Глава 4. Основы радиационной экологии

4.2.1. Нормальный радиационный фон и его составляющие

Человек все время подвергается воздействию ионизирующих излучений. Облучение населения чаще всего происходит в диапазоне малых доз, причем, большей частью с низкой мощностью дозы. Средние годовые эффективные дозы облучения населения Земли составляют немногим более 2,4 мЗв/человек. Среднегодовая популяционная доза для населения США составляет 3,6 мЗв/человек, Великобритании – 2,5 мЗв/человек. В этих странах доля лиц, получающих годовые эквивалентные дозы 10 мЗв или больше, очень мала.

Естественные источники радиации формируют, примерно, ⁴/₅ радиационного фона. Это, прежде всего, источники земного происхождения: внешнее облучение за счет радиоактивных изотопов, встречающихся в Земле, постройках, воздухе, и внутреннее облучение радионуклидами, находящимися в организме. Около ¹/₆ дозы от естественных источников человек получает за счет космического излучения. Суммарная годовая доза от перечисленных источников составляет около 2 мЗв.

Значительно меньше по сравнению с влиянием естественного фона доза, получаемая за счет антропогенных источников. Среди них – радиоактивные выпадения в результате испытаний ядерного оружия в атмосфере. Высокодисперсные фракции продуктов ядерных взрывов поднимаются в верхние слои атмосферы и годами (и даже десятилетиями) циркулируют там, распространяясь вначале над своим полушарием, а затем и над всей территорией земного шара, и лишь постепенно выпадают на поверхность. В течение 10 лет, когда испытания проводились наиболее интенсивно, население Земли получило за счет глобальных выпадений дополнительно 2 мЗв (одна годовая доза от естественного фона). Следует также отметить, что ядерное топливо является мощным источником химического загрязнения окружающей среды. Так, запуск обычной ракеты мощностью до 10¹⁰ Дж/с с оружейным обедненным ураном может привести к образованию до 0,5 т озона, оксидов азота и азотной кислоты, а при использовании 4 · 10⁴ боеприпасов с ураном – до 10⁶ т химических загрязнителей. Распыленные в результате взрыва высокодисперсные частицы урана и его оксиды являются долговременными генераторами токсичных продуктов и, будучи эффективными адсорбентами, концентрируют из воздуха азот, кислород, двуокись углерода, воду и другие компоненты.

Другим техногенным источником радиационного фона является ядерная энергетика, которая включает добычу и обогащение урановой руды, производство ядерного топлива, эксплуатацию ядерных энергетических установок, регенерацию отработанного ядерного топлива, захоронение и хранение радиоактивных отходов. И на всех этих стадиях в окружающую среду возможно поступление радионуклидов. В целом ядерная энергетика в условиях нормальной эксплуатации оказывает на человека весьма слабое радиационное воздействие, приблизительно 0,05 % от дозы, создаваемой естественным фоном.

На экологических проблемах, возникающих в условиях нормальной работы АЭС и других радиационно-опасных объектов, подробнее мы остановимся несколько позднее. Однако уже здесь следует подчеркнуть, что если сравнить систематические выбросы радиоактивных продуктов атомными и тепловыми электростанциями на мегаватт выработанной электроэнергии, то доза облучения населения в результате этих выбросов оказывается во втором случае всего в 3 раза ниже. В то же время, экологические последствия выбросов сажи, смол, оксидов углерода, серы, других токсических веществ, содержащихся в продуктах, поступающих в атмосферу при работе тепловых электростанций и практически не образующихся при работе атомных, несравненно тяжелее. В расчете на одну единицу выработанной электроэнергии ущерб здоровью только от канцерогенных (главных при действии малых доз радиации) эффектов в результате эксплуатации АЭС оказывается по самым жестким оценкам в 100 раз меньше, чем при работе электростанций на угле.

Облучение, связанное с функционированием атомной энергетики, составляет лишь малую дозу облучения, порождаемого деятельностью человека. Уровни дополнительного облучения среди населения крупных промышленных центров вблизи электроцентралей и заводов по переработке руд чаще всего соизмеримы с природным радиационным фоном или несколько превышают его. За счет освобождаемых природных радионуклидов при получении электроэнергии происходит обогащение биосферы радиоактивными веществами и дополнительное облучение человека в дозах, которые, если их отнести к общей численности населения Земли, составляют, в среднем, 0,01 мЗв в год на 1 человека, что не превышает 1 % естественного облучения от инкорпорированных природных радионуклидов.

4.2.2. Естественные источники ионизирующих излучений

Основную часть облучения население земного шара получает от естественных источников радиации, которые формируют, примерно, ⁴/₅ общего радиационного фона. Суммарная годовая доза от перечисленных источников составляет 2,37 мЗв. Большинство из естественных ИИИ таковы, что избежать облучения от них совершенно невозможно. На протяжении всей истории существования Земли разные виды излучения падают на поверхность Земли из космоса и поступают от радиоактивных веществ, находящихся в земной коре. Человек подвергается облучению двумя способами. Радиоактивные вещества, как и другие ИИИ, могут находиться вне организма и облучать его снаружи. В этом случае говорят о внешнем облучении. Если же радионуклиды оказываются в воздухе, которым дышит человек, в пище или в воде и попадают внутрь организма, они создают внутреннее облучение.

