Работа № 4. Определение концентрации естественных радиоактивных аэрозолей в воздухе и оценка годовой эффективной дозы внутреннего облучения населения

Известно, что в своей повседневной жизни человек подвергается воздействию радиоактивного излучения. Немалая доля облучения человека (до 70 %) обусловлена поступлением в организм радиоактивных аэрозолей, содержащихся во вдыхаемом воздухе. Аэрозоль -это дисперсная система, состоящая из твердых или жидких частиц, находящихся во взвешенном состоянии в газе (обычно в воздухе). Радиоактивный аэрозоль - это аэрозоль, в дисперсную фазу которого входят радионуклиды.

РАДИОАКТИВНЫЕ АЭРОЗОЛИ В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ

Естественный радиационный фон. Основную часть облучения (~ 70 %) население Земного шара получает от естественных источников радиации. Естественными источниками радиации принято считать такие радиоактивные вещества, которые образовались (и продолжают образовываться) без участия человека.Естественными источниками радиации являются космические лучи и радионуклиды, содержащиеся в земной коре. Когда радиоактивные вещества находятся вне организма и облучают человека снаружи - это внешнее облучение человека. Если радиоактивные вещества попадают внутрь организма (вместе с воздухом, водой и пищей) и облучают человека изнутри - это внутреннее облучение.

Расчетные значения годовых эффективных доз от естественных (природных) источников излучения приведены в табл. 4.1.

 

Таблица 4.1

Годовая индивидуальная эффективная доза естественного радиационного фона, мЗв/год

Компонент	Среднее
Космическая радиация
Непосредственно ионизирующая и фотонная компоненты	0,28
Нейтронная компонента	0,1
Космогенные радионуклиды	0,01
Всего	0,39
Внешнее облучение от земной коры
Вне помещений	0,07
В помещениях	0,41
Всего	0,48
Ингаляция
Урановые и ториевые ряды	0,006
Радон (222Rn)	1,15
Торон (220Rn)	0,1
Всего	1,26
Заглатывание
40К	0,17
Урановые и ториевые ряды	0,12
Всего	0,29
Всего	2,4

 

Космическое излучение[21], взаимодействуя с ядрами азота, кислорода и водорода, присутствующими в атмосферном воздухе, образует так называемые космогенные радионуклиды, которые могут создавать внутреннее облучение человека, поступая в организм с воздухом, водой и пищей. Можно сказать, что космогенные радионуклиды являются продуктами активации ядер элементов, составляющих воздух, вторичным космическим излучением. Среди большого числа космогенных радионуклидов лишь четыре нуклида (³Н, ⁷Ве, ¹⁴С и ²²Na) вносят некоторый вклад в суммарную дозу внутреннего облучения.

К радионуклидам земного происхождения относятся долгоживущие радиоактивные элементы, присутствующие в различных объектах внешней среды с момента образования Земли, а также их дочерние продукты распада (время образования земной коры составляет ~ 4,5×10⁹ лет). Наибольшей удельной активностью обладают ⁴⁰К, ²³⁸U и ²³²Th в равновесии со своими дочерними продуктами.

Содержание радионуклидов земного происхождения в почве определяется как составом исходных горных пород, слагающих земную кору, так и характером процессов почвообразования (выщелачивание почв грунтовыми водами, сорбция радионуклидов почвами и т.д.). Диапазон содержания радионуклидов для почв разного состава составляет примерно (100 – 800) Бк/кг для ⁴⁰К, (10 – 60) Бк/кг для ²³⁸U, (7 – 60) Бк/кг для ²³²Th, (3 – 50) Бк/кг для ²²⁶Ra.

Если говорить о внешнем облучении, тоестественныйрадиоактивный изотоп ⁴⁰К и дочерние продукты распада радия и тория являются основными g-излучающими веществами, создающими ионизацию над поверхностью Земли[22]. Значения естественного радиационного фона в различных регионах земли варьируются в очень широких пределах: величины максимального и минимального значений мощности поглощенной дозы в воздухе от естественных радионуклидов, находящихся в почве, могут различаться в 500 раз.

Но все-такинаиболее весомый вклад (до 70 %) в эффективную дозу облучения, которую человек получает от естественных источников радиации, дает внутреннее облучение, обусловленное радиоактивными веществами, содержащимися в земной коре и попавшими в организм с воздухом, пищей и водой.

Естественные аэрозоли. Наиболее существенный вклад во внутреннее облучение человека вносят продукты распада радона, которые поступают в организм человека вместе с вдыхаемым воздухом.

