КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:
Факторы, обуславливающие радиоактивность воздуха на открытой местности и в закрытом помещении.
Радон, источники, дозы, обусловленные радоном, мероприятия по снижению концентрации радона в закрытых помещениях.
Методы определения радиоактивности воздуха. Определение радиоактивности газов и аэрозолей.
САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА:
Используя бета-радиометр РКБ4-1еМ, определить объемную радиоактивность пробы воздуха в учебной комнате.
Сравнить полученные результаты с НРБ-99.
Атмосфера является мощным акцептором техногенных, в том числе и ядерно-энергетических, радиоактивных газоаэрозольных выбросов. Их последующее включение в токи воздушных масс, рассеяние, медленная механическая (гравитационная) седиментация ведут к относительно равномерному (глобальному) распределению цезий-стронциевых фоновых загрязнений среды. Наиболее загрязняют атмосферу наземные испытания ядерного оружия. Поступление и последующее распределение радиоактивности подчиняется здесь ряду закономерностей, предполагающих длительное присутствие фактора в составе среды.
До 90% радиоактивных осколков деления попадает в стратосферу, остальное – в тропосферу. При попадании радиоактивных аэрозолей в тропосферу происходит их глобальное «размывание» и перемещение током воздушных масс с большой скоростью, преимущественно по географическим параллелям от мест взрыва. Аналогично распространялись радионуклиды после чернобыльской аварии.
Основная часть загрязнений тропосферы выпадает с осадками в ближайшие дни-недели от момента взрыва в результате вовлечения аэрозолей в процессы формирования облаков. Незначительная часть радионуклидов сорбируется аэрозолями воздуха, коагулируется с последующим «сухим» выпадением частиц. Скорость очищения тропосферы подчиняется экспоненциальному закону с периодом полуочищения 20–40 сут.
Гравитационное оседание частиц, ушедших в стратосферу, происходит крайне медленно, на протяжении десятилетий. Состав радионуклидов ядерного происхождения за время циркуляции в стратосфере меняется. Короткоживущие радионуклиды (наибольшая часть взрыва) распадаются, оставляя место цезий-стронциевым источникам глобального малоинтенсивного загрязнения среды. Переход стратосферных радионуклидов в тропосферу с последующим осаждением происходит преимущественно на широте 25 – 30 град в обоих полушариях с максимумом в Северном.
Безаварийные выбросы атомными электростанциями являются незначительными, но постоянными источниками поступления радионуклидов в атмосферу. Большая часть атмосферных загрязнений, выпадающих на поверхность Земли, при нормальном режиме работы АЭС крайне незначительна. В состав аэрозолей, выбрасываемых в атмосферу вследствие аварийной утечки теплоносителя первого контура реактора, входит сложный комплекс радионуклидов, в том числе 88Kr, 134Cs, 58Со, 60Со, 54Mn, 140Ва, 140Zn, 89Sr, 131I. Количество радиоактивных веществ, поступающих с выбросами реакторов в атмосферу, невелико.
Наибольшую опасность как потенциальные источники загрязнения атмосферы представляют предприятия по переработке ядерного топлива. Отходы (тепловыделяющие элементы – твэлы) этих предприятий содержат значительное количество долгоживущих радиоактивных веществ. К таким радионуклидам относятся, в частности, тритий (3Н) и криптон (85Кг), образующиеся при обработке твэлов. Обработка твэлов сопровождается также выделением газообразных и летучих продуктов деления: 3Н, 14С, 85Кr, 129I, 131I, 106Ru, 134Cs, 137Cs, радиоактивные актиноиды.
Особого внимания в плане загрязнения атмосферы заслуживает радиоактивный криптон. Эта химически инертная и безопасная в радиационном отношении составляющая выбросов является агрессивной по отношению к физическим экосистемным функциям атмосферы вследствие ее мощного вклада в ионизацию воздушной среды и трансформации нормального распределения этого процесса в разных слоях атмосферы.
