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.
