Техногенные радионуклиды

В данной главе рассмотрены свойства техногенных радиоактивных элементов и радиоактивные изотопы некоторых стабильных элементов, вносящих существенный вклад в экологический радионуклидный риск.

Тритий

Тритий, И (или Т)радиоактивный изотоп водорода.

В процессе (3-распада тритий превращается в стабильный изотоп зНе с испусканием электрона и антинейтрино ((3 -распад), Т=12,32 л. Максимальная энергия электронов 18,59 кэВ, средняя энергия 6,5 кэВ, полная энергия распада на 1 Бк 5,68 кэВ. Удельная активность трития 3,5 юг> ГБк/г. Максимальный пробег (3-частиц в воздухе 0,7 мг/см2 (4,2 мм), средний пробег в биологической ткани 1 мкм. По своим химическим свойствам тритий отличается от обычного водорода разницей скоростей реакций (из-за разницы в массах).

Тритий бывает природного и техногенного происхождения. Основным источником природного трития является атмосфера, где он образуется в результате взаимодействия протонов и нейтронов космического излучения с водородом, кислородом, аргоном и азотом (например, по реакции иК(п,зН)12С). В расчёте на 1 м2 земной поверхности скорость образования трития в атмосфере 1200 атом/с. Природный тритий генерируется со скоростью 3,6 ю16 Бк-год1 и его количество при равновесии 1,8 ю18 Бк. Средняя скорость образования зн в атмосфере 0,2 см*2-сЛ в литосфере ю-3 см*2-с* 1 и в гидросфере ю*6 см 2 с1. Количество образуемого в год космогенного зН в атмосфере юз ПБк, в литосфере 3,7 ПБк, а в гидросфере 3,7*10-3 ПБк. Годовая продукция космогенного трития (5,55-rii,i)-io10 МБк. Общее количество его на Земле (92-^i85)*io10 МБк, из которых 65% находятся в океане, 27% — в поверхностных водах континентов и в литосфере, 8% — в атмосфере. В настоящее время среднее фоновое содержание зН в поверхностных водах 3,4 -г 4,2 Бк/л (0,74* 105 Бк/г).

Тритий высокоподвижный радионуклид, обладает высокой миграционной способностью в природных средах. В атмосфере сразу после образования зН соединяется с кислородом воздуха в молекулы тяжёлой воды НТО (77%), DTO и Т20. Пары тритиевой воды передаются из стратосферы в тропосферу в течение года, а из тропосферы к земной поверхности в виде осадков или через молекулярный обмен - за ~ю дн. Тритиевая вода затем включается в гидрологический цикл. Она растворяется в приповерхностном слое океана, после чего часть её испаряется обратно в атмосферу, с более низкой концентрацией, а меньшая часть переходит в морские глубины.

В РФ среднегодовая концентрация трития в осадках мало меняется от года к году и в 1999 г. составляла 3,4 Бк/л, а годовые выпадения трития на земную поверхность - 1,56 кБк/м2*год. Содержание трития в воде (Н:Т = i:iol8 - тритиевая единица) достаточно устойчиво. В 1 л воды в среднем содержится з,2*ю_1° г трития, в 1 л воздуха - 1,6-Ю"1* г (при абсолютной влажности ю мг/л). Равновесная активность космогенного трития в гидросфере и атмосфере составляет i,n*ioy ГБк (3,05 кг). 90% природного трития содержится в гидросфере (в виде НТО), 10% в стратосфере (НТО) и 0,1% и тропосфере (из них 50% в виде НТ). Уровень природного фона в водах рек для трития *1 Бк/л, а техногенного фона - 5 Бк/л. Общее содержание трития в биосфере земли равно 1,8 кг, в атмосферном воздухе содержится иг (105 Ки) трития. Содержание трития в организме ~Ю'10 Ки.

Скорость генерации природного трития в приповерхностных водах суши в диапазоне 0,24-0,9 Бк л1 постоянна во времени и однородна в глобальном масштабе, концентрации во всех продуктах потребления человека (воздух, вода и пища) природного трития в стационарном состоянии находится в равновесии с его концентрацией в поверхностных водах.

В течение миллионов лет содержание трития в природе было почти постоянным - непрерывное его образование в атмосфере компенсировалось естественным распадом. Однако с 1954 г. (начало испытаний термоядерного оружия) положение изменилось, поскольку взрыв водородной бомбы мощностью 1 Мт приводил к выделению ~2 кг трития (7.4-ю17 Бк МВт*1)- В ходе ядерных испытаний в атмосферу поступило 2,4-ю20 Бк трития (сотни килограмм), большая часть (-90%) - в Северное полушарие.

