1.2. Излучения земного происхождения

Основными источниками излучения земного происхождения являются радионуклиды, присутствующие в различных природных средах и объектах окружающей среды с момента образования Земли. К ним относятся две группы естественных радионуклидов: первая – это радионуклиды уранорадиевого и ториевого семейств, которые берут свое начало от и (всего 82 радионуклида), вторая – это 11 долгоживущих радионуклидов, находящихся вне этих семейств (, , , , , , , , , , ), относящихся к элементам середины таблицы Менделеева.

Из второй группы радионуклидов лишь играет заметную роль в облучении человека. Его период полураспада равен 1,310⁹ лет. В природном калии содержится 0,01 % радиоактивного вещества и это соотношение постоянно везде, где бы калий ни встречался. Смесь изотопов калия входит в состав мышечной ткани.

Поверхностная активность в почве на уровне корневой системы растений (слой толщиной 20 см) – 300 Бк/м². Удельная активность в овощах и фруктах и других продуктах питания составляет 80–150 Бк/кг.

Внешнее гамма-облучение человека от указанных выше естественных радионуклидов обусловлено их присутствием в различных природных средах (почве, приземном воздухе, гидросфере, биосфере).

Мощность дозы, обусловленная внешним облучением за счет радионуклидов земного происхождения, составляет приблизительно 0,38 мЗв/год. Однако эта величина может существенно колебаться в зависимости от регионов Земли, где различие в содержании урана и тория может приводить к существенному большому значению эквивалентной дозы по сравнению со средним значением.

Некоторые группы населения получают в среднем 1 мЗв/год, а около 1,5 % – более 1,4 мЗв/год. Есть, однако, такие места, где уровни земной радиации значительно выше. В ряде мест Бразилии, главным образом в прибрежных полосах земли, мощность дозы излучения из почвы и скальных пород составляет 5 мЗв/год. Приблизительно 30 тыс. человек непрерывно подвергаются такому уровню облучения. В индийских штатах Керала и Мадрас прибрежная зона длиной 200 км и шириной в несколько сотен метров известна как область интенсивного излучения, в результате чего 100 тыс. человек получают дозу, в среднем равную 13 мЗв/год. Эти территории в Бразилии и Индии являются наиболее хорошо изученными "горячими точками" нашей планеты. Но в Иране, например в городе Рамсер, где бьют ключи, богатые радием, были зарегистрированы уровни радиации до 400 мЗв/год. Известны и другие места на земном шаре с высоким уровнем радиации, например во Франции, Нигерии, на Мадагаскаре.

Наиболее весомый вклад в общую дозу облучения вносит радон. Радон является продуктом распада урана () и тория (). Уран и торий можно обнаружить в незначительных количествах в любой почве, камнях, воде, где они находятся чаще всего в пассивном состоянии. В отличии от урана и тория радон проникает в воздух при высвобождении из земной коры повсеместно. В помещения 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.

При кипячении воды и при сжигании газа его концентрация в воздухе закрытых помещений увеличивается.

Концентрация радона в обычно используемой проточной воде мала, но вода из некоторых глубоких артезианских скважин содержит много радона. По современным оценкам, около 1 % населения Земли потребляют воду с удельной активностью до 100 Бк/л. Основная опасность радона исходит не от питья воды (если вода кипяченая, то радон практически улетучивается), а при попадании в легкие водяных паров с высоким содержанием этого газа (душ, мокрая парная и т.п.). В природный газ, как и в воду, радон попадает под землей. В процессе хранения или транспортировки большая часть радона распадается и улетучивается. Тем не менее, при отсутствии эффективной вентиляции концентрация радона на кухне может быть выше, чем в жилых помещениях. Радон имеет период полураспада 3,8 сут, в 7 раз тяжелее воздуха, поэтому при высвобождении из земной коры он накапливается в подвалах и первых этажах зданий. Радон попадает в организм человека с вдыхаемым воздухом, но максимальную дозу человек получает, находясь в закрытом помещении нижних этажей зданий. Радон, являясь альфа-активным радионуклидом, представляет опасность для человека только при внутреннем облучении, попадая в организм через дыхательные пути и поражая легочную ткань. Допустимая норма содержания радона составляет 100 Бк/м³ воздуха.

Эквивалентная доза внутреннего облучения человека за счет естественных радионуклидов, попадающих в организм человека с воздухом, пищей и водой в основном формируется следующими радионуклидами: , , , , а также и и оценивается в 1,5 мЗв.

В соответствии с приведенными данными (табл. 8), для населения Земли в целом принято, что среднегодовая эффективная эквивалентная доза облучения человека составляет 2,2 мЗв.

Таблица 4. Структура годовой эквивалентной дозы, получаемой населением от естественных источников радиоактивности для районов с нормальным уровнем радиации

13

Искусственные источники ионизирующих излучений

Рассмотренные выше источники радиоактивного излучения сформировались в течение эволюции Земли, и их распределение хотя и неоднородно в окружающей среде, но и в основном постоянно для каждого конкретного региона. В процессе жизнедеятельности человека возможно перераспределение этих источников в природе и формирование технологически измененного, естественного радиационного фона, когда их концентрация может многократно возрастать и представлять опасность целым группам населения. Авария на Чернобыльской АЭС привела к значительному радиоактивному загрязнению территории Беларуси открытыми источниками, постоянному хроническому облучению окружающей среды.

