Цезий-137 в биосфере

182 Pages·5.961 MB·Russian

by  Моисеев А.А., Рамзаев П.В.

А. А. МОИСЕЕВ, П. В. РАМЗАЕВ
Ц е з и й 137
в Биосфере
♦
МОСКВА АТОМИЗДАТ 1975
Моисеев А. А., Рамзаев П. В. Цезий-137 в биосфере.
М., Атомиздат, 1975, с. 184.
Цезий-137, образующийся как продукт деления тяжелых ядер
при ядерных взрывах и эксплуатации ядериых реакторов, яв­
ляется потенциально опасным радионуклидом с позиций радиа­
ционной безопасности. Предлагаемая книга дает представление о
проблемах, связанных с загрязнением биосферы цезием-137.
Рассмотрены основные источники поступления радионуклида во
внешнюю среду, закономерности его миграции в атмосфере, поч­
ве, пресноводных водоемах, морях и океанах, сведения о путях
поступления цезия-137 в организм человека, биологическом дейст­
вии инкорпорированного радионуклида. Большое внимание уде­
лено особенностям миграции цезия-137 по пищевым цепочкам в
некоторых районах СССР (Крайний Север, Белорусско-Украин­
ское Полесье), приводящим к более высоким уровням накопле­
ния цезия-137 в теле человека И дозе внутреннего облучения
населения, проживающего в этих районах.
Книга рассчитана на специалистов, занимающихся вопросами
радиационной безопасности-—дозиметристов, радиобиологов и
гигиенистов.
Рис. 3, табл. 79, список литературы 468 названий.
21002—083 Л
М -----------— — 83—75 © Атомиздат, i
034(01)—75 w
Предисловий
Развитие атомной промышленности и ядерной энергетики,
испытания ядерного оружия выдвинули ряд научных и прак­
тических задач, связанных с проблемой радиоактивного загряз­
нения внешней среды. К их числу следует отнести изучение
закономерностей миграции радионуклидов во внешней среде
по пищевым цепочкам; определение уровней радиоактивного
загрязнения различных объектов внешней среды и накопления
радионуклидов в организме человека; определение создавае­
мой ими дозы внешнего й Внутреннего облучения; Проведение
па основе полученной информации об ожидаемых дозах оцен­
ки возможных соматйко-стохаСтйческйх й генетических послед­
ствий облучения населения земного шара или отдельных его
районов и в случае необходимости разработку соответствую­
щих мероприятий по защите людей от радиационного воздей­
ствия наиболее потенциально опасных радионуклидов.
Естественно, что в этом плане особое внимание привлекают
неизвестные ранее особенности миграции радионуклидов по
пищевым цепочкам в отдельных районах земного шара, в от­
ношении которых до последнего времени отсутствовали сведе­
ния об основных причинах, приводящих к наблюдаемой более
иыеокой удельной активности радионуклидов в отдельных
шеиьях пищевых цепочек и в организме человека.
Среди искусственных радионуклидов, образующихся при
реакции деления ядер урана и плутония, особое место
пшимает цезий-137 (137Cs), поступающий во внешнюю среду
при испытании ядерного оружия и в результате выбросов ра­
диоактивных отходов в водоемы и атмосферу предприятиями
■ помпой промышленности и ядерной энергетики.
Физико-химические свойства 137Cs обусловливают его ис­
ключительно высокую подвижность в экологических цепочках
опосферы, концентрирование в отдельных важных звеньях
них цепочек, включая организм человека и длительность пре-
91 Оынания его в окружающей среде.
3
I
Согласно оценкам Комитета ООН*, к 1970 г. в результате
всех проведенных к этому времени испытаний ядерного ору­
жия в почве, воде и воздухе нашей планеты накопилось около
24,8 МКи 137Cs. Серьезную проблему с точки зрения возмож­
ного локального загрязнения внешней среды этим радионук­
лидом представляют отходы атомной промышленности и атом­
ной энергетики, в составе которых только в США к 2000,г.
