Аварии на атомных реакторах, как источники загрязнения внешней среды радионуклидами

Многолетний опыт эксплуатации реакторов в различ­ных странах показывает, что при нормальном режиме их работы, выброс радиоактивных продуктов деления ядерного горючего в окружающую среду сравнительно невелик. Подсчитано, что при безаварийной работе всех ядер­ных энергетических установок планеты с суммарной мощностью 2∙10⁶ МВт радиационный фон к 2000 году повысился бы приблизительно на 4 % за счет поступления ис­кусственных радионуклидов в биосферу. К сожалению, число «незапланиро­ванных» утечек продуктов ядерного деления в атмос­феру, различного рода происшествий и аварии на этих объектах по-прежнему остается весьма значительным. По неполным данным, только на атомных электростан­циях за время их эксплуатации произошло более 300 крупных аварий и большое число утечек радионуклидов в атмосферу. К числу наиболее крупных аварий, привед­ших к серьезному загрязнению окружающей среды радионуклидами, относятся аварии в Уиндскейле (Анг­лия) и Чернобыле (СССР). Аварии на промышленных атомных реакторах и АЭС являются одним из самых опасных источников повышения радиационного фона Земли.

Авария реактора в Уиндскейле. Эта авария произошла 8 октября 1957 г на заводе по производству плутония из естественного урана. В результате пожа­ра, возникшего в активной зоне реактора и продолжав­шегося в течение 4 сут, были повреждены 150 технологических каналов, что повлек­ло за собой выброс радионуклидов через трубу высотой 125 м.

Активность нуклидов, поступивших в атмосферу в результате аварии, составила (Ки): ¹³¹I - 20000, ¹³⁷Cs - 600, ⁸⁹Sr - 80, ⁹⁰Sr – 9, ¹³²Те – 12000. Из-за неблагоприятных метеорологических ус­ловий, радионуклидами были загрязнены большие террито­рии юго-восточной Англии и сопредельных государствах (Бель­гии, ФРГ, Голландии, Норвегии, Дании). Уровни ра­диации в районе, прилегающем к Уиндскейлу, показа­ны на рисунке 2. --

Рис. 2. Уровни v-раднации во внешней среде в районе Уиндскейла спустя 5 дней после аварии (Эйзенбад

В первые же дни после аварии были предприняты энергичные меры по оценке радиационной обстановки в прилегающих к заводу районах. Контролировали уровень g-радиации, концентрации радионукли­дов в воздухе, траве, молоке и других продуктах пи­тания. На основании этих измерений, был сделан вывод о том, что самым опасным пора­жающим фактором в данной ситуации является за­грязнение коровьего молока радиоактивным йодом. В связи с высокой концентрацией ¹³¹I в молоке (свы­ше 0,1 мкКи/л) был введен запрет на использование молока, получаемого на фермах, находящихся на тер­ритории площадью приблизительно 500 км². У населения было изьято около 3 млн. л молока и запрет на использова­ние молока в этом районе был снят через только 6 нед после аварии. Уровни загрязнения продуктов питания другими радионуклидами не превышали пре­дельно допустимых.

Расчеты показали, что максимальные поглощенные дозы от внешнего g -излучения, которые могли бы по­лучить люди на следе радиоактивного облака (в 5 км от реактора), были равны 30—50 мрад, т. е. примерно 10 % допустимого облучения за год. Дозы облучения щитовидной железы у людей, проживающих в районе с высокими плотностями загрязнения территории ра­диойодом, оказались значительно выше. Так, у детей, проживающих на расстоянии 10 км от источника вы­броса, максимальная поглощенная доза облучения в щитовидной железе была равна 16,1 рад, расстоя­нии 37 км—11,4 рад. У взрослых жителей этого района поглощенная доза облучения в щитовидной железе не превышала 4 рад (предельно допустимая доза облучения щитовидной железы у взрослых и детей составляет соответственно 3 и 1,5 рад).

Авария реактора на Чернобыльской АЭС. Эта авария произошла на четвертом энергоблоке Чернобыльской АЭС 26 апреля 1986 г. В результате взрыва было частично разрушена активная зоны реактора, что сопровождалось продолжительным горением графитовых стержней и выбросом в атмосферу огром­ного количества радиоактивных продуктов деления. Катострофические последствия этой аварии обуславливаются тем, что по­ступление в атмосферу газообразных, летучих и аэро­зольных продуктов продолжалось на протяжении не­скольких недель. Ниже приводится цитата из доклада советской делегации на совещании экс­пертов в МАГАТЭ в августе 1986 г, характеризующее формирование радиоактивного загрязне­ния после взрыва. «В момент аварии образо­валось облако, сформировавшее затем радиоактивный след на местности в западном и северном направлениях, в соответствии с метеорологическими условиями пере­носа воздушных масс. В дальнейшем из зоны аварии в течение длительного времени продолжала истекать струя газообразных, летучих и аэрозольных продуктов. Наиболее мощная струя наблюдалась в течение пер­вых 2—3 сут после аварии в северном направлении, где уровни радиации 27 апреля достигали 1000 мР/ч, а 28 апреля - 500 мР/ч на удалении 5—10 км от места аварии (на высоте 200 м). Высота струи 27 апреля, по данным, полученным с помощью авиации, превышала 1200 м в северо-западном направлении на удалении 30 км от места аварии. В последующие дни высота струи не превышала 200—400 м».

