Загрязнение атмосферы радиоактивными веществами

Радиоактивным загрязнением атмосферы можно назвать любое увеличение фона естественной радиации, происходящее в результате использования человеком как встречающихся в природе, так и искусственно получаемых радиоактивных веществ. Этот вид атмосферных загрязнений представляет опасность не только для лиц, работающих с радиоактивными веществами, но и для всего общества.

Со времени открытия искусственной радиоактивности, а особенно после изобретения атомной бомбы и методов использования энергии атомного ядра, возможность поступления радиоактивных материалов в атмосферу значительно возросла. Поэтому очень важно изучить подробно этот вопрос и разработать меры, гарантирующие безопасный для здоровья человека уровень загрязненности атмосферы радиоактивными веществами. С этой целью необходимо, во-первых, выяснить потенциальные возможности различных радиоактивных источников загрязнения атмосферы, а во-вторых, изучить свойства каждого вида таких загрязнителей и их судьбу после поступления в атмосферу. После этого можно приступить к оценке вредного влияния радиоактивных загрязнений па основании биологических, патологических и токсикологических исследований, а отсюда определить предельно допустимые уровни радиоактивных загрязнений. Для того чтобы эти пределы соблюдались, необходимо разработать эффективную систему инспекции и предпринять соответствующие меры предосторожности путем организации контроля за выбросами радиоактивных материалов в атмосферу.

Факторы, определяющие загрязненность атмосферы радиоактивными веществами

При исследовании этой проблемы прежде всего необходимо определить источники загрязнения атмосферы радиоактивными веществами, затем определить количество радиоактивных загрязнений, выпускаемых каждым из таких источников, вид излучения и область их распространения. Наконец, следует выяснить судьбу радиоактивных веществ после поступления их в атмосферу, при этом полностью изучить все изменения, которые происходят до конечного прямого или косвенного влияния на организм человека.

Перечень источников радиоактивных загрязнений

Наиболее удобным способом определения разнообразных источников радиоактивных загрязнений является последовательное прослеживание различных стадий обработки радиоактивных веществ, начиная с их выделения и очистки и кончая применением их в мирных или военных целях. Производством радиоактивных веществ заняты глазным образом предприятия тяжелой промышленности, например урановые и ториевые рудники, ядерные реакторы и химические заводы. Радиоактивные изотопы находят широкое применение - от использования их в качестве меченых атомов или источников излучения для медицинских целей до образования электро и других видов энергии и ядерных взрывов. Изучая различные стадии производства и применения радиоактивных изотопов, интересно рассмотреть цель каждой операции, получаемые при этом радиоактивные отходы и постоянное или случайное загрязнение атмосферы.

Получение ядерного топлива

Процесс получения ядерного горючего для дальнейшего использования в реакторах или для ядерных взрывов проходит ряд последовательных стадий: добычу урановой или ториевой руды; отмывку и обогащение руды на предприятиях, расположенных вблизи рудников, что обеспечивает экономичность транспортировки; выплавку чистого урана или тория на металлургических предприятиях и химическое разделение различных изотопов урана и тория. Общим для всех этих процессов является то, что в них участвуют только естественные радиоактивные элементы семейств урана и тория.

В процессе получения ядерного горючего накапливаются значительные количества отходов. На рудниках и близлежащих предприятиях накапливаются отвалы твердой пустой породы, содержащей весьма незначительный процент руды. На металлургических предприятиях отходы могут быть твердыми или дегтеобразными и содержать все дочерние продукты урана и тория, в особенности радия. Таким образом, процессы получения ядерного топлива можно подразделить на две фазы: одна - предшествующая отделению урана и тория от их дочерних продуктов, а другая - последующая. Каждая из этих фаз сопровождается различным загрязнением атмосферы.

Фаза, предшествующая отделению урана и тория от их дочерних продуктов, включает в себя добычу руды и предварительную обработку, которая проводится па заводах, расположенных вблизи рудников (отмывку, обогащение) и па металлургических предприятиях (измельчение). Загрязнение атмосферы в ходе этих операций может возникать в результате образования радиоактивных газов (радона, торона), адсорбции твердых дочерних продуктов радона и торона па суспензированных в воздухе частицах и образования пыли из урановой и ториевой руды.

Фаза, наступающая вслед за отделением урана и тория от их дочерних продуктов, включает в себя очистку металлического урана и тория с помощью превращения их в различные соли или другие соединения и разделение изотопов урана и тория, обычно с помощью метода газовой диффузии. Характерным для этой фазы является то, что загрязнение атмосферы радиоактивными газами, радоном и тороном может произойти здесь только в тех случаях, когда эти газы содержатся в твердых отходах, или в шламах, скапливающихся вблизи металлургических предприятий. Загрязнения атмосферы, возникающие при этих операциях, обусловлены обычно образованием пыли окислов урана и тория или газообразных веществ, особенно фтористого урана.