накопится примерно 15 ГКи 137Cs **.
Попав в биосферу, 137Cs исчезает из нее в результате толь­
ко радиоактивного распада. Период полураспада 137Cs равен
30 годам. Этот процесс, как известно, не управляем человеком,
он не может быть ускорен или замедлен. Это, однако, не озна­
чает, что человек способен лишь созерцать перемещение радио­
нуклида по экологическим цепочкам и только регистрировать
сведения об удельной активности или концентрации его в эле­
ментах биосферы. Знание законов .миграции радионуклида,
причин, вызывающих наблюдаемые аномально высокие его
концентрации в некоторых звеньях пищевых цепочек позволяет
не только прогнозировать уровни содержания 137Cs во внеш­
ней среде, в организме растений, животных и человека, но и
при необходимости своевременно вмешиваться в процессы его
миграции и осуществлять достаточно эффективные агротехни­
ческие, агрохимические, биологические, организационные и
другие защитные и профилактические мероприятия.
До недавнего времени I37Cs не привлекал к себе большого
внимания специалистов, работающих в области радиационной
защиты, радиобиологии, радиоэкологии и радиационной гигие­
ны, так как его радиационной опасности отводилась второсте­
пенная роль по сравнению с радиационной опасностью 90Sr.
Однако в последние годы эти взгляды изменились, поскольку
появились данные, свидетельствующие о том, что во многих
случаях 137Cs создает дозу облучения не только соизмеримую’
с дозой, формируемой 90Sr, но и превосходящие последнюю
в несколько раз. Так, один из ведущих специалистов Велико­
британии в области радиационной защиты Марли в своем док­
ладе на Втором европейском конгрессе Международной ассо­
циации по радиационной защите (Венгрия, 1972 г.) отметил,
что с точки зрения возможных нежелательных генетических
и соматико-стохастических последствий облучения дозы за
счет глобального 137Cs в 7—15 раз более опасны, чем дозы
инкорпорированного 90Sr ***. Кроме того, в ряде стран мира
* Ionizing Radiation: Levels and Effects. A Report of the United Nations
Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation, v. I. Levels. United
Nations, U. S. A., N. Y„ 1972.
** Proceedings of a Symposium «Environmental Behaviour of Radionucli­
des Released in the Nuclear Industry, IAEA* Vienna, 1973, p. 553.
*** Marley W. G. Radiological Hazards Associated with Internal Contami­
nation of the Body by Radionuclides. In: «Health Physics Problems of Inter-
4
обнаружены районы с повышенной миграцией этого радионук
лида по цепочке почва — растение — корова — молоко чело
инк, вызванной геохимическими особенностями этих районов.
Содержание 137Cs в теле человека, а следовательно, и дозы
его облучения в этих районах, как показали исследования,
оказались в 5—50 раз выше, чем средние значения этих пока­
зателей для населения средних широт северного полушария, в
то время как аналогичного заметного повышения содержания
!,()Sr в организме человека в этих районах не наблюдалось.
Другим примером повышенной миграции 137Cs служит це­
почка лишайник — северный олень — человек в приарктиче-
ских районах северного полушария, где в звене «человек» —
в организме коренных жителей этих районов — содержание
137Cs в 10—100 раз выше, чем у людей, проживающих в дру­
гих районах земного шара. Хорошо известны также повышен­
ные концентрации 137Cs в рыбе, обитающей в пресных водое­
мах с низкой минерализацией воды.
Несмотря на то что, по мнению авторитетных специалистов,
137Cs, выпадающий на поверхность Земли с глобальными ра­
диоактивными осадками, представляет для населения боль­
шую потенциальную опасность, чем 90Sr, содержание этих
радионуклидов во внешней среде и организме человека по
своему абсолютному уровню еще крайне мало, чтобы говорить
о какой-то реальной опасности.
