Радиоактивная пыль

Радиоактивная пыль — это дисперсная твёрдая фаза, состоящая из мелкодисперсных частиц различного происхождения, содержащих радиоактивные нуклиды. В зависимости от размера и химического состава частиц, радиоактивная пыль может находиться в воздухе во взвешенном состоянии (аэрозоль) или оседать на поверхностях, образуя радиоактивное загрязнение. Основными источниками радиоактивной пыли являются ядерные испытания, аварии на объектах атомной энергетики, деятельность предприятий ядерно-топливного цикла, а также природные процессы, такие как эрозия горных пород, содержащих естественные радионуклиды.

Источники образования

Антропогенные источники

Основной вклад в глобальное загрязнение окружающей среды радиоактивной пылью в XX веке внесли испытания ядерного оружия. В результате атмосферных взрывов в стратосферу и тропосферу было выброшено значительное количество радионуклидов, которые затем рассеивались по всему земному шару. Крупнейшими по масштабу выбросов были испытания, проводившиеся СССР и США в 1950-х — начале 1960-х годов. После подписания Договора о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, космическом пространстве и под водой (1963 год) количество атмосферных выбросов резко сократилось, однако подземные и подводные испытания продолжались.

Аварии на объектах атомной энергетики также являются значимым источником. Наиболее известные примеры — авария на Чернобыльской АЭС (1986 год) и авария на АЭС «Фукусима-1» (2011 год). В результате этих катастроф в окружающую среду были выброшены огромные объёмы радиоактивных материалов, включая топливные частицы (т. н. «горячие частицы») и продукты деления, которые образовали радиоактивную пыль. При аварии на Чернобыльской АЭС основными радионуклидами, попавшими в атмосферу, были иод-131, цезий-137, стронций-90, а также изотопы плутония.

Деятельность предприятий ядерно-топливного цикла, включая добычу и переработку урановой руды, обогащение урана, производство ядерного топлива и переработку отработавшего ядерного топлива, также приводит к образованию радиоактивной пыли. В процессе добычи урана образуется пыль, содержащая уран и его дочерние продукты распада (радон, полоний, свинец). При переработке отработавшего топлива в атмосферу могут попадать летучие радионуклиды, такие как цезий-137 и рутений-106.

Природные источники

Природные радионуклиды, такие как уран-238, торий-232 и их дочерние продукты, а также калий-40, содержатся в земной коре. В результате эрозии горных пород, ветровой эрозии почв и извержений вулканов эти нуклиды могут переходить в атмосферу в виде пыли. Особенно значительные выбросы природной радиоактивной пыли происходят в районах с повышенным содержанием урана и тория в почвах (например, в некоторых регионах Индии, Бразилии, Ирана). Лесные пожары на территориях, загрязнённых радионуклидами, также могут способствовать вторичному подъёму радиоактивной пыли в воздух.

Физико-химические свойства

Размер и форма частиц

Радиоактивная пыль представляет собой полидисперсную систему. Размеры частиц варьируются от нанометров (менее 0,1 мкм) до нескольких миллиметров. Наиболее опасными для здоровья человека являются частицы размером от 0,1 до 10 мкм, так как они способны проникать в нижние отделы дыхательных путей (альвеолы) и задерживаться там. Частицы размером более 10 мкм обычно оседают в верхних дыхательных путях и удаляются с помощью мукоцилиарного клиренса. Форма частиц может быть разнообразной: сферической (при конденсации паров), осколочной (при механическом разрушении), игольчатой (для некоторых минералов).

Химический состав

Химический состав радиоактивной пыли зависит от источника её образования. В случае ядерных взрывов и аварий на АЭС основными компонентами являются продукты деления (цезий, стронций, иод, барий, лантан, цирконий и др.) и актиноиды (плутоний, америций, кюрий). Частицы могут быть как простыми (например, оксид цезия), так и сложными (например, силикаты, алюмосиликаты, содержащие радионуклиды). Природная радиоактивная пыль состоит в основном из минералов, содержащих уран и торий (уранинит, торит, монацит), а также их дочерних продуктов.

Радиоактивность

Удельная активность радиоактивной пыли может варьироваться в широких пределах — от фоновых значений (единицы беккерелей на грамм) до миллионов беккерелей на грамм вблизи источников выброса. Важным параметром является период полураспада радионуклидов, входящих в состав пыли. Короткоживущие нуклиды (например, иод-131 с периодом полураспада 8 суток) представляют наибольшую опасность в первые дни и недели после выброса, в то время как долгоживущие (цезий-137 — 30 лет, стронций-90 — 28,8 лет, плутоний-239 — 24 110 лет) сохраняют опасность на протяжении десятилетий и столетий.

Поведение в окружающей среде

Перенос в атмосфере

Радиоактивная пыль может переноситься воздушными массами на значительные расстояния. Крупные частицы (более 50 мкм) оседают вблизи источника выброса, в то время как мелкодисперсные частицы (менее 10 мкм) могут оставаться в атмосфере в течение нескольких дней или недель и переноситься на тысячи километров. Например, радиоактивные выбросы после аварии на Чернобыльской АЭС были зарегистрированы на всей территории Европы, а также в Северной Америке и Азии. Скорость осаждения частиц зависит от их размера, плотности, формы, а также от метеорологических условий (скорость ветра, влажность, осадки).

