Радиоактивность окружающей среды - Environmental radioactivity
| Часть серии о |
| Загрязнение |
|---|
 |
Радиоактивность окружающей среды создается радиоактивными материалами в окружающей человека среде . Хотя некоторые радиоизотопы , такие как стронций-90 ( 90 Sr) и технеций-99 ( 99 Tc), обнаруживаются на Земле только в результате деятельности человека, а некоторые, например, калий-40 ( 40 K), присутствуют только из-за В результате естественных процессов некоторые изотопы, например тритий ( 3 H), возникают как в результате естественных процессов, так и в результате деятельности человека. На концентрацию и местонахождение некоторых природных изотопов, особенно урана-238 ( 238 U), может повлиять деятельность человека.
Уровень фона в почвах
Радиоактивность присутствует повсюду с момента образования Земли. Естественная радиоактивность, обнаруженная в почве, в основном связана со следующими четырьмя естественными радиоизотопами: 40 K, 226 Ra, 238 U и 232 Th. В одном килограмме почвы калий-40 составляет в среднем 370 Бк радиации с типичным диапазоном 100–700 Бк; остальные дают около 25 Бк, с типичными диапазонами 10–50 Бк (7–50 Бк для 232 Th). Некоторые почвы могут сильно отличаться от этих норм.
Морской и речной ил
Недавний отчет о Sava реки в Сербии показывает , что многие из речных илов содержат около 100 Бк кг -1 природных радиоизотопов ( 226 Ra, 232 Th и 238 U). По данным Организации Объединенных Наций нормальной концентрации урана в диапазонах почвы между 300 мкг кг -1 и 11,7 мг кг -1 . Хорошо известно, что некоторые растения, называемые гипераккумуляторами , способны поглощать и концентрировать металлы в своих тканях; йод был впервые выделен из морских водорослей во Франции , что позволяет предположить, что водоросли являются гипераккумулятором йода.
Синтетические радиоизотопы также могут быть обнаружены в иле. Басби цитирует отчет Гарланда и др. Об активности плутония в приливных отложениях Уэльса . (1989), из которого следует, что чем ближе объект к Селлафилду , тем выше концентрация плутония в иле. Некоторая взаимосвязь между расстоянием и активностью может быть замечена в их данных, когда они построены на экспоненциальной кривой, но разброс точек велик (R 2 = 0,3683).
Рукотворный
Дополнительную радиоактивность в биосфере, вызванную деятельностью человека из-за выбросов антропогенной радиоактивности и естественных радиоактивных материалов (НОРМ), можно разделить на несколько классов.
- Нормальные лицензированные выбросы, которые происходят во время нормальной эксплуатации завода или технологического процесса, работающего с техногенными радиоактивными материалами.
- Например, высвобождение 99 Tc из отделения ядерной медицины больницы, которое происходит, когда человек, получивший агент визуализации Tc, изгоняет агент.
- Выбросы искусственных радиоактивных материалов во время промышленной или исследовательской аварии.
- Например, авария на Чернобыльской АЭС .
- Выбросы в результате военных действий.
- Например, испытание ядерного оружия.
- Выпуски, произошедшие в результате преступления .
- Выбросы естественных радиоактивных материалов (НОРМ) в результате горных работ и т. Д.
- Например, выброс следовых количеств урана и тория в угле при его сжигании на электростанциях.
Земледелие и передача человеку выпавшей радиоактивности
Просто потому , что радиоактивный изотоп попадает на поверхность почвы, не означает , что она войдет в человеческую пищевую цепь. После выброса в окружающую среду радиоактивные материалы могут достигать людей различными путями, и химический состав элемента обычно определяет наиболее вероятный путь.
Коровы
Иржи Хала утверждает в своем учебнике «Радиоактивность, ионизирующая радиация и ядерная энергия», что крупный рогатый скот передает людям, потребляющим молоко и мясо, лишь меньшую часть стронция , цезия , плутония и америция, которые они потребляют . На примере молока: если корова ежедневно потребляет 1000 Бк предшествующих изотопов, то молоко будет иметь следующие функции.