Искусственные радионуклиды, попавшие по различным причинам в объекты окружающей среды повышают радиационный фон. Кроме того, они включаются в биологические циклы миграции и поступают непосредственно в организм животных и человека, тем самым создают множественность источников внешнего и внутреннего облучения населения [1] Если в первые месяцы, годы после аварии, главная часть дозовой нагрузки для южных регионов формировалась за счет внешнего облучения, то сейчас большую часть дозовой нагрузки население получает за счет потребления продуктов питания местного производства и даров природы со значительным содержанием в них радионуклидов.

Таблица1. Потребление основных продуктов питания на душу населения Республики Беларусь в год, и годовая доза внутреннего облучения.

Из данных табл. 1 видно, что если население употребит в течение года этот пищевой рацион, то суммарная доза внутреннего облучения составит около 1 мЗв. Суммарная годовая доза внутреннего облучения приобретает значение 1 мЗв/год при 70% вкладе четырех составляющих пищевого рациона (говядина, молоко, картофель и овощи), следовательно, по этим компонентам пищевого рациона следует уменьшить допустимые уровни загрязнения.

Одним из существенных источников, созданных практической деятельностью человека, является индустрия строительных материалов. Привлечение для их изготовления отходов различных промышленных производств привело, в ряде случаев, к увеличению радиационного фона в зданиях. Традиционные строительные материалы – дерево, кирпич, бетон – обладают сравнительно низкой активностью.

Принято считать, что вклад в годовую эквивалентную дозу за счет строительных материалов в среднем для населения Земли составляет 0,1–1,5 мЗв на человека. Наименьшие дозы получает население, проживающее в деревянных домах – 0,5 мЗв/год, в кирпичных – 1 мЗв/год и в бетонных – 1,7 мЗв/год.

Как правило, основным источником активности строительных материалов являются радионуклиды земного происхождения. Наличие в строительных материалах урана и тория приводит к выделению радона внутри здания, и его концентрации в закрытых помещениях, как правило, в 8–10 раз выше, чем на открытом воздухе. Несоблюдение правил радиационной безопасности в некоторых странах, широко использующих различные отходы промышленности в строительстве, привело к тому, что в некоторых случаях в помещениях обнаружена концентрация радона, в тысячи раз превышающая среднюю концентрацию на открытом воздухе.

Для уменьшения воздействия радона предусматривается дифференцированный подход к использованию строительных материалов.

Установлены следующие допустимые уровни удельной активности А_m в строительных материалах:

– при А_m менее 370 Бк/кг стройматериалы используются без ограничения;

– при А_m = 370–740 Бк/кг материалы можно использовать только в дорожном строительстве на территории населенных пунктов и в зонах перспективной застройки;

– при А_m = 740–1350 Бк/кг стройматериалы допускается использовать в дорожном строительстве за пределами населенных пунктов;

– при А_m = 1350–4000 Бк/кг вопрос об использовании материалов решается по согласованию с санитарно-эпидемической службой Министерства здравоохранения Республики Беларусь;

– при А_m свыше 4000 Бк/кг использование запрещено.

Применение минеральных удобрений. Добыча фосфатов ведется во многих местах земного шара; они используются главным образом для производства удобрений. Большинство разрабатываемых в настоящее время фосфатных месторождений содержит уран, присутствующий там в довольно высокой концентрации. В процессе добычи и переработки руды выделяется радон, да и сами удобрения радиоактивны. Радиоактивное загрязнение в том случае бывает обыкновенно незначительным, но возрастает, если удобрения вносят в землю в жидком виде или если содержащие фосфаты вещества скармливают скоту. Такие вещества действительно широко используются в качестве кормовых добавок, что может привести к значительному повышению содержания радиоактивности в молоке.

Тепловая энергетика. Значительный вклад в повышение уровня облучения населения дает энергетика, особенно при использовании в качестве топлива каменного угля. Годовое его потребление составляет несколько миллиардов тонн. Из них 70 % сжигается в топках тепло- и электростанций, 20 % – в коксовых печах, а остальные 10 % используются в целях отопления.

Уголь, подобно большинству других природных материалов, содержит ничтожные количества первичных радионуклидов. Последние, извлеченные вместе с углем из недр земли, после сжигания угля попадают в окружающую среду, где могут служить источником облучения людей.

Современная угольная станция, мощностью 1 млн. кВт, в течение года потребляет около 3 млн. т угля и выбрасывает в атмосферу около 165 тыс. т различных отходов, включая и пыль, летучую золу, сернистые газы и т.д. Как результат действия тепло- и электростанций на органическом топливе за последние 80 лет отмечено, что концентрация радия в поверхностном слое почвы увеличилась в 50 раз.