Процессы в ядерных реакторах

Полученное таким образом ядерное горючее доставляется в реакторы, где следует обратить внимание па три процесса.

1. Процессы расщепления: первичное топливо частично превращается во вторичное топливо (например, уран повышает количество плутония) с одновременным появлением продуктов деления.

2. Процессы активации: стабильные вещества в реакторе подвергаются действию потока нейтронов и частично превращаются в радиоактивные изотопы.

3. Термические процессы: тепло, образующееся в ходе процессов расщепления и активации, требует использования охлаждающих систем. Посредством теплообмена это тепло может превращаться в другие виды энергии, главным образом электрическую.

Образующиеся в ходе этих процессов радиоактивные отходы можно подразделить на два типа: продукты деления, которые содержатся в общей массе первичного и вторичного топлива, и внешние активированные продукты, находящиеся главным образом в охлаждающих средах. Таким образом, как элементы топлива, так и охлаждающие среды становятся потенциальными источниками радиоактивных загрязнений атмосферы. Последние могут возникать при поступлении в атмосферу радиоактивных газов, например ксенона и криптона, являющихся продуктами деления; при сообщении наведенной активности содержащемуся в атмосфере аргону; при образовании радиоактивных аэрозолей, содержащих частицы первичного или вторичного топлива (уран, торий, плутоний); при поступлении в атмосферу продуктов расщепления (Sr⁹⁰, Се¹⁴⁴, Ва¹⁴⁰, Zr⁹⁵ и т. д.) или при образовании наведенной активности различных веществ. Таким образом, хотя операции, происходящие в ядерных реакторах, могут сопровождаться загрязнением атмосферы естественными радиоактивными элементами, главную опасность представляют собой радиоактивные изотопы, искусственно образованные в процессе расщепления и активации.

Химические и металлургические процессы

Химическая и металлургическая обработка продуктов, получаемых из ядерных реакторов, имеет целью: а) разделить первичное топливо, вторичное топливо и продукты деления и активации; б) выделить первичное топливо (уран, торий) и превратить его в металл, который можно использовать в дальнейшем; в) экстрагировать вторичное топливо (например, плутоний) и приготовить из пего металлические продукты или химические соединения; г) превратить продукты расщепления и активации в радиоактивные изотопы для использования в промышленности, научно-исследовательской работе и медицине.

Радиоактивные отходы, образующиеся в результате этих процессов, являются чрезвычайно важными, поскольку они включают в себя весь нежелательный избыток продуктов расщепления и активации, а также продукты, активированные самими загрязнениями. Так как эти отходы образуются в больших количествах и обладают высокой активностью, они создают крайне трудную для здравоохранения проблему, особенно в отношении их обработки и хранения.

К счастью опасность загрязнения атмосферы при этом оказывается относительно небольшой, так как большинство операций проводится с излучателями в жидком состоянии. Поэтому единственной опасностью являются летучие вещества или образование жидких аэрозолей, если не считать пыли, возникающей при измельчении и металлургической обработке металлов (урана, тория, плутония и т. д.). Во всех случаях основным видом атмосферных загрязнений будут искусственные радиоактивные изотопы, главным образом в форме топко размельченных частиц, взвешенных в атмосфере. Эти радиоактивные изотопы состоят преимущественно из альфа- или бета-гамма-излучателей с длительным периодом полураспада.

Мирное использование радиоактивных изотопов

Применение радиоактивных изотопов в промышленности, сельском хозяйстве, медицине и научных исследованиях приобрело такой размах, что здесь можно указать лишь на принципы, лежащие в основе этого применения.

Источники излучения используются, во-первых, для гаммаграфии или для массивного внешнего облучения (стерилизации). Во-вторых, радиоактивные изотопы могут использоваться в качестве метки в промышленности, биологии, сельском хозяйстве или при внутреннем облучении в медицине. Радиоактивные отходы появляются лишь при втором типе применения. Это могут быть неиспользованные остатки радиоактивных изотопов и продукты распада или выделения их, количество которых невелико. Такие отходы могут находиться в жидком, твердом или густом виде (шламмы) и только очень редко в газообразном. Загрязнение атмосферы, про исходящее при этом, обычно не имеет большого значения, за исключением тех случаев, когда можно ожидать распространения загрязнений па значительной территории, например при использовании изотопов в сельском хозяйстве, железо- и сталелитейной промышленности и океанографии. Эти загрязнители обычно взвешены в атмосфере в виде растворимых или нерастворимых, тонко измельченных соединений и представляют собой преимущественно бета-гамма-излучатели с коротким или средним периодом полураспада.

В будущем можно ожидать расширения использования радиоактивных изотопов в качестве источников энергии, приводящей в движение транспорт и т. п. Это выдвинет проблему, аналогичную ядерным реакторам, но осложненную тем, что источники загрязнения атмосферы будут подвижными.