книги из ГПНТБ / Марей, А. Н. Глобальные выпадения цезия-137 и человек

А. И, МАРЕЙ, Р. М. БАРХУДАРОВ, Н. Я. НОВИКОВА

ГЛОБАЛЬНЫЕ

ВЫПАДЕНИЯ ЦЕЗИЯ-137 И ЧЕЛОВЕК

іМОСКВД АТОІШДАТ 1974 ■

УДК 546.36 : 614.73 + 612.014.44.481

М а р е н А. Н., Б а р х у д а р о в Р. М., Н о в и ­

В книге освещены итоги многолетних натурных на­ блюдении и исследований, проведенных авторами при. изучении причин повышенного содержания Cs137 в орга­ низме сельских жителей некоторых районов страны; опи­ саны особенности миграции Cs137 из разных типов почв в растения; дана характеристика факторов, определяю­ щих интенсивность миграции; приведены материалы о географическом распространении указанного явления; установлены критические пути поступления Cs137 в орга­ низм местных жителей, а также выявлены контингенты, получающие наибольшие дозы облучения. Оценивается вклад дозы, получаемой жителями таких районов, в по­ пуляционную и генетически значимую дозу населения соответствующих районов. На основе предположений о возможности повышения уровней глобальных выпадений кратко изложены мероприятия, направленные на огра­ ничение поступления Cs137 в организм.

Кинга рассчитана на гигиенистов, санитарных вра­ чей, радиобиологов, работников сельского хозяйства, дозиметристов, радиохимпков.

В книге таблиц 51, иллюстраций 19, список литера­ туры — 313 названий.

(С) Атомиздат, 1974-

ПРЕДИСЛОВИЕ

В течение последнего десятилетия внимание мировой науч­ ной общественности привлекала проблема стратосферных выпа­ дений продуктов испытаний ядерного оружия. Особый интерес представляли изучение возникшей радиационной обстановки и оценка значимости доз, обусловленных Sr90 и Cs137. К середине 60-х гг. были изучены основные закономерности поведения этих изотопов в различных объектах внешней среды, их поступление с пищевым рационом в организм человека и содержание в нем, их метаболизм и поглощенные дозы. Причем преобладающая часть полученных данных относилась к населению городов.

За последние годы в результате уменьшения плотности ра­ диоактивных выпадений и доминирующей роли кумулятивного осадка возникли новые вопросы, связанные с особенностями по­ ведения Cs137 в разных типах почвы. Эти особенности проявля­ ются в виде существенного различия между содержанием изо­ топа в пищевых продуктах местного производства, в рационах и в организме однотипных групп населения разных географиче­ ских зон страны. Соответственно разнятся и значения поглощен­ ных доз.

Наиболее интересная ситуация сложилась в пределах нечер­ ноземной зоны на территории полесских низин, где почвенный покров представлен разновидностями дерново-подзолистых и песчаных почв. Внимание привлекают масштабность и своеоб­ разная мозаичность явлений повышенной миграции, а главное—■ несоответствие наблюдаемых явлений общеизвестным положе­ ниям, характеризующим поведение Cs137 в почвах. Исходя из со­ временного представления о действии ионизирующих излучений на человека, можно было предположить, что обнаруженные уровни содержания Cs137 в организме местных жителей и обус­ ловленные ими дозы не представляют реальной опасности для здоровья. Однако это предположение нуждалось в надежном обосновании. Кроме того, сам по себе факт повышенной мигра­ ции Cs137 из объектов внешней среды в организм большого чис­ ла людей заслуживал серьезного внимания, так как позволял в натурных условиях с большой степенью надежности изучить причинность указанных явлений, их масштабность, основные за­ кономерности, а также обосновать профилактические мероприя­ тия на случай, если в них возникнет необходимость. Все это по-

' служило основанием для проведения длительныхполевых

3

Г Л А В А 1

ЦЕЗИЙ-137 ВО ВНЕШНЕЙ СРЕДЕ

ПОСТУПЛЕНИЕ ЦЕЗИЯ-137 ВО ВНЕШНЮЮ СРЕДУ

Стабильный изотоп цезия — Cs133 — щелочной металл, рас­ полагается в первой группе периодической таблицы и по своим химическим свойствам близок к калию и рубидию. Содержание его в земной коре не превышает 7 • ІО“4 вес. % [1, 2]. Хими­ чески цезий очень активен и во всех соединениях-одновалентен. В организме человека и животных стабильный цезий находится в количестве от 0,002 до 0,6 мкг/г мягкой ткани.