Дозы для населения северного и южного полушарий от радиоактивных осадков трития, образовавшихся при испытании ядерного оружия, равны 2 ю-5 и 2 ю*6 Зв, соответственно. Глобальная коллективная эффективная доза на единицу образования 1 Бк оцениваются в 8 ю*16 чел-Зв.

К настоящему времени "оружейный" тритий в значительной степени распался и выведен из атмосферы. Сейчас основным источником трития являются АЭС и радиохимические заводы по переработке ОЯТ. Тритий накапливается в ТВЭЛах при работе реактора в результате тройного деления 235U и 239Ри нейтронами. Часть трития диффундирует через оболочки ТВЭЛов и выбрасывается в атмосферу, но большая часть уходит вместе с жидкими выбросами. Типичный реактор ВВЭР в виде жидкости сбрасывает 1,5-10*3 Бк/[ГВт (эл.)] трития в год, тогда как с газообразными выбросами уходит 1,67-ю12 БкДГВт (эл.)] трития. При этом -90% трития остаётся в ТВЭЛах и высвобождается только при их переработке. Общее поступление техногенного трития в окружающую среду от объектов ЯТЦ -4,2-ю17 Бк. Это в з раза меньше активности природного трития, и в боо раз меньше активности трития, поступившего в биосферу при термоядерных взрывах.

Если природный тритий однородно загрязняют биосферу в целом, то выбросы из ядерных установок происходят в дискретных точках на поверхности Земли, давая неоднородное пространственное распределение концентрации трития. Эквивалентная эффективная доза составляет -ю 8 Зв-л1; в расчёте на единицу образования 1 Бк трития она равна 1.4 10 25 Зв, а глобальная коллективная эффективная эквивалентная доза 5 1СГ*6 чел-Зв.

Промышленные выбросы трития в расчёте на 1 Бк активности привели к наибольшей коллективной эффективной дозе, полученной населением от сбросов в реки, наименьшей для морских сбросов и промежуточной для выбросов в воздух.

Для количественного определения трития применяют радиометрические и масс-спектрометрические методы. Определение трития в объектах внешней среды основано на выделении водной фазы почвы, растительности, молока и биосубстратов. Водную фазу, обогащённую тритием, очищают от продуктов деления вакуумной перегонкой с марганцовокислым калием. Определение содержания тритиевой воды в пробе осуществляют на жидкосцинтилляционном счётчике, а в атмосфере — ионизационной камерой с газовой стенкой.

Табл. 1. Суммарные коллективные эффективные эквивалентные до- зы, рассчитанные на 1 Бк выброшенного трития (чел-Зв)._

Источник

Локальный или региональный компонент

Глобальный компонент

Природный

5‘Ю'16

Ядерное оружие

8-ю*16

Индустрия:

Выбросы в атмосферу

5-Ю'17 (НТО)

8-Ю16 (НТО)

Сбросы в реки

2-10-‘5

Сбросы в моря

5-ю*20

6-ю*16 (НТ)

Меченная тритием вода, выпавшая на поверхности суши, частично участвует в поверхностном стоке и частично поступает в почву, откуда извлекается растениями, испаряется или уносится грунтовыми или поверхностными водами в моря и океаны.

Наиболее богатые природные источники трития - дождь и снег, поскольку почти весь тритий, образующийся под действием космических лучей в атмосфере, переходит в воду. Интенсивность космической радиации изменяется с широтой, поэтому осадки, например, в средней полосе России несут в несколько раз больше трития, чем тропические ливни. Мало трития в дождях, которые идут над океаном, поскольку их источник - океаническая вода, а в ней трития немного. Глубинный лёд Гренландии или Антарктиды совсем не содержит трития - он там успел полностью распасться. Замечание. Зная скорость образования трития в атмосфере, можно рассчитать, как долго влага находится в воздухе - с момента её испарения с поверхности до выпадения в виде дождя или снега. Оказалось, что, например, в воздухе над океаном этот срок составляет ~9 дн.

Промышленные выбросы состоят из НТО, НТ и СН3Т. Время пребывания НТ и СН3Т в атмосфере варьируется в интервале 54-10 л. НТ удаляется из атмосферы в результате действия бактерий и процессов фотохимического окисления, СН3Т только путём фотохимического окисления. В обоих случаях образуется НТО. Промышленные выбросы осуществляются в атмосферу или в воду (реки или моря). Иногда случаются сбросы в грунтовые воды, но они имеют меньшее значение, т.к. движение воды в водоносных горизонтах происходит очень медленно.

