Особливості радіоактивного забруднення довкілля

Однією із найактуальніших проблем сучасної екології є впливрадіації на людину і оточуюче її середовище.

Радіоактивність разом із іонізуючим випроміненням існувала на Землі задовго до зародження БС. Іонізуюче випромінення супроводжувало Великий вибух, з якого почалось існування нашого Всесвіту близько 20 млрд. років тому назад. Радіоактивні елементи ввійшли до складу геосфер. Навіть людина злегка радіоактивна, через те, що в її тканинах позначаються сліди радіоактивних елементів.

Як відомо, число протонів у ядрі атома одного елемента завжди однакове, а число нейтронів може відрізнятися, тобто існують ізотопні різновиди елементів (наприклад, 'Н, ²Н, ^ЗН). Із ядра ²³⁸U, що складається із 92 протонів і 146 нейтронів, час від часу виривається 2 протони і 2 нейтрони; при цьому ²³⁸U перетворюється на ²³⁴Th (90 протонів і 144 нейтрони), який також нестабільний і перетворюється на ²³⁴Pa і т.д. до появи стабільного (²³⁸U - ²³⁴Th - ²³⁴Pa - ²⁰⁷Pb). Нукліди - атоми,які відрізняються складом ядра (або з різним числом нуклонів - протонів та нейтронів, або при однаковому числі нуклонів з різним співвідношенням між числом протонів та нейтронів). Увесь процес довільного розпаду нестабільного нукліду називається радіоактивним розпадом, а сам нуклід - радіонуклідом. Усі радіонукліди нестабільні різною мірою: ²³⁴Ра розпадається майже моментально, ²³⁸U - 4,5 млрд. років, ²¹⁴Рo - 0,000164 сек і т.д. (за час, який дорівнює періоду піврозпаду із 100 атомів залишається 50). Число розпадів за секунду у радіоактивному зразку називається його активністю. Одиниця виміряння активності (СІ) беккерель (Бк) дорівнює 1 розпаду на секунду. У колишньому СРСР використовувалась несистемна одиниця активності - кюрі (Кч); 1 Бк == 27•10^-12Ки.

Різні види випромінювань супроводяться вивільненням різної кількості енергії і мають різну проникну здатність, тому вони справляють неоднаковий вплив на тканини живих організмів:

1) а-випромінювання являє собою потік ядер атомів гелію - їх проникна здатність в повітрі 7-10 см, у воді - 20-60 см, в біологічній тканині - 0,03-0,04 мм (тому зовнішнє опромінення людини а-цастинками менш небезпечне; небезпека виникає при їх проникненні всередину організму при диханні або з їжею);

2) B-випромінювання являє собою потік електронів, які мають таку проникну здатність - в повітрі 8-14 м, в алюмінії і пластмасі 5-7 мм, в біологічних тканинах 2,5 см;

3) у-випромінювання являє собою потік квантів, тобто це електромагнітне випромінювання з дуже короткою довжиною хвилі (у-промені глибоко проникають в організм людини і являють велику радіаційну небезпеку).

Ушкоджень, які викликані у живому організмі випроміненнями, буде тим більше, чим більше енергії вони передають тканинам. Кількість такої переданої організму енергії називається дозою. Кількість енергії випромінювання, яка поглинається одиницею маси опроміненого тіла (тканинами організму), називається поглиненою дозою. Одиниця вимірювання у СІ - 1 грей (Гр); 1 Гр = 10³мГр= ІО⁶мкГр). Якщо взяти до уваги, що за однакової поглиненої дози а-випромінення у 20 разів безпечніше за р- або у- випромінення, то дозу треба помножити на коефіцієнт, який віддзеркалює здатність даного виду випромінення ушкоджувати тканини організму; обчислену дозу називають еквівалентною дозою, яка вимірюється у СІ в зівертах (Зв);1 Зв = 10³ мЗв = 10⁶ мкЗв. Але при однаковій еквівалентній дозі випромінення виникнення раку легенів більш імовірне, ніж раку щитовидної залози, тому дози опромінення органів і тканин слід враховувати з різними коефіцієнтами. Помноживши еквівалентні дози на відповідні коефіцієнти та просумувавши по усіх органах і тканинах, можна отримати ефективну еквівалентну дозу, яка відображує сумарний ефект випромінювання для організму в зівертах. Це були індивідуально одержані дози. Підсумовуванням ефективних еквівалентних доз, які одержує група людей, визначається колективна ефективна еквівалентна доза у людино-зівертах (люд-Зв); якщо ця доза одержується багатьма поколіннями від будь-якого радіоактивного випромінення за весь час його дії, то це буде очікувана (повна) колективна еквівалентна доза.

