3. ДЖЕРЕЛА РАДІОАКТИВНИХ РЕЧОВИН ТА ІОНІЗУЮЧИХ ВИПРОМІНЮВАНЬ

1. Космічне випромінювання

Іонізуючі випромінювання не є незвичайним чи новим фактором на Землі. Все живе й неживе в усі епохи розвитку та існування нашої планети піддавалось їх дії. Більш того, є підстави вважати, що у далекі часи формування Землі, в тому числі й тоді, коли життя на ній тільки зароджувалось й ще тривали активні тектонічні процеси, інтенсивність іонізуючої радіації була значно вищою, ніж тепер.

Розрізняють два основних джерела іонізуючих випромінювань – космічне випромінювання та випромінювання радіонуклідів.  Космічне випромінювання складається з галактичного та сонячного.Випромінювання радіонуклідів включає випромінювання природних радіонуклідів та штучних радіонуклідів. Перші три види випромінювання – галактичне, сонячне та випромінювання природних радіонуклідів утворюють так званий природний радіаційний фон. Виділяють також випромінювання штучних генераторів іонізуючої радіації.

Космічне випромінювання складається з галактичного та сонячного. У ньому виділяють також первинне та вторинне випромінювання. Первинне космічне випромінювання являє собою потік частинок високих енергій, що надходять на Землю з міжзоряного простору. Воно складається переважно з  протонів – ядер водню (приблизно 79%) та α-частинок (близько 20%). У незмірно менших кількостях у ньому присутні нейтрони, електрони, фотони, ядра деяких легких та важких елементів.

Основна частка первинного космічного випромінювання виникає у межах нашої Галактики внаслідок ядерних і термоядерних процесів, що супроводжують виверження та випаровування матерії при зоряних вибухах та виникненні наднових зірок. Це і є саме галактичне випромінювання. При сонячних спалахах виникає сонячне випромінювання.

Середня енергія космічного випромінювання складає 10⁹ еВ, хоча енергія окремих його видів може досягати 10¹⁷–10²¹ еВ. Припускається, що останні види мають позагалактичне проходження – надходять з метагалактики, набуваючи таких високих енергій за рахунок багатократного прискорення у перемінних електромагнітних полях різних небесних тіл, у хмарах космічного пилу, в оболонках нових та наднових зірок.

Сонячне космічне випромінювання має у порівнянні з галактичним більш низькі енергії – до 4 × 10¹⁰ еВ. Тут можна відзначити для порівняння, що рентгенівське та γ-випромінювання, з котрим переважно працюють радіобіологи, має енергії, відповідно, 0,12–12,00×10³ та 1,2–5,0×10⁶ еВ.

Вік галактичного сонячного випромінювання, тобто час його проходження з Галактики до Землі складає до 10⁶–10⁷ років. Цим пояснюється практично повна відсутність у його складі нейтронів, котрі виникають у великих кількостях при всіх ядерних процесах, але за цій час встигають розпастися. Низький вміст електронів і фотонів у складі галактичного випромінювання пов’язаний з їх поглинанням космічним пилом у галактичному просторі.

Вторинне космічне випромінювання виникає внаслідок взаємодії високо енергетичного первинного з ядрами нуклідів, що входять до складу атмосфери. Воно складається практично з усіх відомих на теперішній час елементарних частинок – протонів, електронів, нейтронів, фотонів, піонів, мюонів, мезонів та багатьох інших. Їх енергія також достатньо висока для того, щоб індукувати подальші ядерні перетворення.

Космічне випромінювання має велику інтенсивність в основному за межами земної атмосфери. На висоті приблизно 40–50 км переважає первинне космічне випромінювання. Максимальна інтенсивність вторинного випромінювання спостерігається на висоті 20–25 км. Із зменшенням висоти його інтенсивність падає і досягає мінімуму на рівні моря. Тому цілком природно, що доза опромінення за рахунок космічного випромінювання зростає з висотою над рівнем моря. Так, якщо у поверхні Землі потужність дози, що формується за рахунок космічного випромінювання, складає 0,02–0,04 мкЗв/год, то в межах до 10 км вона через кожні 1,5 км висоти приблизно подвоюється. І жителі високо гірських поселень, розташованих на висоті 2–5 км, одержують дозу приблизно у 5–10 разів більшу. На висоті 10–12 км, що відповідає трасам надвисотних літаків, потужність дози досягає 3–5 мкЗв/год. На висоті 20 км, де здійснюють польоти надзвукові літаки вона в залежності від геомагнітної широти місцевості змінюється в межах 5–15 мкЗв/год.

2. Випромінювання радіонуклідів

Всі існуючі радіонукліди ділять на два класи – природні радіонукліди і штучні радіонукліди. На теперішній час з відомих 1950 радіонуклідів (радіоактивних ізотопів) 70 природних, що належать до 25 радіоактивних елементів і деяких нерадіоактивних елементів, до складу яких входять радіоактивні ізотопи. Основним джерелом надходження природних радіонуклідів в біосферу є земна кора. Значна частина може надходити з водою і певна частка – з атмосфери.

