Искусственная (глобальная) концентрация фоновых радионуклидов при добыче и сжигании топлив, переработке руд, производстве и использовании строительных материалов резко меняет фоновое распределение радиоактивности среды. Наиболее массивны загрязнения такого типа калием (40К), ураном 238U), торием (32Тh) от тепловых электростанций: сжигание многозольного угля сопровождается последующим выбросом сконцентрированных радионуклидов в атмосферу.
Официальное содержание радионуклидов в угле принято равным 50, 20 и 10 Бк/кг соответственно для калия (40К), урана 238U), тория 232Th). В реальных топливах концентрация излучателей достигает 320 - 520 Бк/кг (по урану). На планете ежегодно сжигается 3700 Мт угля, что вносит около 0,02 % в естественные лучевые нагрузки на население планеты в целом при преимущественном облучении жителей городов средних и северных широт. Сжигание жидких (углеводородных) топлив в двигателях внутреннего сгорания значительно дополняет аэрозольный состав воздуха городов 14С, 40К.
Наиболее велика здесь радиационная агрессивность нитрофоса, фосфата аммония, фосфоритной муки, активность которых превышает 50 Бк/кг при максимальном участии в формировании доз от α-излучателей, радионуклидов с максимальной биологической эффективностью.
Близкая по составу и спектру видоизмененных воздействий радиоактивность формируется при сжигании угля. Максимальное содержание наиболее агрессивных радионуклидов регистрируется в угольной золе.
Помимо глобальных видоизмененных радиационных воздействий определенный вклад в дополнительные экосистемных лучевые нагрузки вносят металлургические предприятия, расположенные практически во всех крупных индустриальных городах страны.
К собственно техногенным экологически новейшим излучателям от начальных почвенных каналов экосистемой миграции, клеточных мембран до популяционного распределения доз, меняющим энергетические спектры и распределение радиационного фактора, относятся радионуклиды ядерно-энергетического происхождения. Основными источниками равномерного (фонового) включения искусственной радиоактивности в состав среды, завершившими переход фактора лабораторной случайности в разряд современных экосистемных воздействий, явились испытания ядерного оружия, послужившие причиной относительно равномерного рассеивания радионуклидов (радиоактивных осадков) в Северном полушарии планеты. В период с 1945 по 1991 г. общее число ядерных взрывов на нашей планете составило 2059, в том числе 508 в атмосфере. Наибольшее количество таких взрывов, соответственно 1085 и 205, произведено в США. На втором месте Россия (СССР) - 715 и 215. Франция осуществила 182 взрыва (45 в атмосфере). Великобритания и Китай - соответственно 42 и 35 (21 и 22 в атмосфере).
После принятия моратория на проведение испытаний ядерного оружия отдельные взрывы были осуществлены в Индии и Пакистане - странах, не присоединившихся к мораторию.
Второе место занимают ядерные реакторы энергетического (АЭС) назначения, вырабатывающие до 30 % электроэнергии мира, и исследовательские реакторы, относительно равномерно рассредоточенные в странах Северной Америки, Азии, Европы. В настоящее время в мире функционируют более 500 ядерно-энергетических блоков АЭС, из которых 163 - в странах Западной Европы, 121 - в США и 45 - в России.
Расчеты показывают, что суммарная активность среды от АЭС, равномерно распределенная на Евразийском и Американских континентах, при нормальном 10-летнем режиме работ действующих ядерных энергетических установок будет pавнa относительно локальному загрязнению среды от Чернобыльской АЭС. Газо-аэрозольные выбросы дополняются жидкими и твердыми отходами энергетических циклов АЭС, требующими последующего захоронения. Суммарное накопленное количество таких отходов в России достигает 200 тыс. м3. Захоронение таких излучателей без риска последующего включения в состав и метаболизм экосистем представляет серьезную, не решенную окончательно проблему.
Основными долгоживущими радионуклидами, входящими в состав наиболее массивных радиоактивных загрязнений среды ядерно-энергетического происхождения, независимо от разновидностей источников, являются цезий (137CS), стронций (9°Sr), с крайне незначительным вкладом плутония 239Pu и 240Pu). Скорость распада этих радионуклидов значительно ниже скорости их накопления в среде, что при современных системах защиты и нормах выброса радионуклидов в среду ведет к накоплению излучателей в экосистемах.
Цезий (137Cs) - блестящий золотистый мягкий металл, бурно взаимодействующий, взрываясь, с кислородом и водой, по химическим свойствам близкий к калию. Содержание стабильного изотопа (lЗЗСs) в среде крайне незначительно (3' 10-6 % в земной коре, костной ткани человека и животных и 3 · 10-8 % в морской воде). В среде до становления ядерной энергетики радиоактивны изотоп отсутствовал полностью. Естественных биологических функций не несет. Наибольшее радиационно-экологическое значение имеет 137Cs суммарный выброс которого от АЭС мира в 2000 г. составлял. 22,2' 1019 Бк (6,0' 109 Кл) В год (во время аварии на ЧАЭС выбор этого изотопа составил 22,9·102 Ки); образуется при делении ядер урана, плутония в ядерных реакторах, при ядерных взрывах; используется (выделяясь из осколочных продуктов АЭС) как излучатель в медицине, металлургии, сельском хозяйстве; в настоящее время (в незначительных количествах) обнаруживается во всех объектах внешней среды.
