Радиоактивный цезий-137

Об авторе

Иван Яковлевич Василенко, доктор медицинских наук, профессор, лауреат Государственной премии СССР, ведущий научный сотрудник Государственного научного центра РФ - Института биофизики. Область научных интересов - токсикология продуктов ядерного деления, радиационная гигиена.

Введение

Среди антропогенных радионуклидов, глобально загрязняющих биосферу, особого к себе внимания требует радиоактивный цезий - один из основных источников, формирующих дозы внешнего и внутреннего облучения людей. Известно 34 изотопа цезия с массовыми числами 114-148, из них только один (¹³³Cs) стабильный, остальные - радиоактивны.

¹³³Cs относится к рассеянным элементам. В незначительных количествах он содержится практически во всех объектах внешней среды. Кларковое (среднее) содержание нуклида в земной коре - %, в почве - %. Цезий - постоянный микроэлемент растительных и животных организмов: в живой фитомассе содержится в количестве %, в организме человека - примерно 1 г. Этот нуклид поступает в основном с пищей в количестве 10 мкг/сут. Выводится из организма преимущественно с мочой (в среднем 9 мкг/сут). Биологическая роль цезия до сих пор окончательно не раскрыта.

Из радиоактивных изотопов цезия наиболее интересен ¹³⁷Cs с периодом полураспада 30 лет. ¹³⁷Cs - -излучающий нуклид со средней энергией -частиц 170.8 кэВ. Его дочерний нуклид ^137mBa имеет период полураспада 2.55 мин и испускает -кванты с энергией 661 кэВ. ¹³⁷Cs широко применяется в медицине (для диагностики и лечения), радиационной стерилизации, дефектоскопии и во многих других технологиях. Другие радиоизотопы цезия имеют меньшее значение.

Источники образования радиоактивного цезия

Известно, что выброс радиоактивного цезия в окружающую среду происходит в основном в результате испытаний ядерного оружия и аварий на предприятиях атомной энергетики. В реакторах выход ¹³⁷Cs зависит от делящегося материала и энергии нейтронов, вызывающих деление, и составляет¹ по активности 5.1-6.3%. Относительное содержание радиоцезия в продуктах деления меняется с их "возрастом" (табл.1).

Динамика накопления 137Cs (в % полной -активности) в работающем ядерном реакторе

Испытание ядерного оружия - один из наиболее значимых источников радиоактивного загрязнения планеты, в том числе ¹³⁷Cs. К началу 1981 г. суммарная активность² поступившего в окружающую среду ¹³⁷Cs достигла 960?ПБк. Плотность загрязнения³ в Северном и Южном полушариях и в среднем на земном шаре составляла соответственно 3.42; 0.86 и 3.14 кБк/м², а на территории бывшего СССР⁴ в среднем - 3.4?кБк/м².

В ядерных реакторах в процессе их эксплуатации накапливаются продукты деления (фиссиум) и трансурановые элементы, суммарная активность которых огромна. Среди радионуклидов фиссиума радиоизотопы цезия занимают значительное место (табл.2). На 1?МВт (эл. мощности) этого радионуклида за год образуется столько, что его активность составляет 130 ТБк (Т, тера - 1012). Суммарное накопление нуклида в реакторах всего мира (в пересчете на активность) к концу столетия достигнет 900 ЭБк (Э, экса - 1018), что примерно в тысячу раз больше количества поступивших во внешнюю среду радионуклидов при ядерных взрывах.

Содержание 137Cs (ПБк/т урана) в реакторе ВВЭР-1000 (после его остановки) во времени (Колобашкин В.М. и др., 1982)

Известно, что при нормальных условиях эксплуатации АЭС выбросы радионуклидов, в том числе радиоактивного цезия, незначительны. Подавляющее количество продуктов ядерного деления остается в топливе. По данным дозиметрического контроля, концентрация цезия в районах расположения АЭС лишь незначительно превышает концентрацию нуклида в контрольных районах, где загрязнение среды происходит за счет испытаний ядерного оружия⁵. Объем выбросов радионуклидов зависит от конструктивных особенностей реакторов, времени их эксплуатации, способа очистки и состояния оборудования. Источником загрязнения могут быть и радиохимические заводы (РХЗ) по переработке отработанных твэлов, и хранилища радиоактивных отходов. По прогнозу Научного комитета по действию атомной радиации при ООН (НКДАР), выбросы радиоцезия к 2000?г. могут достигнуть 1.5-5.2 ТБк.

Чрезвычайно сложные ситуации возникают после аварий, когда во внешнюю среду поступает огромное количество радионуклидов и загрязнению подвергаются большие территории. Например, при аварии на Южном Урале в 1957 г. произошел тепловой взрыв хранилища радиоактивных отходов, и в атмосферу поступили радионуклиды с суммарной активностью 74 ПБк, в том числе 0.2 ПБк ¹³⁷Cs. При пожаре на РХЗ в Уинденейле в Великобритании в 1957?г. произошел выброс 12 ПБк радионуклидов, из них 46 ТБк ¹³⁷Cs. Технологический сброс радиоактивных отходов предприятия "Маяк" на Южном Урале в р.Течу в 1950 г. составил 102?ПБк, в том числе ¹³⁷Cs 12.4 ПБк. Ветровой вынос радионуклидов из поймы оз.Карачай на Южном Урале в 1967?г. составил 30 ТБк. На долю ¹³⁷Cs пришлось 0.4 ТБк. Настоящей катастрофой стала в 1986 г. авария на Чернобыльской атомной электростанции (ЧАЭС): из разрушенного реактора было выброшено 1850 ПБк радионуклидов, при этом на долю радиоактивного цезия пришлось 270 ПБк. Распространение радионуклидов приняло планетарные масштабы. На Украине, в Белоруссии и Центральном экономическом районе Российской Федерации выпало более половины от общего количества радионуклидов, осевших на территории СНГ. Известны случаи загрязнения внешней среды в результате небрежного хранения источников радиоактивного цезия для медицинских и технологических целей.