Відомі також 1880 штучних радіонуклідів, які утворюються в умовах штучних ядерних реакціях розпаду деяких елементів, а також одержують при бомбардуванні нерадіоактивних елементів потоком високо енергетичних частинок. Для переважної більшості відомих елементів одержані радіоактивні ізотопи, кількість яких для деяких, як, наприклад для цезію, вимірюється десятками. Джерелами надходження штучних радіонуклідів в біосферу є атомні вибухи і ядерні реактори. Безперечно, у цих ситуаціях виникають далеко не всі відомі штучні радіонукліди, а лише декілька сотень. При цьому переважна більшість їх є короткоживучими і внесок у дозу опромінення об’єктів біосфери формують практично декілька десятків радіонуклідів.

3. Радіонукліди, що утворюють родини, та радіонукліди-продукти їх розпаду

Отже, в земних породах, рудах, грунтах, водах і, відповідно, живих організмах – рослинах, тваринах та інших об’єктах навколишнього середовища виділяють первинні та космогенні радіонукліди. В первинних у свою чергу виділяють дві категорії радіонуклідів: радіонукліди, що утворюють родини та радіонукліди-продукти їх розпаду, і радіонукліди позародинні – що не утворюють родин.

 До них у першу чергу належать радіонукліди трьох ізотопів: двох урану – ²³⁸U і ²³⁵U, та одного торію – ²³²Тh. Кожний з них є родоначальником родини радіонуклідів. Зазнаючи багатоступеневого послідовного α- та β-розпадів вони утворюють ряд радіоактивних ізотопів.

Родоначальний ізотоп родини урану ²³⁸U в результаті 8 α- та 6 β-розпадів переходить у стабільний ізотоп свинцю ²⁰⁶Рb. В зв’язку з тим, що при цих перетвореннях в числі інших ізотопів виникає дуже важливий ізотоп радію ²²⁶Rа, вона нерідко називається родиною урану-радію.

Ізотоп урану ²³⁵U є родоначальником родини актинію. Цю назву родина одержала у зв’язку з тим, що серед виникаючих внаслідок 7 α- та 4 β-розпадів ізотопів є ізотоп актинію ²²⁷Ас – головний елемент великої групи радіоактивних елементів актинідів. Тому цю родину ще називають родиною актинію-урану, а ізотоп ²³⁵U – актиноураном АсU. Закінчується цей розпад виникненням стабільного ізотопу свинцю ²⁰⁷Рb.

Родоначальник родини торію ізотоп ²³²Тh внаслідок 6 α- та 4 β-розпадів переходить у стабільний ізотоп свинцю ²⁰⁸Рb.

Для всіх трьох родоначальників родин характерні дуже великі періоди піврозпаду. У перебігу їх радіоактивних перетворень виникають десятки ізотопів різних елементів з періодами піврозпадів від часток секунди до сотень тисяч років. Цілком зрозуміло, що внаслідок послідовних розпадів ізотопів-родоначальників родин виникають ізотопи з меншими атомними масами, а внаслідок того, що кількість α-розпадів перевищує кількість β-розпадів, виникають хімічні елементи і з меншими атомними номерами.

Серед них найбільш значимий внесок у радіоактивність об’єктів навколишнього середовища вносять ²²⁶Rа, ²²²Rn, ²²⁰Rn, ²¹⁰Ро.

Деякі характеристики радіонуклідів, що утворюють родини, та тих, які виникають при їх розпаді, наведені у таблиці.    

4. Радіонукліди позародинні, або такі, що не утворюють родин

Ця група включає ізотопи хімічних елементів, котрі звичайно вважаються не радіоактивними, так як відносна кількість радіоактивних ізотопів у них складає, як правило, дуже незначну частку. До них у першу чергу відносяться ізотопи калію – ⁴⁰К, кальцію – ⁴⁸Са, рубідію – ⁸⁷Rb, цирконію – ⁹⁶Zr, лантану – ¹³⁸Lа, самарію – ¹⁴⁷Sm, лютецію – ¹⁷⁶Lu. В усіх викопних органічних та органо-мінеральних породах що містять вуглець, присутній радіоактивний ізотоп ¹⁴С. Але звичайно його відносять до радіонуклідів космогенного походження. Основний внесок у природну радіоактивність з ізотопів цієї групи вносить ⁴⁰К, кількість котрого у суміші ізотопів калію складає лише 0,012% (³⁹К і ⁴¹К – 93,22 і 6.77%, відповідно).

Періоди піврозпадів ізотопів цієї групи також дуже великі. Саме їх разом з радіоактивними елементами родоначальниками родин відносять до первинних природних радіонуклідів, котрі виникли разом з Землею, вважаючи вторинними радіонуклідами продукти їх розпаду – вже згадані радіоактивні ізотопи радону, полонію, радію та інші, а також космогенні радіонукліди.

5. Космогенні радіонукліди

Космогенні радіоактивні ізотопи виникають в основному в атмосфері Землі при взаємодії високо енергетичного космічного випромінювання з ядрами водню, літію, берилію, вуглецю, азоту, кисню, натрію, алюмінію, фосфору, хлору, аргону та деяких інших відносно легких елементів.

Космічне випромінювання складається з галактичного та сонячного. У ньому виділяють також первинне та вторинне випромінювання. Первинне космічне випромінювання являє собою потік частинок високих енергій, що надходять на Землю з міжзоряного простору. Воно складається переважно з  протонів – ядер водню (приблизно 79%) та α-частинок (близько 20%). У незмірно менших кількостях у ньому присутні нейтрони, електрони, фотони, ядра деяких легких та важких елементів.

