Радиационное воздействие ядерного оружия

 

Загрязнение окружающей среды в результате ядерных испытаний

Находящиеся в окружающей среде радионуклиды подразделяются на природные и искусственные. Природные частично образовались одновременно с веществом Земли, частично – постоянно образуются в ядерных реакциях под действием космического излучения. В настоящее время именно они составляют основу дозовой нагрузки на человека.

Искусственные радионуклиды поступали в окружающую среду в результате испытаний ядерного оружия, ядерных взрывов, проводившихся в мирных целях, а также деятельности предприятий ядерно-топливного цикла. В течение ряда лет многие страны, в том числе и СССР, сбрасывали в моря и реки жидкие радиоактивные отходы и затапливали отработавшие ядерные установки. Свой вклад внесли и аварийные ситуации на предприятиях ядерно-топливного цикла, из которых наиболее глобальные последствия имела катастрофа на Чернобыльской АЭС 26 апреля 1986 г.

Основным источником искусственной радиоактивности в окружающей среде стали испытания ядерного оружия в атмосфере. Общая мощность ядерных взрывов, произведённых в ходе атмосферных испытаний, составила 545 мегатонн (Мт). По оценкам, до 90% от общего числа искусственных радионуклидов поступило в окружающую среду в результате атмосферных ядерных взрывов. Выпадения радионуклидов происходили неоднородно по поверхности планеты. Так, около 76% глобальных выпадений стронция-90 пришлось на северное полушарие, где было проведено 90% от общего числа испытаний. Максимум глобальных выпадений пришёлся на 40⁰-50⁰ с.ш.

Испытания ядерного оружия достигли наибольшей интенсивности в начале 1960-х годов. В 1961-1962 гг. на Новой Земле было проведено 56 атмосферных взрывов суммарной мощностью около 300 Мт тротила, в том числе термоядерный взрыв мощностью более 50 Мт. Загрязнение окружающей среды стало принимать угрожающие масштабы, и в 1963 г. СССР, США и Великобритания подписали в Москве договор о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, в космосе и под водой.

После подписания Московского договора СССР, США и Великобритания проводили исключительно подземные ядерные взрывы, тогда как Китай и Франция, не присоединившись к соглашению, впоследствии провели ряд атмосферных испытаний.

С 1963 г. наблюдается постепенный спад интенсивности глобальных выпадений радионуклидов.

 

Образование радионуклидов

При делении тяжёлых ядер урана и плутония образуются сотни различных радионуклидов с разными периодами полураспада. Распределение дочерних продуктов по массовым числам имеет два максимума, находящихся в интервалах 85-105 и 130-150. С высоким выходом образуются радионуклиды цезия-137 и стронция-90. Они имеют относительно большие периоды полураспада (около 30-ти лет) и поэтому представляют особую опасность для здоровья человека. В первые недели после взрыва особое значение имеет йод-131 (период полураспада 8 дней), способный накапливаться в щитовидной железе и тем самым создавать высокие локальные дозы облучения.

Образующиеся при ядерном или термоядерном взрыве нейтроны взаимодействуют с ядрами атомов, входящих в состав атмосферы, почвы, конструкционных материалов. Так, их взаимодействие с ядрами атмосферного азота приводит к образованию радиоактивного углерода ¹⁴C.

В атмосфере природным путём углерод ¹⁴C образуется под действием космического излучения в количестве 3.4*10²⁶ атомов в год. Взрыв ядерного боеприпаса мощностью 1 Мт приводит к образованию 3.2*10²⁶ атомов ¹⁴C. Ожидаемая доза облучения населения Земли за счёт ¹⁴C вследствие ядерных испытаний в атмосфере будет формироваться в течение тысяч лет и, по оценкам, составит около 70% суммарного вклада от всех радионуклидов.

Избыток содержания С-14 в атмосфере по годам (нажмите на изображение для его увеличения)

 

Радиационное воздействие ядерных взрывов

Существуют две разновидности радиационного воздействия ядерного взрыва: проникающая радиация и радиоактивное заражение.

