Радиоактивность Земли.

Эпопея кратера в Аризонской пустыне. Радиоактивность Земли. Радиоактивность окружающей среды

1. Введение

У многих слово «радиоактивность» ассоциируется с современными технологиями, атомными электростанциями и ядерным оружием. Хотя это все, разумеется, непосредственно связано с радиоактивностью, нельзя забывать, что существует также много природных источников различных типов радиоактивного излучения. При этом, за последний век к этим естественным источникам добавилось много других, связанных с деятельностью человека, однако они все создают радиационный фон, в котором живет человечество, и вклад естественной радиации намного превышает вклад искусственной. Во-первых, исторически искусственные источники стали появляться лишь в середине прошлого века, а во-вторых, до сих пор в среднем их суммарный вклад остается мал.
Тем не менее, современное развитие ядерной промышленности вызывает необходимость тщательно отслеживать изменения в радиационном фоне, особенно в местах захоронения радиоактивных отходов, около АЭС, в областях крупных аварий. Важно также понимать, как радиоактивные изотопы распространяются в различных средах и как это влияет на изменение радиационного фона.
Данная работа посвящена радиоактивности окружающей среды: ее источникам, составу, механизмам распространения

2. Естественные источники радиоактивности окружающей среды

Существует большое количество естественным образом радиоактивных веществ. Эти природные радионуклиды делятся на первичные и космогенные. Первичные образовались одновременно со всем стабильным веществом Земли, а космогенные постоянно поступают с внеземным веществом либо образуются в результате ядерных реакций, происходящих под действием космических лучей.
На рис. 1 приведено соотношение вкладов различных источников. Как уже было сказано, что несмотря на развитие ядерной промышленности, основной вклад (более 80%) дают различные природные источники.


Рис. 1. Соотношение различных источников облучения [6].

    На данный момент, очевидно, из первичных радионуклидов сохранились только такие, которые имеют период полураспада порядка возраста Земли. К таковым относятся изотопы урана 238U (T1/2 = 4.5∙109 лет), 235U (T1/2 =7.0∙108 лет) и тория 232 Th (T 1/2 =1.4∙1010  лет). Эти изотопы являются родоначальниками трех естественных радиоактивных рядов.
Именно уран-238, находящийся в почве, порождает при распаде главный источник фоновой радиации – газ радон 222 Rn, дающий почти половину средней годовой дозы. Он довольно быстро распадается (T1/2 = 4 дня), образуя короткоживущие изотопы полония 218 Po и 214 Po, которые могут накапливаться в легких, продолжая распадаться. Тем не менее, в воздухе концентрация радона мала. Она несколько больше внутри зданий, где радон имеет тенденцию накапливаться в подвалах и на нижних этажах.
Уровни естественной радиации, в том числе и от радона, сильно отличаются в разных точках земного шара, в зависимости от геологического состава пород конкретной местности. Так, в Китае, Индии, Бразилии и Иране были обнаружены области с аномально высоким радиационным фоном. В Рамсаре в Иране доза, получаемая жителями, достигает 260 мЗв/год, что превышает считающуюся максимально допустимой в десятки раз. Несмотря на такой высокий фон, люди жили и продолжают жить в этих областях без негативных последствий для здоровья.
В случае с радоном дополнительную роль в неравномерности концентрации играют конструкции домов. В отдельных зданиях в Канаде, Швеции и Швейцарии были измерены концентрации радона, на 1–2 порядка превышающие средние значения. Однако это − единичные случаи, связанные с совпадением многих природных (свойства пород и почв) и искусственных факторов (материалы построек и вентиляция).


.Рис. 2: Калибровочная кривая радиоуглеродного метода, соответствующая количеству 14С в атмосфере [10].