К настоящему времени уже накопилось более ста публика­
ций, рассматривающих различные аспекты поведения 137Cs в
биосфере, его биологического действия, методы измерения,
расчета поглощенной дозы и т. д. Однако До настоящего вре­
мени не было сделано попытки изложить в одной книге все
эти сведения. Такая разрозненность информации существенно
затрудняет создание достаточно полного представления о
данной проблеме.
Учитывая большой интерес к этой проблеме радиоэколо­
гов, радиобиологов, инженеров-физиков, радиохимиков, ра­
диационных гигиенистов, работающих в области радиационной
защиты, авторы предприняли попытку изложить результаты
многолетних собственных исследований, а также опубликован­
ные данные отечественных и зарубежных ученых, позволяю­
щие детально осветить современное состояние проблемы за­
грязнения биосферы 137Cs. Авторы . по разным причинам не
имели возможности изложить в данной монографии абсолют­
но все аспекты этой большой и многогранной проблемы.
И пей не отражены такие важные, по мнению авторов, вопро-
| i.i, как прямые и косвенные методы измерения и оценки со-
/п'ржания 137Cs в организме человека, методы расчета погло-
ипI (Contamination».- Proc. of the IRPA Second European Congress on Radia-
llnn Protection, May 3—5, 1972. Akademiae Kiado, Budapest, 1973.
5
щенной дозы в различных органах и тканях тела человека (в
частности, в гонадах и красном костном мозге), методы расче­
та популяционной и генетически значимой дозы как от внеш­
него у-излучения, создаваемого выпавшим на поверхность Зем­
ли 137Cs (а точнее его дочерним радионуклидом 137тВа), так и
от 137Cs, инкорпорированного в теле человека; математические
модели, позволяющие* достаточно корректно описать поведение
этого радионуклида в биосфере и его миграцию по пищевым
цепочкам; различные меры, направленные на снижение уров­
ней поступления 137Cs в организм человека, и т. д.
Главы 1 и 2 написаны А. А. Моисеевым, главы 3 и 4 —
П. В. Рамзаевым, а глава 5 — А. А. Моисеевым и П. В. Рам-
заевым.
Авторы считают своим приятным долгом выразить свою
признательность действительному члену АН УССР проф.
Г. Г. Поликарпову, доктору биол. наук Е. В. Юдинцевой и
канд. хим. наук Ф. И. Павлоцкой за ценные советы и замеча­
ния по ряду разделов монографии.
Предлагая читателям первый опыт обобщения проблемы
загрязнения биосферы 137Cs, авторы заранее приносят свою
благодарность всем, кто пришлет в их адрес свои отзывы и
критические замечания.
ГЛАВА 1.
ИСТОЧНИКИ ПОСТУПЛЕНИЯ
l37Gs В БИОСФЕРУ
1.1. ЦЕЗИЙ И ЕГО РАДИОАКТИВНЫЕ ИЗОТОПЫ
Цезий (Cs)— химический элемент первой группы Периоди­
ческой системы элементов Д. И. Менделеева (относительная
атомная масса 132,91, атомный номер 55, температура плавле-
IпIя 28,5° С; температура кипения 670° С; плотность 1,873 г/см3
при 20° С) [66] является щелочным металлом. По своему ион­
ному радиусу он ближе всего к таким элементам, как руби­
дий (Rb) и калий (К). Этим определяется изоморфизм боль­
шинства соединений Cs и Rb и их совместное присутствие в
мппералах широко распространенного К- Атомы Cs и Rb могут
заменять атомы К в кристаллической решетке минералов К-
Но всех соединениях Cs одновалентен, металлический Cs —
химически активный элемент, соединяется с кислородом с
мгновенным воспламенением, с водой реагирует со взрывом.
Os бурно реагирует со всеми кислотами, реакция происходит
с выделением водорода и образованием соответствующих солей
< , большинство из которых хорошо растворимы.
