Йода, цезия, стронция, плутония, америция

Физические и химические свойства радионуклидов

Радиоактивный иод. Среди известных 26 изотопов йода только природный ¹²⁷I является стабильным. Остальные изотопы техногенного проис­хождения с массовыми числами 115÷126 и 128÷141 радиоактивны.

¹²⁷I относится к рассеянным микроэлементам и является од­ним из наиболее важных биоэлементов. Он входит в состав гор­монов, синтезируемых в щитовидной железе. Гормоны щито­видной железы играют ключевую роль в поддержании гомеостаза организма. Регулирующая роль их осуществляется на всех уровнях: клетка – ткань – орган – организм.

В организм человека ¹²⁷I поступает с пищей, водой и возду­хом. Среднее кларковое содержание йода составляет в земной ко­ре по массе 4·10^-5 %, в почве – около 3·10^-4 %, в растениях – 2·10^-5 %, в питьевой воде – 10^-9÷10^-7 %. Основным резервуаром йода для биосферы служит мировой океан, где в 1 л воды в сред­нем содержится 5·10^-5 % йода.

Многие регионы на Земле характеризуются пониженным со­держанием йода в местных продуктах питания и питьевой воде. В России к таким регионам относится 50 % ее территории. Не­достаточное поступление йода человеку приводит к базедовой болезни и другим нарушениям, а у детей – к нарушению фи­зического и психического развития.

По данным МКРЗ, в теле человека содержится до 40 мг ста­бильного йода. Из этого количества на долю щитовидной же­лезы приходится до 20-50 %. В зависимости от содержания йода в пище суточное его поступление человеку может колебаться от 10 до 1000 мкг. Минимальная суточная потребность составляет 50-75 мкг.

Источниками поступления радиоактивного йода во внешнюю среду были испытания ядерного оружия и выбросы промыш­ленных и энергетических реакторов АЭС. Среди 20 радиоизо­топов йода, образующихся в реакциях деления урана и плуто­ния, особое место занимают ^131-135I (Т_1/2 = 8,04 сут; 2,3 ч; 20,8 ч; 52,6 мин; 6,61 ч), характеризующиеся большим выходом в реакциях деления, высокой миграционной способностью и биологической доступностью.

^131—135I составляют значительную часть активности молодых продуктов ядерного деления (ПЯД). На их долю приходится около 20 % активности. Соотношение активности ¹³¹I, ¹³²I, ¹³³I, ^I35I во время деления урана и плутония составляет 1:3:9:5, а кумулятив­ный выход равен 4,4; 6,02; 7,8; 6,04 % соответственно. В реакциях деления образуется и «вечный» радиоизотоп йода – ^I29I (T_1/2 = 1,57·10⁷ лет). Токсикологическое значение других изотопов йо­да с малыми сроками жизни (секунды, часы) невелико.

Радиоизотопы йода ^131-135I при испытаниях ядерного ору­жия выпадали в основном в ближних зонах. В полуглобальных и глобальных выпадениях радиоактивный йод практически от­сутствовал, ибо распадался до выпадения на земную поверх­ность. В глобальном масштабе рассеялось около 700 ЭБк ¹³¹I.

Источником поступления радиойода во внешнюю среду яв­ляются также предприятия ядерно-топливного цикла. В реак­торах в процессе их эксплуатации накапливаются значительные количества радиоактивного йода.

В обычном режиме эксплуатации АЭС выбросы радионук­лидов, в том числе радиоизотопов йода, невелики. Для российских ВВЭР и РБМК нормализованный выброс оценивался в 130 и 360 ГБк/(ГВт·год). Сейчас, в связи с проводимыми ра­ботами по совершенствованию реакторов и увеличением ради­ационной безопасности, они ниже. В выбросах радиоактивный йод в основном представлен органическими соединениями (CH₃I, CH₂l2, C₂H₅I, C₂H₄l2). В форме элементарного йода на­ходится лишь 5 %. Примерно 90 % составляют короткоживущие изотопы ^132÷135I.

В аварийных условиях, как свидетельствуют крупные аварии (Уиндскейл, 1957;. Три Майл Айленд, 1979; Чернобыль, 1986), радиоактивный йод как источник внешнего и внутреннего об­лучения был основным поражающим фактором в начальный пе­риод аварии. При аварии на ЧАЭС из общего количества 50 МКи выброшенных из разрушенного реактора радионуклидов (без РБГ) на долю радиоизотопов йода пришлось 7,3 МКи. Распро­странение радионуклидов, включая радиоизотопы йода, приня­ло огромные масштабы.

