Материал: Радиохимия экзамен ответы

12. Техногенные (искусственные) радионуклиды.

13. Источники техногенных радионуклидов.

В настоящее время основными источниками поступления искусственных радионуклидов в биосферу являются следующие процессы. 1. Неуправляемые ядерные реакции: а) испытания ядерного оружия и б) технические ядерные взрывы (сейсмическое зондирование, создание плотин, дробление руды, создание подземных хранилищ газа и др.). 2. Управляемые ядерные реакции, осуществляемые в ядерных реакторах: атомных электростанций (АЭС), атомного морского флота, научно-исследовательских реакторах. 3. Переработка отработанного ядерного топлива на радиохимических заводах (РХЗ). 4. Захоронение отходов атомной промышленности. 5. Аварии на предприятиях атомной промышленности.

14. Физические и химические свойства радионуклидов йода.

Радиоактивный иод. Среди известных 26 изотопов йода только природный ¹²⁷I является стабильным. Остальные изотопы техногенного проис­хождения с массовыми числами 115÷126 и 128÷141 радиоактивны.

¹²⁷I относится к рассеянным микроэлементам и является од­ним из наиболее важных биоэлементов. Он входит в состав гор­монов, синтезируемых в щитовидной железе. Гормоны щито­видной железы играют ключевую роль в поддержании гомеостаза организма. Регулирующая роль их осуществляется на всех уровнях: клетка – ткань – орган – организм.

В организм человека ¹²⁷I поступает с пищей, водой и возду­хом. Среднее кларковое содержание йода составляет в земной ко­ре по массе 4·10^-5 %, в почве – около 3·10^-4 %, в растениях – 2·10^-5 %, в питьевой воде – 10^-9÷10^-7 %. Основным резервуаром йода для биосферы служит мировой океан, где в 1 л воды в сред­нем содержится 5·10^-5 % йода.

Многие регионы на Земле характеризуются пониженным со­держанием йода в местных продуктах питания и питьевой воде. В России к таким регионам относится 50 % ее территории. Не­достаточное поступление йода человеку приводит к базедовой болезни и другим нарушениям, а у детей – к нарушению фи­зического и психического развития.

По данным МКРЗ, в теле человека содержится до 40 мг ста­бильного йода. Из этого количества на долю щитовидной же­лезы приходится до 20-50 %. В зависимости от содержания йода в пище суточное его поступление человеку может колебаться от 10 до 1000 мкг. Минимальная суточная потребность составляет 50-75 мкг.

Источниками поступления радиоактивного йода во внешнюю среду были испытания ядерного оружия и выбросы промыш­ленных и энергетических реакторов АЭС. Среди 20 радиоизо­топов йода, образующихся в реакциях деления урана и плуто­ния, особое место занимают ^131-135I (Т_1/2 = 8,04 сут; 2,3 ч; 20,8 ч; 52,6 мин; 6,61 ч), характеризующиеся большим выходом в реакциях деления, высокой миграционной способностью и биологической доступностью.

^131—135I составляют значительную часть активности молодых продуктов ядерного деления (ПЯД). На их долю приходится около 20 % активности. Соотношение активности ¹³¹I, ¹³²I, ¹³³I, ^I35I во время деления урана и плутония составляет 1:3:9:5, а кумулятив­ный выход равен 4,4; 6,02; 7,8; 6,04 % соответственно. В реакциях деления образуется и «вечный» радиоизотоп йода – ^I29I (T_1/2 = 1,57·10⁷ лет). Токсикологическое значение других изотопов йо­да с малыми сроками жизни (секунды, часы) невелико.

Радиоизотопы йода ^131-135I при испытаниях ядерного ору­жия выпадали в основном в ближних зонах. В полуглобальных и глобальных выпадениях радиоактивный йод практически от­сутствовал, ибо распадался до выпадения на земную поверх­ность. В глобальном масштабе рассеялось около 700 ЭБк ¹³¹I.