Основна частка первинного космічного випромінювання виникає у межах нашої Галактики внаслідок ядерних і термоядерних процесів, що супроводжують виверження та випаровування матерії при зоряних вибухах та виникненні наднових зірок. На думку деяких дослідників його джерелом періодично під час своєї активності можуть ставати так звані „чорні діри” області всесвіту з надзвичайно високим гравітаційним тяжінням. Це і є саме галактичне випромінювання. При сонячних спалахах виникає сонячне випромінювання.

Середня енергія космічного випромінювання складає 10⁹ еВ, хоча енергія окремих його видів може досягати 10¹⁷–10²¹ еВ. Припускається, що останні види мають позагалактичне проходження – надходять з метагалактики, набуваючи таких високих енергій за рахунок багатократного прискорення у перемінних електромагнітних полях різних небесних тіл, у хмарах космічного пилу, в оболонках нових та наднових зірок.

Сонячне космічне випромінювання має у порівнянні з галактичним більш низькі енергії – до 4^.10¹⁰ еВ. Тут можна відзначити для порівняння, що рентгенівське та γ-випромінювання, з котрим переважно працюють радіобіологи, має енергії, відповідно, 0,12–12,00^.10³ та 1,2–5,0^.10⁶ еВ.

Вік галактичного сонячного випромінювання, тобто час його проходження з Галактики до Землі складає до 10⁶–10⁷ років. Цим пояснюється практично повна відсутність у його складі нейтронів, котрі виникають у великих кількостях при всіх ядерних процесах, але за цій час встигають розпастися. Низький вміст електронів і фотонів у складі галактичного випромінювання пов’язаний з їх поглинанням космічним пилом у галактичному просторі.

Вторинне космічне випромінювання виникає внаслідок взаємодії високо енергетичного первинного з ядрами нуклідів, що входять до складу атмосфери. Воно складається практично з усіх відомих на теперішній час елементарних частинок – протонів, електронів, нейтронів, фотонів, піонів, мюонів, мезонів та багатьох інших. Їх енергія також достатньо висока для того, щоб індукувати подальші ядерні перетворення.

Під впливом сил гравітації та атмосферних опадів радіонукліди, що виникли внаслідок цих перетворень, надходять на поверхню Землі. В першу чергу до них відносять ізотопи ³Н, ¹⁰Ве, ¹⁴С, ²²Nа, ²⁶Аl, ³²P, ³⁶Сl.

Саме космогенні радіонукліди разом з газоподібними радіоактивними продуктами розпаду урану та торію, у першу чергу радоном, визначають радіоактивність атмосфери.

Періоди піврозпаду більшості відзначених космогенних радіонуклідів досить великі і вимірюються роками-тисячоліттями. Проте серед них багато й таких, періоди піврозпаду котрих вимірюються секундами і навіть мікросекундами. Їх вивчення має в основному лише теоретичне значення, допомагаючи зрозуміти механізми виникнення й перетворення одних ізотопів і елементів в інші.

6. Вміст природних радіонуклідів у навколишньому природному середовищі

Вміст радіонуклідів у земній корі і, відповідно, воді варіює у дуже широких межах, що визначається, головним чином, їх вмістом у земних породах. Осадкові породи – глини, вапняки, вугілля, як правило, слаборадіоактивні. Виверженні гірські породи – граніти, базальти  містять значно більші кількості радіоактивних елементів. Дуже багаті на торій і радій так звані монацитові піски, основу яких складає мінерал монацит – фосфати рідко земельних елементів переважно церієвої групи. Відомі і радіоактивні водні джерела.

Природні радіонукліди ділять також на легкі та важкі. У групу важких природних радіонуклідів виділяють у зв’язку з високою радіотоксичністю  нукліди радіоактивних родин – радіоактивні елементи і ізотопи  атомною масою більше 200. Решта віднесена до легких природних радіонуклідів. Вміст найбільш значимих з них у грунтах, рослинах і організмі тварин наведено на.

Масова кількість природних радіоактивних елементів, як і радіоактивних ізотопів звичайних елементів, у земній корі, а, відповідно, у воді, рослинах, тваринах, дуже мала. Так, вміст у грунтах радію складає 1–13^.10^–11%, урану – 2,6–4^.10^–4%, торію – 5–12^.10^–4%. Невелика і кількість радіоактивних ізотопів стабільних елементів. Так, вміст у грунті ¹⁴С варіює в межах 1–30^.10^–9%, ⁴⁰К – 1–5^.10^–4%. Вміст ³Н у воді складає приблизно 10^–18 частку по відношенню до водню.

7. Природний радіаційних фон

Природні джерела іонізуючих випромінювань утворюють на Землі відносно постійне радіаційне поле. Це і є так званий природний радіаційний фон – рівень іонізуючого випромінювання на поверхні Землі, у приземному шарі атмосфери та інших об’єктах навколишнього середовища, який формується за рахунок випромінювання природних радіонуклідів та космічного випромінювання. Це та природна радіаційна обстановка, у котрій, меншою мірою останні мільйони років, існувало й розвивалося усе живе на нашій планеті.