Большое практическое значение играет радиоактивный углерод 14С, имеющий период полураспада около 6 тыс. лет. На изменении его отношения к количеству обычного углерода основан радиоуглеродный метод. На рис. 2 приведена калибровочная кривая этого метода, экстраполированная назад по времени на основе существующих данных. По сути, эта кривая соответствует содержанию изотопа в атмосфере. Видно, что начало ядерных испытаний увеличило концентрацию 14 С в атмосфере почти в 2 раза к 1963 году, после чего концентрация стала постепенно спадать после запрета атмосферных испытаний.
Другим источником природной радиации является долгоживущий (T1/2 =1.3∙10 лет) изотоп калия 40K. Его распад в 40Ar тоже используется для датирования, и видимо, именно 40K ответственен за присутствие значительного числа этого изотопа аргона в атмосфере. Кроме того, радиоактивный калий - основной источник радиации, исходящей от живых существ, включая и самого человека. .

3. Искусственные источники радиоактивности окружающей среды

В окружающей среде всегда присутствовали радиоактивные вещества. Однако с появлением ядерного оружия и ядерной энергетики к ним добавились новые, так называемые искусственные источники радионуклидов, попадающие в окружающую среду благодаря деятельности человека. Они до сих пор вносят незначительный вклад в среднюю общую дозу, получаемую человеком, но в отдельных местностях — например, в зонах аварий АЭС — эти источники могут оказывать большее влияние

Таблица 1

Оценки выбросов техногенных радионуклидов (РБГ — радиоактивные благородные газы:  85Kr,  131Xe,  133Xe и др.) [1, 2, 3, 11].

Источник Активность выбросов, ПБк
3Н 14С РБГ 90Sr 131I 137Cs
Атмосферные ядерные взрывы 2.4·105 220 604 6.5·105 910
Подземные ядерные взрывы 50 15
Ядерный топливный цикл, в том числе
работа реакторов 140 1.1 3200 0.4
переработка ОЯТ 57 0.3 1200 4·10-3 40
Производство и использование радионуклидов 2.6 1.0 52 6.9 6.0
Аварии
Три-Майл Айленд (1979) 270 6·10-4 40
Чернобыль (1986 10 1800 85
Кыштым (1957) 5.4 0.04
Селлафилд (1958) 1.2 0.7 0.02
"Космос-954" (1978) 3·10-3 0.2 3·10-3
Фукусима (2011) 11000 150 12

Искусственные радионуклиды появляются в результате ядерных испытаний, взрывов, как следствие деятельности ядерной энергетической промышленности. Долгое время многие страны сбрасывали в моря радиоактивные отходы, усиливая радиоактивное загрязнение гидросферы. Колоссальный вклад вносят аварии на АЭС. В таблице 1 представлены обобщенные данные о выбросе искусствен­ных радионуклидов в результате ядерных испытаний, штатной работе АЭС и аварийных ситуаций на них

3.1. Ядерные взрывы

.Рис. 3. Относительная интенсивность радиоактивного излучения после ядерных испытаний в Неваде в 1953 году [4].

    С середины ХХ века начинается развитие ядерной промышлен­ности сначала в США и СССР, а потом и в других странах. Начало этому положили испытания 16 июля 1945 г. в пустыне Аламогордо в США и бомбы, сброшенные на Хиросиму и Нагасаки 6 и 9 августа того же года. После этого испытания ядерного оружия проводились многими странами в различных местах: на Новой Земле, в Сахаре, в Австралии, на Гвинейских островах. На рис. 3 показано распределение интенсивности радиоактивного фона в относительных единицах после одного из испытаний, проведенного в Неваде. Видно, что эффект взрыва не ограничен областью не только штата Невада, но и всей территории США.
Эти испытания достигли своего пика к 1960-м годам, помимо прочего в 1961 году на Новой Земле была взорвана сверхмощная термоядерная бомба. После этого проблема радиационного загряз­нения окружающей среды привлекла к себе значительное внимание, и в 1963 году СССР, США и Великобритания подписали договор, запрещавший атмосферные и подводные взрывы. После этого этими странами производились только подземные взрывы на ограниченном числе полигонов.
На рис.3 хорошо виден резкий подъем концентрации, связанный с началом ядерных испытаний, а потом спад после 1963 года после запрета атмосферных испытаний. При этом практически не заметно влияние различных аварий − лишь в 1986 году можно заметить небольшой пик, связанный с аварией на Чернобыльской АЭС.
Одним из процессов, происходящих при ядерных взрывах, является деление тяжелых ядер. Значительную часть изотопов, образующихся в результате этого процесса, составляют изотопы стронция 90 Sr и цезия 137 Cs, формирующие два максимума распределения дочерних продуктов. Эти изотопы имеют довольно большие периоды полураспада (28,9 лет для стронция и 30,08 лет для цезия), а потому особенно опасны для человека