Природні та антропогенні джерела радіації. Основну частину радіації населення нашої планети отримує від природних джерел. Зовнішньому опромінюванню (із космосу, із земної кори) людина не в змозі запобігти, але коли радіонукліди проникають в організм з повітрям, водою та їжею, то вони перетворюються на внутрішнє опромінення.

Трохи менше половини опромінення, яке отримує населення від зовнішніх природних джерел, припадає на космічні промені, які або досягають поверхні землі, або взаємодіють з атмосферою, породжуючи повторне випромінювання і приводячи до утворення різних радіонуклідів. Ступінь їх впливу збільшується на полюсах і з висотою (при підйомі з 4 до 12 км рівень опромінення за рахунок космічних променів зростає у 25 разів).

У гірських породах зустрічаються здебільшого ⁴⁰К і ⁸⁷Rb, тобто радіоактивні елементи, що походять від ²³⁸U і ²³²Th (ровесників Землі). Основне населення планети проживає у містах, де за рік доза опромінення складає 0,3-0,6 мЗв. Але у деяких районах відзначаються аномалії:

Бразилія, на північ від Сан-Паулу - 250 мЗв/рік; південний схід Індії - у 50 разів вище за середнє; Іран (м. Рамсер) - 400 мЗв/рік і т.д. Райони розвитку гранитоїдів на Кавказі мають більш високий радіаційний фон. Приблизно 2/3 ефективної дози опромінення, яку людина одержує від природної радіації, надходить від радіоактивних речовин з повітрям, водою та їжею. Із них більша частина космічного, менша - земного походження. Найбільша частина серед внутрішніх джерел опромінення припадає на ряд ²³⁸U і ²³²Th. Нукліди ²¹⁰Pb і ²¹⁰Po надходять з їжею; вони концентруються у рибах, молюсках. Мешканці Далекої Півночі, які харчуються м'ясом оленів (а ті мохами, лишайниками, збагаченими ²¹⁰Po), отримують у 35 разів більше середнього рівня радіоактивності.

Разом із повітрям, що вдихається, особливо у не провітрюваних помешканнях, попадає радон - важкий газ, який у 7,5 разів важчий за повітря. ²²²Rn є дочірнім продуктом радіоактивного розпаду ²³⁸U, а ²²⁰Rn - продуктом розпаду ²³²Th. Радон вивільняється із земної кори повсюдно і найбільш високі концентрації його відзначені у зонах розломів, що тяжіють до осередків розвитку радіоактивних руд. Підвищена радіоактивність характерна і для деяких термомінеральних (радонових) вод, у той час як в інших природних водах концентрації радону дуже низькі. При кип'ятінні радон звітрюється, тому надходить до організму лише з сирою водою і швидко виводиться із організму. Джерелом радону в помешканнях е будівельні матеріали, особливо з підвищеними концентраціями радіонуклідів.

Людиною створено декілька сотень штучних радіонуклідів, вона навчилася використовувати енергію атома у медицині, для виробництва енергії, ядерної зброї, пошуків корисних копалин і т.д., що привело до збільшення дози опромінення як окремих людей, так населення в цілому.

Основний внесок в дозу, яку отримує людина від техногенних джерел радіації, припадає на медичні процедури і методи лікування, пов'язані із застосуванням радіоактивності (променева терапія і т.д.). Опромінення з використанням рентгенівських променів може бути невиправдано високим. У наш час частота таких досліджень у багатьох країнах істотно поменшала. Здійснюється перехід на метод комп'ютерної томографії, тобто з меншою дозою опромінення. Середня ефективна доза, яку одержують від усіх видів джерел в медицині, у промислове розвинених країнах становить приблизно 1 мЗв на кожного мешканця, тобто половину середньої дози від природних джерел.