У різних регіонах Землі потужність природного радіаційного фону (ПРФ) в основному варіює в межах від 0,05 до 0,15 мкЗв/год., складаючи у середньому 0,1 мкЗв/год., тобто приблизно 10 мкР/год. Внесок у нього космічного випромінювання, який дещо залежить від широти місцевості, на рівні моря більш-менш постійний – 0,01–0,03 мкЗв/год. Решта, яка визначається випромінюванням природних радіонуклідів, варіює у більш широких межах, так як залежить від їх вмісту у поверхневих шарах земної кори. 

Існує небезпідставна точка зору, що ПРФ є одним з головних факторів природного мутагенезу, який грає ведучу роль в еволюції живих організмів, а також однією з причин виникнення злоякісних новоутворень та спадкових хвороб.

Вважається, що з початку 19 століття ПРФ у багатьох країнах і континентах зростає. Це стало наслідком діяльності людини та активної індустріалізації господарства, котра призвела до надходженню з надр Землі на поверхню і у довкілля разом з такими корисними копалинами як кам’яне  вугілля, нафта, будівельні матеріали, руди металів, мінеральні добрива великої кількості природних радіоактивних речовин.

Наприклад, у середині 20-го століття у великих містах і промислових центрах спостерігалося 50-кратне збільшення кількості ²²⁶Rа, котрий, як єдине на той час джерело γ-випромінювання, використовувався в медицині, виготовлення світних фарб та деяких інших цілей. У місцях видобутку  багатьох корисних копалин, аж ніяк не радіоактивних руд, як правило, спостерігається зростання у декілька разів кількості багатьох природних радіонуклідів – тих же ²²⁶Rа, ²³⁸U, ²³²Тh. У радіусі декількох десятків кілометрів від теплових електростанцій, особливо працюючих  на кам’яному вугіллі, реєструється збільшення у середовищі вмісту не тільки ¹⁴С, але й ⁴⁰K, ²³⁸U, ²²⁶Ra, ²¹⁰Pb, ²¹⁰Po та інших природних радіонуклідів. Зростає вміст ⁴⁰К при внесенні у грунт калійних добрив, урану – при внесенні фосфорних добрив, так як поклади фосфоритів містять, як правило, у високих кількостях ²³⁸U та продукти його розпаду. Підвищення рівня іонізуючого випромінювання за рахунок природних радіонуклідів, що спостерігається за такої діяльності людини, називається техногенно-підсиленим природним радіаційним фоном.   

8. Природні радіонуклідні аномалії

Природні радіонуклідні аномалії – це місця скупчення природних радіонуклідів (звичайно урану, торію та продуктів їх розпаду), де рівень радіаційного фону у багато разів перевищує звичайний.

На Землі найбільш відомими радіонуклідними аномаліями є м. Рамсер, що в Ірані (радіаційний фон досягає 5–10 мкЗв/год. штат Керала в Індії (до 1 мкЗв/год.), міста Гуарапуава та Посус-ди-Кандас в Бразілії (1–2 мкЗв/год.). На території колишнього СРСР провінцій з такою високою радіоактивністю немає, але є місця, де радіаційний фон досягає 0,5–0,6 мкЗв/год.. Це – район озера Іссик-Куль у Киргизії, район біля міста Навої в Узбекистані, біля міста. Шевченко у Казахстані, деякі регіони на Південному Уралі, район міста Ухта в Росії.

В Україні чітко виражених природних радіонуклідних аномалій немає. Але у її східній частини вздовж Дніпра проходить Український кристалічний щит, який займає майже третину території країни, – вулканічна порода, насичена природними радіоактивними елементами – ураном та продуктами його розпаду. Там, де ведеться видобуток урану та звичайні гранітні розробки такі аномалії виникли. Найбільш відома з них знаходиться у районі міста Жовті Води Дніпропетровської області, деякі місця у Кіровоградській, Житомирській, Донецькій областях.

 У теперішній час радіаційний фон у більшості регіонів на території України за межами прямого впливу аварії на Чорнобильській АЕС коливається в основному в межах 0,10–0,18 мкЗв/год. (до аварії він складав 0,05–0,10 мкЗв/год., або 5–10 мкР/год. Збільшення потужності радіаційного фактору зумовлене надходженням у навколишнє середовище довгоживучих штучних радіонуклідів і у даній ситуації треба оперувати поняттям не природний радіаційний фон, а просто радіаційний фон. 

9. Випромінювання штучних радіонуклідів

Як згадувалося на початку лекції, штучні радіоактивні ізотопи утворюються під час ядерних реакцій, що відбуваються при вибухах атомної зброї і в ядерних реакторах і при бомбардуванні (опроміненні) ізотопів нерадіоактивних елементів частинками високих енергій від декількох мільйонів до десятків мільярдів електрон-вольт: α-частинками, нейтронами, протонами, зарядженими частинками на ядерних реакторах, прискорювачах легких частинок та важких іонів.

Характеристики випромінювань деяких штучних радіонуклідів, що найбільш часто використовуються у наукових дослідженнях, наведені в  таблиці. 