. Известно большое количество радиоактивных изотопов це­ зия. Однако с точки зрения формирования тканевых доз и ра­ диобиологических последствий глобальных выпадений ведущим

как его период полураспада мал (2,55 мин), практически всегда находится в равновесии с материнским, поэтому в биологических системах обычно рассматривают поведение только Cs137, хотя в литературе и есть указания на то, что в тканях животных и че­ ловека ■может существовать некоторое различие в поведении этих изотопов [5].

Всоответствии со схемой распада Cs137 на один акт распада

вравновесном состоянии выделяется следующее количество у-квантов:

п= 0,941 — (0,941 ■0,084) = 0,928 кванта.

0,084 кванта расходуется на образование электронов внутрен­ ней конверсии.

Выход Cs137 при делении ядерного горючего зависит от типа горючего и составляет 4,34—6,42% |6].

В зависимости от характера использования атомной энергии Cs137 может поступать в окружающую среду с радиоактивными отходами или с продуктами ядерных взрывов.

Основными источниками радиоактивных, отходов, содержа­ щих Cs137, являются ядерные реакторы и предприятия по пере-

5

работке облученного горючего. В газообразных отходах реак­ торов цезий преимущественно образуется из Хе137, удаляемого в атмосферу. При этом количество цезия относительно невелико, и поэтому Cs137 не оказывает существенного влияния на за­ грязнение окружающей местности. Благодаря принятой в Совет­ ском Союзе системе водоснабжения и обезвреживания жидких радиоактивных отходов на действующих атомных электростан­ циях сточные воды последних очищаются от радиоактивных ве­ ществ (и, в частности, от Cs137) до такой степени, что не могут служить источником загрязнения водоемов.

/37

S5CS - 3 0 пет

Cs137 может поступать в окружающую среду главным обра­ зом в составе слабоактивных жидких отходов предприятий по переработке ядерного горючего. Следовательно, при отсутствии защитных мероприятий эти предприятия могут явиться источ­ никами локальных загрязнений местности радиоактивными изо­ топами.

Наиболее интенсивное загрязнение внешней среды Cs137 про­ исходит при ядерных взрывах. Как показали испытания ядер­ ного оружия, проводившиеся до 1963 г., именно ядерные взры­ вы и — как следствие их — глобальные стратосферные выпаде­ ния долгоживущих изотопов, в частности Cs137 и Sr90, .на по­ верхность земли явились причиной повсеместного загрязнения радиоактивными продуктами объектов внешней среды и.облуче­ ния человеческой популяции.

Для правильного понимания значимости воздействия на на­ селение ионизирующего излучения, обусловленного загрязне­ нием внешней среды такими содержащимися в стратосферных осадках изотопами, как Cs137, целесообразно вопрос о роли гло­ бальных выпадений в этом процессе осветить несколько полнее.

Проблема переноса радиоактивных продуктов ядерных взры­ вов на большие расстояния и обусловленного этим повсеместного загрязнения внешней среды обратила на себя внимание практи­ чески в начале 50-х гг., т. е. с начала испытаний ядерного ору­ жия мегатонной * мощности. Радиоактивные выпадения и свя­

* Мегатонна (Мт) — мощность взрыва, эквивалентная взрыву 1 млн. т тринитротолуола.

