Другие источники ионизирующего излучения

Космическое излучение было открыто в 1912 г. австрийским физиком Гессом, установившем, что ионизация воздуха на большой высоте превышает таковую над уровнем моря. Он предположил, что причиной этого являются лучи внеземного происхождения. Космическое излучение представляет собой поток элементарных частиц очень высокой энергии (10¹⁰ − 10²⁰ эв и выше), попадающих па Землю из мирового пространства. В атмосфере Земли эти частицы (Первичное комическое излучение − ПКИ), взаимодействуя с ядрами её атомов, в столкновениях с ними теряют свою большую энергию и порождают новую группу элементарных частиц, также обладающих высокой энергией и скоростью (Вторичное космическое излучение − ВКИ).

ПКИ в основном состоит из быстрых протонов, альфа-частиц и небольшого количества ядер углерода, азота, кислорода и более тяжёлых ядер. За пределами земной атмосферы в его состав входят также электроны, нейтроны и, возможно, гамма-лучи. Значительная часть этих частиц задерживается атмосферой и не достигает земной поверхности. Высокоэнергетичные частицы ПКИ, проникая в верхние слои атмосферы, воздействуют на ядра атомов составляющих её элементов, вызывая ядерные реакции с образованием таких радионуклидов, как тритий, бериллий-7, 10, натрий-22, 23. При этих реакциях возникают высокоэнергетичные протоны, пионы и каоны, в свою очередь вызывающие ядерные реакции. Нейтроны, теряя свою энергию, частично захватываются атомами азота воздуха, образуя радиоактивный изотоп углерод-14. Потоки этих частиц образуют так называемые космические ливни, составляющие вторичное космическое излучение, проникающие уже в нижние слои атмосферы и облучающие биосферу.

ВКИ состоит из мягкой (позитроны, фотоны) и жёсткой (м.п. - мезоны) компонент. Мощность ВКИ у земной поверхности неравномерна: чем выше она расположена над уровнем моря, тем меньше слои экранирующей атмосферы и соответственно выше мощность ВКИ. Это явление получило название барометрического эффекта.

Нет такого места на Земле, куда бы не падал этот невидимый космический душ. Но одни участки земной поверхности более подвержены его действию, чем другие. Северный и Южный полюсы получают больше радиации, чем экваторные области, из-за наличия у Земли магнитного поля, отклоняющего заряженные частицы (из которых в основном и состоят космические лучи).

Люди, живущие на уровне моря, получают в среднем из-за космических лучей эффективную эквивалентную дозу около 300 микрозивертов (миллионных долей зиверта) в год − мкЗв/г; для людей же, живущих выше 2000 м над уровнем моря, эта величина в несколько раз больше. Ещё более интенсивному, хотя и относительно непродолжительному облучению, подвергаются экипажи и пассажиры самолётов. При перелёте из Нью-Йорка в Париж пассажир турбореактивного самолёта получает дозу около 50 мкЗв, а пассажир сверхзвукового самолёта на 20% меньше, хотя подвергается более интенсивному облучению. Это объясняется тем, что во втором случае перелёт занимает гораздо меньше времени. Всего за счёт использования воздушного транспорта человечество получает в год коллективную эффективную эквивалентную дозу около 2000 чел-3в.

Космогенные радионуклиды. Небольшой вклад в облучение биосферы вносят космогенные радионуклиды − тритий, углерод-14, бериллий-7 и натрий-22. Тритий превращается в тритированную воду, с осадками выпадает на земную поверхность и участвует в круговороте воды. Концентрация трития в тканях живых организмов в среднем 0,4 Бк/кг. Углерод-14 окисляется через фотосинтез, вместе с обычным углекислым газом вовлекается в биотический круговорот. Средняя концентрация углерода-14 в тканях растений и животных составляет 27 Бк/кг. Бериллий-7 поступает с дождевой водой в растения, с зелеными овощами − в организм животных человека в количестве 50 Бк7год.