Характеристики випромінювань деяких штучних радіонуклідів

10. Радіонукліди атомних вибухів

Величезна кількість радіоактивних ізотопів виникає при вибухах атомних бомб, котрих, починаючи з 1945 р., у світі було здійснено понад 2400 (543 наземних, 1876 підземних, 10 у космосі, деяка кількість підводних). Атомна бомба – це один з видів зброї вибухової дії з зарядом надзвичайно великої руйнівної сили, в основі котрого лежить саморозвиваюча ланцюгова реакція поділу урану 235Uабо 239Рu. Можливість виникнення та протікання такої реакції обумовлена тим, що при попаданні високоенергетичної частинки, наприклад, природної космічної або штучно одержаної – нейтрону, в ядро 235U або 239Рu при його поділу виникає не один, а 2–3 нові нейтрони. Кожний з них також має енергію, здатну викликати поділ інших ядер. Наступне покоління нейтронів індукує поділ чергової групи ядер і так далі – реакція розвивається лавиноподібно. Так, якщо припустити, що у кожному поколінні виникає тільки по два нейтрони, котрі призводять до поділу нових ядер, то через 80 поділів реакція, яка почалася з одного попадання, за мільйонні частки секунди призведе до розпаду усіх ядер у 1 кг 235U (приблизно 1020 атомів). Цей процес супроводжується виділенням величезної кількості енергії.

Звичайно не всі нейтрони, що виникають, викликають поділ ядер. Частина їх втрачається за межами об’ємної маси урану або плутонію. Якщо втрати дуже великі, то ланцюгова реакція розпочавшись зупиняється – затухає. Така імовірність тим вище, чим менша маса ті лінійні розміри речовини. Тому існує поняття критичної маси – найменша кількість речовини, що ділиться, при котрій може протікати само підтримуюча ланцюгова реакція поділу атомних ядер. Саме вона визначає величину ядерного заряду в атомній бомбі чи іншому виді атомної зброї – це приблизно 20–25 кг чистого 235U або 4–8 кг 239Рu.

Щоб вибух не відбувся випадково у непотрібний час в атомній бомбі 235U чи 239Рu розосереджується на дві чи більше частин. У потрібний момент за допомогою пристрою із звичайної вибухової речовини вся маса швидко збирається разом, що і призводить до ініціювання ланцюгової реакції і здійсненню атомного вибуху.

Природний уран, як вже згадувалось, являє собою суміш трьох ізотопів: 238U, вміст котрого складає близько 99,3%, 235U – приблизно 0,7% і 234U – лише 0,006%. Ланцюгова ж ядерна реакція може відбуватись тільки у відносно чистому 235U. Тому її здійснення передбачає спеціальне технологічне досить складне одержання (збагачення) 40–60%-го 235U. Що стосується 239Рu, то плутоній – це взагалі штучний елемент, котрий одержують з 238U. У природі він виявлений лише у надзвичайно мізерних кількостях в уранових рудах. Отже, ланцюгова ядерна реакція на Землі можлива тільки в штучних умовах.

Вибух атомної бомби одночасно супроводжується дією дуже потужної повітряної хвилі, надзвичайно інтенсивного світлового випромінювання, яке супроводжується виділенням величезних кількостей тепла, та іонізуючого випромінювання з наступним випадінням радіоактивних речовин.

Під час ядерної реакції поділу 235U або 239Рu виникає декілька сотень різних радіоактивних ізотопів. Серед них виділяють три групи штучних радіонуклідів. Першу групу утворюють радіонукліди, що виникають у реакціях поділу ядер 235U, 238U, 239Рu. Основні з них – це 89Sr і 90Sr, 95Nb, 95Zr, 103Ru і 106Ru, 129I і 131I, 134Сs і 137Сs, 140Ba, 140La, 141Се і 144Се. Другу групи складають радіонукліди-продукти наведеної радіоактивації, що виникають у результаті ядерних реакцій елементарних частинок  (в основному нейтронів) з ядрами атомів стабільних елементів, що входять у склад конструктивних матеріалів корпусів  боєголовок. Основні з них – 54Мn, 55Fе и 59Fе, 60Co, 65Zn. Третя група – радіонукліди-ізотопи трансуранових елементів, що виникають в результаті послідовних ядерних реакцій нейтронів і γ-випромінювань з ядрами атомів речовини, що ділиться, і наступного радіоактивного розпаду надважких ядер, що виникають при цьому. Радіонукліди цієї групи в основному α-випромінювачі – 237Nр, 238-241Рu, 241Аm і 243Аm, 242-244Сm, характеризуються високою радіотоксичністю і великими періодами піврозпадів.

Втім, переважна більшість штучних радіонуклідів, що утворюються при вибуху, короткоживучі – і при випробуваннях бомб в атмосфері практично розпадаються, не встигнув досягти поверхні Землі. За наступні 1,5–2 роки розпадається і переважна більшість середньоживучих. У радіоактивних випадіннях основне місце займають довгоживучі ізотопи 90Sr і 137Сs з періодами піврозпадів, відповідно, 29 і 30 років, а також  трансуранові елементи.

Згадана на початку цього підрозділу кількість атомних вибухів, що відбулася в світі, є, безперечно, суттєвим показником. Проте, кожний вибух вимірюється певною потужністю, яка варіює від 0,1 до 50 Мт. Сумарна потужність всіх вибухів, що були здійснені на нашій планеті, починаючи з 1945 р.,  склала близько 530 Мт. На рисунку наведена динаміка проведення випробувань атомної зброї і потужності вибухів по роках.

Звертає на себе  увагу зменшення кількості випробувань після 1963 р., як і типи випробувань. Саме в тому році був підписаний Московський договір про заборону випробувань атомної зброї в атмосфері, космічному просторі і під водою.