Неблагоприятные погодные условия и большая высота подъема радиоактивных выбросов были причиной интенсивного загрязнения ряда районов Украины, Белорусии и России (рис. 3). Сильный северо-западный ветер в первой по­ловине дня аварии, обусловил выпадение радиоактив­ных осадков на территории Финляндии и Центральной Швеции (27—28 апреля 1986 г.). Во второй половине дня 26 апреля ветер сменил направление и подул на запад и юго-запад, что привело к выпадению радионук­лидов в некоторых районах Польши, ФРГ, Швейцарии, Италии и других стран.

По расчетам на 5 мая 1986 г, в ближней и дальней зонах радиоак­тивного следа, суммарная активность выпавших осадков составляла 31∙ 10⁶ Ки. Эта величина составляет около 3,5 % активности продуктов деления, на­ходившихся в реакторе к моменту аварии.

⁰

Рис. 3. Распределение у-ио-ля га территории СССР по пзо-уровию мощности дозы 0,05 мР/ч на 10 июня 1986 г. (Израэль и др., 1987)

На ближ­нем участке следа (до 40 км от места аварии) на 10 мая 1986 г., активность выпавших радионуклидов состав­ляла 11 ∙10⁶ Ки. Большая часть выброшенных радионуклидов были представлены короткоживущими радиоактивными про­дуктами деления. Из общего количества радио­нуклидов, выпавших на ближнем участке следа, доля ¹³²Te (T_1/2 =77,7 ч) составила 22,7%, ¹³¹I (T_1/2 = 8,05 дня) - 11,8%, ¹⁴¹Се (T_1/2 = 31,7 дня) - 15,4 %, ⁹⁵Zr ( T_1/2 -65 дней)- 16,3 %, ¹⁰³Ru (T_1/2 = 39,8 дня) - 13,6 %. Активность долгоживущих и особо опасных в радиологическом плане радионуклидов была значительно меньше, всего 0,8 % суммарной активности выброса (¹³⁷С - 280 000 Ки, ⁹⁰Sr- 85000 Ки).

Как видно, в первые сутки после аварии, плотность выпавших радионуклидов и, соответственно, уровень радиации на территории вблизи ава­рии, были очень высоки. мощность экспозиционной дозы достигал до 10-15 мР/ч). Поэтому была осуществлена эвакуация населения и сельскохозяйственных животных из 30-километровой аварийнойц зоны, прилегающей к Чернобыль­ской АЭС.

Как показывают приведенные примеры, промыш­ленные реакторы и реакторы атомных электростанций являются дополнительным источником загрязнения биосферы искусственными радионуклидами. Загрязне­ние территории может быть особенно значительным в районах, непосредственно прилегающих к АЭС или промышленным реакторам. Катастрофическое загряз­нение окружающей среды продуктами ядерного деле­ния будет иметь место в том случае, если ядерный ре­актор окажется целью атомного удара. По расчетам некоторых ученых, при попадании термоядерной бомбы в атомный реактор будет выброшено такое ко­личество радионуклидов, что приведет к гибели всех живых существ на территории площадью 1200 км². Кроме того, в течение нескольких месяцев после этого события. на территории площадью 150 тыс. км² проживание людей окажется невозможным из-за высокого уровня радиа­ции. В течение 100 лет будет непригодной для поселе­ния людей территория размером 500 км².

Таким образом, все живые существа на Земле подвергаются непрерывному воздействию ионизирующих излучений из-за наличия природ­ного радиационного фона. Уровень естественной радиа­ции на нашей планете варьирует в широких пределах и в некоторых рай­онах в десятки и сотни раз превышает средние значе­ния. Дополнительное облучение от радионуклидов, вы­павших после испытаний ядерного оружия, не превы­шает 10 % природного радиационного фона. Загрязне­ние внешней среды радионуклидами при работе ядер­ных реакторов в нормальном режиме невелико, но становится весьма значительным при авариях.

