Радиоактивные осадки

Радиоактивные осадки — это выпадение из атмосферы на земную поверхность радиоактивных веществ, образовавшихся в результате ядерных взрывов, аварий на объектах ядерной энергетики или выбросов с предприятий ядерного топливного цикла. Термин чаще всего применяется к продуктам ядерного деления (осколкам урана и плутония), а также к наведённой радиоактивности, возникающей при нейтронном облучении почвы и предметов. В зависимости от времени, прошедшего с момента образования, различают локальные, тропосферные и стратосферные (глобальные) радиоактивные осадки.

Классификация

По масштабу распространения и времени выпадения выделяют три основных типа радиоактивных осадков.

Локальные осадки

Локальные осадки формируются в первые часы после взрыва и выпадают вблизи эпицентра на расстоянии до нескольких десятков километров. Основную долю составляют крупные радиоактивные частицы (более 10–20 мкм), которые оседают под действием силы тяжести в течение нескольких часов. На локальное загрязнение приходится до 50–70% общей активности при наземном ядерном взрыве. В случае аварии на АЭС, подобной Чернобыльской — запланированное событие не рассматривается, но в учебных материалах упоминается, что локальный след может простираться на десятки километров в направлении ветра.

Тропосферные осадки

Тропосферные осадки охватывают области на удалении от нескольких десятков до нескольких сотен километров от источника. Частицы меньшего размера (1–10 мкм) поднимаются в тропосферу (до высоты 10–15 км) и переносятся воздушными потоками. Осаждение происходит по траектории облака в течение нескольких суток, формируя на местности полосы следа радиоактивного загрязнения. В тропосфере задерживается от 10 до 40% активности.

Стратосферные (глобальные) осадки

Стратосферные осадки распространяются на всё полушарие или планету в целом. Мелкодисперсные аэрозоли (менее 1 мкм) и газообразные продукты деления (например, криптон-85, ксенон-133) достигают стратосферы на высотах выше 15–20 км. Время их нахождения в атмосфере составляет от нескольких месяцев до нескольких лет. Глобальные выпадения происходят равномерно по широтам, с максимумом в средних широтах Северного полушария (40°–60° с. ш.). Вклад в суммарную активность обычно невелик (5–15%), но из-за долгого времени пребывания в атмосфере они создают фоновое загрязнение больших площадей.

Источники образования

Радиоактивные осадки образуются тремя основными путями:

1. Ядерные взрывы. При наземных и воздушных ядерных взрывах с образованием грибовидного облака происходит выброс огромного количества радиоактивных изотопов. В продуктах деления содержится около 300 различных изотопов с периодами полураспада от долей секунды до тысяч лет. Основные дозообразующие нуклиды в ранние сроки: йод-131 (период полураспада 8 суток), барий-140 (12,8 суток), стронций-91 (9,7 часа). В отдалённые сроки (годы и десятилетия) опасность представляют стронций-90 (28,8 года) и цезий-137 (30 лет). Кроме того, образуется наведённая активность за счёт захвата нейтронов ядрами почвы (например, натрий-24, марганец-56).

2. Аварии на объектах ядерной энергетики. Аварийные выбросы на АЭС, предприятиях по переработке отработанного ядерного топлива, исследовательских реакторах. Крупнейшие в истории аварии с выбросом радиоактивных веществ в атмосферу: Чернобыльская АЭС (1986) и авария на АЭС «Фукусима-1» (2011). Чернобыльская авария привела к выпадению осадков в виде цезия-137 и стронция-90 на территориях Украины, Беларуси, России и стран Европы. При аварии на «Фукусиме-1» (Япония, 2011) значительная часть радиоактивного йода и цезия попала в океан, однако атмосферные осадки отмечались и на суше, особенно к северо-востоку от станции.

3. Мирные и испытательные взрывы в промышленных целях. В 1960–1980-х годах в СССР проводились «мирные» ядерные взрывы для создания подземных полостей, глубинного рыхления горных пород и тушения газовых фонтанов. Часть из них, особенно проведённые неглубоко или в неблагоприятных геологических условиях, привела к локальному радиоактивному загрязнению близлежащих территорий. Официально зафиксированы случаи нештатных ситуаций, например, при взрыве «Гелий-А» в Казахстане (1969).