За останні 40 років жителі нашої планети підпадали під опромінення радіоактивними опадами, пов'язаними з випробуванням ядерної зброї в атмосфері (максимум припадає на 1954-1958 і 1961-1962 рр.). Після підписання в 1963 р. Договору про обмеження випробувань ядерної зброї в атмосфері, під водою і в космосі, лише Китай та Франція провели ряд ядерних вибухів на земній поверхні (останній в 1980 р.). Частина радіоактивних речовин випадає недалеко від місця вибуху, частина потрапляє до тропосфери й переміщується з вітром звично на тій же широті, а основна частина надходить до стратосфери і протягом багатьох місяців повільно опускається та розсіюється по усій поверхні Землі. Дози від різних радіонуклідів різні, тому цю вони мають різні періоди піврозпаду. Більшість радіонуклідів розпадається швидко. Сумарна очікувана колективна ефективна еквівалентна доза від всіх ядерних випробувань, проведених у атмосфері, складає ЗО млн. людино-зівертів. До 1980 р. людство одержало лише 12 % від цієї дози, а решту воно буде одержувати іще млн. років.

За нормальної роботі АЕС викиди радіоактивних речовин у довкілля незначні. До кінця 1984 р. у 25 країнах працювало 345 ядерних реакторів (США-85, Франція-41, СРСР-56, Великобританія-37, ФРН-19, Японія-31), які виробляли 220 гігават (ГВт; 1 ГВт = 10⁹ Вт) електроенергії (13% потужності), а в 1991 р. вже діяло 530 АЕС, які виробляли 21% енергії. На всіх етапах ядерного паливного циклу (видобуток і збагачення уранової руди - ядерне паливо - АЕС - повторна обробка задля вилучення урану та плутонію - поховання радіоактивних відходів) відбувається надходження радіоактивних речовин у довкілля. Приблизно половина всієї уранової руди добувається відкритим способом, а інша - шахтним. Збагачувальні фабрики створюють величезну кількість відходів («хвостів»). Так, в Північній Америці до кінця XX сторіччя буде накопичено до 500 млн. т відходів з довгоживучими радіонуклідами. При отриманні ядерного палива із концентратів на спеціальних заводах також утворяться газоподібні і рідкі відходи, але дози опромінювання від них не значні. У атомних реакторах різних типів отримують плутоній. Існують заводи, які займаються переробкою використаного ядерного палива для отримання урану та плутонію. Відходи заховують у ізольованих геологічних середовищах на суші (під землею), на дні океану (дампінг) і під морським дном; через сотні тис. років помітна кількість цих радіоактивних речовин досягає БС.

До 2000 р. річна колективна ефективна доза сягне до 200 тис. людино-зівертів (в 1980 р. вона склала 500 люд.-Зв.), але і це складає лише 1% від природного фону.

За даними експертів 00Н середні річні еквівалентні дози опромінення від природних і техногенних джерел такі: природні - 2 мЗв; джерела, що використовуються в медицині - 0,4 мЗв, радіоактивні опади - 0,02 мЗв, атомна енергетика - 0,001 мЗв.

Вплив радіації на живі організми. Вже перші дослідження радіоактивних елементів (в 1896 р. Бекерель, в 1898 р. Марія та П'єр Кюрі) показали їх згубну дію на організм людини (Бекерель отримав радіоактивний опік шкіри від пробірки з радієм; М. Кюрі померла від раку крові, а 336 її колег померли внаслідок опромінення).

Вплив радіоактивних випромінювань на живі тканини організму залежить від проникаючої і іонізуючої їх здатності. Організм людини пристосований до певних доз іонізуючого випромінювання, оскільки протягом життя зазнає опромінення космічними і радіоактивними. Опромінення призводить до руйнування кісткової тканини, зниження кількості білих кров'яних тілець, погіршення зору, викликає шкірні захворювання, безплідність, канцерогенні захворювання, змінює спадковість.