В цілому за рахунок випробувань атомної зброї в біосферу надійшла величезна кількість довгоживучих радіонуклідів штучного походження: 3Н – 2.4.1020 Бк (це значно більше, ніж його є у природі), 14С – 2,2.1017 Бк, 90Sr – 6.1017 Бк, 95Zr – 1,4.1020 Бк, 106Ru – 1,2.1019 Бк, 137Сs – 9,1.1017, 144Се – 3.1019 Бк, 239Pu – 6,5.1015 Бк. І хоча після припинення випробувань нові радіонукліди не виникають, довгоживучі старі залишаються і все живе на планеті, в тому числі і людина, піддається додатковому опроміненню іонізуючою радіацією, до якого, природно, ніяка екосистема не ще не встигла адаптуватись.

11. Радіонукліди атомних реакторів

Певна частка у надходженні радіонуклідів у навколишнє середовище належить підприємствам ядерної енергетики. Їх робота передбачає добування уранової руди, її переробку у збагачене ²³⁵U ядерне паливо, виготовлення тепловиділяючих елементів (твелів), одержання енергії в атомних реакторах, переробку відпрацьованого палива для наступного використання – регенерацію і, нарешті, утилізацію та захоронення радіоактивних відходів. Ці операції складають так званий ядерний паливний цикл (ЯПЦ).

На всіх етапах цього циклу можливе надходження радіоактивних речовин у навколишнє середовище. Однак, імовірна інтенсивність дії радіаційного фактору на об’єкти біосфери неоднакова. На початкових етапах видобутку та переробки уранової сировини, а також виготовлення твелів, у навколишнє середовище можуть попадати лише природні продукти поділу урану. Але на наступних етапах – під час роботи атомних реакторів, переробки відпрацьованого палива, коли утворюються штучні радіонукліди, а також при зберіганні та захороненні радіоактивних відходів інтенсивність впливу радіаційного фактору може зростати.

В умовах атомного реактору відбуваються практично ті ж самі реакції поділу ²³⁵U, що і при вибуху атомної бомби, але у контрольованих умовах, котрі не дають розвиватись миттєвій ланцюговій реакції. Тому і радіоактивні продукти їх ідентичні. Найбільш небезпечні з них – це знову ж таки ⁹⁰Sr, ¹³⁷Сs і ізотопи трансуранових елементів, серед котрих перше місце посідає ²³⁹Pu.  

Проте під час роботи атомних реакторів у навколишнє середовище можуть надходити газоподібні леткі радіоактивні ізотопи ³Н, ¹⁴С, ⁸⁵Кr, ¹²⁹I та деякі інші. Однак, переважна їх частка уловлюється спеціальними фільтруючими системами. Радіоактивні відходи зберігаються в спеціально обладнаних місцях. І хоча додаткова до природного радіаційного фону доза іонізуючого випромінювання з веденням до ладу нових атомних електростанцій (АЕС) зростає, внесок їх як джерел випромінювань, а, відповідно, опромінення живих організмів, в тому числі людини, залишається незначним. Цілком справедливим є ствердження про те, що проживання поблизу теплових електростанцій (ТЕС) з урахуванням викидів у навколишнє середовище не тільки природних радіоактивних (в першу чергу ¹⁴С та ³Н), а й токсичних хімічних речовин, є набагато шкідливішим для здоров’я людини, ніж поблизу працюючих у нормальному режимі АЕС такої ж потужності.

В цілому ж 443 ядерні реактори, що діють на сьогодні на 140 АЕС у 33 країнах і забезпечують близько 20% світової електроенергії, є практично невідчутним джерелом збільшення радіаційного фону. На частку США, Франції і Японії приходиться майже 50% всіх АЕС і 57% всієї „ядерної” електроенергії. У першу шістку держав, що від 45 до 80% електроенергії задовольняють за рахунок АЕС, входить і Україна (45%, а по деяким даним до 50%).

На відміну від інших джерел енергії (нафта, вугілля, газ та деякі інші), запаси яких поступове зменшуються, запаси урану практично тільки розпочато використовувати. І не викликає сумнівів, що частка електроенергії, яка буде вироблятися за рахунок АЕС, зростатиме.

На рисунку наведено розвідані на 2006 р. запаси урану у світі. Україна серед них посідає 11 місце і одне з перших у Європі.

12. Радіаційні аварії

Проблеми додаткового опромінення усього живого на нашій планеті, і в особливості людини, винизають за умов порушення технологічних процесів на  підприємствах  ЯПЦ,  що  може  супроводжуватись  аваріями  з  викидами радіоактивних речовин у навколишнє середовище. За півсторічний період розвитку атомної енергетики на таких підприємствах відбулося за різними оцінками від 250 до 400 радіаційних аварій,  які супроводжувались викидами радіоактивних речових в біосферу. До найбільших за об’ємом викидів та вмісту в них довгоживучих радіонуклідів відносять аварію на сховищі радіоактивних відходів на Південному Уралі, яка трапилась 29 вересня 1957 р. у м. Киштим Челябинської області (СРСР); аварію, відбулась того ж року 7 жовтня на АЕС „Віндскейл” (Велика Британія); аварію на АЕС „Тримай-Айленд” у штаті Пенсільванія 24 березня 1979 р. (США) та аварія на Чорнобильській АЕС 26 квітня 1986 р. (СРСР). Найбільш важкими вважаються Піденноуральська та Чорнобильська аварії.