- 90 Sr, 2 Бк / л
- 137 Cs, 5 Бк / л
- 239 Pu, 0,001 Бк / л
- 241 Am, 0,001 Бк / л
Почва
В учебнике Йиржи Хала говорится, что почвы сильно различаются по способности связывать радиоизотопы, частицы глины и гуминовые кислоты могут изменять распределение изотопов между почвенной водой и почвой. Коэффициент распределения K d представляет собой отношение радиоактивности почвы (Бк г -1 ) к тому , что часть воды почвы (Бк мл -1 ). Если радиоактивность плотно связана с минералами в почве, то меньше радиоактивности может быть поглощено зерновыми культурами и травой, растущей в почве.
Испытание Троицы
Одним из наиболее значительных источников антропогенной радиоактивности является испытание ядерного оружия . Стекловидного trinitite создатель первой атомной бомбы содержит радиоактивные изотопы , образованные нейтронной активации и ядерного деления . Кроме того, присутствуют некоторые природные радиоизотопы. В недавней статье сообщается об уровнях долгоживущих радиоизотопов в тринитите. Тринитит образовался из полевого шпата и кварца, расплавленных под действием тепла. Были использованы два образца тринитита, первый (левые столбцы на графике) был взят на расстоянии от 40 до 65 метров от нулевой точки, а другой образец был взят из более далекой от нулевой точки.
152 Eu (период полураспада 13,54 года) и 154 Eu (период полураспада 8,59 года) были в основном формируется за счет активации нейтронов в европия в почве, то ясно , что уровень радиоактивности для этих изотопов является самой высокой , где нейтрон доза почва была больше. Часть 60 Co (период полураспада 5,27 года) образуется в результате активации кобальта в почве, но часть также образуется в результате активации кобальта в стальной (100-футовой) башне. Эти 60 Co из башни были бы разбросаны по территории, уменьшая разницу в уровнях почвы.
133 Ba (период полураспада 10,5 года) и 241 Am (период полураспада 432,6 года) обусловлены нейтронной активации бария и плутония внутри бомбы. Бария присутствовал в виде нитрата в химических взрывчатых веществ , используемых в то время как плутоний был делящегося используется топливо.
Уровень 137 Cs выше в образце, который находился дальше от нулевой точки - считается, что это связано с тем, что предшественники 137 Cs ( 137 I и 137 Xe) и, в меньшей степени, сам цезий являются летучими. . Естественные радиоизотопы в стекле примерно одинаковы в обоих местах.
Активационные продукты
Воздействие нейтронов на стабильные изотопы может привести к образованию радиоизотопов , например, при нейтронной бомбардировке (нейтронная активация) азота -14 образуется углерод -14. Этот радиоизотоп может выделяться из ядерного топливного цикла ; это радиоизотоп, ответственный за большую часть дозы, получаемой населением в результате деятельности ядерной энергетики .
Испытания ядерной бомбы увеличили удельную активность углерода, тогда как использование ископаемого топлива снизило ее. Подробнее см. Статью о радиоуглеродном датировании .
Продукты деления
Выбросы атомных станций в рамках ядерного топливного цикла вносят продукты деления в окружающую среду. Выбросы с заводов по переработке ядерных материалов обычно содержат радиоизотопы от среднего до долгоживущего; это потому, что ядерному топливу дают остыть в течение нескольких лет перед растворением в азотной кислоте . Выбросы в результате аварий на ядерных реакторах и взрывов бомб будут содержать большее количество короткоживущих радиоизотопов (когда количества выражены в активности Бк ).
Недолговечный
Примером короткоживущего продукта деления является йод-131 , который также может образовываться как продукт активации нейтронной активацией теллура .
Как при выпадении бомбы, так и при выбросе в результате аварии на энергетическом реакторе короткоживущие изотопы приводят к тому, что мощность дозы в первый день будет намного выше, чем та, которая будет получена на том же участке много дней спустя. Это верно даже в том случае, если не предпринимаются попытки обеззараживания. На графиках ниже показаны общая мощность дозы гамма-излучения и доля дозы каждого основного изотопа, выпущенного в результате аварии на Чернобыльской АЭС.
Средне прожитые
Примером живой среды является 137 Cs с периодом полураспада 30 лет. Цезий выделяется в осадках бомбы и в ядерном топливном цикле . Была написана статья о радиоактивности устриц, обнаруженных в Ирландском море , которые, как было обнаружено с помощью гамма-спектроскопии, содержат 141 Ce, 144 Ce, 103 Ru, 106 Ru, 137 Cs, 95 Zr и 95 Nb. Кроме того, был обнаружен продукт активации цинка ( 65 Zn), что, как полагают, происходит из-за коррозии магноксовой оболочки твэлов в бассейнах выдержки . Концентрация всех этих изотопов в Ирландском море, связанная с ядерными установками, такими как Селлафилд, за последние десятилетия значительно снизилась.
