Міграція радіонуклідів у різних компонентах біосфери
Використання ядерної енергії супроводжується появою в біосфері штучних радіонуклідів та їх включенням до біогеохімічних процесів міграції, а в деяких випадках також зміною темпів міграції природних радіонуклідів внаслідок діяльності людини, пов'язаної з переміщенням їх із глибоких зон земної кори (наприклад, видобуток урану).
Накопичення в природному середовищі штучних радіонуклідів може мати низку наслідків. По-перше, радіонукліди є джерелами випромінювання, яке може призводити до різних радіаційних ефектів у природному середовищі. По-друге, в результаті радіоекологічних процесів перенесення може відбутися акумуляція радіонуклідів в деяких ланках їх міграції і живі організми, що характеризуються підвищеним накопиченням радіоактивних речовин, можуть бути відносно високого опромінення. По-третє, можливе попадання радіоактивних речовин до харчового раціону людини і далі в його організм як одна з кінцевих ланок круговороту в біосфері радіонуклідів (3).
Природні і штучні радіонукліди, що надійшли в зовнішнє середовище в результаті діяльності людини, включаються в біогеохімічні цикли круговороту, основні особливості яких визначаються, перш за все, властивостями самого середовища.
5.1 Атмосфера
Атмосфера є джерелом радіонуклідів для наземних та водних екосистем. Радіонукліди атмосфери формують зовнішнє опромінення живих організмів, а після надходження з повітря до наземних біогеоценозів і водного середовища ці радіонукліди включаються в процеси кругообігу в біосфері.
Радіоактивність приземної атмосфери формується в основному радіонуклідами природного походження, але в останні десятиліття значний вплив стали надавати радіоактивні опади, що випадають,сформовані продуктами ядерних вибухів та газо-аерозольними викидами АЕС та інших об'єктів ядерної енергетики (29).
Випробування ядерної зброїв атмосфері є джерелами додаткового опромінення населення земної кулі.
За даними ООН з 1945 р. до 1980 р. здійснено 423 вибухи сумарною потужністю 545,4 Мт. Відомості про кількість випробувань ядерної зброї в атмосфері п'ятьма країнами – учасниками «ядерного клубу» наведено нижче у таблиці №4. У 1963 р. США, СРСР та Великобританія підписали договір про припинення експериментальних ядерних вибухів в атмосфері, космічному просторі та під водою. Франція відмовилася приєднатися до цього договору та продовжувала випробування ядерної зброї в атмосфері до 1974 р., а КНР – аж до 1980 р.
Ядерну зброю випробовували на полігонах: у Маралінгу (Австралія), Семипалатинську (СРСР), прим. Невада поблизу Лас-Вегаса (США), на атоле Муруроа у французькій Полінезії та в китайській провінції Сінцзянь (130).
Кількість експериментальних ядерних вибухів, вироблених атмосфері країнами, які мають ядерної зброєю (130).
Період часу, роки
Сумарна потужність, Мт
При цих вибухах утворилася велика кількість радіонуклідів як внаслідок процесів розподілу ядра, так і при реакціях синтезу легких ядер. Вважають, що вихід продуктів розподілу пропорційний потужності вибуху з допомогою реакції розподілу, а вихід нуклідів – з допомогою продуктів активації таких, наприклад, ядер, як Н 3 і З 14 – пропорційний потужності вибуху з допомогою реакції синтезу.
При вибухах потужністю 100-200 кт поблизу або поверхні землі радіонукліди розносяться на висоті тропосфери. Після входження в атмосферу радіоактивні продукти вибухів швидко переміщуються вниз до висоти близько 4 км.турбулентного перемішування та конвективного перенесення. Тому з тропосфери радіоактивні опади випадають на земну поверхню щонайбільше кілька місяців. Як правило період напівочищення 20-40 днів. При цьому найбільші частинки (понад 10 мкм, до декількох мм) містяться у складі сухих випадень, а решта – переважно з дощем або снігом.
При вибухах потужністю 1-50 мт висота викиду радіоактивної хмари сягає тропосфери.
При потужніших вибухах радіоактивні продукти викидаються в стратосферу, де перемішування вертикальних шарів повітря слабке, а осадження повільне. Радіоактивні аерозолі мікроскопічних розмірів (4*10-5 см) у складі радіоактивної хмари залишаються в стратосфері від кількох місяців до кількох років, а вітри переносять цю хмару над усією Землею (стратосферне перенесення). До 2/3 загальної кількості опадів – стратосферні опади, з якими надходять на земну поверхню штучні радіонукліди ядерних вибухів.