Большинство радиоактивных элементов, встречающихся в природе, можно расположить в виде трех последовательных цепочек, они называются радиоактивными семействами. Эти три семейства радиоактивных изотопов в основном и обуславливают радиоактивность, с которой связано облучение человека в естественных условиях его существования. Радиоактивное семейство изображено на рис. 4.1[23]. В скобках указаны первоначальные названия членов ряда, показывающие их генетическую связь, без скобок - общепринятые обозначения изотопов[24].

Семейство урана-радия имеет 19 нуклидов и начинается с изотопа (содержание которого в природной смеси изотопов урана составляет 99,28 %), заканчивается стабильным изотопом свинца. Второе семейство – актиноурана – начинается с другого изотопа урана . Содержание в естественной смеси составляет 0,71 % (именно этот изотоп используется в управляемых реакциях деления на АЭС). Среди элементов этого ряда есть актиний - наличие радионуклида актиния и дало название этому ряду.

Третье семейство - тория - начинается с радиоактивного изотопа тория , также имеет в своем составе изотоп радия (), превращающийся в радиоактивный газ радон (²²⁰Rn). Этот изотоп радона ²²⁰Rn, учитывая его происхождение, называют тороном.

 

 

 

Все три радиоактивных семейства имеют одну особенность - наличие в цепочке распада радиоактивного газа радона, который в отличие от своих предшественников (уран, торий, радий), способен выйти из почвы наружу в атмосферный воздух. Сам радон в воздухе находится в атомарном состоянии, его атомы не присоединяются к ядрам конденсации, например, пылинкам или тяжелым ионам, поэтому сами непосредственно аэрозоли не образуют. Получившиеся из радона атомы Po, Bi, Pb притягиваются и прилипают к пылинкам, которые всегда присутствуют в воздухе. Таким образом, инертный газ за сравнительно короткое время превращается в тонкодисперсный аэрозоль, который прекрасно адсорбируется и в верхних дыхательных путях, и в альвеолярном отделе легких человека. Радиационная опасность вдыхаемой смеси радона и продуктов его распада более чем на 95 % обусловлена аэрозолями дочерних продуктов.

В наиболее значительной концентрации в воздухе находится радон ²²²Rn с продуктами его распада, слабо заметен торон (²²⁰Rn) со своими продуктами распада. Актинон же (²¹⁹Rn) присутствует в воздухе в ничтожных количествах и практически не создает дозы внутреннего облучения.

Т.к. радон высвобождается из земной коры повсеместно, то образуется он и в грунте под жилыми и промышленными зданиями, поступая затем в подвальные и другие, более высоко расположенные помещения. Поэтому (хоть это и непривычно, на первый взгляд) основную часть дозы облучения от радона человек получает, находясь в закрытом помещении. Это усугубляется еще и тем, что радон выделяют почти все строительные материалы - производство и кирпича, и бетона основано на использовании глины, цемента, щебня и других материалов, полученных из различных месторождений и также содержащих радий.

Средняя концентрация радия в строительных материалах составляет примерно (30 - 50) Бк/кг, но существуют материалы, содержащие радий в значительно больших количествах: это бетоны на основе промышленных отходов, например, золы (до 3000 Бк/кг), фосфогипс (до 1500 Бк/кг), доменный шлак, хвостовые пески – отходы после добычи урановой руды и др.

 

 

Таблица 4.2

Содержание радона в жилых помещениях, обусловленное

различными источниками, Бк/м³

Источник	Одноэтажный коттедж	Многоэтажный дом
Почва
Наружный воздух
Строительные материалы
Вода (наземные источники)	1,3	1,3
Средняя наблюдаемая концентрация в помещении

 

В табл. 4.2 представлено содержание радона в одном из типичных жилых помещений, обусловленное различными источникам. Из данных табл. 4.2 видно, что основным источником радоновыделения в домах являются почва и стройматериалы. В среднем в кирпичных, каменных, бетонных зданиях мощность дозы в (2 ¸ 3) раза больше, чем в деревянных домах и в домах из синтетических материалов. Хотя радиационный контроль строительных материалов требует самого тщательного рассмотрения, не следует забывать, что главным источником радона в закрытых помещениях является грунт.