Как и стабильный ¹²⁷I, радиоизотопы йода характеризуются высокой миграционной способностью.

Радиоактивный цезий. Цезий (Cs) щелочной металл первой группы Периодической системы Д. И. Менделеева. Относится к микроэлементам. В край­не незначительном количестве содержится во всех внешних сре­дах. Кларковое содержание нуклида в земной коре – 3,7·10 ^-4 %, в почве – 5·10^-5 %, в живой фитомассе – 6·10^-6 %. В организм человека входят практически все химические элементы, из них 47 считаются биогенными – жизненно необходимыми, в том чис­ле О, С, Н, Са, Р, К, S, Cl, Na, Mg, Zn, Fe, Mn, I, Co, Se. Они входят в состав тканей и химически активных соединений — гормонов, ферментов, витаминов, пигментов и считаются не­заменимыми. В организме содержатся и все другие элементы, в том числе цезий. Человек получает цезий в основном с про­дуктами питания. Через органы дыхания поступает лишь 0,25 %. Среднее содержание цезия в организме взрослого человека со­ставляет 0,0015 г при суточном поступлении около 10 мкг.

Из 23 изотопов цезия 22 – радиоактивные с массовыми чис­лами 123÷132 и 134÷144. Радиоизотопы цезия образуются при делении ядер атомов тяжелых элементов (при ядерных взрывах и в ядерных реакторах) и с помощью ускорителей заряженных частиц. Ядерно-физические характеристики основных радио­активных изотопов цезия приведены в таблице 1.8.

Ядерные взрывы и крупные радиационные аварии на ради­ационных предприятиях стали основным источником радиоак­тивного загрязнения природной среды планеты. Надолго СССР и США приходится примерно по 40 % от общего радиоактив­ного загрязнения, остальные 20 % – доля Англии, Франции и Китая. Радиоактивные выпадения радиоизотопов цезия на сушу при испытаниях ядерного оружия и выбросы ядерных предприятий явились наиболее значимым источником загряз­нения внешней среды и радиационного воздействия на чело­века.

Таблица 1.8 – Ядерно-физические свойства основных радиоактивных изотопов цезия

Радио­нук- лид	T1/2	Тип рас- пада	Средняя энергия из лучения, МэВ/Бк·с)	Дочерний радионуклид (выход)
характеристическое, γ- и аннигиляционное излучение	β-излучение, конверсионные электроны и электроны Оже
^125Cs	45 мин	зэ, β^+	6,77·10^-^1	3,45 ·10^-^1	^125Хе радиоактивный
^126Cs	1,64 мин	зэ, β^+	1,08	1,46	^L26Xe стабильный
^127 Cs	6,25ч	зэ, β^+	4,14 ·10^-^1	2,91 ·10^-2	^127Хе радиоактивный
^128 Cs	3,9 мин	зэ, β^+	8,95·10^-^1	8,43 ·10^-^1	^128Хе стабильный
^t29Cs	32,06 ч	зэ, β^+	2,80·10^-^1	1,77·10^-2	^129Хе»
^130Cs	29,9 мин	зэ β^+	5,14·10^-^1	4,01·10^-^1	^130Хе»
^131Cs	9,69 сут	зэ	2,28 ·10^-2	6,60 ·10^-3	^131Хе»
^132Cs	6,47 сут	зэ, β±	7,09·10^-^1	1,42·10^-2	^132Хе (0,98) стабильный; ^132Ва (0,02) стабильный
^134mCs	2,9 ч	ип	2,67·10^-2	1,11·10^-^1	^J34Cs радиоактивный
^I34Cs	2,06 года	зэ, β±	1,55	1,63·10^-^1	^]34Хе (3·10^-^6) стабильный; ^1^34Ва стабильный
^I35m Cs	53 мин	ип	1,58	3,64·10^-2	^135Cs радиоактивный
^I35 Cs	2,3·10^6 лет	β	—	6,73·10^-2	^1^35Ва стабильный
^l36Cs	13,1 сут	β	2,15	1,37·10^-2	^13бВа»
^l3^7Cs	30 лет	β	—	1,87·10^-^1	^137^mВа (0,946) радиоактивный; ^137Ва (0,054) стабильный
^l3^8Cs	32,2 мин	β	2,31	1,20	^138 Ва стабильный

Из радиоизотопов цезия наибольшее значение имеет ^l37Cs, характеризующийся большим выходом в реакциях деления и сроком жизни (T_1/2 = 30 лет), высокой миграционной способ­ностью и токсичностью. Он считается одним из наиболее значи­мых радионуклидов продуктов ядерного деления. Цезий-137 – β-излучатель со средней энергией β-частиц 173,4 кэВ. Его дочер­ний радионуклид ^137mВа имеет период полураспада 2,55 мин и ис­пускает при распаде γ-кванты с энергией 661,6 кэВ. Выход ^I37Cs при делении меняется в зависимости от делящегося вещества и энергии нейтронов, вызывающих деление (табл.1.9).