Сезонні зміни у перенесенні мас повітря зі стратосфери до тропосфери (обмін стратосфера – тропосфера) визначають і сезонні зміни у випаданнях радіонуклідів на земну поверхню. Спрямований вниз рух збільшується над антициклонічними і зменшується над циклонічними утвореннями (через утворення відповідно низхідних та висхідних потоків). Звідси суттєва залежність густини радіоактивних випадень від метеопараметрів. Крім того, швидкість очищення тропосфери від радіоактивних аерозолів і, відповідно, щільність радіоактивних випадень, залежать від розмірів аерозолів та їх фізико-хімічних властивостей (у тому числі форми хімічних сполук), розчинності, електричного заряду, характеру радіоактивного розпаду, наявності інших аерозольних частинок атмосфері (пилу,солей, рідин) та характеру підстилаючої земної поверхні.
Випадання бувають з опадами та без них (сухі). У помірних широтах з опадами випадають у 9 разів більше радіоактивних продуктів. У посушливих зонах переважають сухі випадання.
Сніг вимиває аерозолі в кілька разів ефективніше, ніж дощ тієї ж інтенсивності, а ефективність вимивання дрібнокрапельними опадами більша, ніж великокапельними. Кількість віддалених радіоактивних домішок прямо пропорційно кількості опадів, що їх видаляють. У помірних широтах з атмосферними опадами (вологі випадання) видаляється близько 60-70% від загальної суми радіоактивних випадень. Причому швидкість випадання радіоактивних опадів у північній півкулі більша, ніж у південній.
Радіоактивні випадання поділяються на три види в залежності від часу, що минув з моменту вибуху до осідання частинок на земну поверхню.
1.Ближні, або локальні випадання представлені відносно великими (більше 100 мкм) частинками, що осідають на землю переважно під дією сили тяжіння. Локальні випадання починаються відразу після вибуху і продовжуються протягом наступних 1-2 діб, охоплюючи в міру перенесення радіоактивної хмари вітром все більшу територію. В результаті локальних випадень на земній поверхні утворюється радіоактивний слід шириною кілька десятків і довжиною кілька сотень кілометрів. Великі частинки, що осідають під дією сили тяжіння, потрапляють безпосередньо на земну поверхню, у тому числі на рослинність і тварин, зумовлюючи їхнє поверхневе забруднення.
2.Проміжні, або тропосферні випадання представлені дрібними частинками (кілька мікрометрів і менше). Ці частинки формуються в тропосфері, нижче тропопаузи(перехідний шар між тропосферою та стратосферою), на висоті 11-16 км. Період напіввиведення цих частинок із тропосфери становить 20-30 діб.
3.Глобальні, або стратосферні випадання складаються з частинок від кількох сотих до десятих часток мікрометра, що закидаються в стратосферу на висоту 10-30 км. Звідти вони переносяться в тропосферу струминними течіями і циклональними вихорами або повітряними масами через розриви в тропопаузі (58). При перемішуванні повітряних потоків у стратосфері радіонукліди переносяться з однієї півкулі в іншу. Час перебування частинок у стратосфері сягає майже двох років.
Глобальні випадання характеризуються практично повною засвоюваністю біологічними системами.
Радіоактивні речовини, що утворюються при випробувальних ядерних вибухах, створюють радіаційний вплив - внутрішнє опромінення (від вдихання радіоактивних речовин, що містяться в приземних шарах атмосфери, і вживання в їжу продуктів харчування та питної води, забруднених радіонуклідами) і зовнішнє опромінення (від радіо приземному шарі повітря або тих, що випали на поверхню землі).
Більшість дози опромінення населення земної кулі від радіонуклідів Zr 95 , Ru 106 , Се 144 , I 131 , що утворилися в результаті всіх проведених по 1980 випробувань, вже сформована. Значна частина дози Sr 90 Cs 137 сформована до 2000 г (130).
Окрім радіонуклідів, що довго живуть, в атмосферу Землі при ядерних вибухах викидалися короткоживучі радіонукліди.
Індивідуальна еквівалентна доза опромінення внаслідок проведення випробувань ядерної зброї в атмосфері склала 4,5 мЗв у СРСР, а в середньому по земній кулі – 3,8 мЗв, причому основний внесок (
2,6 мЗв) у зазначені дозові навантаження вносить З 14, що має дуже великий період напіврозпаду.
Викиди АЕС. При нормальному функціонуванні АЕС у атмосферних викидах переважають інертні радіоактивні ізотопи ксенону, криптону та аргону. Для зменшення їхньої радіоактивності на АЕС здійснюється їхня тимчасова затримка в реакторі (для розпаду короткоживучих радіонуклідів) перед тим як викидати в атмосферу. При розпаді інертних радіоактивних газів утворюються стронцій-90 та цезій-137, які характеризуються більшими періодами напіврозпаду.
Крім інертних радіоактивних газів, об'єкти ядерної енергетики викидають в атмосферу тритій, вуглець-14, стронцій-90, йод-131, цезій-137, а також слідові кількості техногенних радіонуклідів — хрому-51, марганцю-54, кобальту-68, кобальту-68. , цирконію-95, ніобію-95 тощо. Більшість їх осідають у безпосередній близькості від АЕС і лише йод-131 виявляються з відривом 30—50 км.