Під час другої, Чорнобильської аварії, яка є найбільшою за всю історію розвитку ядерної енергетики і котра одержала статус глобальної катастрофи, на висоту до 7 км було викинуто за офіційною оцінкою 1986 р. більше 1.85^.10¹⁸ Бк суміші радіоактивних ізотопів у вигляді аерозолю. 

За більш пізніми й точними оцінками у навколишнє середовище надійшло близько 1^.10¹⁷ Бк  ¹³⁷Сs  (майже половина його вмісту в активній зоні реактору), приблизно 8^.10¹⁵ Бк ⁹⁰Sr і більш як 1^.10¹⁴ Бк трансуранових елементів – ^238-241Pu, ²⁴¹Аm, ^242-244Сm. Під радіонуклідним забрудненням рівня вище 37 кБк/м² опинилась територія площею понад 200 тис. км² на стику України, Білорусі і Росії, на котрій проживає понад 6 мільйонів чоловік. Майже 360 тис. чоловік було евакуйовані з забруднених територій. Із землекористування було виведено понад 3000 км² площ.

Слід відзначити й деякі інші місця, буквально насичені радіонуклідами внаслідок роботи підприємств ЯПЦ, які є додатковими джерелами локального опромінення живих об’єктів. Так, на Уралі у регіоні м. Челябінська протягом 1949–1952 рр. у систему р. Теча з підприємств, що виконували програму ядерного захисту СРСР, видалялися без очищення високорадіоактивні рідкі відходи. Разом було скинуто 1,2^.10¹⁶ Бк ⁹⁰Sr (більше, ніж було викинуто під час аварії на Чорнобильській АЕС) і 1,3^.10¹⁶ Бк ¹³⁷Сs. У 1967–1970 рр. там же на Уралі відбулося забруднення території площею близько 1800 км² завдяки вітрового переносу радіоактивного пилу з берегів озера Карачай, котре також використовувалось для видалення радіоактивних відходів. Було рознесено 6^.10¹² Бк ⁹⁰Sr  і 1,7^.10¹³ Бк ¹³⁷Сs.

Потенційними джерелами радіоактивних речовин у навколишньому середовищі і, відповідно, джерелом випромінювань, є ядерні реактори і атомне озброєння підводних човнів, затоплених в морях з метою  захоронення відпрацьованих судових реакторів, які ще містять ядерне паливо та продукти його розпаду; втрачені штучні супутники з ядерними реакторами, як, наприклад, два радянських супутники із серії „Космос”.

13. Генератори іонізуючих випромінювань

Катодна трубка, що стала джерелом Х-променів і була названа рентгенівською, дала початок виробництву величезної кількості рентгенівських апаратів, що стали широко використовуватись у різних сферах наукової та виробничої діяльності, але головним чином у медицині з метою діагностики багатьох захворювань і травм, а також радіаційній терапії новоутворень, переважно пухлин. Рентгенівський апарат – це перший штучний генератор іонізуючих випромінювань, додаткову дозу котрих стала зазнавати людина.

І як не дивно, у наше індустріалізоване і атомне століття у додаткове до природного радіаційного фону опромінення людства скромні рентгенівські апарати, які повсюдно використовуються для масових профілактичних обстежень населення, вносять найбільший вклад порівняно з іншими штучними джерелами опромінення. І хоча в середньому у світі цей показник складає приблизно 20% додаткового до фонового опромінення, у деяких розвинутих країнах доза опромінення населення внаслідок рентгенодіагностичних процедур може досягати рівня природного радіаційного фону і перевищувати його. Значно більш високі дози опромінення може давати радіаційна терапія, діагностика захворювань різних органів за допомогою фармацевтичних препаратів з радіоактивними ізотопами, які вводяться усередину організму.

Розвиток фізики високих енергій обумовив створення спеціальних установок – прискорювачів заряджених частинок, здатних викликати іонізацію речовини: від лінійних прискорювачів, мікротронів, бетатронів, циклотронів, синхротронів, фазотронів, синхрофазотронів до найсучасніших суперколайдерів, які є джерелами електронів, протонів, дейтронів, іонів з енергіями до багатьох мільйонів електрон-вольт. Ці генератори іонізуючих випромінювань все більше привертають увагу медиків зручністю роботи, точністю дозиметрії, широкими можливостями щодо створення умов локалізації дози у потрібних місцях всередині організму. Безперечно, про конкуренцію з дешевими і простими рентгенівськими апаратами і гамма-установками поки що не може йти й речі, але вже зараз у багатьох країнах на зміну їм приходять спеціалізовані для медичних цілей прискорювачі і діагностико-терапевтичні комплекси на їх основі.

