опасность радиоактивного загрязнения продукции растениеводства за счет корневого и аэрального поступления. Удельная активность цезия-137 и стронция-90 в подземных водах пока не представляет особой опасности. В перспективе возможно радиоактивное загрязнение вод вследствие миграции только в зонах с поверхностной активностью 40 Кu/км² и более. В реках радионуклиды в основном сосредоточены в донных отложениях, несколько меньше –– в гидробионтах и еще меньше –– в воде. В период паводков и разлива рек возрастает доля активности, связанная с твердыми взвесями. Радиоактивные вещества течением могут относиться на значительные расстояния, и только часть из них накапливается в донных отложениях. В озерах радионуклиды сосредоточены в донных отложениях и биоте. Наличие растительности в озерах, ее способность аккумулировать радионуклиды вызывает накопление достаточно высокого уровня радиоактивности в донных отложениях.

Таким образом, за счет миграции радионуклидов уменьшается плотность, но увеличиваются площади радиоактивного загрязнения, одновременно идет медленный процесс спада радиоактивности за счет естественного распада радионуклидов. В стоячих водоемах идет процесс накопления радионуклидов в донных отложениях и биоте. Хорошо растворимые в воде стронций-90 и америций-241 будут представлять все большую опасность для биологического мира.

Вопросы для самоконтроля:

1. События, приведшие к аварии на ЧАЭС.

2. Развитие аварии на ЧАЭС.

3. Основные изотопы, выброшенные из реактора.

4. Что такое «горячие» частицы.

5. Краткая характеристика цезия-137.

6. Краткая характеристика стронция-90.

7. Краткая характеристика плутония-239.

8. Краткая характеристика америция-241.

9. Что такое горизонтальная миграция радионуклидов?

10. Что такое вертикальная миграция радионуклидов?