Таблица 1.9 – Выход цезия-137 (%) при делении ядер тяжелых эле­ментов

Нейтроны деления	Нейтроны 14 МэВ	Тепловые нейтроны
^235U 6,3	^238U 6,2	^232Th 6,3	^239Pu 6,8	^235U 5,1	^238U 5,7	^235U 6,1

Общее поступление нуклида в стратосферу за счет прошед­ших ядерных испытаний равно примерно 960 ПБк с плотно­стью выпадений в Северном, Южном полушариях и в среднем на земном шаре 3,42; 0,86 и 3,14·10³ Бк/м² соответственно. На территориях бывшего СССР средний уровень составляет 3,4·10³ Бк/м². В отдельных регионах уровни загрязнения в силу их физико-географических и климатических условий выше приведенных значений. Уровни загрязнения постепенно сни­жаются вследствие физического распада радионуклидов. В вы­павших ПЯД повышается относительное содержание долгоживущих радионуклидов, в том числе цезия-137 (табл. 1.10).

Таблица 1.10 – Содержание цезия -137 в ПЯД в зависимости от их воз­раста

Возраст ПЯД	1 ч	1 сут	10 сут	1 мес	1 год	2 года	5 лет	10 лет
Гамма- ак­тивность, %	4,1÷5	0,002	0,02	0,07	1,98	5,37	18,24	31,58

Источником загрязнения внешней среды ^l37Cs, как было отмечено, являются радиационные предприятия. в ядерных реакторах в процессе их эксплуатации накапливаются продукты деления урана и плутония, в том числе радиоактивный цезий, и трансурановые элементы (ТЭУ) в огромных количествах. На 1 МВт электрической мощности образуется 130 ТБк радиоцезия, а всего к концу прошлого столетия накопление нуклида в реакторах во всех странах мира достигло 900 ЭБк, что примерно в 1000 раз превышает количество радиоцезия, выпавшего на поверхность Земли (960 ПБк). Согласно оценкам, в 2000 г. реакторами всех стран мира в атмосферу было выброшено 1,1÷5,2 ТБк ^l37Cs.

Известно, что при эксплуатации АЭС в нормальном режиме выбросы радионуклидов, в том числе радиоактивного цезия, не­значительны. На 1 ГВт электрической мощности выброс водо-водяных реакторов достигает 29,7 ГБк. По данным дозиметри­ческого контроля, концентрация радионуклидов в районах расположения АЭС лишь незначительно превышает концентра­цию нуклида в контрольных районах. Источником загрязнения являются также радиохимические заводы (РХЗ) по переработке отработавших твэлов и хранилища радиоактивных отходов (РАО).

Сложные ситуации могут возникнуть при радиационных ава­риях. Зарегистрированы сотни аварий, однако лишь некоторые из них сопровождались поступлением во внешнюю среду зна­чительных количеств радионуклидов. Так, при аварии в Уиндскейле (1957) в результате ошибки при управлении реактором стало перегреваться топливо и возник пожар, который продол­жался 3 сут. Во внешнюю среду поступило 12 ПБк радионукли­дов, в том числе ¹³¹I - 740 ТБк, ^I37Cs - 44 ТБк, ^I06Ru - 12 ТБк и др. При аварии на АЭС в Три Майл Айленде (1979) произошел выброс пара и продуктов деления из поврежденного реактора. В атмосферу поступило 370 ПБк РБГ, в основном ¹³³Хе, около 550 ТБк ¹³¹I. Авария на Чернобыльской АЭС (1986) явилась са­мой крупной за весь период развития ядерной энергетики. Из разрушенного ядерного реактора было выброшено огромное ко­личество радионуклидов – 1,85 ЭБк (без РБГ). На долю радио­активного цезия пришлось 270 ПБк. Распространение радио­нуклидов приняло практически глобальный характер. На территории бывшего СССР выпало около 40 % инжектированного радиоцезия, который после распада радиоактивного йода (через 2–3 мес) стал критическим нуклидом. Особенностью Чернобыльской аварии является крайне неоднородный характер радиоактивного загрязнения, связанный с длительным выбро­сом радионуклидов (10 сут) и изменявшимися погодными усло­виями (выпадение осадков и изменения направления ветра).