В некоторых регионах природные воды загрязнены тритием. Например, в конце 20-го века, в водных объектах на Урале техногенный фон трития составлял 5 Бк/л, в водохранилище Белоярской АЭС концентрация трития колебалась от 54-7 до юо и более Бк/л. В реке Теча (Челябинская область, район комбината «Маяк») этот показатель составляет 55^134 Бк/л, в реке Исеть - 13 Бк/л.

В среде, окружающей ядерные установки, тритий накапливается в подвижном виде (НТО) и в неподвижном виде органически связанного трития (ОСТ). Важной проблемой является изучение миграции тритиевых и углеродных соединений в цепочке хранилище РАО-> грунтовые воды -» питьевая вода. Микроорганизмы и растения преобразовывают газообразный НТ и НТО, в ОСТ. Хвойные деревья эффективно вытягивают из грунтовых вод тритий в виде НТО и перерабатывают его в ОСТ, поэтому высадку хвойных деревьев на территории предприятий с загрязнением грунтовых вод тритием рекомендуют для очистки окружающей среды от трития.

Тритий может легко связываться с органическим материалом, особенно в присутствии йода и некоторых тяжёлых металлов. Он может внедриться в любую молекулу, содержащую водород. При фотосинтезе тритий предпочитает инкорпорироваться в органических молекулах. Картофель имеет высший показатель переноса трития из почвы в биомассу растения. Содержание трития в органическом материале в ю раз выше у коров, откармливаемых на загрязненной траве, по сравнению с теми, которые получают его в питьевой воде. Фоновое значение трития 5-ю10 Ки/л

Тритий присутствует и в человеческом организме. Он поступает в него с пищей, с вдыхаемым воздухом и через кожу (12%). Удельная активность трития в теле человека о,6 Бк/кг. Хроническое потребление трития в концентрации 1 Бк на литр воды даёт поглощенную дозу, усредненную по всему телу, 2.6 ю*8 Гр-год1 на Бк-л1. Отметим, что газообразный Т2 в 500 раз менее токсичен, чем Т20. Это объясняется тем, что молекулярный тритий, попадая с воздухом в лёгкие, затем быстро (за ~з мин) выделяется из организма, тогда как тритий в составе воды задерживается в нём на ю суток. В среднем организм человека содержит 5-ю-12 г трития, что даёт вклад 1,3 мкГр в общую дозу годового облучения.

Внешнее облучение от трития несущественно, т.к. пробег электронов, испускаемых при распаде трития (6 мкм в мягких тканях) меньше толщины базальных клеток в эпидермисе. При хроническом потреблении 1 Бк л*1 НТО в воздухе, воде и пище равновесная мощность дозы в совокупность мягких тканей за исключением жира составляет 2,6 io 8 Гр1. Из этой дозы 16% приходится на тритий, включённый в органические соединения.

При вдыхании человеком паров тритиевой воды (НТО) 98% её активности всасывается через дыхательные пути. Пары НТО и газообразный тритий легко проникают через кожу. Скорость перехода тритиевой воды через кожу из загрязненной атмосферы равна скорости всасывания через лёгкие. Тритиевая вода может попасть в организм человека и через ЖКТ. После заглатывания основная масса НТО всасывается в тонком кишечнике. У человека в течение 25 мин всасывается ~1 л НТО. При этом в венозной крови тритий обнаруживается через 6 мин. Пик активности в сыворотке крови и моче наблюдается через 20 мин после заглатывания. Всасывание НТО заканчивается через 45 мин, и в последующие 2,5 ч содержание НТО в сыворотке крови сохраняется на постоянном уровне. Для НТО биологический период полувыведения Тб=10 сут. С увеличением возраста человека скорость выведения тритиевой воды из организма возрастает. Органы дыхания являются важным путём выведения НТО из организма: при внутривенном введении тритиевой воды максимальная концентрация её в водяных парах выдыхаемого возду’ха обнаруживается через 9 мин. При этом активность трития в водяных парах выдыхаемого воздуха составляет 94% количества активности в плазме и моче.

Попавшая в организм человека тритиевая вода через кровь быстро распространяется по нему, равномерно распределяясь по органам и тканям. Равновесие между кровью и внеклеточной жидкостью устанавливается за 12 мин. В тканях с небольшим количеством кровеносных сосудов (кости, жир) установление равновесия с плазменной водой занимает несколько дней или недель. Повреждение рогового слоя кожи резко увеличивает скорость всасывания. Из кожи тритий выводится с Гб =2 ч (95%) и 12 сут. (5%). Поступивший в организм человека тритий находится в двух видах — свободной тритиевой воды и органически связанного трития. Эффективный период полувыведения трития из свободной воды организма 9,7 сут. Органически связанный тритий выделяется из организма с двумя периодами полувыведения: То 1=30 сут. и Г<й=450 сут.