Важной частью выброса в Чернобыле был цезий-137, этот изотоп ответственен за большую часть долгосрочного (по крайней мере, через год после пожара) внешнего облучения, имевшего место на площадке. Изотопы цезия в выпадениях повлияли на сельское хозяйство. [2]
Большое количество цезия было выделено во время аварии в Гоянии, когда радиоактивный источник (предназначенный для использования в медицине) был украден, а затем разбит во время попытки переработать его в металлолом. Аварию можно было остановить в несколько этапов; во-первых, последние законные владельцы источника не смогли организовать хранение источника в надежном и безопасном месте; во-вторых, забравшие металлоломы не смогли распознать маркировку, указывающую на то, что это радиоактивный объект.
Soudek et al. сообщил в 2006 году подробности поглощения 90 Sr и 137 Cs подсолнечником, выращиваемым в гидропонных условиях. Цезий был обнаружен в жилках листа, в стебле и в верхушечных листьях. Выяснилось, что в растение поступило 12% цезия и 20% стронция. В этой статье также подробно описывается влияние ионов калия , аммония и кальция на поглощение радиоизотопов.
Цезий прочно связывается с глинистыми минералами, такими как иллит и монтмориллонит ; следовательно, он остается в верхних слоях почвы, где к нему могут получить доступ растения с неглубокими корнями (например, трава). Следовательно, трава и грибы могут нести значительное количество 137 Cs, которое может передаваться человеку через пищевую цепочку . Одним из лучших способов противодействия 137 Cs в молочном животноводстве является перемешивание почвы путем ее глубокой вспашки . Это приведет к тому, что 137 Cs окажется вне досягаемости мелких корней травы, следовательно, уровень радиоактивности в траве будет снижен. Кроме того, после ядерной войны или серьезной аварии удаление верхних нескольких сантиметров почвы и их захоронение в неглубокой траншее снизит долгосрочную дозу гамма-излучения для людей из-за 137 Cs, поскольку гамма- фотоны будут ослаблены их прохождением через почва . Чем дальше траншея находится от людей и чем глубже траншея, тем выше степень защиты, которая будет предоставлена человеческому населению.
В животноводстве важной мерой против 137 Cs является кормление животных небольшим количеством берлинской лазури . Это соединение цианида калия железа действует как ионообменник . Цианид настолько прочно связан с железом, что человеку безопасно есть несколько граммов берлинской лазури в день. Бирюзовая лазурь уменьшает биологический период полураспада (не путать с ядерным периодом полураспада ) цезия). Физический или ядерный период полураспада 137 Cs составляет около 30 лет, что является постоянной величиной и не может быть изменен; однако биологический период полураспада будет меняться в зависимости от природы и привычек организма, для которых он выражен. У человека цезий обычно имеет период биологического полураспада от одного до четырех месяцев. Дополнительным преимуществом берлинской лазурки является то, что цезий, который удаляется из животных с пометом, находится в форме, недоступной для растений. Следовательно, он предотвращает переработку цезия. Форма берлинской лазури, необходимая для лечения людей или животных, относится к особому сорту. Попытки использовать марку пигмента, используемую в красках , не увенчались успехом.
Долго жил
Примеры долгоживущих изотопов включают йод- 129 и Tc-99, период полураспада которых составляет 15 миллионов и 200 000 лет соответственно.
Плутоний и другие актиниды
В популярной культуре плутоний считается высшей угрозой для жизни и здоровья, что неправильно; Хотя употребление плутония в пищу вряд ли будет полезно для здоровья, другие радиоизотопы, такие как радий , более токсичны для человека. Независимо от того , введение трансурановых элементов , таких как плутоний в окружающую среду следует по возможности избегать. В настоящее время деятельность отрасли по переработке ядерных материалов является предметом больших дискуссий, поскольку один из опасений тех, кто выступает против этой отрасли, заключается в том, что большие количества плутония будут либо неправильно обработаны, либо выброшены в окружающую среду.
В прошлом одним из крупнейших выбросов плутония в окружающую среду было испытание ядерной бомбы .