Ионизация верхних слоев атмосферы под действием жесткого ультрафиолетового и ионизирующего излучений ведет к фотодиссоциации кислорода и образованию атмосферного озонового слоя планеты, выполняющего одну из важнейших экосистемных функций – экранирования и фильтрации космических излучений.
Второй, аналогичный, приземный слой атмосферы формируется благодаря реакциям ионообразования в непосредственной близости от поверхности Земли под действием радиации от естественных радионуклидов, преимущественно радона. Образование ионов в приземных слоях играет, очевидно, существенную антибактериальную (противоэпидемическую) функцию в биоценозах.
Распределение антропогенного источника ионизации атмосферы резко отличается от естественного. Практически весь образующийся 85Kr выбрасывается в атмосферу в северном полушарии. Это приводит к некоторой неравномерности его распределения в атмосфере земного шара. Концентрация 85Kr в южном полушарии в 1,3–1,4 раза ниже, чем в северном. По высоте 85Kr распределяется практически равномерно вплоть до 20 – 25 км над уровнем моря. В настоящее время концентрация 85Кг в атмосфере составляет 3 нКи/м3 воздуха независимо от высоты над уровнем моря. Равномерное (по высоте) распределение криптона (β-активного излучателя с энергией β-частиц 0,25 МэВ и энергией γ-квантов 0,514 МэВ, периодом полураспада 10,75 лет) в атмосфере может привести к неблагоприятным экологическим последствиям.
Ионы воздуха являются ядрами конденсации и соответственно образования и роста водяных капель, сорбирующих основные сульфатные и нитратные токсические загрязнители атмосферы. Повышенная конденсация, как следствие повышенного диффузного ионообразования, в сочетании с массивным токсическим техногенным загрязнением среды является одним из факторов образования кислых туманов и дождей, закисления почв и ухудшения их репродуктивных функций, ведет к снижению иммунитета и, как следствие, к росту респираторных заболеваний. Массивное (диффузное) увеличение числа ядер конденсации может привести к формированию стратосферного сульфато-нитратного слоя, нарушению радиационного баланса Земли и к последующим труднопредсказуемым (нестабильным) изменениям климата.
Другим критическим радионуклидом, удаляемым в атмосферу в основном с выбросами заводов по переработке ядерного топлива, является тритий. Около 75% трития, содержащегося в ядерном топливе, выбрасывается в атмосферный воздух. Явные экологические изменения от присутствия трития в среде не прогнозируются.
Содержание радиоактивных веществ в воздухе нижних слоев атмосферы связано с несколькими факторами. Одним из них является первичное космическое излучение, под воздействием нейтронной компоненты которого ядра азота воздуха преобразуются в радиоактивный углерод С14, имеющий период полураспада, равный 5568 годам. Ежегодно в атмосфере Земли образуется около 10 кг С14, который затем участвует в процессах обмена в биосфере и может быть обнаружен практически во всех средах, содержащих углерод. По современным данным, концентрация С14 в атмосферном воздухе составляет 1,3 × 10-15 Ки/л. Кроме радиоактивного нуклида углерода под влиянием космического излучения в воздухе образуются тритий, бериллий, фосфор-32 и некоторые другие космогенные радионуклиды, значение которых в радиоактивности воздуха незначительно.
Одними из главных короткоживущих радиоактивных нуклидов воздуха являются радон, образующийся при альфа-распаде радия, и продукты его распада. В атмосферу радон попадает вследствие диффузии из поверхностных земных пород и каменных зданий, а также при сжигании каменного угля, природного газа.
РАДОН
Радон представляет собой инертный газ, не имеющий вкуса и запаха (в 7,5 раза тяжелее воздуха). Радон растворим в воде, но при кипячении полностью из нее удаляется. Радон химически инертен и реагирует только с сильными фторирующими реагентами.