Земная радиация. Одним из основных источников ионизирующего излучения природного происхождения является наша Земля. Эта радиация объясняется наличием в земле радиоактивных элементов, концентрация которых в разных местах изменяется в широких пределах. Мощность поглощённой дозы земного излучения в среднем составляет 20 мрад/год над известняками и 150 мрад/год над гранитами. Напомним, что рекомендуемая Международной комиссией по защите от радиации мощность дозы, обеспечивающая безопасность человека, не должна превышать 500 мбэр/год (или 5 мЗв/год).

Основные радиоактивные изотопы, встречающиеся в горных породах Земли, это калий-40, рубидий-87 и члены двух радиоактивны семейств, берущих начало соответственно от урана-238 и тория-232 − долгоживущих изотопов, включившихся в состав Земли с самого ее рождения. Разумеется, уровни земной радиации неодинаковы для разных мест земного шара и зависят от концентрации радионуклидов в том или ином участке земной коры.

Так, согласно исследованиям, проведенным во Франции, ФРГ, Италии, Японии и США, примерно 95% населения этих стран живет в местах, где мощность дозы облучения в среднем составляет от 0,3 до 0,6 миллизиверта (тысячных зиверта) в год - мЗв/г. Но некоторые группы населения получают значительно большие дозы облучения; около 3% получает в среднем 1 мЗв/г, а около 1,5%, более 1,5 мЗв/г.

Есть, однако, такие места, где уровни земной радиации намного выше. Неподалеку от города Посус-ди-Калв в Бразилии, расположенного в 200 км к северу от Сан-Паулу, есть небольшая возвышенность. Как оказалось, здесь уровень радиации в 800 раз превосходит средний и достигает 250 мЗв/г. По каким-то причинам возвышенность оказалась необитаемой. Однако лишь чуть меньшие уровни радиации были зарегистрированы на морском курорте, расположенном в 600 км к востоку от этой возвышенности. Известны и другие места на земном шаре с высоким уровнем радиации, например во Франции, Индии, Иране, Нигерии, на Мадагаскаре. По подсчетам НКДАР, средняя эффективная эквивалентная доза внешнего облучения, которую человек получает за год от земных источников естественной радиации, составляет примерно 350 микрозивертов, т. е. чуть больше средней индивидуальной дозы облучения из-за радиационного фона, создаваемого космическими лучами на уровне моря.

Источник радиации - строительные материалы. Земля — это смесь стабильных и радиоактивных элементов, более или менее равномерно распределенных. При формировании земной поверхности в ней содержались радионуклиды практически всех элементов. К настоящему времени остались радионуклиды с огромным периодом полураспада в миллиарды лет. Наиболее широко распространены радионуклиды ряда урана, тория, калия-40, рубиния-37 и многие залежи сырья (гравий, камень, песок, известняк и др.). Используемые человеком для производства строительных материалов (бетон, кирпич), они имеют в своём составе природные радиоактивные изотопы, которые затем попадают в жилые и производственные помещения.

В среднем мощность дозы внутри зданий на 18 % больше, чем снаружи, а в некоторых случаях эта разница может достигать 50 %. Внутри помещений человек проводит три четверти своей жизни. Человек, постоянно находящийся в помещении, построенном из гранита, может получить 240−400 мрад/год, из пемзового камня – 300 мрад/год, из красного кирпича − 140−180 мрад/год, из бетона − 100−180 мрад/год, из известняка – 40 мрад/год, из алебастра – 30 мрад/год, из дерева – 30 мрад/год.

Учитывая это обстоятельство, некоторые страны стремятся регламентировать использование различных строительных материалов. Предлагается, например, строить здания так, чтобы внутри их мощность дозы не превышала 80−230 мрад/год. Большую опасность представляет радон, выделяемый при распаде урана и являющийся причиной рака легких. При хорошей изоляции здания и ограниченной вентиляции, связанных с требованиями экономии тепловой энергии, содержание радона в помещении может превысить допустимый уровень в десятки раз.

Особое значение имеет эта проблема в северных странах. В Швеции, например, тысячи зданий строятся из бетона с наполнителем из сланца с небольшим содержанием урана. Использование такого строительного материала является причиной 200−1000 случаев рака легких в год. Это большое число, если учесть, что в целом по стране фиксируется 2000 заболеваний раком легких в год.