Испытание ядерного оружия. До сих пор речь шла только об источниках ионизирующего излучения, имеющих природное происхождение. Даже в случаях, когда в результате жизнедеятельности человека происходит перераспределение и концентрация этих источников, они сохраняют свой естественный состав. Иная картина происходит при использовании ядерной энергии в техногенной деятельности человека. Первая атомная бомба продемонстрировала не только разрушительную силу, но и значительную опасность с точки зрения радиоактивного загрязнения окружающей среды. При испытаниях ядерного оружия огромное количество радиоактивных веществ уносится в атмосферу. Это, прежде всего, продукты деления урана и плутония. Они осаждаются на частичках пыли и разносятся на большие расстояния, выпадая на поверхность Земли за сотни и тысячи километров от места взрыва. Иначе говоря, ядерный взрыв носит не локальный характер, а глобальный.

С 1945 года в мире было проведено огромное количество испытательных ядерных взрывов. Например, США взорвали 1054 устройства, СССР – 715, Франция – 196, Великобритания – 45, Китай – 45. В мае 1998 года сначала Индия, а потом и Пакистан произвели по 5 подземных ядерных взрывов.

В течение 1945–1989 гг. в атмосфере было проведено 397 испытательных ядерных взрывов. Некоторая часть радионуклидов циркулирует в околоземном пространстве и сегодня.

В настоящее время Cs является основным источником внешнего облучения, так же как и Sr. По современным оценкам, вклад в ежегодную эквивалентную дозу, получаемую человеком за счет испытаний ядерного оружия, составляет 20–25 мкЗв, т.е. около 1 % естественного радиационного фона.

Ядерная энергетика. Еще меньшее значение эквивалентной дозы получает человек от безаварийной работы атомной электростанции. При обеспечении выполнения всех норм и правил их эксплуатации в окружающую среду практически не выбрасывается значительных количеств радионуклидов. По современным оценкам, средняя эквивалентная доза в год в районе АЭС не превышает 10 мкЗв.

Не смотря на относительно небольшое количество осколков деления и других элементов, в отработанном топливе активность их чрезвычайно велика и составляет десятки миллионов кюри на момент остановки реактора и сотни тысяч кюри даже через 7–10 лет хранения отработанного топлива. Поэтому наряду с необходимостью обеспечения безопасной работы на АЭС необходимо решать вопрос экологической и ядерной безопасности всего топливного цикла ядерной энергетики, особенно в области хранения и переработки отработанного горючего. К концу 1990 года во всем мире действовало почти 600 реакторов. Суммарное количество уже наработанных радиоактивных отходов и тех, которые продолжают нарабатываться, включая долгоживущие, огромны. Это требует создания специальных хранилищ, и опасность их как источника ионизирующего излучения возрастает с ростом их числа.

В настоящее время одной из самых острых проблем является утилизация и захоронение радиоактивных отходов и, прежде всего, отходов АЭС.

Работа на персональном компьютере. Всеобщая компьютеризация общества остро ставит вопросы безопасности работы оператора. Источником электромагнитного поля является монитор, процессор, клавиатура. Вокруг компьютера образуется электромагнитное поле с диапазоном частот от 5 до 400 кГц.

Мониторы компьютеров содержат электронно-лучевую трубку (ЭЛТ), которая является мощным источником электронов, при торможении которых экраном монитора образуется мягкое рентгеновское излучение, мощность дозы которого на расстоянии 0,05м от экрана не должна превышать 1мкЗв/ч (100 мкР/ч). Кроме того, ЭЛТ заряжена отрицательно, и следовательно, перед экраном монитора происходит накопление положительно заряженных частиц. Человек чувствует себя хорошо, когда в окружающей его среде соотношение положительных и отрицательных ионов почти одинаково. Однако перед экраном монитора образуется избыток положительных ионов. Всегда имеющиеся в воздухе комнаты микрочастицы пыли, разгоняются потоком положительно заряженных ионов и оседают на лице и глазах оператора, сидящего перед монитором.

В результате такой «бомбардировки» у оператора могут возникать головная боль, бессонница, раздражение кожи, усталость глаз.

Медицинские процедуры. Одним из самых значительных источников облучения человека является использование ионизирующих излучений для медицинских процедур. С одной стороны, это позволяет выявлять до 80 % различных видов заболеваний и лечить значительное их число, включая такие смертельно опасные, как онкологические, с другой – установлено, что эффективная эквивалентная доза составляет от 50 мкЗв/год до 10 мЗв/год (5 мбэр/год до 1 бэр/год) и выше, в зависимости от типа обследования и лечения (табл. 9).

Подводя итоги выше сказанному, отметим, что в настоящее время суммарная эквивалентная доза неаварийного облучения человека за год за счет различных техногенных источников ионизирующих излучений оценивается величиной, не превышающей 5 мЗв (0,5 бэр).

Таблица 5. Дозы, получаемые от различных источников излучения

15

Способы обнаружения и измерения радиоактивных излучений

Ионизирующие излучения обнаруживают по тем эффектам, которые проявляются при их взаимодействии с веществом. Различают следующие методы обнаружения излучений:

– сцинтилляционный;

– химический;

– фотографический;

– метод, основанный на проводимости кристаллов;

– тепловой или калориметрический;

– ионизационный.