На Урале произошло 2 крупные аварии. Первую из них мож­но лишь условно назвать аварией. С 1949 по 1956 г. осуществ­лялся вынужденный сброс высокоактивных отходов радиохи­мическим заводом предприятия «Маяк» в реку Течу. Было сброшено 102 ПБк радионуклидов, в том числе 12,4 ПБк ^!37Cs. Около четверти суммарной активности приходилось на ⁹⁰Sr и ^l37Cs. Присутствовали также радиоизотопы ниобия, рутения, редкоземельных элементов. В 1951 г. в верховьях реки Течи уровни загрязнения воды местами превышали допустимые кон­центрации в 2–3 тыс. раз по ⁹⁰Sr и в 100 раз по ^l37Cs и ⁸⁹Sr. Другая авария произошла в 1957 г. в районе города Кыштыма, когда в результате теплохимического взрыва хранилища высо­коактивных отходов из хранившихся 74·10¹⁶ Бк (20 МКи) про­изошел выброс радионуклидов общей активностью 74 ПБк (2 МКи), в том числе ¹³⁷Сз. Радиоактивному загрязнению подверглись значительные территории Челябинской, Сверд­ловской и Тюменской областей. Загрязненным оказался регион площадью около 15 000 км². Следует также отметить ветровой вынос радионуклидов из поймы озера Карачай (1967), который составил 37 ТБк. На долю ¹³⁷Cs пришлось 0,4 ТБк,

Таким образом, радиоактивное загрязнение цезием-137 при испытаниях ядерного оружия носило глобальный характер. Ра­диоактивному загрязнению при аварии на ЧАЭС подверглись не только территории бывшего СССР, но и всего Северного по­лушария. При других радиационных авариях загрязнение носи­ло в основном локальный характер. Суммарный запас ^l37Cs на территории России оценивается в 5,66·10¹⁶ Бк (1,53 млн Ки), из которых 58 % приходится на глобальное загрязнение, 38 % является следствием выпадений в результате аварии на ЧАЭС, 3,6 % – следствием аварий и инцидентов в районе ПО «Маяк» на Южном Урале, 0,4 % – следствием сбросов жидких радио­активных отходов Красноярским ГХК в реку Енисей и прочие источники — менее 0,1 %.

Радиоактивный стронций. Стронций (Sr) – элемент 2-й группы Периодической систе­мы. Природный стронций относится к микроэлементам и состо­ит из смеси 4 стабильных изотопов – ⁸⁴Sr (0,56 %), ⁸⁶Sr (9,86 %), ⁸⁷Sr (7,02 %), ⁸⁸Sr (82,56 %). По физико-химическим свойствам он является аналогом кальция и в геохимических процессах его спутником. Кларковое содержание в земной коре оценено как 340·10 ^-4 %. Стронций содержится во всех растительных и жи­вотных организмах в количестве 10^-2 ÷10^-3 % сухой массы. В ор­ганизме взрослого человека содержится около 0,3 г стронция. Почти весь он находится в скелете. На другие органы приходится лишь 3,3 мг. Суточное поступление с пищей и водой составляет около 1,9 мг. Выводится из организма с фекалиями (1,5 мг) и мо­чой (0,34 мг). Физиологическое значение стронция остается не­ясным. Однако избыточное содержание его в организме стано­вится реальной угрозой развития уровской болезни (болезни Кашина-Бека), проявляющейся заболеваниями суставов, повышенной ломкостью и уродством костей. Рахитогенное действие стронция связывают с блокированием действия витамина D и из­быточным отложением в костях фосфора. Считают, что причинами болезни являются также избыточное содержание бария и недостаток кальция в пище. В регионах, эндемичных по избыточному содержанию_стронция в почве и воде (Восточная Сибирь, Северный Китай, Северная Корея), уровские патологии наблюдаются не только у людей, но и среди животных.

Из радиоактивных изотопов стронция известны нуклиды с массовыми числами 77÷83, 85, 89÷99. Ядерно-физические ха­рактеристики основных радиоизотопов приведены в таблице 1.11.