Проникающая радиация (ионизирующее излучение) представляет собой гамма-излучение и поток нейтронов, испускаемых из зоны ядерного взрыва в течение единиц или десятков секунд.

Радиоактивное заражение. Источниками радиоактивных веществ могут являться продукты деления ядерного горючего, не вступившая в реакцию часть ядерного заряда и радиоактивные изотопы, образовавшиеся в грунте и других материалах под воздействием нейтронов (наведённая активность).

Наземный или низкий взрыв втягивает в огненное облако, содержащее радиоактивные продукты деления ядер урана и плутония, множество пылинок почвы. Пылинки оплавляются с поверхности и при этом поглощают (растворяют) радиоактивные вещества. Когда атомное облако движется в ту или иную сторону под действием господствующих верховых (стратосферных) ветров пылинки постепенно выпадают на землю – сначала более крупные, потом всё более и более мелкие. Образуется длинная радиоактивная полоса – “след” – результат выпадения из поднятого в воздух облака значительного количества радиоактивных веществ. Форма следа может быть самой разнообразной, в зависимости от окружающих условий.

 

Радиоактивные осадки

Местные (локальные) радиоактивные осадки – это осадки, которые выпадают в течение первых нескольких часов, но не более чем через сутки после взрыва. Они образуют на местности радиоактивный след облака взрыва с достаточно высокими уровнями загрязнения. Такие локальные следы могут образовываться в основном после наземных взрывов в зоне, непосредственно примыкающей к воронке взрыва.

Глобальные радиоактивные осадки – это те продукты ядерных взрывов, которые достаточно долго находились в стратосфере, т.е. выше тропопаузы. Затем, спустя примерно 4-6 месяцев после ядерного взрыва, они начинают выпадать на поверхность Земли в виде очень мелких частиц, распространяясь практически по всему земному шару. Выпадению глобальных радиоактивных частиц способствуют обычные атмосферные осадки – дождь, снег, туман.

Кроме того, после воздушных ядерных взрывов среднего и крупного калибров возможно формирование радиоактивного загрязнения в промежуточной зоне за счёт тропосферных выпадений, особенно когда приземное пылевое образование втягивается в облако взрыва. Это – полуглобальные радиоактивные осадки, выпадение которых начинается спустя примерно 10-20 ч. после взрыва на расстояниях около 500-1000 км от места взрыва и может продолжаться в течение 2-4 недель. Радиоактивные частицы, составляющие эти выпадения, легко переносятся ветрами.

Масштабы и степень радиационного загрязнения окружающей среды в результате испытаний ядерного оружия зависят от вида и мощности взрыва.

 

Виды ядерных взрывов

Ядерные взрывы могут производиться в воздухе, на поверхности земли и воды, под землей и водой. В соответствии с этим различают высотный, воздушный, наземный (надводный) и подземный (подводный) взрывы.

Наземный ядерный взрыв – это взрыв, произведённый на поверхности земли, при котором образующаяся в процессе взрыва светящаяся область касается поверхности земли. Такие взрывы приводят к наиболее значительному загрязнению окружающей среды. Район взрыва оказывается сильно загрязнённым, а радиоактивные осадки выпадают на поверхность земли по направлению движения образовавшегося при взрыве облака, создавая радиоактивный след.

В СССР было проведено 32 наземных взрыва (из них 30 – на Семипалатинском полигоне), из которых при 4 взрывах за пределами полигона в ближней зоне формировались локальные радиоактивные следы. В зоне выпадения радионуклидов оказался 41 населённый пункт. Максимальные дозы облучения населения достигали 1.5-1.9 Гр. Дозы формировались в основном за счёт короткоживущих радионуклидов, среди которых наибольшее значение имели радиоизотопы йода.

На Новоземельском полигоне был произведён один наземный взрыв (в 1957 г.). Степень радиоактивного загрязнения местности после него была весьма высокой.