Опасность представляют и некоторые промышленные отходы, используемые в строительстве. Например, гипс, получаемый в качестве побочного продукта в процессе производства фосфорной кислоты, имеет концентрацию радия в 10−1000 раз большую, чем природный гипс.

Источник радиации – ТЭЦ. Значительное количество радиоактивных веществ выбрасывается в атмосферу ТЭЦ, работающими на каменном угле. За последние 80 лет содержание радия в ледниках, расположенных в 150 км от одного из крупных промышленных центров, увеличилщсь в 50 раз.

ТЭЦ, вырабатывая энергию, сжигает уголь, остаётся шлак и зола. Много золы. Экибастузская ГРЭС-1, например, за один год только в воздух выбрасывает 1 млн 281 тыс. тонн золы, 177 тыс. тонн сернистого ангидрида, 48 тыс. тонн окислов азота. Леса, луга, вода, почва вокруг оказались загрязнёнными на площади 5 тыс. км². Трава хрустит на зубах, стачивая зубы у коров и овец за 2−3 года. Подсчитано, что работа ГРЭС наносит ущерб природе на такую же сумму, сколько стоит топливо, а иногда и больше. 70 млн тонн пыли и ядовитых газов выбрасывается ежегодно в небо страны тепловыми электростанциями.

Уголь, подобно большинству других природных материалов, содержит ничтожные количества первичных радионуклидов. При сжигании угля большая часть его минеральных компонентов спекается в шлак или золу, куда в основном и попадают радиоактивные вещества. Большая часть золы и шлаки остаются на дне топки электросиловой станции. Количество этой пыли зависит от отношения к проблемам загрязнения окружающей среды и от средств, вкладываемых в сооружение очистных устройств. Облака, извергаемые трубами тепловых электростанций, приводят к дополнительному облучению людей, а оседая на землю, частички могут вновь вернуться в воздух в составе пыли. Например, тепловая станция, работающая на угле, выбрасывает около 9 тыс. тонн золы в год, содержащей около 1,8*10⁵ − 3,7*10⁶ Бк/т естественных радионуклидов, что создаёт дозу облучения людей на год, превышающую в 100−1000 раз полученную дозу от АЭС такой же мощности.

Согласно текущим оценкам, производство каждого гигаватт-года электроэнергии обходится человечеству в 2 чел-Зв ожидаемой коллективной эффективной эквивалентной дозы облучения. На приготовление пищи и отопление жилых домов расходуется меньше угля, но зато больше зольной пыли летит в воздух в пересчёте на единицу топлива. Кроме того, в отличие от электростанций, жилые дома обычно расположены в центре населённых пунктов, поэтому гораздо большая часть загрязнений попадает непосредственно на людей. До последнего времени на это обстоятельство почти не обращали внимания, но по весьма предварительной оценке из-за сжигания угля для приготовления пищи и отопления жилищ во всём мире в 1979 г. ожидаемая коллективная эффективная эквивалентная доза облучения населения выросла на 100 000 чел-Зв. Не много известно о вкладе в облучение населения от зольной пыли, собираемой очистными устройствами. Все это приводит к увеличению радиационного облучения, но сведений по этим вопросам публикуется крайне мало.

Источник радиации – радон. Недавно ученые установили, что наиболее весомым из всех естественных источников радиации является радиоактивный газ радон − это невидимый, не имеющий ни вкуса, ни запаха газ, который в 7,5 раз тяжелее воздуха. В природе радон встречается в двух основных видах: радон-222 и радон-220. Основная часть радиации исходит не от самого радона, а от дочерних продуктов распада, поэтому значительную часть дозы облучения человек получает от радионуклидов радона, попадающих в организм вместе с вдыхаемым воздухом. Радон высвобождается из земной коры повсеместно, поэтому максимальную часть облучения от него человек получает, находясь в закрытом, непроветриваемом помещении нижних этажей зданий, куда газ просачивается через фундамент и пол. Концентрация его в закрытых помещениях обычно в 8 раз выше, чем на улице, а на верхних этажах ниже, чем на первом.