Т а б л и ц а 1.11 – Ядерно-физические свойства основных радиоактивных изотопов стронция

Радионуклид	Т1/2	Тип распада	Средняя энергия излучения, МэВ/(Бк·с)	Дочерний радионуклид (выход)
характеристическое, γ- и аннигиляционное излучение	β-излучение, конверсионные электроны и электроны Оже
^80Sr	100 мин	ЗЭ	8,0·10^-3	5,46·10^-3	^80Rb радиоактивный
^8lSr	25,5 мин	ЗЭ, β^+	1,38	9,96·10^-1	^81Rb радиоак­тивный
^82Sr	25суг	ЗЭ	7,87·10^-3	5,40 ·10^-3	^8^2Rb радиоак­тивный
^83Sr	32,4ч	ЗЭ, β^+	7,79·10^-1	1,49·10^-1	^83Rb радиоак­тивный
^85^mSr	69,5 мин	ЗЭ, ИП	2,19·10^-1	1,22-10-'	^85Sr (0,879) ра­диоактивный, ^85Rb (0,121) ста­бильный
^85Sr	64,84 сут	ЗЭ	5,11·10^-1	8,97·10^-3	^85 Rb стабильный
^87mSr	2,805 ч	ЗЭ, ИП	3,20·10^-1	6,69·10^-2	^87Rb (3·10^-3) радиоактивный, ^87Sr (0,977) ста­бильный
^89Sr	50,5 суг	β	8,45·10^-5	5,83·10^-1	^89Y стабильный
^90Sr	29,12 лег	β	-	1,96·10^-1	^90Y радиоактив­ный
^91Sr	9,5 ч	β	6,93·10^-1	6,55·10^-1	^91^mY (0,578) ра­диоак­тивный, ^91Y (0,422) ра­диоактивный
^92Sr	2,71 ч	β	1,34	1,96·10^-1	^92Y радиоактив­ный

Наибольший практический интерес представляют ⁸⁹Sr (T_1/2 = 50,5 сут) и ⁹⁰Sr (T_1/2 = 29,1 года), характеризующиеся большим выходом в реакциях делении урана и плутония (табл. 1.12), где они образуются в цепочках превращений:

⁸⁹Кг ⁸⁹Rb ⁸⁹Sr ⁸⁹Y (стабильный),

⁹⁰Кг ⁹⁰Rb ⁹⁰Sr ⁹⁰Y ⁹⁰Zr (стабильный).

Таблица 1.12 – Выход ⁸⁹Sr и ⁹⁰Sr (%) в реакциях деления урана и плутония

Радионуклид	Т1/2	Энергия, МэВ	^235U (медленные нейтроны)	^235U (быстрые нейтроны)	^239Pu (быстрые нейтроны)	Оценка по глобальныи выпадениям
β- частицы (Еmax)	γ-излучение
^89Sr	50,5 сут	1,46	_	4,79	4,15	1,44	2,6
^90Sr	29,12 лет	0,54	-	5,57	4,38	2,23	3,5

Содержание их в продуктах деления (ПЯД) в зависимости от возраста ПЯД приведено в таблице 1.13

Таблица 1.13 – Содержание ⁸⁹Sr и ⁹⁰Sr в продуктах деления в зависимости от возраста (в % β-активности)

Радио- нуклид	Возраст продуктов
1 ч	1 сут	10 сут	1 мес	5мес	1 год	5 лет	10 лет
^89Sr	0,006	0,228	2,74	6,7	8,37	1,97	-	-
^90Sr	3,1÷5	0,001	0,02	0,106	0,68	3,0	27,44	47,08

Основным источником загрязнения внешней среды радио­активным стронцием были испытания ядерного оружия и ава­рии на предприятиях топливно-ядерного цикла. Атмосфера — первичный резервуар ⁸⁹Sr и ⁹⁰Sr, откуда радионуклиды посту­пают на сушу и в гидросферу. Осаждение определяется грави­тацией, адсорбцией на нейтральной пыли, постоянно присут­ствующей в атмосфере, и удалением атмосферными осадками (дождь, снег). Время пребывания радиоактивных аэрозолей в атмосфере составляет 30–40 сут, в стратосфере – несколько лет. Вследствие различных периодов полураспада соотношение ⁸⁹Sr: ⁹⁰Sr в выпадениях постоянно меняется. В начальный пе­риод после взрыва в выпадениях преобладает ⁸⁹Sr, а затем ⁹⁰Sr, поскольку отношение активности ⁸⁹Sr: ⁹⁰Sr в начальном пери­оде равно 150. В начальном периоде ⁸⁹Sr является одним из компонентов загрязнения внешней среды в зонах ближних вы­падений радионуклидов. Суммарное количество ⁸⁹Sr, поступив­шего в атмосферу, оценивается в 90 ЭБк, a ⁹⁰Sr – в 600 ПБк. В эти величины не входит стронций локальных выпадений. На­блюдалась отчетливо выраженная зональность выпадений, за­висящих от особенностей атмосферных течений. За период 1961—1969 гг. в умеренных широтах Северного полушария плотность выпадения ⁸⁹Sr составила 1,3·10⁴ Бк/м², a ⁹⁰Sr за пе­риод 1951–1980 гг. – примерно 2,1·10⁴ Бк/м².