3.2. Захоронение ядерных отходов

В течения ряда лет обычной практикой был сброс радиоактивных отходов в моря и реки. Это в дальнейшем приводит к миграции радиоактивных элементов с течением; так, оценено, что перенос радионуклидов от места сброса отходов в Ирландском море до Баренцева моря происходит за 5-6 лет.
Кроме того, СССР сбрасывал в Карское море списанные атомные подводные лодки, реакторы ледоколов и контейнеры с радио­актив­ными отходами. Измерения содержания радиоактивных изотопов в воде подтверждают нарушение целостности некоторых из этих контейнеров с отходами, но в целом ситуация в Карском море на данный момент считается безопасной. Впрочем, пока еще неясно, какими будут последствия в случае более масштабной утечки.
Аналогичная ситуация наблюдается в бассейне реки Енисей, на берегу которой долгое время были расположены несколько заводов по переработке радиоактивных отходов. Впрочем, со времени прекращения работы этих заводов из строя, содержание радиоактивных веществ в воде Енисея заметно снизилось.
На данный момент применяют захоронения в земле или на больших глубинах в океане, так, чтобы отходы по возможности не контактировали со средой обитания человека. .

3.3. Ядерный топливный цикл

В ядерный топливный цикл входят добыча урановой руды, ее переработка и обогащение, собственно работа АЭС и последующие хранение и переработка отработанного топлива. Все эти этапы, несмотря на всевозможные меры предосторожности, также вносят вклад в радиоактивность окружающей среды.
Например, после извлечения урана остаются измельченные остатки урановых руд, в которых остаются дочерние продукты урана. Таких отходов в год вырабатывается очень много, поскольку урановые руды, как правило, довольно бедны. Например, в 1979 году для получения 38000 т урана было переработано 6.5∙10т руды. Это порядка 0.05 %.
Однако особенно опасны аварии на предприятиях ядерного топливного цикла. При авариях на АЭС, а особенно при взрывах (как произошло в Челябинске в 1957 году и в Чернобыле в 1986 году), в окружающую среду выделяется колоссальное количество радионуклидов. Многие из этих веществ чрезвычайно летучи. Осадки также увеличивают площадь зараженной поверхности

4. Радионуклиды в атмосфере, гидросфере и литосфере Земли

4.1. Радионуклиды в атмосфере

Радиоактивные вещества поступают в атмосферу из нескольких источников. Они могут образовываться непосредственно в атмосфере под воздействием космических лучей, попадать туда с космической пылью или, наоборот, испускаться с почвы в результате распадов, попадать в атмосферу из-за деятельности человека.
Последние появляются во многом за счет ядерных взрывов. Радиоактивные изотопы поднимаются вместе с «грибом» взрыва в верхние слои атмосферы и, хотя они и постоянно выпадают на землю вместе с осадками, запасы этих веществ еще далеко не исчерпаны.
Основная проблема радиоактивных веществ в атмосфере состоит в том, что они легко разносятся по всему земному шару и не могут быть изолированы. Особенно тяжело в этом плане обстоит дело с инертными газами, которые не могут растворяться в воде и почти ни с чем не реагируют.
В последние десятилетия принимаются меры по уменьшению выброса благородных газов в атмосферу предприятиями ядерного топливного цикла. Благодаря этому концентрация таких газов как 133 Xe или 85 Kr значительно снизилась, однако единственным способом удаления благородных газов все еще является радиоактивный распад


.Рис. 4. Изменение содержания  14С с годами в северном (NH zones) и южном (SH zone) полушариях [12].