Осаждение и накопление

Осаждение радиоактивной пыли происходит двумя основными путями: сухим осаждением (под действием силы тяжести) и влажным осаждением (с дождём, снегом, туманом). Влажное осаждение является более эффективным механизмом очистки атмосферы. После осаждения на поверхность почвы, воды, растительности и зданий радионуклиды могут включаться в биогеохимические циклы. Цезий-137 и стронций-90, являясь химическими аналогами калия и кальция соответственно, активно поглощаются растениями и могут накапливаться в пищевых цепях. Плутоний и другие актиноиды, как правило, прочно связываются с почвой и слабо мигрируют.

Вторичный подъём

В засушливых регионах или при сильном ветре осевшая радиоактивная пыль может вновь подниматься в воздух (вторичный подъём). Этот процесс особенно характерен для территорий, подвергшихся радиоактивному загрязнению в результате ядерных испытаний (например, атоллы Бикини и Эниветок, Семипалатинский полигон). Лесные пожары на загрязнённых территориях также могут приводить к значительному вторичному загрязнению атмосферы.

Воздействие на здоровье человека

Пути поступления

Основными путями поступления радиоактивной пыли в организм человека являются:

• Ингаляционный (вдыхание) — наиболее опасный путь, так как мелкодисперсные частицы могут проникать глубоко в лёгкие и задерживаться там.
• Пероральный (с пищей и водой) — радионуклиды, осевшие на растениях или попавшие в воду, могут поступать в организм через желудочно-кишечный тракт.
• Через кожу — проникновение через неповреждённую кожу незначительно, однако при наличии ран или ссадин возможно.

Биологическое действие

Попадая в организм, радиоактивная пыль становится источником внутреннего облучения. Радионуклиды, входящие в её состав, испускают альфа-, бета- и гамма-излучение. Особую опасность представляют альфа-излучатели (например, изотопы плутония, америция, урана), так как они обладают высокой линейной передачей энергии и вызывают значительные повреждения клеток на малом расстоянии. При попадании в лёгкие альфа-частицы могут вызывать фиброз, а в долгосрочной перспективе — рак лёгких. Цезий-137 и стронций-90, являясь бета- и гамма-излучателями, равномерно распределяются по организму (цезий) или накапливаются в костной ткани (стронций), повышая риск лейкозов и рака костей.

Дозовые нагрузки

Уровень облучения зависит от активности пыли, времени экспозиции, размера частиц и химической формы радионуклидов. Для оценки риска используется понятие эффективной дозы, измеряемой в зивертах (Зв). При остром поступлении больших количеств радиоактивной пыли возможно развитие лучевой болезни. При хроническом поступлении малых доз повышен риск стохастических эффектов (раковых заболеваний, генетических мутаций). Международная комиссия по радиологической защите (МКРЗ) устанавливает пределы доз для персонала и населения.

Методы обнаружения и контроля

Аппаратура

Для обнаружения и измерения радиоактивной пыли используются различные методы:

• Радиометры — приборы для измерения активности альфа-, бета- и гамма-излучения.
• Спектрометры — позволяют идентифицировать радионуклиды по их энергетическому спектру.
• Аэрозольные пробоотборники — устройства, прокачивающие воздух через фильтры, на которых осаждается пыль. Затем фильтры анализируются в лабораторных условиях.
• Дозиметры — измеряют мощность дозы внешнего гамма-излучения, что может косвенно указывать на наличие радиоактивной пыли.

Методы отбора проб

Отбор проб радиоактивной пыли осуществляется как в атмосферном воздухе, так и на поверхностях. Для отбора проб воздуха используются высокопроизводительные аспираторы с фильтрами из ткани Петрянова или стекловолокна. Для отбора проб с поверхностей применяются мазки (смывы) или метод липких лент. В зонах аварий и на промышленных объектах часто используются автоматические станции контроля радиационной обстановки.

Меры защиты

Индивидуальная защита

Для защиты органов дыхания от радиоактивной пыли используются респираторы (лепестковые, полумаски, полнолицевые маски) и противогазы с соответствующими фильтрами. Для защиты кожи — специальная одежда (комбинезоны, халаты, перчатки, бахилы). В условиях высокого загрязнения применяются изолирующие костюмы с автономным дыханием.

Коллективная защита

Коллективные меры защиты включают:

• Герметизацию помещений и использование систем вентиляции с фильтрацией воздуха.
• Дезактивацию загрязнённых поверхностей (смывание, вакуумирование, химическая обработка).
• Ограничение доступа на загрязнённые территории.
• Эвакуацию населения из зон с высоким уровнем загрязнения.
• Контроль за продуктами питания и водой.

Источники

1. Радиационная безопасность: термины и определения. — М.: Энергоатомиздат, 1990.
2. Израэль Ю. А. Радиоактивные выпадения после ядерных взрывов и аварий. — СПб.: Гидрометеоиздат, 2002.
3. Бекман И. Н. Радиоактивность и радиационная безопасность. — М.: МГУ, 2008.
4. Материалы Научного комитета ООН по действию атомной радиации (НКДАР ООН), доклады за 2000, 2008, 2013 годы.
5. Отчёт МАГАТЭ по аварии на АЭС «Фукусима-1», 2015.
6. Чернобыль: радиационные последствия для окружающей среды. — Вена: МАГАТЭ, 2006.