Источником загрязнения внешней среды, как уже отмеча­лось, были и остаются предприятия атомной энергетики. В ус­ловиях нормальной эксплуатации АЭС выбросы радионукли­дов незначительны. В основном они обусловлены газообразны­ми радионуклидами – РБГ, ¹⁴С, тритием и йодом. В условиях аварий, особенно крупных, выбросы радионуклидов, в том чис­ле радиоизотопов стронция, могут быть значительными. При­мером являются известные аварии на промышленном реакторе в Уиндскейле (1957) и ЧАЭС (1986). В Уиндскейле произошел пожар, причем выброс составил соответственно 29,6·10¹¹ и 33,3·10¹⁰ Бк. На ЧАЭС в разрушенном реакторе, по оцен­кам, могло накопиться 22,6·10¹⁶ и 233,1·10¹⁶ Бк. Выброс мог составить 4 и 3 % накопленной в реакторе активности. В 1957 г. в результате нарушения режима хранения РАО в ПО «Маяк» произошел взрыв емкости, где хранились радионуклиды в ко­личестве 74·10¹⁶ Бк. При взрыве 74·10¹⁵ Бк 10% активности в виде жидкой пульпы было поднято взрывом на высоту до 1 км. В выброшенной активности на долю ⁸⁹Sr и ⁹⁰Sr пришлось 2,2 и 2,5 %, которые обусловили длительное загрязнение боль­ших территорий ряда областей Южного Урала. Образовался Восточно-Уральский радиоактивный след (ВУРС). В началь­ном периоде работы ПО «Маяк» в результате сброса 10¹⁷ Бк РАО в реку Течу произошло загрязнение ее поймы. В сбросах содержались радиоизотопы цезия, стронция и редкоземельных элементов.

Плутоний – трансурановый элемент. Известны радиоактив­ные изотопы с массовыми числами 232÷246. Практическое зна­чение имеют ²³⁸Рu и ²³⁹Рu. Ядерно-физические характеристики основных радиоизотопов приведены в таблице 1.14. Стабильные изотопы плутония в природе не обнаружены.

Радиоизотопы плутония получают в промышленных урано­вых реакторах по реакции (n, γ). Тяжелые изотопы получают об­лучением ²³⁹Рu нейтронами. ²³⁹Рu наряду с ²³⁵U используют в ядерных и термоядерных боеприпасах, а также в качестве ядерного горючего на АЭС. ²³⁸Рu нашел широкое применение для изготовления атомных электрических батарей, источников питания для электрокардиостимуляторов, получения энергии в космических аппаратах.

Наиболее значимым источником загрязнения внешней среды плутонием (^239÷241Рu и др.) были испытания ядерного оружия. Только в пик испытаний (1952–1962) во внешнюю среду посту­пило 13 ТБк ^239,240Рu, 360 ТБк²⁴¹Рu и 0,13 ТБк других трансура­новых элементов с массовыми числами более 241.

Таблица 1.14 – Ядерно-физические свойства основных радиоактивныхизотопов плутония

Ра- дио-нук-лид	Т1/2	Тип распада	Средняя энергия излучения, МэВ/(Бк·с)	Дочерний радионуклид (выход)
характеристическое, γ- и аннигиляционное излучение	β-излучение, конверсионные электроны и электроны Оже	α-излу­чение и ядра отдачи
^23^6Рu	2,851 года	сд, α	2,09·10^-3	1,35·10^-2	5,85	^232U радиоак­тивный
^23^7Рu	45, 3 сут	ЗЭ, α	5,23·10^-2	1,58·10^-2	22,74 ·10^-4	^23^3U (выход 5·10^-5);2"Np радиоактив­ный
^23^8Рu	87,74 года	сд, α	1,81·10^-3	1,06·10^-2	5,58	^234U радиоак­тивный
^23^9Рu	24065 лет	α	7,96·10^-4	6,65·10^-3	5,23	^2^35U радиоак­тивный
^2^40Рu	6537 лет	сд, α	1,73·10^-3	1,06·10^-2	5,24	^23^6U радиоак­тивный
^2^41Рu	14,4 года	α, β^-	2,54·10^-6	5,24·10^-3	1,22- ·10^-4	^237U радиоак­тивный (выход 2,45·10^-5); ^241Аm радио­активный
^2^42Рu	376300 лет	СД, α	1,44·10^-3	8,72·10^-3	4,974	^238U радиоак­тивный
^2^43Рu	4,956 ч	β^-	2,55·10^-2	1,71·10^-1	–	^243Аm радио­активный