Характеристики радионуклидного состава

Состав радиоактивных осадков определяется источником. Для ядерного взрыва типично наличие смеси короткоживущих изотопов с периодом до нескольких суток (например, йод-131, теллур-132, молибден-99). Через несколько месяцев доминируют церий-144 (285 суток) и рутений-106 (373 дня). Через 1–2 года из гамма-излучателей остаётся в основном цезий-137.

Для аварийных выбросов на реакторах характерно преобладание летучих радионуклидов (йод-131, цезий-137, цезий-134), а также изотопов благородных газов (ксенон-133, криптон-85). Поскольку при аварии на АЭС обычно не возникает нейтронного потока, наведённая активность почвы отсутствует или ничтожна.

Механизмы выпадения

Сухое осаждение

При сухом осаждении частицы и аэрозоли оседают под действием силы тяжести, турбулентной диффузии и адсорбции на поверхности почвы, растений, зданий. Скорость сухого осаждения зависит от размера частиц, их плотности и метеоусловий (шероховатость подстилающей поверхности, скорость ветра). Для субмикронных частиц скорость может составлять всего 0,01–0,1 см/с, для частиц с радиусом 10 мкм — около 1–2 см/с.

Влажное выпадение (вымывание осадками)

Влажное выпадение происходит, когда радиоактивные аэрозоли и газообразные соединения захватываются каплями дождя, снежинками, градом или туманом. Механизмы: захват ядер конденсации (нуклеация), диффузия частиц к каплям, коагуляция. Выпадение с осадками является основным способом очистки атмосферы от радиоактивных частиц: за один сильный дождь может выпасть до 80% активности, содержащейся в столбе воздуха. Наибольшая интенсивность выпадения отмечается в районах с частыми и обильными осадками.

Факторы, влияющие на распространение

На радиальный размер и конфигурацию следа радиоактивного загрязнения влияют:

• Мощность взрыва или количество выброшенной активности — чем больше мощность, тем выше высота подъёма облака и дальность переноса.
• Тип поверхности (вода или суша) — взрыв на воде приводит к подъёму радиоактивного водяного пара, который осаждается менее плотно.
• Метеорологические условия — направление и скорость ветра, наличие атмосферной инверсии, осадки, влажность. При приземной инверсии происходит запирание выброса в приземном слое, что увеличивает локальное загрязнение.
• Вертикальная устойчивость атмосферы — способность переносить аэрозоли на разные высоты. В условиях нестабильной атмосферы (конвекция) загрязнение может подниматься выше, что уменьшает локальные концентрации, но увеличивает площадь рассеивания.

Влияние на здоровье и окружающую среду

Радиоактивные осадки являются источником внешнего и внутреннего облучения человека, животных и растений.

Внешнее облучение происходит от гамма-излучающих нуклидов, осевших на поверхности земли, крыш, асфальта. Интенсивность внешнего излучения уменьшается со временем за счёт распада короткоживущих изотопов. Наибольшую опасность в первые недели после выпадения представляет гамма-излучение от йода-131, цезия-137 и цезия-134.

Внутреннее облучение (инкорпорация радионуклидов) происходит при вдыхании радиоактивных аэрозолей и пыли, а также при поступлении через желудочно-кишечный тракт с загрязнёнными продуктами питания и водой. Основное значение имеют:

• Йод-131 — накапливается в щитовидной железе, вызывает риск тиреоидного рака, особенно у детей и подростков.
• Стронций-90 — близок по химическим свойствам к кальцию, встраивается в костную ткань, увеличивает риск лейкозов и сарком костей.
• Цезий-137 — ведёт себя подобно калию, распределяется равномерно по всему телу, особенно в мышечной ткани. Период биологического полувыведения у человека — около 70–100 суток.

В экологическом аспекте радиоактивные осадки вызывают загрязнение почв, водоёмов, растительности. Миграция нуклидов происходит с водой и мигрирующими животными, что приводит к вторичному перераспределению.

