Криптон-85

Криптон-85 — это радиоактивный изотоп химического элемента криптона с атомным номером 36 и массовым числом 85. Относится к группе инертных газов, является продуктом деления ядер урана и плутония в ядерных реакторах, а также образуется при ядерных взрывах. Период полураспада криптона-85 составляет 10,756 года. В нормальных условиях представляет собой бесцветный газ без запаха и вкуса, химически инертный. Широко используется в промышленности, научных исследованиях и медицине в качестве радиоактивного индикатора и источника бета-излучения.

Физико-химические свойства

Криптон-85 является бета-излучателем. В процессе радиоактивного распада испускает бета-частицы (электроны) с максимальной энергией 687 кэВ и средним значением около 250 кэВ. При распаде также возникает слабое гамма-излучение с энергией 514 кэВ, однако его доля составляет лишь около 0,43 % от общего числа распадов. Дочерним продуктом распада является стабильный изотоп рубидия-85.

Как и все изотопы криптона, криптон-85 является инертным газом, не вступающим в химические реакции с другими веществами при обычных условиях. Его температура кипения составляет -153,4 °C, температура плавления — -157,4 °C. В газообразном состоянии он легко диффундирует через пористые материалы и способен накапливаться в замкнутых пространствах.

Образование и источники

Природные источники

В естественных условиях криптон-85 образуется в крайне малых количествах в результате спонтанного деления ядер урана, содержащегося в земной коре. Однако его природная концентрация в атмосфере ничтожно мала — до начала ядерной эры (середина XX века) она составляла менее 10⁻¹⁵ объёмных долей.

Антропогенные источники

Основным источником криптона-85 в окружающей среде является деятельность человека:

• Ядерные реакторы — при работе атомных электростанций (АЭС) и исследовательских реакторов криптон-85 образуется как продукт деления ядерного топлива. В процессе переработки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) значительная часть криптона-85 выделяется в атмосферу. По оценкам, к началу XXI века в атмосферу было выброшено около 5,5×10¹⁸ Бк (беккерелей) криптона-85.
• Ядерные взрывы — при проведении испытаний ядерного оружия в атмосфере (до 1963 года) и подземных взрывах также образуется криптон-85. Однако его вклад в глобальное загрязнение существенно меньше, чем от переработки топлива.
• Производство оружейного плутония — на заводах по наработке плутония (например, в СССР на комбинате «Маяк» в Челябинской области) в середине XX века происходили значительные выбросы криптона-85.

По состоянию на 2020-е годы, наибольший вклад в эмиссию криптона-85 вносят заводы по переработке ОЯТ во Франции (Ла-Аг) и Великобритании (Селлафилд). В России основным источником является Горно-химический комбинат (ГХК) в Железногорске (Красноярский край) и ПО «Маяк».

Распространение в окружающей среде

Криптон-85, будучи инертным газом, не вступает в химические реакции и не выводится из атмосферы естественными процессами (осадками, адсорбцией почвой). Единственный путь его удаления — радиоактивный распад. В результате он равномерно распределяется по всей атмосфере Земли. Концентрация криптона-85 в атмосфере Северного полушария, где расположены основные источники выбросов, примерно в 1,5–2 раза выше, чем в Южном.

Измерения показывают, что с 1950-х годов концентрация криптона-85 в атмосфере неуклонно росла, достигнув к 2020 году значений порядка 1,5–2,0 Бк/м³ воздуха. Вблизи заводов по переработке ОЯТ локальные концентрации могут быть в десятки и сотни раз выше фоновых.

Криптон-85 также способен накапливаться в грунтовых водах и почве вблизи мест захоронения радиоактивных отходов, однако его миграция в подземных водах ограничена из-за низкой растворимости в воде (около 0,1 г/л при 20 °C).