Радіоактивне випромінювання проникає крізь живі тканини без помітних слідів і руйнує молекули в складі кліток. Але у великих дозах радіація завдає шкоду кліткам і вони перестають ділитися. Тому радіовипромінювання використовується при руйнуванні ракових пухлин (променева терапія). Але значне опромінення порушує клітинний розподіл у всіх тканинах, тобто не відбувається нормального оновлення крові, шкіри і т.д. і через декілька днів променева хвороба призводить до летального наслідку. У низьких дозах радіація впливає на ДНК як канцерогенний і мутагенний фактор. Відносно слабких доз радіації немає єдиної точки зору. Малі дози отрут корисні - суть гормезису, атомна радіація в малих дозах теж корисна - суть «радіаційного гормезису». Більш того, вона необхідна в малих дозах. Нижча межа шкоди – природний радіаційний фон - постійний потік радіації, в якій існує все живе;

починаючи від вірусів і кінчаючи людиною [29].

Дія радіації на людину може привести до раку та генетичних ушкоджень.

Великі дози руйнують клітини й призводять до швидкої смерті. Виявити наслідки малих доз важко, але вони відбиваються на потомстві. Летальні дози такі: 100 Гр (смерть через декілька годин або днів); 50-10 Гр (один - два тижні); 5-3 Гр (50% опромінених вмирають через 1-2 місяці). Червоний кістковий мозок і інші елементи кровотвірної системи найбільш вразливі і перестають нормально функціонувати вже при дозах 0,5 - 1 Гр. У дітей сповільнюється ріст кісток, відзначаються аномалії скелета, втрата пам'яті і т.д. Вразливі легені, нирки. Ризик тим більший, чим вище радіація. Вважається, що опромінення прискорює процес старіння і скорочує тривалість життя. Внутрішнє опромінення людей більш небезпечне, оскільки протягом року приблизно 19% припадає на зовнішнє опромінення, 76% - на їжу, 1% на повітря, що вдихається, і 4% на питну воду.

Екологічні наслідки радіоактивного забруднення можна розглянути на прикладі Чорнобильської катастрофи [ЗО]. Вони відбиваються на населенні і екосистемах Республіки Білорусь (70% від сумарного викиду радіонуклідів осіло на території Гомельської і Могильовської областей), України, Росії та суміжних європейських держав. Внаслідок вибуху 4-го реактора ЧАЕС з 26 квітня по 5 травня 1986 р. в довкілля було викинуто 3-4% його загальної радіоактивності. Радіоактивні ізотопи й газова суміш досягли верхніх шарів атмосфери і розсіялись між 30 і 50° пн.ш., а далі осаджувались на земну поверхню, що привело до підвищення природного радіоактивного фону у країнах Європи. Наприклад, в Фінляндії були відзначені рівні радіації до 5 мкЗв/год (при природному фоні 0,1-0,2 мкЗв/год). Сумарна вага радіоактивних речовин, викинутих у атмосферу, складає 77 кг; більша частина їх випала в радіусі 300-400 км від ЧАЕС. Представлені вони були приблизно 30 радіонуклідами з періодом піврозпаду від 11 годин (⁸⁵Kr) до 24065 років ( ²³⁹Pu ). У атмосферу було викинуто увесь радіоактивний тритій (^ЗН) та 25% ¹⁴C. Підвищення радіаційного фону у більшості європейських країн обумовлене розповсюдженням легких ізотопів (¹³⁷Cs, ¹³⁴Cs, ¹³¹J та ін.). Важкі ізотопи плутонію та стронцію були присутні в атмосфері протягом місяця на відстані 30-40 км від реактора.