Источником поступления радиойода во внешнюю среду яв­ляются также предприятия ядерно-топливного цикла. В реак­торах в процессе их эксплуатации накапливаются значительные количества радиоактивного йода.

В обычном режиме эксплуатации АЭС выбросы радионук­лидов, в том числе радиоизотопов йода, невелики. Для российских ВВЭР и РБМК нормализованный выброс оценивался в 130 и 360 ГБк/(ГВт·год). Сейчас, в связи с проводимыми ра­ботами по совершенствованию реакторов и увеличением ради­ационной безопасности, они ниже. В выбросах радиоактивный йод в основном представлен органическими соединениями (CH₃I, CH₂l2, C₂H₅I, C₂H₄l2). В форме элементарного йода на­ходится лишь 5 %. Примерно 90 % составляют короткоживущие изотопы ^132÷135I.

В аварийных условиях, как свидетельствуют крупные аварии (Уиндскейл, 1957;. Три Майл Айленд, 1979; Чернобыль, 1986), радиоактивный йод как источник внешнего и внутреннего об­лучения был основным поражающим фактором в начальный пе­риод аварии. При аварии на ЧАЭС из общего количества 50 МКи выброшенных из разрушенного реактора радионуклидов (без РБГ) на долю радиоизотопов йода пришлось 7,3 МКи. Распро­странение радионуклидов, включая радиоизотопы йода, приня­ло огромные масштабы.

Как и стабильный ¹²⁷I, радиоизотопы йода характеризуются высокой миграционной способностью.

15. Физические и химические свойства радионуклидов цезия.

Радиоактивный цезий. Цезий (Cs) щелочной металл первой группы Периодической системы Д. И. Менделеева. Относится к микроэлементам. В край­не незначительном количестве содержится во всех внешних сре­дах. Кларковое содержание нуклида в земной коре – 3,7·10 ^-4 %, в почве – 5·10^-5 %, в живой фитомассе – 6·10^-6 %. В организм человека входят практически все химические элементы, из них 47 считаются биогенными – жизненно необходимыми, в том чис­ле О, С, Н, Са, Р, К, S, Cl, Na, Mg, Zn, Fe, Mn, I, Co, Se. Они входят в состав тканей и химически активных соединений — гормонов, ферментов, витаминов, пигментов и считаются не­заменимыми. В организме содержатся и все другие элементы, в том числе цезий. Человек получает цезий в основном с про­дуктами питания. Через органы дыхания поступает лишь 0,25 %. Среднее содержание цезия в организме взрослого человека со­ставляет 0,0015 г при суточном поступлении около 10 мкг.

Из 23 изотопов цезия 22 – радиоактивные с массовыми чис­лами 123÷132 и 134÷144. Радиоизотопы цезия образуются при делении ядер атомов тяжелых элементов (при ядерных взрывах и в ядерных реакторах) и с помощью ускорителей заряженных частиц. Ядерно-физические характеристики основных радио­активных изотопов цезия приведены в таблице 1.8.

Ядерные взрывы и крупные радиационные аварии на ради­ационных предприятиях стали основным источником радиоак­тивного загрязнения природной среды планеты. Надолго СССР и США приходится примерно по 40 % от общего радиоактив­ного загрязнения, остальные 20 % – доля Англии, Франции и Китая. Радиоактивные выпадения радиоизотопов цезия на сушу при испытаниях ядерного оружия и выбросы ядерных предприятий явились наиболее значимым источником загряз­нения внешней среды и радиационного воздействия на чело­века.

Из радиоизотопов цезия наибольшее значение имеет ^l37Cs, характеризующийся большим выходом в реакциях деления и сроком жизни (T_1/2 = 30 лет), высокой миграционной способ­ностью и токсичностью. Он считается одним из наиболее значи­мых радионуклидов продуктов ядерного деления. Цезий-137 – β-излучатель со средней энергией β-частиц 173,4 кэВ. Его дочер­ний радионуклид ^137mВа имеет период полураспада 2,55 мин и ис­пускает при распаде γ-кванты с энергией 661,6 кэВ. Выход ^I37Cs при делении меняется в зависимости от делящегося вещества и энергии нейтронов, вызывающих деление.