Дерево, кирпич, бетон выделяют небольшое количество газа, а гранит и железо − значительно больше. Очень радиоактивны глиноземы. Относительно высокой радиоактивностью обладают некоторые отходы промышленности, используемые в строительстве, например, кирпич из красной глины (отходы производства алюминия), доменный шлак (в черной металлургии), зольная пыль (образуется при сжигании угля).

Другими источниками поступления радона в жилые помещения являются вода и природный газ. Надо помнить, что в сырой воде его намного больше, а при кипячении радон улетучивается, поэтому основную опасность представляет собой его попадание в легкие с парами воды. Чаще всего это происходит в ванной комнате при приеме горячего душа.

Точно такую же опасность радон представляет, смешиваясь под землей с природным газом, который при сжигании в кухонных плитах, отопительных и других нагревательных приборах попадает в помещение. Концентрация его сильно увеличивается при отсутствии хороших вытяжных систем. Также источником поступления радона в атмосферу являются геотермальные воды.

Некоторые страны эксплуатируют подземные резервуары пара и горячей воды для производства электроэнергии и отопления домов; один такой источник вращает турбины электростанции в Лардерелло в Италии с начала XX в. Измерения эмиссии радона на этой и еще на двух, значительно более мелких, электростанциях в Италии показали, что на каждый гигаватт-год вырабатываемой ими электроэнергии приходится ожидаемая коллективная эффективная эквивалентная доза 6 чел-Зв, т. е. в три раза больше аналогичной дозы облучения от электростанций, работающих на угле. Радон на 50−60% формирует годовую дозу облучения, получаемую человеком от естественных источников радиации.

Источник радиации − фосфорные удобрения. Добыча фосфатов ведется во многих местах земного шара; используются главным образом для производства удобрений, которых в 1977 г. во всем мире было получено около 30 млн т. Большинство разрабатываемых в настоящее время фосфатных месторождений содержит уран, присутствующий там в довольно высокой концентрации. В процессе добычи и переработки руды выделяется радон, да и сами удобрения радиоактивны, и содержащиеся в них радиоизотопы проникают из почвы в пищевые культуры. Радиоактивное загрязнение в этом случае бывает обыкновенно незначительным, но возрастает, если удобрения вносят в землю в жидком виде или если содержащие фосфаты вещества скармливают скоту. Такие вещества действительно широко используются в качестве кормовых добавок, что может привести к значительном повышению содержания радиоактивности в молоке. Все эти аспекты применения фосфатов дают за год ожидаемую коллективную эффективную эквивалентную дозу, равную примерно 6000 чел-Зв, в то время как соответствующая доза из-за применения фосфогипса, полученного только в 1977 г., составляет около 300 000 чел-Зв.

Источники радиации − бытовые приборы и материалы. Есть источники радиоактивности, которые малоизвестны населению, но не менее опасны. Это радиоактивные материалы, которые человек использует в повседневной деятельности. В состав красок для печати банковских чеков включают радиоактивный углерод, обеспечивающий легкую идентификацию подделанных документов. Для получения красивой краски или желтой эмали на керамике или драгоценностях применяется уран. Уран и торий используют при производстве стекла. Искусственные зубы из фарфора усиливаются ураном и церием. При этом излучение на прилегающие к зубам слизистые оболочки может достичь 66 бэр/год, тогда как годовая норма для всего организма не должна превышать 0,5 бэр. Экран телевизора излучает на человека 2−3 мрад/год, столько же излучает и компьютер при нормальной работе на нём, т.е. не более 2−3 часов в смену, используя защитный экран и защитные очки, и не ближе 50 см от светящегося экрана (монитора).

Пару лет тому назад обследовали работниц одного из российских банков. Они пересчитывали доллары, которые использовались в операции по выявлению криминальных структур. Банкноты были избыточно помечены радиоактивными изотопами. Работницы банка попали под локальное (на руки) облучение, но не очень большое. Однако трое из них получили радиационные ожоги второй (средней) степени тяжести пальцев рук.