Cs относится к группе редких элементов. В очень незна-
чпи'.пьпых концентрациях он содержится практически во всех
опьектах внешней среды [73]. В земной коре его содержание
пг превышает 7 • 10~4 мае. % [2]. Среднее содержание Cs в ор­
ганизме человека примерно равно 0,0015 г. С рационом в ор-
.........зм человека поступает около 10 мкг Cs в сутки, а с вды-
н'мым воздухом примерно 0,025 мкг. Его выведение из орга­
низма человека происходит преимущественно с мочой (в сред­
нем около 9 мкг в сутки). С калом выводится менее 1 мкг в
tyiiin и очень незначительное количество выделяется с потом.
! • мышцах человека и его скелете в среднем откладывается
....... нетственно 52 и 11 % общего количества Cs, содержаще-
| Hi м по всем теле [74].
( имеет 23 изотопа с массовыми числами 123—144, из
ни изотопа — радиоактивные и только один изотоп —
1 ■. стабильный [4, 5, 6, 8, 11, 34, 37]. Все радиоактивные
н "ионы Cs — искусственные, образующиеся либо при вынуж-
и ином делении ядер атомов тяжелых элементов в ядерных
I"-акторах или при ядерных взрывах, либо их получают с по-
е7
мощью ускорителей заряженных частиц. Природный Cs со­
стоит только из одного стабильного изотопа — 133Cs. Интерес­
но отметить, что в последние годы , было опубликовано не­
сколько работ, в которых указывалось на возможность обра­
зования и «природных» осколков деления U и Th (в том числе
и радиоактивных изотопов цезия) в результате спонтанного
деления ядер атомов тяжелых элементов или при их вынуж­
денном делении под действием нейтронной компоненты косми­
ческого излучения, вторичных нейтронов, ' образующихся при
взаимодействии jx-мезонов с ядрами атомов воздуха, а также
при взаимодействии а-частиц и ^-квантов, испускаемых при­
родными радионуклидами, с ядрами атомов минералов и гор­
ных пород [10, 28]. Однако эффективный период полураспада
U и Th при спонтанном делении чрезвычайно большой (свыше
5-Ю 15 лет), а интенсивность нейтронного излучения в горных
породах сравнительно небольшая (в зависимости от хими­
ческого состава минералов и горных пород плотность потока
медленных нейтронов колеблется от нескольких единиц до не­
скольких десятков тысяч нейтронов на квадратный сантиметр
в сутки) [10, 63], в результате чего равновесная удельная ак­
тивность природного 137Cs составляет примерно 0,1 —10 фКи/кг
почвы [9, 10, 28].
Краткая характеристика радиоактивных изотопов Cs при­
ведена в табл. 1.1. Среди всех радиоактивных изотопов Cs
Таблица 1.1
Периоды полураспада и тип распада радиоактивных изотопов Cs
[4, 5, 6, 8, 11, 34, 37]
Тип
Изотоп Т11ш Тип распада Изотоп To. распада
iaacs 8 мин Р+ 135CS 3-10» лет р-
120Cs 45 мин Р+ 185OTCS 53 мин р-
ia«Cs 1,6 мин р+, ЭЗ isecs 12,9 суток р-
«’Cs 6,25 ч р+, эз 137CS 30 лет р-
ia8Cs 2,5 мин Р+, эз 138CS 32,8 мин р-
l2,Cs 31 ч эз 138Cs 9,5 мин р-
1S0Cs 30 мин р+, эз 140Cs 66 с
131Cs 9,8 суток р+, эз !«Cs Короткоживущий
132CS 6,2 суток эз i«Cs 1 мин р-
134Cs 2,07 лет р- i«Cs Короткоживущий р-
134m Qs 3,15 ч ип 144Cs Короткоживущий р-
Примечания: эз— электронный захват, р —электронный распад, |V'' — пози-
«ронный распад, ип — изомерный переход.