Миграция во внешней среде

Цезий легко мигрирует во внешней среде, чему способствуют два обстоятельства. Во-первых, ¹³⁷Cs - конечный продукт цепочки распадов:
,
в которой йод и ксенон присутствуют в газовой фазе. При ядерных взрывах образуются мелкодисперсные частицы, адсорбирующие цезий и медленно выпадающие на поверхность земли. Процесс выпадения ускоряют атмосферные осадки и агрегация частиц с образованием более крупных. Во-вторых, при всех (кроме подземных) ядерных взрывах и аварийных выбросах предприятий атомной энергетики выпадения содержат цезий в хорошо растворимой форме, что имеет принципиальное значение в процессах его миграции. При наземных взрывах на силикатных почво-грунтах образуются слаборастворимые частицы. Содержание радионуклида в атмосферных осадках при ядерных взрывах в слаборастворимой форме колебалось в широких пределах⁶ - 3.3-82.4% (мас).

Выпавший на поверхность земли радиоактивный цезий перемещается под воздействием природных факторов в горизонтальном и вертикальном направлениях. Горизонтальная миграция происходит при ветровой эрозии почв, смывании атмосферными осадками в низменные бессточные участки. Скорость миграции зависит от гидрометеорологических факторов (скорости ветра и интенсивности атмосферных осадков), рельефа местности, вида почв и растительности и физико-химических свойств нуклида.

Вертикальный перенос цезия происходит с фильтрационными токами воды и связан с деятельностью почвенных животных и микроорганизмов, выносом из корнеобитаемого слоя почвы в наземные части растений и др. Подвижность и биологическая доступность нуклида со временем снижается в результате перехода в "слабообменное" состояние.

В первые годы после выпадения цезий в основном содержится в верхнем, 5-10-сантиметровом, слое почвы независимо от ее вида. Удержание нуклида происходит благодаря высокому содержанию в верхнем слое мелкодисперсных фракций (особенно глинистых) и органических веществ, повышающих сорбционные свойства почвы. Проникновение радиоактивного цезия на глубины 30-50 см, очевидно, занимает десятки и сотни лет, однако перераспределение его по профилю почвы может произойти и быстрее - в результате сельскохозяйственной деятельности. В этом случае нуклид относительно равномерно рассредоточивается в пределах всего пахотного слоя.

Как правило, "путешествие" ¹³⁷Cs по пищевым цепочкам начинается с растений, куда нуклид может попасть непосредственно в момент радиоактивных выпадений, либо косвенно - через листья, стебли и корневую систему с пылью и водой. Уровни поверхностного загрязнения растений определяются их морфологическими особенностями и физико-химическими свойствами выпадающих аэрозолей. Известно, что растения способны задерживать аэрозоли с размером частиц менее 45 мкм. Особенно высокое содержание радионуклидов отмечено у лишайников, чая и хвойных деревьев, что связано с их биологическими особенностями. Относительно аэрозольного цезия установлено, что более всего он накапливается в капусте, далее по убыванию - свекле, картофеле, пшенице и естественной травянистой растительности. Накопление цезия в растительном покрове (разнотравье) относительно содержания этого нуклида в окружающией среде в средней полосе колеблется от 0.1 до 0.36. Со временем уровни загрязнения растений снижаются в результате прямых потерь (под действием дождя и ветра) и прироста биомассы: так, примерно в течение двух недель содержание нуклидов в пастбищной растительности уменьшается вдвое.

Уровень поглощения растворимого цезия растениями с их поверхности может достигать 10%. Сначала он накапливается в листьях, зернах, клубнях и корнеплодах, а в дальнейшем поступает в основном через корневую систему. Степень его усвоения колеблется в широких пределах и зависит от вида почв и особенностей растений. Наиболее высокие показатели зафиксированы на торфянисто-болотистых почвах Украинско-Белорусского полесья⁷. После аварии на ЧАЭС коэффициент перехода цезия (т.е. отношение активности единицы массы растения, Бк/кг, к загрязнению почвы, Бк/км²) в растения из почв полесского типа составлял⁸: для зерна - , картофеля - , огурцов - , помидоров - .

Основной источник поступления цезия в организм человека - загрязненные нуклидом продукты питания животного происхождения. Содержание радиоактивного цезия⁹ в литре коровьего молока достигает 0.8-1.1% от суточного поступления нуклида, козьего и овечьего - 10-20%. Однако в основном он накапливается в мышечной ткани животных: в 1 кг мяса коров, овец, свиней и кур содержится 4, 8, 20 и 26% (соответственно) от суточного поступления цезия. В белок куриных яиц попадает меньше - 1.8-2.1%. Еще в больших количествах цезий накапливается в мышечных тканях гидробионтов: активность 1 кг пресноводных рыб может превышать активность 1 л воды более чем в 1000 раз (у морских - ниже).

Отметим, основной источник цезия для населения России - молочные и зерновые продукты (после аварии на ЧАЭС - молочные и мясные), в странах Европы и США цезий поступает в основном с молочными и мясными продуктами и меньше - с зерновыми и овощными.

Назад | Вперед