Применение

Промышленность

Криптон-85 применяется в качестве радиоактивного индикатора для контроля герметичности различных систем. Благодаря своей инертности и способности проникать через микроскопические трещины, он используется для:

• Контроля герметичности — в газовой хроматографии, при проверке сварных швов, трубопроводов, вакуумных систем, топливных баков и космических аппаратов. Газ вводится в тестируемую систему, а затем утечки обнаруживаются с помощью детекторов бета-излучения.
• Измерения толщины материалов — в промышленности используется для контроля толщины тонких плёнок, бумаги, пластика и металлических листов. Бета-излучение криптона-85 поглощается материалом, и по ослаблению сигнала определяется толщина.
• Источник ионизации — в газоразрядных лампах и ионизационных датчиках для создания начальной ионизации газа.

Научные исследования

В научных целях криптон-85 используется:

• В метеорологии — как трассер для изучения перемещения воздушных масс, вентиляции атмосферы и глобального переноса загрязнителей.
• В океанологии — для изучения перемешивания водных масс и газообмена между океаном и атмосферой.
• В геологии — для датирования подземных вод и льда (метод основан на радиоактивном распаде криптона-85).

Медицина

В медицинской диагностике криптон-85 применяется ограниченно, в основном для:

• Измерения лёгочной вентиляции — пациент вдыхает газовую смесь с криптоном-85, после чего с помощью гамма-камеры регистрируется распределение газа в лёгких.
• Исследования кровотока — в виде раствора в физиологическом растворе используется для оценки перфузии тканей.

Радиационная опасность и нормирование

Биологическое действие

Криптон-85 представляет опасность при вдыхании. Попадая в лёгкие, он задерживается в альвеолах, облучая их бета-частицами. Время полувыведения из организма составляет около 30–40 минут (большая часть выводится с выдыхаемым воздухом). Однако при длительном воздействии высоких концентраций возможно поражение лёгочной ткани.

Бета-излучение криптона-85 имеет малую проникающую способность (пробег в воздухе до 1,5 м, в тканях — до 2 мм), поэтому внешнее облучение опасно только при непосредственном контакте с источником. Гамма-излучение слабое и не представляет серьёзной угрозы.

Нормирование

В России и странах бывшего СССР действуют следующие нормативы (НРБ-99/2009):

• Допустимая объёмная активность в воздухе для персонала (категория А) — 3,7×10⁵ Бк/м³.
• Для населения — 1,8×10⁴ Бк/м³.
• Предел годового поступления через органы дыхания — 1,1×10⁸ Бк.

В международной практике (рекомендации МАГАТЭ) установлены аналогичные уровни. Выбросы криптона-85 с предприятий ядерного топливного цикла контролируются в рамках систем радиационного мониторинга.

Экологические аспекты

Хотя криптон-85 не участвует в биогеохимических циклах и не накапливается в пищевых цепях, его накопление в атмосфере представляет долгосрочную проблему. Из-за периода полураспада около 11 лет, однажды попавший в атмосферу криптон-85 сохраняется в ней десятилетиями. Глобальное увеличение его концентрации может привести к:

• Повышению фонового радиационного облучения населения — вклад криптона-85 в дозу облучения от естественных источников пока мал (менее 0,1 %), но вблизи заводов может быть значительным.
• Ионизации атмосферы — бета-излучение способно влиять на электрические свойства атмосферы, что теоретически может сказываться на климате и грозовой активности (эффект изучается, но количественные оценки неоднозначны).

В 1990-е годы обсуждалась возможность создания международной системы контроля за выбросами криптона-85, однако до настоящего времени обязательных ограничений на глобальном уровне не введено. Отдельные страны (Франция, Великобритания, Россия) проводят мониторинг и регулируют выбросы в рамках национальных норм.

Источники

1. Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009). — М.: Минздрав России, 2009.
2. Радиоактивные благородные газы в атмосфере: источники, распределение, мониторинг / Под ред. В. А. Гребенникова. — М.: Атомиздат, 1985.
3. Атомная и ядерная физика: справочник / Под ред. А. П. Гринберга. — М.: Энергоатомиздат, 1990.
4. Environmental Radioactivity: From Natural, Industrial and Military Sources / M. Eisenbud, T. Gesell. — Academic Press, 1997.
5. UNSCEAR 2000 Report. Sources and Effects of Ionizing Radiation. — United Nations, New York, 2000.
6. Мониторинг радиоактивных благородных газов на территории Российской Федерации / Отчёт Росгидромета. — М., 2018.