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОСАЖДЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ АЭРОЗОЛЕЙ НА РАСТИТЕЛЬНЫЙ ПОКРОВ И ПОЧВУ

РАДИОАКТИВНЫЕ АЭРОЗОЛИ В СТРАТОСФЕРЕ И ТРОПОСФЕРЕ

Радиоактивные аэрозоли в атмосфере. Основным источ­ником загрязнения объектов внешней среды являются радиоактивные аэрозоли, вносимые в атмосферу в ре­зультате ядерных взрывов, а также аварий и разруше­ний атомных электростанций и предприятий ядерно-топливного цикла. Радиоактивные аэрозоли, инжекти­рованные в атмосферу, постепенно осаждаются и загрязняют поверхность Земли. В растительные организмы радионуклиды могут поступать воздушным путем (через устьица в процессе газообмена) и через почву при поглощении корнями воды и минеральных веществ. В животные организмы радиоактивные соединения попадают через дыхательные пути, через кожный покров и вместе с пищей и водой (подробно см. лек.)

В зависимости от источника и условий формирова­ния радиоактивных осадков, характер выпадений и их физико-химические свойства сильно различаются, что сказывается на степени загрязнений и размерах загрязняемой тер­ритории. Радиоактивные вещества могут выпасть в те­чение первых суток вблизи места взрыва, образуя так называемые локальные выпадения, или, поступив в верх­ние слои атмосферы, задержаться в стратосферных и тропосферных резервуарах. В результате наземных ядерных взрывов мощностью менее 1 мегатонны доля локальных выпадений составляет 80 %, а от воздуш­ных взрывов такой же мощности все 100 % представ­лены тропосферными выпадениями. При мощности бо­лее 1 мегатонны значительная часть радиоактивных аэрозолей попадает в стратосферный резервуар (от воздушного взрыва до 99 % и от наземного - около 20 %). Ра­диоактивные выпадения от наземных ядерных взрывов представляют собой оплавленные частицы грунта, на котором произведен взрыв. При проведении взрывов на почвах, сформированных на подстилающих силикатных породах, образуются крупнодисперсные остеклованные частицы, практически нерастворимые. При проведении взрывов на почвах, образовавшихся на карбонатных почвообразующих породах, формируются хорошо радиоактивные растворимые частицы, независимо от их дисперсности.

Фракционирование радионуклидов. В период форми­рования аэрозольных частиц в стратосфере и тропо­сфере происходит так называемое фракционирование радионуклидов, т. е. избира­тельный захват изотопов формирующимися частицами. Фракционирование радионуклидов определяется мощ­ностью ядерного взрыва и местом его проведения. Изотопы тугоплавких элементов, такие как ⁹⁵Zr, ¹⁴⁴Се, ¹⁸⁵W, ¹⁸¹W, ⁵¹V, в результате конденсации и коа­гуляции включаются в состав крупных твердых частиц. Радиоактивные изотопы стронция и цезия не прини­мают участия в процессе конденсации, они адсорбиру­ются на поверхности мелких твердых частиц и в парах влаги, образуя, таким образом, мелкодисперсные аэро­золи.

Фракционирование радионуклидов в радиоактивных выпадениях приводит к неравномерному очищению атмосферы от продуктов деления. Крупные частицы выпадают бы­стрее, мелкие - медленнее. Период полувыведения из стратосферы крупнодисперсных частиц, содержащих сравнительно короткоживущие радионуклиды (⁹⁵Zr, ¹⁴⁴Се, ¹⁸⁵W, ¹⁸¹W, ⁵¹V), примерно в 2 раза короче периода полувыведения долгоживущих радионуклидов ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs. Время нахождения нуклидов в стратосфере определяется, в первую очередь, эффективностью их фрак­ционирования в процессе формирования аэрозольных частиц. Стратосферный и тропосферный резервуары радионуклидов обуславливают повсеместное (глобальное) выпадений радио­активных веществ. Тропосферный резервуар сравни­тельно быстро очищается, период полуочищения его колеблется в пределах 2-3 недель. Пребывание в тро­посфере долгоживущих радионуклидов, в болшинстве случаев, не пре­вышает 30 суток. Стратосферный резервуар очищается гораздо мед­леннее. Среднее время пребывания радиоактивных ве­ществ в стратосфере зависит от высоты и мощности взрыва, географической широты места проведения взры­ва, времени года и метеорологических условий. При проведении взрывов в полярных широтах Северного по­лушария, среднее время пребывания в нижних слоях атмосферы обычно составляет примерно 6 мес, а при проведении ядерных взрывов в средних широтах оно уве­личивается до 2-3 лет.

Рис. 4 Глобальное выпадение ⁹⁰Sr и количество осадков (1953--1959 гг.):

/—в умеренной зоне; 2— в тропиче­ской зоне

После наземного ядерного взрыва, радиоактивные ча­стицы крупных размеров (0,01 - 1мм), находящиеся в нижних слоях атмосферы, осаж­даются на поверхность Земли в течение нескольких часов. Вблизи центра взрыва выпадают крупные частицы, затем - более мелкие, в конце пути радиоактивного облака – пылевидные частицы.