Інтенсивність впливу радіації на структуру і функціонування природних екосистем залежить від їх складу, рівня радіоактивного забруднення, «асортименту» радіоактивних речовин і періоду піврозпаду кожного із них, їх здатності проникати у живі організми; зміни характеру землекористування та інших видів людської діяльності. Основна особливість радіоактивних слідів Чорнобильської катастрофи – високий ступінь нерівномірності розсіяння радіоактивних речовин і осадження їх із пилом і опадами. Найбільший вплив зазнали лісові ЕС. В процесі фотосинтезу виникала сорбція ¹⁴C і ³Н плюс іще радіонукліди з опадами, а після листопаду радіонукліди перемістилися у верхній шар грунту, тому для дезактиваїп'ї територій уживають суцільні вирубки лісів (хвойні дерева було вирубано й спалено з метою запобігання забруднення прилеглих територій). Неможливо, як раніше, експлуатувати водні екосистеми. Вони дуже забруднені радіоактивними речовинами, що зосереджені у донних відкладах, але зберігають свою рухомість (обмеження рибної ловлі, водокористування і т.д.). У агроекосистемах внаслідок вибуху радіонукліди проникли на глибину 20-40 см і родючі ґрунти можуть затримувати їх упродовж тривалого часу. У водних розчинах найкраще розчиняється ⁹⁰Sr, тому він миттєво поглинається рослинами; здатні мігрувати й накопичуватись ¹³¹J, ¹⁴⁰Ba, ¹³⁷Cs, ¹⁴⁴Cs. Деякі рослини (лишайники, мхи, гриби, зернові та ін., а із городніх трав - шпинат, фенхель, кріп, петрушка) активно поглинають радіонукліди і акумулюють їх на тривалий строк. Внаслідок катастрофи різко скоротилося землекористування. Щоб пом'якшити наслідки радіоактивного забруднення агроекосистем, необхідна перебудова системи землекористування: відмова від глибокої оранки, зміна набору сільськогосподарських культур на користь зернових, а не коренеплодів, вживання «чистих» кормів перед забоєм тварин і т.д.

З 1986 р. малі дози опромінення дістають близько 4 млн. чоловік. У перші тижні після катастрофи основну загрозу викликали т^випромінення та наявність у повітрі і в молоці ¹³¹J (доля цього короткоживучого ізотопу складала 30% від суми радіоактивних речовин; він впливає на щитовидну залозу і превентивною мірою проти нього є прийняття великих доз стабільного ізотопу йоду). Надалі головними джерелами опромінення людей були: ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr, ²³⁹Pu та ін. Протягом 1986-1990 рр. у зоні впливу Чорнобильської катастрофи число захворювань щитовидної залози, поява злоякісних пухлин збільшилося в 1,5 рази, лейкемії на 50%. Особливо сильний вплив на біосистеми відмічався в радіусі ЗО км від реактора, де повністю припинена людська діяльність.

Наслідками Чорнобильської катастрофи є: довгострокове вилучення із господарського обігу 144 тис. га сільгоспугідь і 492 тис. га лісів; обмеження на цілий ряд видів господарської діяльності; витрати на відселення 116 тис. чоловік в 1986 р. і близько 800 тис. чоловік в 1990-1995 рр.; витрати на моніторинг, дезактивацію, забезпечення «чистими» продуктами харчування і т.д. у забруднених районах; витрати на медичне обслуговування близько 4 млн. чоловік; скорочення приросту валового національного продукту внаслідок негативних соціально-демографічних тенденцій.

Наслідки Чорнобильської катастрофи знайшли відбиток у короткострокових і довгострокових ефектах на рівні індивідуумів, популяцій, ЕС і БС в цілому [ЗО]. До цього необхідно додати і моральні втрати населення, розвиток радіофобії і т.д.

Внаслідок Чорнобильської катастрофи перед суспільством постала надзвичайно велика кількість еколого-соціально-економічних проблем. Аварія викликала забруднення значної частини території України, на якій розташовано 2294 населених пункти і мешкало понад 2,6 млн. чоловік. Після аварії було евакуйовано понад 90 тис. осіб; 12 тис. продовжували мешкати у зоні обов'язкового відселення; 700 тис. - у зоні добровільного відселення; понад 1 тис. осіб нелегально проживали у зоні відчуження. Закриття ЧАЕС (15 грудня 2000 р.) створило нові еколого-соціально-економічні проблеми.