В радиоактивных рядах семейства 238U, 232Th образуются альфа-активные радиоизотопы инертного газа радона: 222Rn (радон), 220Rn (торон). Все изотопы радона радиоактивны и довольно быстро распадаются: самый устойчивый изотоп 222Rn имеет период полураспада 3,8 сут., второй по устойчивости – 220Rn (торон) – 55,6 с. По вкладу в суммарную дозу облучения человека радон-222 примерно в 20 раз важнее, чем радон-220 (торон), поэтому для удобства оба изотопа в дальнейшем будем рассматривать вместе и называть просто радоном.
Характерная особенность изотопов Rn - способность создавать на соприкасающихся с ними телах радиоактивный осадок, состоящий из дочерних продуктов радиоактивного распада радона (ДПР) - короткоживущих и долгоживущих изотопов полония, свинца, висмута.
Схема образования и распада 222Rn:
226Ra (1620 лет) 222Rn (3,82 дня) 218Po (3,05 дня) 214Pb (26,8 мин) 214Bi (19,7 мин)
214Po (1,6×10-4 c) 210Pb (22 года)
Почему радон, имея преимущественно короткоживущие изотопы, не исчезает из атмосферного воздуха? Он постоянно поступает в атмосферу из земных пород при распаде ядер 238U и 232Th. Пород, содержащих уран и торий, в земной коре довольно много (например, граниты, фосфориты), поэтому убыль компенсируется поступлением и в атмосфере существует некая равновесная концентрация радона. Образующиеся в результате распада радона в воздухе его ДПР тут же прикрепляются к микроскопическим пылинкам-аэрозолям. Поверхность легких у человека составляет несколько десятков квадратных метров, поэтому легкие - хороший фильтр, осаждающий эти радиоактивные аэрозоли. ДПР радона «обстреливают» альфа- и бета-частицами поверхность легких и обусловливают свыше 80 % дозы, связанной с радоном. Изотоп 222Rn дает примерно 50–55% дозы облучения, которое ежегодно получает каждый житель Земли, изотоп 220Rn прибавляет к этому еще
5–10%. Таким образом, большая часть облучения исходит от дочерних продуктов распада радона. Основной медико-биологический эффект облучения от радона и его ДПР - рак легких.
Концентрацию радона в воздухе определяют по его активности в кубическом метре - Бк/м3.
Человек большую часть своей жизни (около 80 % времени) проводит в помещениях (жилье, рабочие места). Полагают, что среднегодовая концентрация радона в них в 20 Бк/м3 формирует индивидуальную дозовую нагрузку 1 мЗв/год.
Коллективная годовая эффективная доза облучения населения Российской Федерации в 2003 г. за счет природных источников составила 490,9 тыс. чел.-Зв, что соответствует 3,43 мЗв в среднем на одного жителя. Из них 2,22 мЗв за счет наличия радона в воздухе жилых помещений и 0,29 мЗв за счет содержания природных радионуклидов в пище и питьевой воде.
Наибольшие значения средних годовых эффективных доз в расчете на одного жителя за счет облучения природными источниками в 2003 г. зарегистрированы в Еврейской автономной области (11,7 мЗв), в Иркутской области (7,7 мЗв) в Усть-Ордынском Бурятском АО (7,7 мЗв), в Республике Бурятия (6,7 мЗв) в Липецкой (6,5 мЗв) и Читинской (6,2 мЗв) областях. Еще в 8 субъектах Российской Федерации средние годовые эффективные дозы облучения природными источниками в расчете на одного жителя превышают 5 мЗв.
Содержание радона в природных средах. Пути поступления радона в жилые и производственные помещения
Изотопы радона и продукты их распада широко распространены в природе. Они содержатся в горных породах, воде, воздухе, природном газе, нефти и т.д., поэтому целесообразно выделить из этих объектов те источники радона, которые оказывают непосредственное или потенциальное воздействие на организм человека - это почва и горные породы, строительные материалы, воздух и вода. В первую очередь содержание радона в окружающей среде зависит от концентрации материнских элементов в породах и почвах.