Общее поступление нуклида в стратосферу за счет прошед­ших ядерных испытаний равно примерно 960 ПБк с плотно­стью выпадений в Северном, Южном полушариях и в среднем на земном шаре 3,42; 0,86 и 3,14·10³ Бк/м² соответственно. На территориях бывшего СССР средний уровень составляет 3,4·10³ Бк/м². В отдельных регионах уровни загрязнения в силу их физико-географических и климатических условий выше приведенных значений. Уровни загрязнения постепенно сни­жаются вследствие физического распада радионуклидов. В вы­павших ПЯД повышается относительное содержание долгоживущих радионуклидов, в том числе цезия-137.

Источником загрязнения внешней среды ^l37Cs, как было отмечено, являются радиационные предприятия. в ядерных реакторах в процессе их эксплуатации накапливаются продукты деления урана и плутония, в том числе радиоактивный цезий, и трансурановые элементы (ТЭУ) в огромных количествах. На 1 МВт электрической мощности образуется 130 ТБк радиоцезия, а всего к концу прошлого столетия накопление нуклида в реакторах во всех странах мира достигло 900 ЭБк, что примерно в 1000 раз превышает количество радиоцезия, выпавшего на поверхность Земли (960 ПБк). Согласно оценкам, в 2000 г. реакторами всех стран мира в атмосферу было выброшено 1,1÷5,2 ТБк ^l37Cs.

Известно, что при эксплуатации АЭС в нормальном режиме выбросы радионуклидов, в том числе радиоактивного цезия, не­значительны. На 1 ГВт электрической мощности выброс водо-водяных реакторов достигает 29,7 ГБк. По данным дозиметри­ческого контроля, концентрация радионуклидов в районах расположения АЭС лишь незначительно превышает концентра­цию нуклида в контрольных районах. Источником загрязнения являются также радиохимические заводы (РХЗ) по переработке отработавших твэлов и хранилища радиоактивных отходов (РАО).

Сложные ситуации могут возникнуть при радиационных ава­риях. Зарегистрированы сотни аварий, однако лишь некоторые из них сопровождались поступлением во внешнюю среду зна­чительных количеств радионуклидов. Так, при аварии в Уиндскейле (1957) в результате ошибки при управлении реактором стало перегреваться топливо и возник пожар, который продол­жался 3 сут. Во внешнюю среду поступило 12 ПБк радионукли­дов, в том числе ¹³¹I - 740 ТБк, ^I37Cs - 44 ТБк, ^I06Ru - 12 ТБк и др. При аварии на АЭС в Три Майл Айленде (1979) произошел выброс пара и продуктов деления из поврежденного реактора. В атмосферу поступило 370 ПБк РБГ, в основном ¹³³Хе, около 550 ТБк ¹³¹I. Авария на Чернобыльской АЭС (1986) явилась са­мой крупной за весь период развития ядерной энергетики. Из разрушенного ядерного реактора было выброшено огромное ко­личество радионуклидов – 1,85 ЭБк (без РБГ). На долю радио­активного цезия пришлось 270 ПБк. Распространение радио­нуклидов приняло практически глобальный характер. На территории бывшего СССР выпало около 40 % инжектированного радиоцезия, который после распада радиоактивного йода (через 2–3 мес) стал критическим нуклидом. Особенностью Чернобыльской аварии является крайне неоднородный характер радиоактивного загрязнения, связанный с длительным выбро­сом радионуклидов (10 сут) и изменявшимися погодными усло­виями (выпадение осадков и изменения направления ветра).