6

занное с ними облучение людей, находящихся вдали от испыта­ тельных полигонов на сотни и тысячи километров, повлекли за собой создание во многих странах специальных служб. В их за­ дачи входили изучение механизмов инжектирования активности

в почве и миграции изотопов по биологической цепи, поступле­ ния в организм и формирования дозовых нагрузок и, наконец, оценка вероятных последствий радиационного воздействия на ор­ ганизм как в настоящее время, так и в будущем.

При взрывах атомных бомб выделяется огромное количе­ ство тепловой энергии. Возникающие в результате этого силы конвекции увлекают за собой продукты ядерных взрывов в ат­ мосферу. Характер распределения их в атмосфере зависит от ряда причин, в частности, от мощности и вида взрыва, метеоро­ логических условий в момент его проведения и т. п. [7]. Часть активности довольно быстро (в течение нескольких часов) осаж­ дается на поверхности земли непосредственно в районе взрыва, создавая местные (локальные) выпадения.

При взрывах большой мощности (более 1 Мт) до 100% ра­ диоактивных продуктов может поступать в стратосферу и под действием воздушных течений переноситься на большие рас­ стояния, обусловливая тропосферные и стратосферные (гло­ бальные) выпадения. Опасность местных выпадений заключа­ ется главным образом во внешнем у- и ß-облучении организма человека вследствие большой плотности радиоактивного загряз­ нения местности. В случае испытательных взрывов опасность та­ кого воздействия на население практически отсутствует. Что ка­ сается тропосферных и особенно стратосферных выпадений, то, осаждаясь на поверхности всего Земного шара независимо от места взрыва, они обусловливают в той или иной степени облу­ чение всего населения Земли. В глобальном переносе активно­ сти основную роль играют широтные воздушные течения, спо­ собные за несколько недель и даже дней обогнуть Земной шар [7]. Скорость меридионального перемещения приблизительно в 10 раз меньше широтного [8], следствием чего является нерав­ номерность выпадений продуктов ядерных взрывов по широт­ ным поясам и особенно между полушариями. Так, поскольку большая часть испытательных взрывов была осуществлена в Северном полушарии, уровни выпадения активности здесь суще­ ственно выше. Но со временем различие в уровнях выпадений сглаживается. Например, в 1963 г. после серии мощных испьь

Таким образом, образование стратосферного и тропосферного резервуаров для продуктов ядерных взрывов является источни­ ком повсеместных выпадений активности. Однако тропосферный

7

резервуар быстро истощается: период полуочищения его колеб­ лется в пределах 2—б недель у слоев, расположенных над зо­ ной образования облаков, и почти в 10 раз меньше у нижних слоев [8, 10—12]. Очищение стратосферы происходит гораздо' медленнее: в принципе период полуочищения зависит от вре­ мени, прошедшего с момента инжектирования. Причина этого, очевидно, заключается в том, что, поскольку скорость оседания частиц различного размера неодинакова, более быстро выпадают из стратосферы крупные частицы и — как следствие — увеличи­ вается время пребывания оставшейся активности в стратосфе­ ре [13]. Различные исследователи определяют время пребыва­ ния активности в стратосфере 2—5 годами [11, 14, 15]. Этот диапазон обусловлен не только недостаточной изученностью ме­ ханизмов переноса активности в стратосфере и выпадения из стратосферы, но и влиянием ряда факторов (как например, ме­ ста, времени, высоты взрыва и других) на время очищения стра­ тосферы от радиоактивных продуктов ядерпых взрывов.

Если же рассматривать выведение отдельных изотопов, то для каждого из них можно с определенной степенью точности принимать постоянные периоды полувыведения, отличные от пе­ риода полувыведения, характерного для всех продуктов деления' в целом. Такое различие связано с тем, что каждому изотопу со­ ответствует определенный (в каких-то пределах) размер частиц, оседающих с постоянной скоростью. В процессе конденсации ис­ парившегося во время взрыва вещества происходит избиратель­ ный захват изотопов формирующимися частицами, т. е. так на­ зываемое фракционирование. Крупные частицы, формирующиеся первыми, бедны, например, летучими или имеющими летучих предшественников элементами [16] и, наоборот, обогащены та­ кими изотопами, как Zr95, Се241, W181, \Ѵ185, Y91. Эти частицы оседают быстрее, чем мелкие, обогащенные Sr90, Cs137, Ru106.