Источники радиации − аппаратура с радиоизотопами. За последние несколько десятилетий человек создал несколько сотен искусственных радионуклидов и научился использовать энергию атома в самых разных целях. Использование возможностей атома в интересах народного хозяйства несет с собой дополнительные искусственные источники облучения. В большинстве случаев дозы невелики, но иногда техногенные источники оказываются во много тысяч раз интенсивнее, чем естественные. Всё это приводит к увеличению дозы облучения как отдельных людей, так и населения Земли в целом.

Таким источником радиоактивного излучения является производственное оборудование, имеющее радиоактивные изотопы или генераторы рентгеновского излучения. Это датчики толщины, уровня, вискозиметры и другие приборы гаммаграфии. В них обычно используется кобальт-60 или иридий-192. Промышленные источники имеют активность от нескольких до 300 Ки. Так, аппарат для гаммаграфии имеет источник из кобальта-60 на 300 Ки, при этом на расстоянии в 10 м мощность эквивалентной дозы составляет 3,8 бэр/час. Когда аппарат работает, необходимо удалять всех людей из зоны радиусом 120 м, однако это правило часто не соблюдается, особенно на верфях, что приводит к тяжелым заболеваниям.

Число промышленных установок с источниками радиоактивного излучения всё время увеличивается. Сам источник представляет собой предмет, соизмеримый с монетой, так что его легко утерять, а это может привести к тяжелым последствиям.

В Мехико один ребёнок нашёл источник кобальта-60 на 5 Ки и спрятал его в ящик кухонного буфета. За 6 месяцев скончалось 4 члена семьи. В 1978 г. в Алжире двое детей взяли для игры источник иридия-192 на 17 Ки, который их бабушка принесла домой. За время менее 2 месяцев облучилось 20 человек, из которых 7 человек тяжело. В 1979 г. один рабочий поднял на верфи небольшой предмет, похожий на авторучку, сунул его в карман брюк и носил в течение 7 часов. На следующий день было обнаружено, что из аппарата для гаммаграфии, имеющего неисправное устройство обеспечения безопасности, исчез источник излучения с активностью 100 Ки. Рабочий возвратил найденный им предмет, оказавшийся источником излучения. Однако через некоторое время ему пришлось ампутировать обе ноги.

В РФ в 2008 г. в Первоуральске Свердловской области два дефектоскописта проверяли герметичность газопровода. При завершении работы радиоактивный источник иридий-192 из-за сбоя механизма не вернулся в свинцовый контейнер, а остался снаружи и выпал на землю. Один из рабочих, забыв про правила, схватил его пальцами. Точная доза общего облучения не известна. Пальцы пришлось ампутировать.

Случаи облучения дефектоскопистов были и раньше: в Нижнем Новгороде, Самаре, Башкирии, на Урале и в других регионах страны. Только за последние 5 лет был зарегистрирован 21 случай острого радиационного поражения людей − работников не атомной промышленности.

Источник радиации − транспортировка радиоизотопов. Перевозка радиоактивных материалов осуществляетсяавтомобильным, железнодорожным, морским и воздушным транспортом.

Транспортировка производится в условиях оптимальной безопасности, обеспечиваемой использованием регламентированной упаковки. Ассортимент перевозимых радиоактивных материалов очень широк. Он включает в себя радиоактивные изотопы, применяемые в медицине и являющиеся наиболее многочисленными, а также различные продукты, связанные с ядерной энергетикой, − обогащенный уран, гексафторид урана, свежее и отработавшее топливо, плутоний, отходы.

Способы транспортировки варьируются в зависимости от физической природы материала (твердый, жидкий, газообразный) и вида излучения (α, β, γ, нейтронное). Радиоизотопы медицинского применения перевозятся в малых количествах, по многим адресам и срочно. Ядерное топливо перевозится в значительных количествах в очень тяжелой упаковке (примерно 100 т упаковки на 5 т топлива).

Например, упаковка типа В предназначена для сохранения радиоактивных материалов в очень тяжелых условиях.