Радиоактивные аэрозоли оседают на поверхности Земли под действием атмосферных яв­лений (осадки, гравитацион­ные силы, вертикальное, дви­жение воздушных масс, тур­булентная диффузия и др.). Радиоактивные выпадения стратосферного проис­хождения, попадая в тропосферу, в дальнейшем оседа­ют на поверхности земли в основном в результате вымывания атмосферными осадками. Атмосферные осад­ки играют основную роль в очистке тропосферы (рис. 4.) Отложение радио­нуклидов на Землю может происходить в процессе «мокрого» и «сухого» способов их выпадения. Первый процесс состоит в выпадении радио­нуклидов с дождем, снегом на поверхность земли. Про­цесс вымывания с атмосферными осадками обусловлен не только захватом радиоактивных частиц падающими каплями, но прежде всего тем, что сами частицы, по­павшие в зону облаков, становятся центрами конден­сации. Радиоактивные частицы могут захватываться растущими и каплями в результате возникновения градиента давле­ния на поверхности капель. Такими способами захватываются частицы небольших размеров 0,02- 0,2 мкм

«Сухое» отложение состоит в выпадении самих аэрозольных частиц и определяется в основном грави­тационными силами, вертикальным движением воздуш­ных масс и турбулентной диффузией. На интенсивность процесса «су­хого» отложения влияют топография района, высота над уровнем моря и метереологические факторы. Количественное соотношение между «мокрым» и «сухим» отложением радиоактив­ных аэрозолей в различных частях земной поверхности зависит от климатических условий. В умеренных широ­тах, основная часть радиоактивных загрязнений (около 90%) выпадает с осадками. В засушливых районах, наоборот, «сухие» выпадения вносят основной вклад в радиоактивное загрязнение территории.

Количество выпадающих на земную поверхность ра­диоактивных осадков зависит от времени года. Макси­мальное выпадение наблюдается в весенне-летний пе­риод, а более низкое- осенью и зимой. За 4-5 весенне-летних месяцев в средних широтах выпадает около 60 % годового отложения радионуклидов. Скорость от­ложения радионуклидов принято выражать в Кюри на 1 км² за единицу времени. Нужно отметить, что основное ко­личество долгоживущих радионуклидов, стронция и це­зия, попало в атмосферу в результате ядерных взрывов, произведенных до 1963 г. (рис. 5). В 1963 году был заключен Мос­ковский (Международный) договор о запрещении испытаний ядерного оружия в трех средах: в атмосфере, космическом про­странстве и под водой. После этого времени в атмосферу поступило незначитель­ное количество долгоживущих радионуклидов в результате подземных ядерных взрывов с выбросом грунта и вследствие аварий на атомных предприятиях. За это время содержание ¹³⁷Cs в стратосфере умень­шалось с временем полувыведения, равным примерно одному году. Соответственно, отложение ¹³⁷Cs на поверхность земли ежегодно уменьшалось на 50 % в Северном полушарии и с несколько меньшей скоростью в Южном полушарии.

Рис. 5. Динамика поступления ⁹⁰Sr в стратосферу (1963 – 1975 гг.):

1 - в Северном полушарии; 2 – в Южном полушарии; 3- суммарное поступление

Контрольные вопросы и задания.

1. За счет каких источников ионизирующих излучений формируется природный радиационный фон?

2. Ка­кие радионуклиды наиболее интенсивно усваиваются живыми организмами, включаются в метаболизм, и соответственно, вносят основной вклад в формирование дозы внутреннего облучения органов и тканей при нормальных условиях жизнедеятельности?

3. От каких факторов зависит радиоактивность воздуха? Изменяется ли мощность дозы радиационного фона местности в течение года, суток?

4. Что представляет собой космическое излучение?

5. Назовите и охарактеризуйте основные факторы, обуславливющие радиоактивное загрязнение окружающей среды.

6. Дайте характеристику радиоактивного заражения территорий при различных типах ядерных взрывов.

7. Какие радиоактивные изотопы - продукты ядерного взрыва, обуславливают долговременное радиоактивное заражение местности?

8. Дай­те краткую характеристику радиоактивного заражения местности, вызванного аварией на Чернобыльской АЭС. В чем сходство и различие ава­рийных выбросов в Уиндскейле и Чернобыле?

9. От каких факторов зависит выпадение того или иного радионуклида, инжектированного в атмосферу?

10. Правильно ли утверждение: «Радиационный фон является вредным экологическим фактором»? Объясните.

Дата добавления: 2014-01-04