Источником загрязнения были и остаются некоторые этапы топливно-ядер-ного цикла, аварии на АЭС и аварии на летательных аппаратах, где плутоний используется как источник энергии. В 1969 г. при сгорании навигационного спутника в атмосферу поступило 0,63 ТБк ²³⁸Рu. Потенциальным источником также могут быть аварии при уничтожении накопленных ядерных боеприпасов, которое проводится в настоящее время в широких масштабах. Следует от­метить, что ²³⁹Рu в ничтожно малых количествах образуется в урановых рудах в результате действия нейтронов на ²³⁸U. Его со­держание колеблется от 0,4 до 15 частей на 10¹² частей урана.

Америций в природе представлен в основном изотопом с массовым числом 241 (Т_1/2 = 432,7 года). Альфа-распад ²⁴¹Аm сопровождается низ­коэнергетическим γ-излучением (Е_у = 59,5 кэВ) со сравнительно высокой интенсивностью (35,9%), однако недеструктивное определение возможно только в тех пробах, где содержание ²⁴¹Аm относительно велико. Более чувствительным методом является α-спектрометрия, однако в этом случае необходима достаточно сложная процедура выделения ²⁴¹Аm. Альфа-спектрометрическому определению ²⁴¹Аm (Е_а — 5485,6 кэВ, 5442,9 кэВ) мешает ²³⁸Рu.

²⁴¹Аm содержался в чернобыльском выбросе в совсем небольших количествах. Но с течением времени после чернобыльской катастрофы идет увеличение его содержания в окружающей среде, что связано с тем, что идет его образование в результате распада Рu-241, который является бета-излучателем: ²⁴¹Рu → ²⁴¹Аm + β^- + n.

Т_1/2 ²⁴¹Рu = 14,4 года, в то время как Т_1/2 ²⁴¹Аm = 432,7 года, т.е образование его идет быстрее, чем распад.

²⁴¹Аm может поступать в растения только в очень малых количествах, т.к. по химическим свойствам он не похож на необходимые для питания растений элементы.

1.3.4. Токсичность продуктов ядерного деления.

Токсикология радиоактивных изотопов (радиотоксикология) составляет специальную отрасль знаний, предметом которой явля­ются:

- изучение путей поступления радиоактивных изотопов в организм, закономерностей распределения в нем и включения в молекулярные структуры тканей (инкорпорирование), особенностей накопления (де­понирование) в различных органах и выведения их из организма;

- установление допустимых уровней содержания радионуклидов в воздухе, воде, кормах, продуктах питания и организме человека;

- исследование биологического действия инкорпорированных ра­диоактивных изотопов и поиск эффективных средств для профилак­тики поражения;

- разработка методов и средств, ускоряющих выведение радиоак­тивных изотопов из организма.

Наиболее глубоко исследуется влияние на организм человека ра­дионуклидов, широко используемых в промышленности, научных и медицинских исследованиях, а также образующихся в результате расщепления ядерного горючего.

Радиоактивные изотопы любого химического элемента периоди­ческой системы Д. И. Менделеева при попадании в организм уча­ствуют в обмене веществ точно так же, как стабильные изотопы дан­ного элемента. Биологическое действие радиоактивных изотопов определяется параметрами их ионизирующих излучений. Действие радионуклидов, попадающих внутрь организма, в принципе не от­личается от действия внешних источников ионизирующего излуче­ния. Их особенностью является то, что они, включаясь в обмен ве­ществ, могут оставаться в тканях длительное время. Активность ра­дионуклидов нельзя погасить ни химическими, ни физическими средствами.

Токсичность радионуклидов зависит от следующих факторов: вида и энергии излучения, периода полураспада; физико-химичес­ких свойств вещества, в составе которого радионуклид попадает в организм; типа распределения радионуклидов по тканям и органам; скорости выведения радионуклидов из организма.

Вид и энергия излучения. Энергия излучения имеет прямую связь с поражающим действием радиоактивного изотопа: чем она боль­ше, тем сильнее поражение. Вид излучения — одна из главных ха­рактеристик, определяющих токсичность радиоизотопа. Степень биологического действия различных видов излучений зависит от их линейной передачи энергии (ЛПЭ). Величина ЛПЭ частицей или квантом веществу обусловливает их линейную плотность ионизации (удельную ионизацию). У тяжелых частиц (альфа-частицы, прото­ны) плотность ионизации очень высокая, у легких (бета-частицы, гамма-лучи) — низкая, т. е. чем выше энергия и короче пробег час­тицы, тем больше у нее ЛПЭ (табл. 1.15).