На Урале произошло 2 крупные аварии. Первую из них мож­но лишь условно назвать аварией. С 1949 по 1956 г. осуществ­лялся вынужденный сброс высокоактивных отходов радиохи­мическим заводом предприятия «Маяк» в реку Течу. Было сброшено 102 ПБк радионуклидов, в том числе 12,4 ПБк ^!37Cs. Около четверти суммарной активности приходилось на ⁹⁰Sr и ^l37Cs. Присутствовали также радиоизотопы ниобия, рутения, редкоземельных элементов. В 1951 г. в верховьях реки Течи уровни загрязнения воды местами превышали допустимые кон­центрации в 2–3 тыс. раз по ⁹⁰Sr и в 100 раз по ^l37Cs и ⁸⁹Sr. Другая авария произошла в 1957 г. в районе города Кыштыма, когда в результате теплохимического взрыва хранилища высо­коактивных отходов из хранившихся 74·10¹⁶ Бк (20 МКи) про­изошел выброс радионуклидов общей активностью 74 ПБк (2 МКи), в том числе ¹³⁷Сз. Радиоактивному загрязнению подверглись значительные территории Челябинской, Сверд­ловской и Тюменской областей. Загрязненным оказался регион площадью около 15 000 км². Следует также отметить ветровой вынос радионуклидов из поймы озера Карачай (1967), который составил 37 ТБк. На долю ¹³⁷Cs пришлось 0,4 ТБк,

Таким образом, радиоактивное загрязнение цезием-137 при испытаниях ядерного оружия носило глобальный характер. Ра­диоактивному загрязнению при аварии на ЧАЭС подверглись не только территории бывшего СССР, но и всего Северного по­лушария. При других радиационных авариях загрязнение носи­ло в основном локальный характер. Суммарный запас ^l37Cs на территории России оценивается в 5,66·10¹⁶ Бк (1,53 млн Ки), из которых 58 % приходится на глобальное загрязнение, 38 % является следствием выпадений в результате аварии на ЧАЭС, 3,6 % – следствием аварий и инцидентов в районе ПО «Маяк» на Южном Урале, 0,4 % – следствием сбросов жидких радио­активных отходов Красноярским ГХК в реку Енисей и прочие источники — менее 0,1 %.

16. Физические и химические свойства радионуклидов стронция.

Радиоактивный стронций. Стронций (Sr) – элемент 2-й группы Периодической систе­мы. Природный стронций относится к микроэлементам и состо­ит из смеси 4 стабильных изотопов – ⁸⁴Sr (0,56 %), ⁸⁶Sr (9,86 %), ⁸⁷Sr (7,02 %), ⁸⁸Sr (82,56 %). По физико-химическим свойствам он является аналогом кальция и в геохимических процессах его спутником. Кларковое содержание в земной коре оценено как 340·10 ^-4 %. Стронций содержится во всех растительных и жи­вотных организмах в количестве 10^-2 ÷10^-3 % сухой массы. В ор­ганизме взрослого человека содержится около 0,3 г стронция. Почти весь он находится в скелете. На другие органы приходится лишь 3,3 мг. Суточное поступление с пищей и водой составляет около 1,9 мг. Выводится из организма с фекалиями (1,5 мг) и мо­чой (0,34 мг). Физиологическое значение стронция остается не­ясным. Однако избыточное содержание его в организме стано­вится реальной угрозой развития уровской болезни (болезни Кашина-Бека), проявляющейся заболеваниями суставов, повышенной ломкостью и уродством костей. Рахитогенное действие стронция связывают с блокированием действия витамина D и из­быточным отложением в костях фосфора. Считают, что причинами болезни являются также избыточное содержание бария и недостаток кальция в пище. В регионах, эндемичных по избыточному содержанию_стронция в почве и воде (Восточная Сибирь, Северный Китай, Северная Корея), уровские патологии наблюдаются не только у людей, но и среди животных.

Из радиоактивных изотопов стронция известны нуклиды с массовыми числами 77÷83, 85, 89÷99.