    При ядерных взрывах также появляется радиоактивный 14 С, что значительно усложняет методику радиоуглеродного датирования, так как даже небольшая примесь, полученная из современного воздуха, может существенно исказить результаты. На рис. 4 приведен график изменения содержания 14 С в атмосфере на разных широтах северного полушария и в южном полушарии. Из этих данных видно, что нет большой разницы между данными из разных точек северного полушария, а в южном пик активности 14 С лишь немногим ниже и появляется с небольшой задержкой, хотя все источники искусственно появившихся изотопов находились в северном полушарии. Это связано с движениями воздушных масс и легкостью миграции газообразных веществ

4.2. Радионуклиды в гидросфере

Гидросфера играет значительную роль в распределении радиоактивности в окружающей среде, поскольку в нее включаются и осадки, приносящие радиоактивные вещества из атмосферы, и радиоактивность подземных вод, контактирующих с почвой. Во многом именно гидросфера ответственна за перенос радиоактивных изотопов на большие расстояния и за перераспределение их между различными сферами Земли.
В гидросфере присутствует значительное количество естественных радиоактивных изотопов, но и уже упомянутые выше ядерные отходы вносят определенный вклад, особенно при их затоплении в реках или близко к поверхности океана.
Скорость распространения радиоактивных веществ в водной среде сильно зависит как от конкретного изотопа, так и от водоема. Некоторые вещества растворяются в воде, другие остаются в виде смеси, некоторые почти полностью оседают на дно. Кроме того, скорость дрейфа вод сильно разнится в разных типах вод. В океане весь объем поверхностной воды сменяется примерно за 2 тысячи лет, а вот подземные воды сменяются только каждые 8 тысяч лет. Чем глубже, тем медленнее движение. Именно поэтому захоронения ядерных отходов в океане можно производить только на больших глубинах.
В последнее время, в связи с запретом на проведение атмосферных взрывов, радиоактивные вещества перестали поступать в верхние слои океана из атмосферы. К настоящему моменту уже распалась большая часть короткоживущих нуклидов, а скорость поступления долгоживущих снизилась на порядки.

4.3. Радионуклиды в литосфере

В горных породах естественным образом присутствуют элемен­ты всех трех радиоактивных рядов, а также другие радиоактивные нуклиды, например, 40 K, а также различные искусственные изотопы. Так, на рис. 5 представлено распределение искусственного изотопа 90 Sr в почве по данным за 1965–1967 гг. Видно, что, в отличие от радиоактивных изотопов в атмосфере, в почве наблюдаются заметные отличия между различными областями.


Рис. 5. Количество  90Sr в земле в 1965–1967 годах (мКи/км 2) [4].

    Тем не менее, несмотря на кажущуюся неподвижность земных пород, радионуклиды мигрируют в почве и переносятся посредством связи растений с почвой. Схема этих процессов представлена на рис. 6. Они представляют особый интерес, поскольку наиболее тесно связаны с вопросом безопасности человека


Рис. 6. Схема процессов, приводящих к перераспределению радионуклидов в почве [1].

    Скорость всех этих процессов значительно зависит от свойств почвы: влажности, состава, введенных удобрений; свойств растений, произрастающих в этой почве; подвижности переносимого вещества. Свойства частиц позволяют условно разделить их на две группы: конденсированные частицы и «горячие частицы». «Горячими» частицами называют относительно крупные мало летучие топливные частицы, выпадающие преимущественно вблизи места возникновения, где они будут обуславливать большую часть радиоактивности. Конденсированные же частицы имеют малый размер и большую летучесть и проще распространяются.