Изотопы цезия при любом поступлении в организм полностью включаются в метаболизм, конкурируя с калием, в том числе и 40К. Скорость миграции в организме в 25 раз меньшая, что при более жестком γ-излучении изотопа ведет к формированию больших (по сравнению с 40К) микролокальных (мембранных) лучевых нагрузок; при несколько ином (смещенном в сторону ионизации) xapaктере поглощения энергии. В организме в отличие от естественного аналога миграции накапливается до предела насыщения, превышающего величину ежедневного поступления в 30 раз. Содержание в организме жителей с современной фоновой загрязненностью среды составляет (по расчетам) 0,4-0,5 Бк/кг, но при стотысячекратном росте в группах населения территорий, прилегающих к АЭС, пострадавших от радиационных аварий.
Стронций (90Sr) - серебристый кальциеподобный металл, покрытый оксидной оболочкой, плохо вступает в реакции, включаясь в метаболизм экосистем по мере формирования сложных Са- Fe - Al - Sг-комплексов. Естественное содержание стабильного' изотопа в почве, костных тканях, среде достигает 3,7·10-2 %, в морской воде, мышечных тканях 7,6·10-4%. Биологические функции не выявлены; нетоксичен, может замещать кальций. Радиоактивный изотоп в среде отсутствует. Источники поступления в среду те же, что и цезия. Содержание радионуклида от ядерно-энергетических источников в почвах и последующих звеньях миграции соответствуют содержанию 137 Cs.
Плутоний (239 (240)Pu) - серебристый белый металл, образующий твердые нерастворимые оксиды; относится к редкоземельным элементам; в состав среды не входит. Характер миграции в среде не исследован. Как и торий, является α-, β-, γ-излучателем с энергетическими характеристиками спектра, близкими к естественному аналогу. Используется как компактный источник энергии, ядерное топливо, в производстве ядерных вооружений. На долю плутония от содержащихся в среде радионуклидов ядерного происхождения приходится не более 1 %. До 10 % плутония может переходить в водорастворимые формы, мигрируя в последующем 110 биологическим цепочкам. Характер миграции, накопления и распределения в организме тот же, что и тория.
Близки по спектру излучений, физическим характеристикам радионуклиды нептуний (212.235Np), америций (237-242Аm), кюрий 238-250Сm) - белые серебристые металлы, в природе не встречаются, относятся к разряду трансурановых элементов актиноидов; подвержены воздействию воздуха, воды, но не щелочей; благодаря образованию оксидных пленок на воздухе устойчивы; стабильных изотопов их в составе среды не обнаружено; являются α-, β-, γ-излучателями при средней энергии α-излучения порядка 5 МэВ/(Бк' с). Изотопы получают в ядерном реакторе как побочные продукты образования (и получения) плутония. Выход в среду при загрязнении от аварий на АЭС крайне незначителен.
Йод (131 (129)I) - неметалл черного с блеском цвета. Легко возгоняется (летуч). По последним данным, образуется в литосфере при спонтанном делении урана. Расчетная концентрация его составляет 10-14 г на 1 г стабильного йода. Содержание (по стабильному йоду) составляет 0,14·10-4% в почве и 0,049·10-4 в океане. Биологически активен, является обязательным микроэлементом, необходимым для синтеза гормонов щитовидной железы. Необходимое поступление с пищей 0,1-0,2 мг. Основным изотопом является 131I, образующийся при ядерных взрывах, эксплуатации (авариях) АЭС, авариях реакторов. Активно включается экологические цепочки миграции. Суммарные накопленные дозы сформировавшиеся после проведения открытых ядерных испытаний, составляют 480·10-2 мкГр. Выброс в среду при нормально эксплуатации АЭС колеблется в пределах 5-400 Бк/год. При поступлении радионуклида в организм через желудочно-кишечный тракт (основной путь) всасывается 100 % изотопа с последующим скоплением его в щитовидной железе, особенно у детей, превышая дозы на щитовидную железу взрослого в 2 - 10 раз. Продолжительность радиоактивности среды (организма) после однократного загрязнения (проникновения в организм) составляет не более 1,5 месяцев.
Экосистемные радиационные воздействия на население дополняются искусственными лучевыми нагрузками, не связанными радиоактивным загрязнением среды. Ведущий вклад в суммарную дозу таких лучевых нагрузок на современного жителя вносит об лучение в медицинских диагностических и лечебных целях (табл. 11). Часто та таких радиационных воздействий составляет 200 - 500 процедур на 1000 чел. в год (в США, Германии - до 600). Дозы облучения «среднего жителя» Беларуси достигают 0,17 - 0,13 мрад (радиологические исследования с использованием «меченых» изотопа формируют аналогичные дозы, но на значительно меньшее число жителей). Мощными излучателями являются экраны телевизоров, дисплеи компьютеров. Внешним многоспектральным радиационным воздействием, вносящим значительный вклад в суммарную дозу не современных жителей, является космическое излучение, резко меняющее свой состав при подъеме на высоту во время рейсовых пассажирских перелетов.
Таблица 11
Искусственные лучевые нагрузки на населения
Источник | Число облучаемых в России | Доза, мкГр (мрад) | ||
Рентгенография | 50% населения | 5,8-70 (0,5-7,0) | 14,9-2,7 (0,5-2,3) | 35,3-131,0 (3,5-13,1) |
Телевизионные экраны и дисплеи компьютеров (3-5 ч/сутки) | 90-95% населения | 36-54 (3,8-5,4) | 7-15 (0,7-1,5) | 9-26 (0,9-2,6) |
Космическое излучение при пассажирских перелетах | От 5 до 20 % при длительности полета от 1 до 8 часов | 27-46 (2,7-4,6) | 27-46 (2,7-4,6) | 27-46 (2,7-4,6) |
Светящиеся циферблаты | 1% населения | - | 12-33 (1,2-3,3) | - |
Всего | <17 мбэр | <11,6 бэр | 20 бэр< |