Облучению от естественных источников радиации подвергается любой житель Земли, однако, одни из них получают большие дозы радиации, чем другие. Это зависит, в частности, от того, где они живут. Уровень радиации в некоторых местах земного шара, там, где залегают особенно радиоактивные породы, оказывается значительно выше среднего. Доза облучения зависит и от образа жизни людей. Применение некоторых строительных материалов, использование газа или открытых угольных жаровень, герметизация помещений и даже полеты на самолетах – все это увеличивает уровень облучения за счет естественных источников радиации.

Земные источники радиации в сумме ответственны за большую часть облучения, которому подвергается человек за счет естественной радиации. В среднем они обеспечивают более ⁵/₆ годовой эффективной эквивалентной дозы, получаемой населением, в основном вследствие внутреннего облучения. Остальную часть в формирование дозы от естественных ИИИ вносят космические лучи, главным образом путем внешнего облучения.

Вначале рассмотрим данные о внешнем облучении от источников космического и земного происхождения, затем остановимся на внутреннем облучении, причем особое внимание уделим радону – радиоактивному газу, который вносит большой вклад в среднюю эффективную дозу облучения населения от источников естественной радиации. Наконец, будут рассмотрены некоторые стороны деятельности человека, в том числе использование угля и удобрений, которые способствуют извлечению радиоактивных веществ из земной коры и увеличивают уровень облучения людей от естественных источников.

Внешнее облучение от естественных радионуклидов

Космическое излучение. Радиационный фон, создаваемый космическими лучами, дает меньшую часть дозы внешнего облучения, получаемого населением от естественных источников радиации. Космические лучи в основном приходят к нам из глубин Вселенной, но некоторая их часть рождается на Солнце во время солнечных вспышек. Космические лучи могут достигать поверхности Земли или взаимодействовать с ее атмосферой, порождая вторичное излучение и приводя к образованию различных радионуклидов.

Нет такого места на Земле, куда бы не падал этот невидимый космический душ. Но одни участки земной поверхности более подвержены его действию, чем другие. Из-за наличия у Земли магнитного поля, отклоняющего заряженные частицы (из которых в основном и состоят космические лучи), Северный и Южный полюсы получают больше радиации, чем экваториальные области. Существеннее, однако, то, что уровень облучения растет с высотой, поскольку при этом над нами остается все меньше воздуха, играющего роль защитного экрана.

Люди, живущие на уровне моря, получают из-за космических лучей эффективную дозу около 300 мкЗв/год. При увеличении высоты проживания людей увеличивается и получаемая ими эффективная доза. Так, при подъеме с высоты 4000 м (максимальная высота, на которой расположены человеческие поселения: деревни шерпов на склонах Эвереста) до 12 000 м (максимальная высота полета трансконтинентальных авиалайнеров) уровень облучения за счет космических лучей возрастает примерно в 25 раз

При перелете из Нью-Йорка в Париж пассажир обычного турбореактивного самолета получает дозу около 50 мкЗв, а пассажир сверхзвукового самолета, летящего на высоте 20 000 м, на 20 % меньше, хотя и подвергается более интенсивному облучению. Это объясняется тем, что во втором случае перелет занимает гораздо меньше времени. Всего за счет использования воздушного транспорта человечество получает в год коллективную эффективную дозу около 2000 Зв/человек.

Земная радиация. Основные радиоактивные изотопы, встречающиеся в горных породах Земли, это калий-40, рубидий-87 и члены двух радиоактивных семейств, берущих начало, соответственно, от урана-238 и тория232 – долгоживущих изотопов, включившихся в состав Земли с самого ее рождения.

Разумеется, уровни земной радиации неодинаковы для разных мест земного шара и зависят от концентрации радионуклидов в том или ином участке земной коры. В местах проживания основной массы населения они, примерно, одного порядка. Так, согласно исследованиям, проведенным во Франции, ФРГ, Италии, Японии и США, примерно 95 % населения этих стран живут в местах, где мощность дозы облучения от земных источников радиации составляет в среднем от 0,3 до 0,6 мЗв/год. Но некоторые группы населения получают значительно большие дозы облучения: около 3 % получают в среднем 1 мЗв/год, а около 1,5 % – более 1,4 мЗв/год.

Есть и такие места, где уровни земной радиации намного выше. Неподалеку от города Посус-ди-Калдас в Бразилии, расположенного в 200 км к северу от Сан-Паулу, есть небольшая возвышенность. Как оказалось, здесь уровень радиации в 800 раз превосходит средний и достигает 250 мЗв/год. По каким-то причинам возвышенность оказалась необитаемой.

Однако лишь чуть меньшие уровни радиации были зарегистрированы на морском курорте, расположенном в 600 км к востоку от этой возвышенности. Гуарапари – небольшой город с населением 12 тыс. человек – каждое лето становится местом отдыха примерно 30 тыс. курортников. На отдельных участках его пляжей зарегистрирован уровень радиации 175 мЗв/год. Радиация на улицах города оказалась намного ниже: от 8 до 15 мЗв/год, но все же значительно превышала средний уровень. Сходная ситуация наблюдается в деревушке Меаипе, расположенной в 50 км к югу от Гуарапари. Оба населенных пункта стоят на песках, богатых торием.