5. Заключение

Несмотря на то, что большая часть радиоактивности окружающей среды связана с естественными радионуклидами, развитие ядерных технологий привело к значительному радиоактивному загрязнению окружающей среды. Лишь благодаря своевременным мерам, принятым для ограничения выбросов радиоактивных веществ, рост активности загрязнений был замедлен. Тем не менее, пока сложно в полной мере оценить возможные последствия использования ядерной энергии в различных целях и все еще есть необходимость в детальных исследованиях изменений в активности различных изотопов в атмосфере, водах и почве.
С другой стороны, радиоактивные изотопы предоставляют уникальную возможность для исследования взаимодействий этих сред между собой. Наблюдая за изменением уровней активности в образцах, можно получить уникальные данные об обмене веществом между средами

Ю. Брюханова

Литература

  1. Ю.А. Сапожников, Р.А. Алиев, С.Н. Калмыков, Радиоактивность окружающей среды, М: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006.

  2. M. Chino, H. Nakayama, H. Nagai, et al, Preliminary Estimation of Release Amounts of 131I and 137Cs Accidentally Discharged from the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant into the Atmosphere. Jour. of Nucl. Sci. and Tech., Vol. 48 (2011), No. 7, p. 1129–1134 .
  3. W. Nitta, T. Sanada, K. Isogai, C. Schlosser, Atmospheric 85Kr and 133Xe activity concentrations at locations across Japan following the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant accident, Jour. of Nucl. Sci. and Tech., Vol. 51 (2014), No. 5, p. 712-719 .
  4. M. Eisenbud, T. Gesell, Environmental Radioactivity from Natural, Industrial and Military Sources, Academic press, 1997 -- 656 p
  5. Сейдель Д.К., Извлечение урана из руд, Вена, Австрия, Бюллетень МАГАТЭ, том 23 (1981) №2, стр. 29-33 .
  6. Radiation: effects and sources, United Nations Environment Programme (2016).
  7. T. Anastasiou, H. Tsertos, S. Christofides, G. Christodoulides, Indoor radon (Rn-222) concentration measurements in Cyprus using high-sensitivity portable detectors, Jour. of Env. Radioact., Vol. 68 (2003), No. 2, p. 159-169.
  8. A.S. Aliyu, A.T. Ramli, The world's high background natural radiation areas (HBNRAs) revisited: A broad overview of the dosimetric, epidemiological and radiobiological issues, Radiation Measurements Vol. 73 (2015), p. 51-59.
  9. M.A. Monetti, Worldwide Deposition of Strontium-90 through 1990, Environmental Measurements Laboratory, U.S. Department of Energy, New York, 1996.
  10. E.M. Wild, K.A. Arlamovsky, R. Golser, et al., 14C Dating with the Bomb Peak: An Application to Forensic Medicine, Nucl. Inst. and Meth. in Phys. Res. B, Vol. 172 (2000), p. 944-950
  11. Chernobyl's Legacy: Health, Environmental and Socio-economic Impacts and Recommendations to the Governments of Belarus, the Russian Federation and Ukraine (2006), Austria, Vienna, IAEA.
  12. Q. Hua, Radiocarbon: A chronological tool for the recent past, Quaternary Geochronology Vol. 4 (2009), No. 5, p. 378–390.

Назад//Назад к оглавлению//Вперёд

2 комментария к “Радиоактивность Земли.

  1. Валентин

    Идею радиоизотопного датирования предложил Эрнест Резерфорд в 1904 году, через 8 лет после открытия радиоактивности Анри Беккерелем. Тогда же он сделал первую попытку определить возраст минерала по содержанию урана и гелия В последующие годы шло интенсивное развитие ядерной физики и усовершенствование технологий, благодаря чему к середине 20 века была достигнута хорошая точность радиоизотопных датировок. Этому особенно помогло изобретение масс-спектрометра

Оставить комментарий

Ваш email не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *

Вы можете использовать это HTMLтеги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>