Дозы в тканях зависят от концентрации в них водорода. Концентрация водорода на единицу веса одинакова (ю%) во всем теле и в мягких тканях. Меньше всего водорода в костях (4%), а больше всего в жировой ткани (12%). Вся энергия р-частиц трития поглощается в той ткани, в которой он находится. Мощность эффективной эквивалентной дозы усредненной по всему телу равна 2,6 ю 8 Зв/год на 1 Бк/л потреблённого воздуха, воды или пищи. Если потребление воды 3 л в день, а концентрация водяного пара в атмосфере 8 г м :*,то эффективная эквивалентная доза при поступлении в организм 1 Бк трития в виде тритиевой воды равна 2.2-Ю11 Зв, а мощность эффективной эквивалентной дозы на единицу атмосферной концентрации (на Бк м з) =2.1-10-9 Зв/год. Если тритий входит состав молекулярного водорода, то мощность дозы, создаваемая в лёгких в расчёте на 1-Бк м-з НТ в воздухе составляет 10 *4 Гр ч1, в то время как дозы от поглощенного в тканях трития в 60+150 раз меньше. Мощность эффективной эквивалентной дозы в случае, если удельная активность трития в воздухе, равна 1 Бк м з оценивается как i,i io n Зв-год Ч

Радиоактивный распад трития приводит к нарушению молекулярных структур и межмолекулярных связей под действием p-излучения, а также в результате превращения трития в зНе. Обладая наименьшей энергией р-частиц, тритий создает значительную плотность ионизации ткани. Кроме того, пробег р-частиц трития значительно меньше геометрических размеров клеток, поэтому поражение тритием локализуется возле самого изотопа, и общее поражение зависит от геометрии его распределения в тканях организма и микрогеометрии распределения в клетке. Атомы трития замещают в молекулах ткани атомы водорода.

Органические соединения трития представляет более серьезные факторы риска, чем тритиевая вода при одинаковом количестве поглощения трития. Половина тритиевой воды выходит из организма через ю дн, при этом удаление половины ОСТ из организма занимает 21+76 дн. Для некоторых молекул с очень медленной скоростью перехода это время может увеличиться до 280+550 дн. Вред, нанесенный плоду органически связанным тритием, в четыре раза превышает вред, нанесенный взрослому человеку тритиевой водой.

Клиническая картина поражения различных животных большими дозами трития однотипна. После начального периода возбуждения у животных наблюдается слабость, вялость, снижается пищевая возбудимость. Уменьшается масса тела. Воздействие одноразовых доз трития 5,5-ю8 Бк/г приводит к острой лучевой болезни. Удлиняется время свертывания крови, повышается проницаемость кожных сосудов, появляется кровь в кале и моче. Возникают единичные и множественные кровоизлияния в коже, слизистых оболочках, внутренних органах. Снижается содержание лейкоцитов, эритроцитов, тромбоцитов и ретикулоцитов. В острой стадии радиационного поражения отмечается угнетение костномозгового кроветворения. Большие количества тритиевой воды 2,7*105+1,08*ю6 Бк/мл приводят к снижению продолжительности жизни животных.

Табл. 2. Значения допустимых концентраций трития.

Состояние

трития

Критич.

орган

ДСа,

Бк

ПДП, Бк/год

ДКа, Бк/л

Газ

Все тело

5,2Ю7

5*55-10“

22,2105

НТО (Т20)

Все тело

4,4Ю7

4,4-Ю8

3,?ю2

Состояние

трития

Критич. Орган

ПГП, Бк/год

ДКк, Бк/л

Через органы дыхания

Через

ЖКТ

в атм. воздухе

в воде

Газ

Все тело

5,5510й

-

7,4-ю4

-

НТО (т2о)

Все тело

7,4Ю7

11,1107

п,1

14,8-ю4

Тритий относится к средней группе радиотоксичности. Для газообразного трития и НТО (Т20) категория радиационной опасности Г, минимально значимая активность, МЗА=з,7Ю6 Бк. Допустимое содержание трития в критическом органе, (ДСа), допустимые концентрации трития в воздухе рабочей зоны (ДКд) и в атмосферном воздухе или воде (ДКб), предельно допустимое поступление через органы дыхания (ПДП) и предел годового поступления в организм (ПГП) приведены в табл. 2. Допустимая концентрация трития в воздухе рабочих помещений для персонала имеет наименьшее значение, 4,4-ю5 Бк/мз, когда он присутствует в виде паров воды. Для населения допустимая концентрация трития в воздухе составляет 1,9-юз Бк/мз, а в воде и пище ограничена верхним уровнем 7,7-юз Бк/кг.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >