Стронций-90

Стронций-90 (⁹⁰Sr) — радиоактивный изотоп стронция с атомным номером 38 и массовым числом 90. Относится к группе радиоактивных щелочноземельных металлов, является продуктом деления ядер урана и плутония, одним из наиболее опасных долгоживущих радионуклидов. Период полураспада стронция-90 составляет 28,8 лет. Из-за высокой химической активности и способности накапливаться в костной ткани представляет значительную радиационную угрозу для человека и биосферы. Накапливается в биосфере в результате ядерных испытаний, аварий на радиохимических предприятиях и атомных электростанциях.

История открытия и происхождение

Стронций-90 был идентифицирован в конце 1940-х годов в ходе исследований продуктов деления урана в рамках Манхэттенского проекта. Его обнаружение стало возможным благодаря совершенствованию методов радиохимического анализа, в частности масс-спектрометрии и радиометрических измерений. Впервые стронций-90 был выделен в чистом виде химиками Аргоннской национальной лаборатории (США) в 1945 году. Практический интерес к изотопу резко возрос после начала масштабных ядерных испытаний в 1950-х годах, когда стало ясно, что ⁹⁰Sr — один из ключевых долгоживущих компонентов радиоактивных осадков.

Основное количество стронция-90 в окружающей среде образовалось в результате атмосферных ядерных взрывов 1945–1963 годов, а также вследствие подземных и наземных испытаний. По оценкам, за период проведения ядерных испытаний в атмосферу было выброшено около 1×10¹⁹ Бк стронция-90. После подписания Договора о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере (1963) поступление изотопа в биосферу резко сократилось, однако значительные количества продолжают поступать из хранилищ радиоактивных отходов и при авариях на объектах ядерной энергетики.

Физико-химические свойства

⁹⁰Sr — чистый бета-излучатель. При распаде испускает бета-частицы с максимальной энергией 0,546 МэВ, образуя дочерний нуклид — иттрий-90 (⁹⁰Y), который, в свою очередь, является бета-излучателем с энергией 2,28 МэВ и периодом полураспада 64,1 часа. Таким образом, биологическое действие стронция-90 часто рассматривается совместно с его дочерним продуктом.

Химически стронций-90 ведет себя как типичный щелочноземельный металл: он легко образует растворимые соли (хлориды, нитраты, сульфаты), которые хорошо всасываются в желудочно-кишечном тракте. В нейтральных и слабощелочных средах (например, в дождевой воде или почве) стронций-90 может мигрировать в форме иона Sr²⁺. Растворимость его соединений значительно варьирует: карбонат стронция (SrCO₃) в воде малорастворим, тогда как хлорид (SrCl₂) и нитрат (Sr(NO₃)₂) — хорошо растворимы.

Биологическая роль и токсикология

Стронций-90 не имеет стабильных изотопов и не является естественным компонентом живых организмов. Однако он близок по химическим свойствам к кальцию, поэтому в организме человека и животных ведет себя как его аналог. После поступления внутрь (с водой, пищей или вдыхаемым воздухом) около 20–30% стронция-90 всасывается в кровь. Далее изотоп преимущественно откладывается в костной ткани, особенно в зонах активного роста — эпифизах трубчатых костей и губчатом веществе позвонков. Период полувыведения из костей составляет 10–20 лет, что обуславливает хроническое облучение красного костного мозга.

Основной биологический эффект стронция-90 — поражение костного мозга и развитие онкологических заболеваний, в первую очередь остеосаркомы и лейкозов. Бета-излучение ⁹⁰Sr и его дочернего ⁹⁰Y создаёт высокую местную дозу облучения в костной ткани. При концентрациях, превышающих допустимые уровни (установленные в РФ нормативы радиационной безопасности — НРБ-99/2009), возможно развитие апластической анемии, некроза костной ткани, злокачественных новообразований кроветворной системы.

Особую опасность стронций-90 представляет для детей, у которых процессы минерализации костей и скорость метаболизма кальция выше, чем у взрослых. В регионах, подвергшихся радиоактивному загрязнению, у детей отмечается повышенное накопление ⁹⁰Sr в зубах и скелете.

Распространение в окружающей среде

Основные пути поступления стронция-90 в биосферу:

• Атмосферные ядерные взрывы (до 1963 года) — глобальное загрязнение (в первую очередь в средних широтах Северного полушария).
• Аварии на радиохимических комбинатах (например, авария на предприятии «Маяк» в 1957 году — Восточно-Уральский радиоактивный след, загрязнение реки Течи).
• Аварии на атомных электростанциях (Чернобыльская авария 1986 года; авария на АЭС Фукусима-1 (Япония) в 2011 году).
• Сбросы жидких радиоактивных отходов в моря и водоёмы (в том числе в районах деятельности ПО «Маяк» и других объектов атомной промышленности).
• Эксплуатация и утилизация ядерных реакторов (утечки из топливных стержней, хранилищ отработанного топлива).

В почвах стронций-90 фиксируется в основном в верхнем слое (0–10 см), где может включаться в биологический круговорот. Поскольку он химически схож с кальцием, изотоп активно поглощается растениями (особенно злаковыми, бобовыми) из почвенного раствора. По пищевой цепочке «почва — растение — животное — человек» происходит его концентрирование. В молоке и мясе коров, пасущихся на загрязненных пастбищах, содержание ⁹⁰Sr может превышать фоновые уровни в десятки раз.

Методы детектирования и контроля

Определение концентрации стронция-90 в различных средах проводится методами радиохимического анализа. Основные этапы: пробоподготовка (озоление органических образцов), растворение, осаждение карбонатов или оксалатов стронция, очистка от радиоактивных примесей и последующая радиометрия бета-излучения. Чаще всего используется сцинтилляционный или газоразрядный счетчик. Предел обнаружения в пищевых продуктах и объектах окружающей среды в РФ составляет порядка 0,1–0,5 Бк/кг (в зависимости от типа образца и методики).

Для радиационного контроля в зонах загрязнения применяются также дозиметрические приборы, например, рентгенометры (РУГ-91, ДРГ-01, ДРБП-03), которые измеряют мощность амбиентного эквивалента дозы. Однако прямое измерение бета-излучения ⁹⁰Sr через слой воздуха или почвы невозможно без пробоотбора из-за малой длины пробега бета-частиц.

Гигиеническое нормирование

В Российской Федерации действуют гигиенические нормативы, установленные СанПиН 2.6.1.2523-09 «Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009)»:

• Предел годового поступления ⁹⁰Sr для персонала группы А (профессиональное облучение) — 1,0×10⁵ Бк/год.
• Для населения — 4,0×10⁴ Бк/год.
• Допустимая удельная активность ⁹⁰Sr в питьевой воде — 4,9 Бк/л, в молоке — 0,5 Бк/кг, в хлебных продуктах — 1,0 Бк/кг.

В случае превышения указанных уровней необходима дезактивация территорий (удаление поверхностного слоя почвы, изоляция загрязненных участков, известкование почв для снижения доступности для растений).

Применение

Стронций-90 находит ограниченное применение в науке и технике, главным образом как источник бета-излучения в радиоизотопных термоэлектрических генераторах (РИТЭГ). Такие генераторы используются для автономного энергоснабжения маяков и навигационных буев в труднодоступных районах (например, на побережье Северного Ледовитого океана). Единичные РИТЭГ с ⁹⁰Sr также устанавливались на некоторых космических аппаратах.

Кроме того, ⁹⁰Sr используется в медицине для брахитерапии некоторых новообразований, в частности, для облучения мелких поверхностных опухолей (например, при гемангиомах глазного яблока). Применяются аппликаторы, содержащие стронций-90 в герметичном корпусе. Также изотоп используется как источник бета-излучения в некоторых дозиметрических приборах для проверки работоспособности радиометров.

В сельском хозяйстве и экологии ⁹⁰Sr рассматривается как маркер для изучения миграции кальция в почвах и растениях, однако его применение ограничено высокими требованиями радиационной безопасности.

Опасность и меры предосторожности

Из-за высокой токсичности и долгого периода полураспада стронций-90 включен в перечень наиболее опасных (I класс опасности) радиоактивных веществ согласно ГОСТ 12.1.007-76. При работе с ним требуются специальные меры: использование герметичных боксов, защитных костюмов, респираторов, индивидуальных дозиметров; обязательная дезактивация рабочих поверхностей и инструментов. Хранение осуществляется в защитных контейнерах с толстостенным стальным корпусом (толщиной не менее 10 мм), так как бета-излучение частично экранируется сталью и полностью — слоем воды или кожи человека. Однако при внешнем облучении бета-частицы могут вызывать ожоги кожи и хрусталика глаза (радиационная катаракта).

Особую угрозу представляет попадание ⁹⁰Sr в организм при авариях — он не выводится полностью, накапливается в костях и создает хроническое облучение в течение десятилетий. В случае радиационной аварии с выбросом ⁹⁰Sr (как, например, в зоне Чернобыльской АЭС) рекомендованы мероприятия по ограничению миграции изотопа: известкование почв, внесение кальциевых удобрений, замена кормов для скота, смена рациона питания населения (исключение молока и зелени). Эвакуация и переселение жителей с территорий с уровнем загрязнения по ⁹⁰Sr более 3,7×10⁵ Бк/кв. км (зона отселения) — стандартный порядок, установленный в РФ на законодательном уровне.

Ликвидация и захоронение

Стронций-90 входит в состав высокоактивных жидких отходов, образующихся при переработке отработанного ядерного топлива. Современные методы обращения с такими отходами включают:

• Остекловывание (витрификация) — включение отходов в стеклянную матрицу с последующим захоронением в стабильных геологических формациях (на глубине 500–1000 м).
• Цементирование — создание бетонных блоков с включением ⁹⁰Sr, которые затем помещаются в наземные хранилища.
• Извлечение и разделение — метод, позволяющий выделить стронций-90 отдельной фракцией для его последующей трансмутации в стабильные или менее опасные изотопы (ускорительная технология). В промышленных масштабах этот метод пока не применяется.

В России наиболее крупное хранилище стронций-90 находится на территории радиохимического завода ПО «Маяк» (Челябинская область), где сосредоточена основная масса жидких радиоактивных отходов после переработки оружейного плутония и отработанного топлива. Перспективу захоронения ⁹⁰Sr связывают с созданием подземных лабораторий и пунктов окончательной изоляции, например, в районе Нижнекамского массива (Татарстан) — проект подземной исследовательской лаборатории (ПИЛ) для высокоактивных отходов.

Интересные факты

• Стронций-90 является одним из наиболее распространенных компонентов радиоактивных выпадений после атмосферных ядерных взрывов — его находили в биосфере вплоть до середины 2000-х годов, хотя концентрации в глобальном масштабе снизились в 10–20 раз по сравнению с пиком в 1963 году.
• В зоне аварии на Чернобыльской АЭС стронций-90 наряду с цезием-137 стал определяющим долгоживущим загрязнителем в 30-километровой зоне отчуждения. На сегодняшний день его содержание в почве участков, удаленных на 20–30 км от реактора, всё ещё превышает доаварийный уровень в 100–500 раз.
• В 2011 году после аварии на АЭС Фукусима-1 в Японии было зафиксировано поступление стронция-90 в Тихий океан с концентрациями, достигавшими 1,3×10³ Бк/л вблизи выброса.
• Стронций-90 — ключевой радионуклид, используемый в палеорадиоэкологии для реконструкции доз облучения населения в зонах ядерных испытаний (например, на Семипалатинском полигоне). По содержанию ⁹⁰Sr в зубах и костях современников испытаний можно оценить индивидуальные дозы внутреннего облучения.

Источники

1. Баранов В.М. и др. Радиационная гигиена. — М.: Медицина, 2001.
2. Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009). СанПиН 2.6.1.2523-09. — М.: Минздрав России, 2009.
3. Химическая энциклопедия: в 5 т. / гл. ред. И.Л. Кнунянц. — М.: Советская энциклопедия, 1990–1998.
4. Бородин А.М. Экологические и медицинские последствия воздействия стронция-90 на организм человека: обзор // Радиационная гигиена. — 2015. — Т. 8, № 4.
5. Радиохимия: учебное пособие / под ред. И.А. Васильева. — М.: Изд-во МГУ, 2012.
6. «Маяк» — история и радиационная обстановка: сборник документов / Министерство по атомной энергии РФ. — Озерск: ПО «Маяк», 2003.
7. Доклад НКДАР ООН 2013 г. «Эффекты ионизирующего излучения». — Нью-Йорк: ООН, 2013.
8. Закон РФ «О радиационной безопасности населения» от 09.01.1996 № 3-ФЗ.