Слід відзначити, що із вдосконаленням рентгенівських апаратів, використанням нових методів діагностики внутрішніх органів, застосуванням у радіаційній терапії нових видів випромінювань, доза опромінення населення іонізуючою радіацією внаслідок медичних процедур зменшується. Сучасні рентгенівські апарати дозволяють зменшити дозу опромінення протягом сеансу у 5–10 разів порівняно з приладами 30–50-річної давності. Застосування комп’ютерної томографії, при якій проводиться не наскрізне рентгенівське опромінення організму, а лише на необхідну глибину, у деяких випадках дозволяє знизити дозу в 20–50 разів. Підвищення чутливості радіометрів дозволяє зменшувати концентрації ізотопів при радіодіагностичних процедурах. Застосування у радіаційній терапії пухлин спеціалізованих прискорювачів заряджених частинок та деяких інших видів випромінювань дозволяє за рахунок точної локалізації пучка та створення особливого режиму опромінення запобігати ураження здорових тканин.

Генерують рентгенівське випромінювання кольорові телевізори, дисплеї електронно-обчислювальних машин та інших приладів. Але на відстані більше за 50 см воно, як правило, не реєструється. Більш того, при правильній настройці і експлуатації доза опромінення від сучасних моделей цих приладів зовсім незначна.

14. Внесок різних джерел іонізуючих випромінювань у формування дози опромінення людини

Таким чином, усе живе і не живе на Землі піддається дії іонізуючих випромінювань різних природних та штучних джерел. Але дози, котрі можуть викликати помітні фізичні та хімічні зміни в останніх у тисячі і десятки тисяч разів вищі за рівні радіаційного фону і тому можливим їх впливом у даному випадку можна знехтувати. У живих же організмів навіть за рівнів потужностей доз природного радіаційного фону можна припускати прояв певних реакцій і наслідків дії випромінювань. В умовах же підвищеного радіаційного фону імовірність прояву уражень значно зростає.

Загальна оцінка тенденцій у динаміці доз опромінення населення Землі у другій половині 20-го століття показана на. Це річні усереднені дози, котрі для кожної людини в залежності від місця її мешкання, способу життя, раціону харчування та інших факторів можуть розрізнятись у багато разів.

Основним джерелом опромінення залишається природний радіаційний фон. На теперішній час середня доза опромінення від нього для населення земної кулі прийнята рівною 2.2 мЗв/рік. Хоча, безперечно, в різних регіонах планети вона варіює досить в широких межах. Але для конкретних місцевостей вона більш-менш постійна. Дози опромінення від штучних джерел залишаються суттєво меншими.

Зростаюче виробництво електроенергії за рахунок атомної енергетики, безперечно, призводить до постійного зростання опромінення населення за рахунок цього джерела. Але відносний його внесок дуже малий – на початок цього століття ці дози склали не більше 0.05% від природного фону.

Опромінення людини і біоти в цілому можуть набувати помітні масштаби тільки у випадку великих аварій на підприємствах ядерної енергетики. Найбільш характерний приклад – аварія на Чорнобильській АЕС, котра призвела у 1986 р. до опромінення у дуже високих дозах певної кількості людей. Опромінення було найбільш сильним у місцях, що безпосередньо прилягали до станції. Але в цілому для Європейського регіону опромінення людини залишалося на низькому рівні. Тільки протягом першого року після аварії середній рівень опромінення у Західній Європі досягав 50% додаткового до природного фону. У наступні роки він різко скоротився і натепер не перевищує 0.1%.

Внесок опромінення за рахунок використання джерел іонізуючих випромінювань в медицині в середньому складає 14% дози природного фону при варіюванні у різних місцях від 5 до 50%.

Певна річ, це середньостатистична для нашої планети картина. Для регіонів, котрі у тій чи іншій мірі можна віднести до природних чи штучних радіонуклідних аномалій, спостерігається інше співвідношення між компонентами, що формують дозу. Для населення України, особливо частки, що проживає у північних областях, Білорусі, західних областей Росії радіаційна обстановка значно ускладнилась в зв’язку з аварією на Чорнобильській АЕС. Жителі цих регіонів постійно зазнають дії підвищеного радіаційного тиску за рахунок як зовнішнього опромінення штучних радіонуклідів, що випали на об’єкти навколишнього середовища, так і внутрішнього, зумовленого їх попаданням всередину організму з продуктами харчування, водою, повітрям.

Проте, цей рисунок може дати уяву про відносний внесок основних джерел випромінювань у формування загальної дози не тільки до 2000 р. Можна вважати, що криві вийшли на плато і на тепер – 2010–2011 рр. ситуація докорінно не змінилася. Хоча імовірно, що з роками внесок опромінення за рахунок випробувань атомної зброї і аварії на Чорнобильській АЕС зменшується, а за рахунок виробництва ядерної енергії – збільшується. Але не настільки, щоб змінити характер ходу кривих.

15. Контрольні запитання до лекції 3

 1. Джерела іонізуючих випромінювань.

 2. Природні джерела іонізуючих випромінювань.

 3. Походження космічного випромінювання.

 4. Радіоактивні ізотопи, що утворюють родини, та їх похідні.

 5. Радіоактивні ізотопи, що не утворюють родин.

 6. Походження космогенних радіоізотопів.

 7. Категорії первинних радіонуклідів.

 6. Компоненти природного радіаційного фону.

 8. Радіонуклідні аномалії.

 9. Штучні джерела іонізуючих випромінювань

10. Складові ядерного паливного циклу.

11. Найкрупніші радіаційні аварії у світі.

12. Причини аварії на Чорнобильській АЕС.

13. Генератори іонізуючих випромінювань.

14. Внесок різних джерел іонізуючих випромінювань у формування дози

      опромінення людини.