Радиоактивные частицы, поступившие из стратосферы в тро­ посферу, в дальнейшем оседают на поверхности земли под влия­ нием характерных для этого слоя атмосферы процессов, из ко­ торых основным, по-видимому, является вымывание с атмосфер­ ными осадками, т. е. «мокрое» осаждение. Процесс вымывания обусловлен не столько захватом активности падающими кап­ лями (хотя в случае снега это явление может дать заметный эф­ фект), сколько тем, что радиоактивные частицы, попавшие » зону образования облаков, становятся центрами конденсации [10, 17] и, кроме того, могут захватываться растущими каплями в результате возникновения градиента давления на поверхности капли [18]. Эти факторы являются решающими для частиц, размером 0,02—0,2 мкм, т. е. наиболее вероятного размера стра­ тосферных частиц. Кроме мокрого происходит и «сухое» осаж­ дение, определяемое в основном гравитационными силами, вер­ тикальным движением воздушных масс и турбулентной диффу­ зией [19, 20]. На протекание процессов осаждения радноактив-

8

ных частиц определенное влияние оказывают конкретные мест­ ные условия, например: характер подстилающей поверхности,, топография района, высота над уровнем моря и т. п. Леса, пе­ ресеченная местность вызывают значительную турбулентность воздуха, что приводит к увеличению уровней выпадения актив­ ности. Особенно это явление сказывается на горных склонах: со стороны преимущественных направлений ветров [21]. Вооб­ ще увеличение радиоактивных выпадений в зависимости от вы­ соты местности отмечается многими исследователями [21, 22], хотя удовлетворительного объяснения механизма этого явления

нет.

Уровни выпадения радиоактивных осадков изменяются в те­ чение года в зависимости от сезона, в частности, в весенне-лет­ ний период отмечаются максимальные уровни, а осенью и зи­ мой— резкое их снижение [8]. Помимо перестройки тропопаузы это явление .объясняется также, скачкообразным изменением верхнего зонального стратосферного течения и усилением вер­ тикальной турбулентности в весенний период, что обусловливает, по мнению некоторых исследователей [8, 23], заметный переход радиоактивных аэрозолей в прилегающие к тропопаузе слои воздуха. За четыре-пять весенне-летних месяцев в средних ши­ ротах выпадает около 60% годового количбства радиоактивных осадков [9, 10].

Дальнейшая миграция по биологической цепи выпавшихна поверхность земли радиоактивных изотопов определяется прежде всего их биологической доступностью. Локальные выпа­ дения наземных ядерных взрывов состоят в основном из крупных: оплавленных частиц, степень растворимости которых очень низ­ ка, и, следовательно, изотопы, находящиеся в этих частицах, мало доступны для усвоения биологическими системами. В прин­ ципе растворимость того или иного изотопа зависит от размеров частиц (неоплавлениых) и от характера распределения изотопа по сечению частицы [16, 24]. Что касается тропосферных и особенно стратосферных выпадений, а также продуктов под­ земных ядерных взрывов, то в них радиоактивные изотопы сор­ бированы на поверхности мелкозернистых частиц и характери­ зуются высокой степенью биологической доступности. Как пока­ зали обширные исследования [25—27], растворимость страто­ сферных частиц может достигать 100%.

В общем значимость содержащихся в глобальных выпаде­ ниях радиоактивных изотопов как источников внутреннего об­ лучения определяется следующими факторами:

—выходом в результате деления или синтеза ядерного го­ рючего и периодом полураспада;

—скоростью и уровнем поступления в пищевые продукты

после осаждения на поверхности земли;

— уровнем поглощения из желудочно-кишечного тракта че­ ловека;

! 9»