наибольший интерес с радиационно-гигиенической точки зре­
ния представляет 137Cs — радиоактивный изотоп с периодом
полураспада 30,0± 0,2 года [61, 75], который образуется в ре­
8
зультате последовательного распада цепочки продуктов деле­
ния (осколков деления) с массовым числом 137 [99]:
1 37 т Р- Р"
53 1 7\/, = 2,4 с- 54ГХе- Tt/ = 3,9 мин
13 7Гс р-
55 CS si7mBa ■ 5б?Ва стаб.
Ti/t *= 30 лет T\/t = 2,57 мин
Схема распада !37Cs приведена на рис, 1,1,
137
ТВа т^фин
f 8%
1,176 Мэ$
,Ba(qma£)
Pmsrnkm излучение.
0,037МэВ
Рис. 1.1. Схема распада IS7Cs [64]
1.2. ОБРАЗОВАНИЕ l37Cs ПРИ ИСПЫТАНИИ ЯДЕРНОГО ОРУЖИЯ
Проведенные вплоть до 1963 г. испытания ядерного оружия
и атмосфере, космическом пространстве и под водой вызвали
интенсивное загрязнение внешней среды радиоактивными про­
дуктами деления, среди которых большое значение имеет 137Cs.
Выход 137Cs при делении меняется в зависимости от деля­
щегося вещества и энергии нейтронов, вызывающих деление
(табл. 1.2).
Таблица 1.2
Нмход (%) i37Cs при делении ядер некоторых тяжелых элементов [18, 35, 99]
Нейтроны спектра деления Нейтроны 14 МэВ Нейтроны Тепловые
14,6 МэВ нейтроны
•»и **»и I,2Th «»»Ри • SSJJ «88U 838{J
0,3 6,2 6,3 6,8 5,1 5,7' 5,8 6,i
9
В ядерных устройствах можно использовать комбинации
различных делящихся материалов, поэтому фактический выход
l37Cs при делении в каждом конкретном случае может несколь­
ко отличаться от значений, приведенных в табл. 1.2. Непо­
средственные измерения концентрации 137Cs в смеси продуктов
деления, образовавшихся при взрывах ядерных устройств, по­
казали, что фактический выход этого радионуклида-при деле­
нии колеблется от 5,57 [67] до 5,76 [69].
На основании этих данных вычислено, что при взрыве ядер­
ного устройства мощностью 10 Мт образуется примерно 1,7
МКи 137Cs [99]. Результаты исследований проб воздуха и атмо­
сферных осадков, проведенных в США в 1958 1961 гг., пока­
зали, что средний выход 137Cs на 10 Мт равен 1,73 МКи
[68]. Однако следует иметь в виду, что от испытания к испы­
танию это значение может варьировать (и часто в довольно
большом диапазоне) [99].
В табл. 1.3 приведены сведения о количестве 137Cs, образо­
вавшегося в результате всех проведенных до 1963 г. испыта­
ний ядерного оружия в атмосфере и в космосе, вычисленные
Таблица 1.3
Количество l37Cs, образовавшегося в результате воздушных и наземных
взрывов, проведенных в 1945—1962 гг. [18]
Мощность взрыва за счет Суммарная мощность
деления, Мт взрывов, Мт Количество
Год образовавше­
испытаний гося ‘"’Cs,
МКи |
воздушные наземные воздушные наземные
1945—1951 0,02 0,5 0,2 0,6 0,088
1952—1954 1 37 1 59 6,46
1955—1956 5,6 7,5 11 17 2,23
1957—1958 31 9 57 28 6,8
1959—1960 — 0,07 — . 0,07 0.012
1961 25 — 120 — 4,25
1962 76 — 217 —• 12,9
1945—1962 138,62 54,07 406,2 104,67 32,74
на основании данных работы [18] о предполагаемой мощно­
сти взорванных ядерных устройств.
Испытания ядерных устройств в атмосфере, проводившиеся
в период с 1964 по 1974 г. странами, не подписавшими Мос­
ковский договор о запрещении испытаний ядерного оружия в
трех средах, вызвали дополнительное заметное (хотя и не
очень большое по сравнению с испытаниями, проведенными до
1963 г.) поступление I37Cs во внешнюю среду.
Ю