Воздушный ядерный взрыв – это взрыв, произведенный на высоте до 10 км, когда светящаяся область не касается земли (воды). Сильное радиоактивное заражение местности образуется в основном вблизи эпицентров низких воздушных взрывов. Их характерной особенностью является то, что, несмотря на соединение пылевого столба с облаком взрыва, поднятые с поверхности земли частицы грунта не вступают во взаимодействие с радиоактивными продуктами – осколками деления ядерного топлива. В связи с этим формирование источника радиоактивного загрязнения происходит за счёт конденсации паров только конструкционных материалов бомбы. Радиоактивные продукты локализуются в каплях образовавшейся жидкости. Размер образовавшихся таким образом радиоактивных частиц – порядка 10 мкм. Эти частицы распространяются и выпадают на землю на расстояниях до нескольких сотен и даже тысяч километров от места проведения взрыва. Помимо этого, подвергшиеся воздействию нейтронного излучения частицы поверхностного слоя грунта вовлекаются в возмущённую область атмосферы и в последующем выпадают из пылевого столба на ближних расстояниях от эпицентра взрыва.

При высоких воздушных взрывах минеральные (почвенные) частицы практически не вовлекаются в облако взрыва. Радиоактивное загрязнение местности происходит в зоне распространения нейтронов проникающей радиации в районе эпицентра, а образующиеся в основном из конструкционных материалов ядерного боеприпаса радиоактивные частицы становятся одной из составляющих глобальных выпадений радионуклидов.

При высотном ядерном взрыве (высота взрыва более 10 км) радиоактивные продукты достигают поверхности земли спустя много времени после его проведения и только в виде глобальных выпадений.

При подводном взрыве мгновенные гамма-кванты и нейтроны поглощаются водой, а радиоактивные продукты распределяются между воздушной средой и морской водой. Возникает полый водяной столб с облаком вверху. После обрушения водяного столба у его основания образуется базисная волна, которая представляет собой приводное облако, состоящее из мелких радиоактивных капель воды и тумана. Через некоторое время это облако отрывается от поверхности воды, передвигается по ветру, и из него выпадает радиоактивный дождь, образуя локальный след. Протяжённость следа и плотность радиоактивного загрязнения местности при выпадении осадков на твёрдую поверхность после подводного взрыва существенно меньше, чем после наземного.

Подводный атомный взрыв 21 сентября 1955 г. в районе губы Чёрная (нажмите на изображение для его увеличения)

СССР были проведены три подводных взрыва в районе губы Чёрная на Новой Земле. Они стали основными источниками техногенных радионуклидов в донных осадках губы. США проводили подводные взрывы на атолле Эниветок (Маршалловы о-ва).

Надводный ядерный взрыв – это взрыв, произведённый на поверхности воды, при котором образующаяся в процессе взрыва светящаяся область касается поверхности воды. Облако надводного взрыва по высоте подъёма и своему виду аналогично облаку наземного взрыва, но размеры локального следа и плотность загрязнения хотя и значительны, но меньше, чем после наземного, однако больше, чем после подводного взрыва ядерного заряда примерно такой же мощности.

После 1963 г. испытания проводились в основном под землёй. При проведении подземных ядерных взрывов основная часть радионуклидов остаётся в полости взрыва, однако во многих случаях наблюдается выброс в атмосферу радиоактивных благородных газов и других летучих продуктов взрыва. По некоторым сведениям, обнаружена также миграция ряда радионуклидов с коллоидной фракцией природных вод.

 

Влияние радиационного заражения на здоровье

Различают пороговые (детерминированные) и стохастические эффекты воздействия радиации. Первые возникают, когда число клеток, которые в результате облучения погибли, потеряли способность воспроизводства или нормального функционирования, достигает критического значения, при котором заметно нарушение функции поражённых органов.

Стохастические (вероятностные) эффекты, такие, как злокачественные новообразования и генетические нарушения, могут возникать при любых дозах облучения. С увеличением дозы повышается не тяжесть этих эффектов, а вероятность (риск) их появления.