Упаковка должна учитывать характер деления перевозимого материала, чтобы не допустить образования критической массы и создания условий для цепной реакции.

Для перевозки менее опасных материалов используется упаковка типа А, которая при серьезных авариях может быть разрушена. В такой упаковке чаще всего транспортируются изотопы медицинского применения. Но опасность их транспортировки намного ниже опасности транспортировки других материалов, используемых в промышленности. Так, перевозка плутония в 10 тыс. раз менее опасна перевозки хлора.

Источник радиации − медицинские установки и процедуры. В настоящее время основной вклад в дозу, получаемую человеком от техногенных источников радиации, вносят медицинские процедуры и методы лечения, связанные с применением радиоактивности. Во многих странах этот источник ответствен практически за всю дозу, получаемую от техногенных источников радиации. Радиация используется в медицине как в диагностических целях, так и для лечения. Одним из самых распространенных медицинских приборов является рентгеновский аппарат. Получают все более широкое распространение и новые сложные диагностические методы, опирающиеся на использование радиоизотопов.

Как ни парадоксально, но одним из основных способов борьбы с раком является лучевая терапия. Понятно, что индивидуальные дозы, получаемые разными людьми, сильно варьируют − от нуля (у тех, кто ни разу не проходил даже рентгенологического обследования) до многих тысяч среднегодовых «естественных» доз (у пациентов, которые лечатся от рака). Однако надежной информации, на основании которой НКДАР ООН мог бы оценить дозы, получаемые населением Земли, слишком мало. Неизвестно, сколько человек ежегодно подвергается облучению в медицинских целях, какие дозы они получают и какие органы и ткани при этом облучаются. В принципе облучение в медицине направлено на исцеление больного. Однако нередко дозы оказываются неоправданно высокими: их можно было бы существенно уменьшить без снижения эффективности, причем польза от такого уменьшения была бы весьма существенна, поскольку дозы, получаемые от облучения в медицинских целях, составляют значительную часть суммарной дозы облучения от техногенных источников. Наиболее распространенным видом излучения, применяющимся в диагностических целях, являются рентгеновские лучи. Согласно данным по развитым странам, на каждую 1000 жителей приходится от 300 до 900 обследований в год, это не считая рентгенологических обследований массовой флюорографии. В любом случае пациент получает минимальную дозу при обследовании. Так, при рентгенографии зубов − 0,03 3в (3 бэр), при рентгеноскопии желудка − столько же. При флюорографии − 3,7 3в (370 бэр). Со времени открытия рентгеновских лучей самым значительным достижением в разработке методов рентгенодиагностики стала компьютерная томография. Этот метод находит всё более широкое применение. Его применение при обследовании почек позволило уменьшить дозы облучения кожи в 5 раз, яичников − в 25 раз, семенников − в 50 раз по сравнению с обычными методами. Подводя итоги, можно сказать, что все источники радиации можно условно разделить на 2 вида:

А. Естественные источники радиации:

- космические лучи.

Радиационный фон, создаваемый космическими лучами, дает чуть меньше половины внешнего облучения, получаемого населением от естественных источников радиации. Космические лучи в основном приходят к нам из глубин Вселенной, но некоторая их часть рождается на Солнце во время вспышек. Они взаимодействуют с атмосферой Земли, порождая вторичное излучение и приводя к образованию различных радионуклидов;

- земная радиация.

Основные радиоактивные изотопы, встречающиеся в горных породах Земли, − это калий-40, рубидий-87 и члены двух радиоактивных семейств, берущих начало соответственно от урана-238 и тория-232 − долгоживущих изотопов, включившихся в состав Земли с самого ее рождения.

Средняя эффективная эквивалентная доза, которую человек получает за год от земных источников радиации, составляет примерно 350 мкЗв.

B. Источники, созданные человеком:

- ядерные взрывы,

- урановая промышленность,

- радиохимическая промышленность,

- ядерные реакторы разных типов,

- места переработки и захоронения радиоактивных отходов,

- использование радионуклидов в науке, медицине, экономике и т. д. Далее рассмотрим изотопы наиболее опасные для человека и его потомства.