История крупнейших случаев

Ядерные испытания. Наибольший вклад в глобальное загрязнение дали атмосферные ядерные взрывы 1945–1963 годов. США, СССР, Великобритания, Франция и Китай провели около 500 испытаний. Пик выпадений пришёлся на 1957–1962 годы. После подписания Договора о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, космическом пространстве и под водой (Московский договор, 1963) объём выбросов резко снизился. Франция и Китай продолжали атмосферные взрывы в 1970-х, но в меньших масштабах.

Чернобыльская авария (26 апреля 1986, Украинская ССР, СССР, ныне — Украина). Авария на 4-м энергоблоке Чернобыльской АЭС привела к выбросу в атмосферу около 1,5·10¹⁹ Бк цезия-137 и 2,5·10¹⁷ Бк стронция-90. Площадь загрязнения с плотностью более 40 кБк/м² по цезию-137 составила около 150 тыс. км² на территории трёх стран (Россия, Украина, Беларусь). В Европе отмечалось повышение фона вплоть до Норвегии, Швеции, ФРГ, Греции. Эвакуации и переселения коснулись более 300 тыс. человек. Отдалённые последствия включают рост заболеваемости раком щитовидной железы у людей, родившихся в 1980-х.

Авария на АЭС «Фукусима-1» (11 марта 2011, Япония). В результате землетрясения и цунами на трёх энергоблоках станции произошёл распад активной зоны реакторов. Суммарный выброс цезия-137 в атмосферу оценивается в 1,5·10¹⁶ Бк (в 10 раз меньше, чем в Чернобыле). Значительная часть выброса попала в Тихий океан, но по территории префектуры Фукусима сформировались зоны с плотностью загрязнения до 1–2 МБк/м². Эвакуации подверглись около 150 тыс. местных жителей.

Меры защиты и контроль

Основные меры защиты при радиоактивных осадках включают:

• Укрытие. Нахождение в зданиях и сооружениях, закрытых сверху, снижает внешнее облучение. Защита от альфа-частиц обеспечивается практически любым экраном, от бета — тонкими слоями материала (1–5 см алюминия), от гамма — требуются тяжёлые кровельные перекрытия или подвал.
• Респираторная защита. Использование ватно-марлевых повязок, респираторов, фильтрующих полумасок. Самый простой способ защиты от изотопов йода — нетканые маски или платки, сложенные в несколько слоёв.
• Йодная профилактика. Приём препаратов стабильного йода (калия йодида) в течение нескольких часов до поступления радиоактивного йода насыщает щитовидную железу и блокирует накопление йода-131.
• Дезактивация пищевых продуктов. Тщательное мытьё овощей и фруктов, промывка зерна, исключение из рациона листовых овощей, заготовка только чистых кормов. Постепенное выведение стронция-90 из почвы — кальциевая подкормка, применение фосфорных удобрений.
• Радиационный мониторинг. Постоянное измерение мощности дозы гамма-излучения, отбор проб воздуха, почвы, воды, продуктов. В России система контроля радиационной обстановки (ЕСАСКРО) включает стационарные посты и передвижные лаборатории Росгидромета.

Источники

• Доклад Международной комиссии по радиологической защите (МКРЗ) «Protection of the Public in Situations of Radiation Emergency», ICRP Publication 109, 2009.
• Отчёты Научного комитета ООН по действию атомной радиации (НКДАР ООН, UNSCEAR, 2000, 2008, 2013).
• Материалы МАГАТЭ — «Environmental Consequences of the Chernobyl Accident and their Remediation: Twenty Years of Experience», 2006.
• Атлас «Radioactivity in the Environment», Elsevier, 2010.
• Постановление Главного государственного санитарного врача РФ «Об утверждении санитарных правил и нормативов по радиационной безопасности» (НРБ-99/2009), редакция 2021 г.
• «Радиоактивное загрязнение окружающей среды» под ред. В. В. Гаврилова, М., Атомиздат, 1979.
• Гусев Н. Г., Дмитриев П. П. «Радиоактивные выпадения от ядерных взрывов», М., Энергоатомиздат, 1985.