Оценка стохастических эффектов, главным образом, канцерогенных, в настоящее время базируется на линейной беспороговой концепции. В её основу положены в первую очередь особенности действия радиации. Поглощение любой дозы сопровождается процессами ионизации и возбуждения атомов и молекул с последующим образованием биологически активных радикалов. Однако многие исследователи полагают, что и для стохастических эффектов существует порог. Жизнь на Земле существовала и существует в условиях постоянного воздействия естественного радиационного фона. В процессе эволюции выработалась и генетически закрепилась система восстановления и уничтожения повреждённых молекул и клеток.

Однако оценить опасность облучения в малых дозах в условиях действия на организм живых существ других негативных факторов физической, химической и биологической природы, крайне сложно. Официально в настоящее время принята именно беспороговая концепция.

 

Общая характеристика воздействия продуктов ядерного взрыва

Продукты ядерного взрыва, поступив во внешнюю среду, становятся источником внешнего гамма- и бета-облучения. Помимо этого, в условиях формирования радиоактивного следа и нахождения людей и животных на загрязнённой радионуклидами местности, возможно их поступление в организм. Радионуклиды могут поступать человеку ингаляционно в момент выпадения из облака взрыва и вторичного пылеобразования и перорально с загрязнёнными продуктами питания и водой. Поэтому в зонах радиоактивного загрязнения облучение населения носит комбинированный характер – сочетание внешнего и внутреннего облучения, что приводит к сложному развитию патологических процессов.

В процессе распада радионуклидов их радиоизотопный состав изменяется. В начальном периоде загрязнения дозы внешнего облучения формируются за счёт короткоживущих радиоизотопов йода, циркония, рутения, лантана. Затем в связи с естественным процессом распада радиоактивность уменьшается. При этом возрастает относительное содержание долгоживущих радионуклидов – цезия, стронция, церия и др.

В зависимости от количества продуктов ядерного взрыва (ПЯВ), поступившего в организм, радиационное поражение может проявляться в форме острой, подострой и хронической болезни.

В генезисе острого поражения, клинике болезни, процессах выздоровления, формировании отдалённой патологии большое значение при поступлении молодых ПЯВ имеет радиационное поражение щитовидной железы радиоизотопами йода, которые составляют значительную часть их активности. Опухоли в случае поступления молодых ПЯВ в основном возникают в эндокринных железах и органах, имеющих тесную функциональную связь с эндокринной системой (молочные железы, гонады). В их генезисе определяющее значение имеет нарушение эндокринного статуса организма, начальным звеном которого является радиационное поражение щитовидной железы. При поступлении в организм ПЯВ большого возраста спектр опухолей иной – саркомы, лейкозы.

 

Сведения о некоторых нуклидах

Йод

Среди известных 26-ти изотопов йода стабильным является только природный ¹²⁷I. Стабильный ¹²⁷I относится к числу наиболее важных биоэлементов. Он входит в состав синтезируемых щитовидной железой гормонов. Остальные изотопы йода, с массовыми числами 115-126 и 128-141 радиоактивны. Периоды полураспада большинства из них колеблются от нескольких минут до нескольких недель. ^131-135I составляют значительную часть активности молодых продуктов ядерного деления. Эти изотопы при испытаниях ядерного оружия выпадают в основном в ближних зонах. В глобальных выпадениях йод практически отсутствует, т.к. распадается до выпадения на земную поверхность.

В организм человеку радиойод может поступать через органы дыхания, с пищей и водой, через кожные покровы, раны и ожоговые поверхности. Основное значение имеют два первых пути. Главным источником поступления радиойода населению в зонах радионуклидного загрязнения были местные продукты питания растительного и животного происхождения. В первую очередь это молоко, свежие молочные продукты и листовые овощи, имеющие поверхностное загрязнение.

Опасность для здоровья усугубляется в районах, характеризующихся нехваткой природного йода.

Цезий

Из 23-х изотопов цезия 22 – радиоактивные с массовыми числами 123-132 и 134-144. Наибольшее значение из радиоизотопов цезия имеет ¹³⁷Cs. Его период полураспада – T_1/2 = 30 лет. Радиоактивные выпадения радиоизотопов цезия на сушу при испытаниях ядерного оружия и выбросы ядерных предприятий к настоящему времени явились наиболее значимым источником загрязнения внешней среды и радиационного воздействия на человека.