Искусственные аэрозоли, образующиеся при работе АЭС. При ядерной реакции деления в твэлах образуется большое число (около 600) радионуклидов – продуктов деления, которые в зависимости от физико-химического состояния можно разделить на следующие группы: благородные газы (аргон, ксенон, криптон), летучие соединения (йод) и нелетучие вещества (стронций, барий, цирконий, церий, лантан и т.д.). Газообразные продукты деления и летучие вещества через трещины и микротрещины в оболочках твэлов могут выходить наружу, в теплоноситель, а затем и в атмосферный воздух. Выходя из микротрещин твэлов, короткоживущие благородные газы продуктов деления распадаются и образуют мелкодисперсные радиоактивные аэрозоли: например, газообразный ¹³⁷Хе с периодом полураспада 3,9 мин переходит в образующий радиоактивный аэрозоль ¹³⁷Cs с периодом полураспада 30 лет, газообразный ⁹⁰Kr (T _1/2 = 33 с) - в создающий радиоактивный аэрозоль ⁹⁰Sr (T _1/2 = 28 лет), газообразный ¹⁴⁰Хе (T _1/2 = 16 с) в образующий радиоактивный аэрозоль ¹⁴⁰Ва (T _1/2 = 13 сут.) и т.д. Особо опасными являются радиоактивные изотопы йода, которые могут находиться частично в парообразной фазе, частично в виде тонкодисперсных аэрозолей.

Другим источником радиоактивных аэрозолей на АЭС являются радионуклиды, получающиеся при активации нейтронами примесей теплоносителя первого контура и конструкционных материалов активной зоны. Примеси теплоносителя первого контура, циркулирующего через активную зону реактора - это, в первую очередь, продукты коррозии внутренних поверхностей трубопроводов и различного оборудования первого контура, омываемого теплоносителем. При активации этих продуктов в теплоносителе образуются такие радионуклиды, как ⁵¹Cr, ⁵⁴Mn, ⁵⁸Со, ⁵⁹Fe, ⁶⁰Со, ⁶⁵Zn, ⁹⁵Zr, ^110mAg.

Аэрозоли, содержащие радионуклиды, образующиеся при активации примесей теплоносителя, чаще всего появляются в воздухе помещений АЭС при плановых ремонтах и перегрузках топлива. При этих операциях (особенно при различных работах по зачистке, сварке и шлифовке труб) суммарная концентрация аэрозолей, обусловленных активацией, в реакторном помещении достигает (70 ¸ 3000) Бк/м³. Аэрозоли, возникающие при таких работах, крупнодисперсные (6 ¸ 12 мкм), и (60 – 80) % из них задерживаются в верхних дыхательных путях, часть их затем заглатывается, попадает в желудочно-кишечный тракт и потом выводится из организма. Именно эти аэрозоли, возникающие при ППР (планово-предупредительных ремонтах), чаще всего обнаруживаются на установках СИЧ (счетчик излучения человека), которые установлены на АЭС для контроля за содержанием радионуклидов, поступивших в организм человека. Концентрация радиоактивных аэрозолей, возникающих при выходе газообразных продуктов деления через микротрещины твэлов в помещения при нормальной работе АЭС очень мала и редко регистрируется установками СИЧ.

Типичный состав радиоактивных аэрозолей по активности радионуклидов в выбросе АЭС с РБМК-1000, проработавшей несколько лет, представлен в табл. 4.3. При аварийных ситуациях (нарушение целостности защитной оболочки тепловыделяющих элементов) существует реальная опасность загрязнения воздуха радиоактивными продуктами деления урана (¹⁴⁴Ce, ¹⁴⁴Pr, ⁹⁰Sr -⁹⁰Y, ⁸⁹Sr, ¹⁴⁰Ba, ¹⁴⁰La, ⁹⁵Zr, ⁹⁵Nb и т.д.)

Таблица 4.3

Нуклидный состав аэрозолей выброса АЭС с РБМК-1000, % активности

Нуклид	Сод., %	Нуклид	Сод., %
131J	16,5	59Fe	1,0
133J	16,5	137Cs	5,0
51Cr	42,0	134Cs	3,5
60Co	3,0	99Mo+99Tc	13,5
58Co	1,5	95Zr	2,0
54Mn	1,5	95Nb	1,5

Величина выбросов и их радионуклидный состав зависят от типа реактора, состояния активной зоны и оборудования (т.е. времени эксплуатации), эффективности очистки газообразных выбросов. Так, для реакторов ВВЭР величина выбросов инертных радиоактивных газов (ИРГ) примерно на порядок ниже, чем для реакторов РБМК. Это обусловлено тем, что у РБМК – один контур теплосъема, а у ВВЭР – два, причем первый (активный) контур замкнутый и герметичный – в нем радиоактивные вещества могут задерживаться на длительное время.

Радиоактивные аэрозоли на АЭС могут образоваться также в результате активации нейтронами неактивной пыли. Крупнодисперсная пыль, содержащая радиоактивные аэрозоли, возникает также в результате процессов выветривания кладки реактора при ее выветривании.