Наибольший практический интерес представляют ⁸⁹Sr (T_1/2 = 50,5 сут) и ⁹⁰Sr (T_1/2 = 29,1 года), характеризующиеся большим выходом в реакциях делении урана и плутония (табл. 1.12), где они образуются в цепочках превращений:

⁸⁹Кг ⁸⁹Rb ⁸⁹Sr ⁸⁹Y (стабильный),

⁹⁰Кг ⁹⁰Rb ⁹⁰Sr ⁹⁰Y ⁹⁰Zr (стабильный).

17. Физические и химические свойства радионуклидов плутония.

Основным источником загрязнения внешней среды радио­активным стронцием были испытания ядерного оружия и ава­рии на предприятиях топливно-ядерного цикла. Атмосфера — первичный резервуар ⁸⁹Sr и ⁹⁰Sr, откуда радионуклиды посту­пают на сушу и в гидросферу. Осаждение определяется грави­тацией, адсорбцией на нейтральной пыли, постоянно присут­ствующей в атмосфере, и удалением атмосферными осадками (дождь, снег). Время пребывания радиоактивных аэрозолей в атмосфере составляет 30–40 сут, в стратосфере – несколько лет. Вследствие различных периодов полураспада соотношение ⁸⁹Sr : ⁹⁰Sr в выпадениях постоянно меняется. В начальный пе­риод после взрыва в выпадениях преобладает ⁸⁹Sr, а затем ⁹⁰Sr, поскольку отношение активности ⁸⁹Sr : ⁹⁰Sr в начальном пери­оде равно 150. В начальном периоде ⁸⁹Sr является одним из компонентов загрязнения внешней среды в зонах ближних вы­падений радионуклидов. Суммарное количество ⁸⁹Sr, поступив­шего в атмосферу, оценивается в 90 ЭБк, a ⁹⁰Sr – в 600 ПБк. В эти величины не входит стронций локальных выпадений. На­блюдалась отчетливо выраженная зональность выпадений, за­висящих от особенностей атмосферных течений. За период 1961—1969 гг. в умеренных широтах Северного полушария плотность выпадения ⁸⁹Sr составила 1,3·10⁴ Бк/м², a ⁹⁰Sr за пе­риод 1951–1980 гг. – примерно 2,1·10⁴ Бк/м².

Источником загрязнения внешней среды, как уже отмеча­лось, были и остаются предприятия атомной энергетики. В ус­ловиях нормальной эксплуатации АЭС выбросы радионукли­дов незначительны. В основном они обусловлены газообразны­ми радионуклидами – РБГ, ¹⁴С, тритием и йодом. В условиях аварий, особенно крупных, выбросы радионуклидов, в том чис­ле радиоизотопов стронция, могут быть значительными. При­мером являются известные аварии на промышленном реакторе в Уиндскейле (1957) и ЧАЭС (1986). В Уиндскейле произошел пожар, причем выброс составил соответственно 29,6·10¹¹ и 33,3·10¹⁰ Бк. На ЧАЭС в разрушенном реакторе, по оцен­кам, могло накопиться 22,6·10¹⁶ и 233,1·10¹⁶ Бк. Выброс мог составить 4 и 3 % накопленной в реакторе активности. В 1957 г. в результате нарушения режима хранения РАО в ПО «Маяк» произошел взрыв емкости, где хранились радионуклиды в ко­личестве 74·10¹⁶ Бк. При взрыве 74·10¹⁵ Бк 10% активности в виде жидкой пульпы было поднято взрывом на высоту до 1 км. В выброшенной активности на долю ⁸⁹Sr и ⁹⁰Sr пришлось 2,2 и 2,5 %, которые обусловили длительное загрязнение боль­ших территорий ряда областей Южного Урала. Образовался Восточно-Уральский радиоактивный след (ВУРС). В началь­ном периоде работы ПО «Маяк» в результате сброса 10¹⁷ Бк РАО в реку Течу произошло загрязнение ее поймы. В сбросах содержались радиоизотопы цезия, стронция и редкоземельных элементов.