Носителями активности при ядерных взрывах являются аэрозоли, образующиеся в результате конденсации радиоактивных и нерадиоактивных продуктов взрыва. Атмосфера представляет собой первичный резервуар, откуда радионуклиды поступают на земную поверхность. Процесс выпадения ускоряют атмосферные осадки и агрегация частиц с образованием более крупных. Период полуочищения стратосферы примерно равен одному году.

В организм человека нуклид может поступать в основном через органы дыхания в период радиоактивных выпадений и перорально с загрязнёнными продуктами питания и водой. Начальным звеном большинства пищевых цепочек являются растения. Радионуклиды могут попасть на растения (листья, стебли, плоды) непосредственно в момент радиоактивных выпадений, через корневую систему из почвы и с загрязнённой водой.

Поступая в организм, радиоцезий распределяется практически равномерно, что приводит к приблизительно равномерному облучению органов и тканей.

Стронций

Из радиоактивных изотопов стронция наибольший интерес представляют ⁸⁹Sr (T_1/2 = 50.5 сут.) и ⁹⁰Sr (T_1/2 = 29.1 года).

Основным источником загрязнения внешней среды радиоактивным стронцием были испытания ядерного оружия и аварии на предприятиях топливно-ядерного цикла. Атмосфера – первичный резервуар ⁸⁹Sr и ⁹⁰Sr, откуда радионуклиды поступают на сушу и в гидросферу. Осаждение определяется гравитацией, адсорбцией на нейтральной пыли, постоянно присутствующей в атмосфере, и атмосферными осадками (дождь, снег). Время пребывания радиоактивных аэрозолей в атмосфере составляет 30-40 суток, в стратосфере – несколько лет.

Населению нуклид в основном поступает с загрязнёнными продуктами. Ингаляционный путь имеет меньшее значение. Почва => растения – начальное звено большинства цепочек переноса радиостронция из внешней среды человеку. В растения радионуклиды могут поступать в результате непосредственного загрязнения наземных их частей в момент выпадения, пылеобразования и поглощения из почвы через корневую систему.

 

Заключение

В 1995 г. Российская научная комиссия по радиационной защите (РНКРЗ) приняла “Концепцию радиационной, медицинской, социальной защиты и реабилитации населения Российской Федерации”, в которой определены такие понятия, как “облучённый” и “пострадавший”. В рамках данной концепции облучённым признаётся тот, у кого в результате воздействия ионизирующего излучения эффективная доза превышает 50 мЗв (5 бэр) или накопленная эффективная доза хронического облучения превышает 70 мЗв. Пострадавшим является тот, у кого в подобных обстоятельствах возникли лучевые поражения или другие заболевания в отношении которых официально установлена причинно-следственная связь с воздействием ионизирующих излучений.

При оценке степени влияния ядерных испытаний на здоровье населения, проживающего в районе их проведения, следует учитывать как параметры сложившейся на территориях этих районов радиационной обстановки, так и целый комплекс различного рода факторов, воздействующих на человека.

 

Л и т е р а т у р а:

1. Ю.А. Сапожников, Р.А. Алиев, С.Н. Калмыков “Радиоактивность окружающей среды”, изд-во “БИНОМ. Лаборатория знаний”, М., 2006 г.
2. О.И. Василенко “Радиационная экология”, изд-во “Медицина”, М., 2004 г.
3. “Ядерные испытания”, книга 1 “Ядерные испытания в Арктике”, том 2. Под общей редакцией научного руководителя РФЯЦ ВНИИЭФ академика РАН В.Н. Михайлова. Изд-во “Картуш”, М., 2006 г.
4. “Ядерные испытания”, книга 2 “Тоцкое войсковое учение”. Под общей редакцией научного руководителя РФЯЦ ВНИИЭФ академика РАН В.Н. Михайлова. Изд-во “Картуш”, М., 2006 г.

 

Автор статьи: Vorona N, автор сайта "Нагасаки"