Почва и горные породы являются как непосредственным источником радона, так и природными материалами, которые используются в строительстве (песок, глина, гранит, ил). Радионуклиды, родоначальники радиоактивных семейств, широко распространены в породах и минералах природного происхождения, хотя и в малых концентрациях (средние значения для 238U - 33 Бк/кг, для 232Th - 34 Бк/кг), однако распределение их в земной коре очень неравномерно. Наиболее высокие концентрации урана свойственны изверженным (магматическим) породам, в особенности гранитам. Высокие концентрации урана также могут быть приурочены к темноцветным сланцам, осадочным породам, содержащим фосфаты, а также метаморфическим породам, образовавшимся из этих отложений. Естественно, что и почвы, и обломочные отложения, образовавшиеся в результате переработки вышеназванных пород, также будут обогащены ураном.
Из регионов России потенциально опасных выделяют Западную Сибирь (Белокуриха, Новосибирск), Забайкалье (Краснокаменск), Северный Кавказ (Пятигорск) и Северо-западные регионы России.
Основным источником поступления радона в воздух помещений является геологическое пространство под зданием. Радон легко проникает в помещения по проницаемым зонам земной коры. Здание с газопроницаемым полом, построенное на земной поверхности, может увеличивать поток радона, выходящего из земли, до 10 раз за счет перепада давления воздуха в помещениях здания и атмосфере. Этот перепад оценивается в среднем величиной около 5 Па и обусловлен двумя причинами: ветровой нагрузкой на здание (разрежение, возникающее на границе газовой струи) и перепадом температур между комнатным воздухом и атмосферой (эффект дымовой трубы). Образующийся при распаде 238U и 232Th радон через трещины и поры в породах земной поверхности и строительных изделиях непрерывно поступает в атмосферный воздух, в жилые и рабочие помещения.
Установлено, что поступление радона в воздух помещений и сооружений в основном связано с геологическими свойствами.
Высокие концентрации радона в почвенном воздухе образуются:
при неглубоком залегании гранитных пород и хорошо проницаемых осадочных отложений, перекрывающих их;
в зонах тектонических нарушений, проникающих в осадочный чехол и являющихся путями миграции радона;
в зонах палеоврезов, заполненных хорошо проницаемыми песчано-гравийными отложениями, при неглубоко залегающих гранитных породах фундамента;
в зонах развития моренных радоногенерирующих отложений.
Средняя концентрация радона на открытом воздухе зависит от высоты, географической широты, температуры, силы ветра, атмосферного давления и существенно различается для разных точек Земного шара. Влияние на концентрацию радона в атмосфере также оказывает удаленность от суши.
В атмосферу помещений радон поступает следующими путями:
проникновением из почвогрунтов через фундамент и перекрытия подвальных помещений здания;
за счет эксхаляции (выделения) из строительных материалов и изделий, из которых построено здание;
с водопроводной водой и бытовым газом;
за счет воздухообмена с атмосферным воздухом.
Наиболее существенным источником радона в помещениях является его проникновение из почвогрунтов и строительных материалов, используемых при строительстве домов, зданий и т.д.
Во многих странах обнаружено, что в жилых домах, построенных из материалов, которые содержат повышенные концентрации естественных радионуклидов, концентрации радона достигают значительных уровней, а среднегодовая доза облучения легких человека в результате вдыхания радона и его дочерних продуктов может составить несколько мЗв.
Человек повсюду контактирует с радоном, и, прежде всего, в жилых помещениях и зданиях. Поступая внутрь помещения тем или иным путем, радон накапливается. В результате в помещении могут возникнуть довольно высокие уровни концентрации радона, особенно если дом стоит на грунте с относительно высоким содержанием естественных радионуклидов или если при его постройке использовали материалы с повышенной естественной радиоактивностью.
Таблица 20.
МОЩНОСТЬ РАЗЛИЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПОСТУПЛЕНИЯ РАДОНА В ВОЗДУХ ЖИЛЫХ ПОМЕЩЕНИЙ
Источник радона |
Мощность, кБк/сутки
|
Природный газ
|
3
|
Вода
|
4
|
Воздух
|
10
| Стройматериалы и грунт под зданием |
60
| |
Скачать 7.3 Mb.