Таблица 1.15 – Некоторые константы, характеризующие биологическое действие ионизирующих излучений

Излучение	Энер-гия, МэВ	Пробег в мышечной ткани, мкм	Среднее число ионизации на пути в 1 мкм	Средняя ЛПЭ, кэВ/мкм	Коэф- фици- ент ОБЭ
Рентгеновские лучи и гамма-лучи		2·10^6 и более		0,49
Бета-частицы		4,4·10^3		0,23
Альфа-частицы				143,0
Протоны			—	45,0
Нейтроны	0,9	—		27,4

Излучения, имеющие высокую ЛПЭ, обладают, как правило, большой биологической эффективностью. Это свидетельствует о том, что степень действия различных видов излучения зависит не только от общего количества поглощенной энергии, но и от геомет­рических характеристик распределения ее в органах, тканях и клет­ках.

Для выражения различий биологического действия излучений с неодинаковыми значениями ЛПЭ принят коэффициент относитель­ной биологической эффективности (ОБЭ). Значения его взяты от­носительно рентгеновских лучей и зависят от типа облучаемого объекта и характера облучения. Например, при общем облучении организма быстрыми нейтронами коэффициент ОБЭ равен 10, а при местном облучении половых желез – 35.

Период полураспада радионуклида — важная характеристика его биологической активности. Наибольшую опасность для млекопи­тающих и птиц представляют изотопы с периодом полураспада от нескольких дней до нескольких десятков лет. Это объясняется тем, что при коротком периоде полураспада, измеряемом секундами-минутами, основная масса радионуклида распадается, не достигнув тканей организма, и, следовательно, не создает опасной концентра­ции. Например, период полураспада ²¹⁰Ро или ²²⁰Ра составляет 3·10⁷с; период полураспада изотопов ¹³⁴I, ¹³⁶I...¹⁴⁰I, являющихся продуктами деления тяжелых ядер, равен нескольким секундам-минутам.

Радионуклиды с большим периодом полураспада (десятки ты­сяч лет и более) в естественных условиях также не смогут создать эффективной дозы, которая привела бы к развитию лучевого забо­левания. Например, ²²⁸U имеет период полураспада 4,5·10⁹ лет; к тому же, если учесть, что в земной коре его находится 0,0001 %, а в организме еще меньше, то получается, что в естественных услови­ях он не вызовет у животных лучевой болезни. Однако в некоторых случаях токсичность коротко- или долгоживущего радионуклида может усиливаться дочерними радионуклидами.

Физико-химические свойства вещества, в составе которого радио­нуклид попадает в организм. При поступлении радионуклидов в организм их биологическое действие во многом будет определять­ся агрегатным состоянием вещества. Наибольшее действие оказы­вают те радионуклиды, которые легко образуют газы и водораство­римые соединения. Они интенсивно и в большом количестве вса­сываются в кровь, быстро распространяются по всему организму или концентрируются в соответствующих органах.

Биологическое действие малорастворимых или нерастворимых соединений радионуклидов определяется степенью дисперсности аэрозоля или порошка, в форме которых они поступают в организм. Нерастворимые радиоактивные частицы, попадая в легкие, на сли­зистые оболочки, в желудочно-кишечный тракт с кормом или во­дой, могут адсорбироваться эпителиальными клетками или клетка­ми ретикулоэндотелиальной системы или задерживаться в желудке, кишечнике и длительное время облучать ткани, вызывая явное мес­тное радиационное поражение.

На степень биологического действия радионуклидов при внут­реннем поступлении большое влияние оказывает наличие нерадио­активных изотопов этого элемента или химического элемента-ана­лога в данном веществе. Например, элементы-аналоги кальций и стронций принадлежат ко второй группе элементов. В радиохимии для предотвращения потерь радиоактивного изотопа в химических реакциях специально добавляют определенные количества нерадио­активных соединений этого элемента или его химического аналога. Эти добавки принято называть носителями; в первом случае они называются изотопными, во втором — неизотопными. При одновре­менном поступлении в организм радионуклида и его носителя вса­сывание и отложение их в тканях идет в прямо пропорциональном отношении к поступившему количеству. На основании указанной закономерности предложены методы защиты отдельных органов от лучевого поражения радионуклидами. Например, полноценные по кальцию рационы (кальций — неизотопный носитель стронция) значительно уменьшают инкорпорацию радиоизотопов стронция в костной ткани.

Дата добавления: 2014-01-06