- В ходе этих испытаний в воздухе некоторое количество плутония было разбросано по всему земному шару; это большое растворение плутония привело к тому, что угроза для каждого облученного человека очень мала, поскольку каждый человек подвергается воздействию только очень небольшого количества.
- Подземные испытания имеют тенденцию формировать расплавленную породу, которая быстро охлаждает и запечатывает актиниды в породе, делая их неспособными двигаться; Опять же, угроза для людей невелика, если место испытания не будет раскопано.
- Испытания на безопасность, в которых бомбы подвергались моделированию аварий, представляют наибольшую опасность для людей; некоторые участки земли, используемые для таких экспериментов (проводимых на открытом воздухе), не были полностью переданы для общего пользования, несмотря на то, что в одном случае была проведена обширная дезактивация.
Естественный
Продукты активации от космических лучей
Космогенные изотопы (или космогенные нуклиды ) редкие изотопы , создаваемые при высокой энергии космических лучей взаимодействуют с ядром из на месте атома . Эти изотопы образуются в пределах земных материалов , таких как скалы или почвы , в земной атмосфере , и в внеземных предметов , таких как метеориты . Измеряя космогенные изотопы, ученые могут получить представление о целом ряде геологических и астрономических процессов. Есть как радиоактивные, так и стабильные космогенные изотопы. Некоторые из этих радиоизотопов - это тритий , углерод- 14 и фосфор -32.
Режимы производства
Вот список радиоизотопов, образовавшихся под действием космических лучей на атмосферу; список также содержит способ производства изотопа. Эти данные были получены из отчета SCOPE50, см. Таблицу 1.9 главы 1 .
| Изотоп | Способ формирования |
|---|---|
| ³H (тритий) | 14 Н (н, 12 С) ³H |
| 7 Be | Расщепление (N и O) |
| 10 Be | Расщепление (N и O) |
| 11 С | Расщепление (N и O) |
| 14 С | 14 Н (п, п) 14 С |
| 18 F | 18 O (p, n) 18 F и скалывание (Ar) |
| 22 Na | Расщепление (Ar) |
| 24 Na | Расщепление (Ar) |
| 28 мг | Расщепление (Ar) |
| 31 Si | Расщепление (Ar) |
| 32 Si | Расщепление (Ar) |
| 32 P | Расщепление (Ar) |
| 34m Cl | Расщепление (Ar) |
| 35 ю.ш. | Расщепление (Ar) |
| 36 Cl | 35 Cl (n,) 36 Cl |
| 37 Ar | 37 Cl (p, n) 37 Ar |
| 38 Cl | Расщепление (Ar) |
| 39 Ar | 38 Ar (n,) 39 Ar |
| 39 Cl | 40 Ar (n, np) 39 Cl & растрескивание (Ar) |
| 41 Ar | 40 Ar (n,) 41 Ar |
| 81 кр | 80 Кр (п,) 81 Кр |
Перенести на землю
Уровень бериллия -7 в воздухе связан с циклом солнечных пятен , поскольку солнечное излучение образует этот радиоизотоп в атмосфере. Скорость, с которой он передается с воздуха на землю, частично зависит от погоды.
Приложения в геологии, перечисленные по изотопам
| элемент | масса | период полураспада (лет) | типичное приложение |
|---|---|---|---|
| гелий | 3 | - стабильный - | датирование экспозиции оливинсодержащих пород |
| бериллий | 10 | 1,36 миллиона | воздействие датировка кварцевых водоносных пород, осадка, датирование кернов льда, измерение скорости эрозии |
| углерод | 14 | 5730 | датирование органического вещества, воды |
| неон | 21 год | - стабильный - | датирование очень стабильных, долго экспонированных поверхностей, включая метеориты |
| алюминий | 26 | 720 000 | датирование обнажения горных пород, отложений |
| хлор | 36 | 308 000 | датировка обнажения горных пород, индикатор грунтовых вод |
| кальций | 41 год | 103 000 | датирование обнажения карбонатных пород |
| йод | 129 | 15,7 миллиона | индикатор грунтовых вод |
Приложения знакомств
Поскольку космогенные изотопы имеют длительный период полураспада (от тысяч до миллионов лет), ученые считают их полезными для геологического датирования . Космогенные изотопы производятся на поверхности Земли или вблизи нее и поэтому обычно применяются для задач измерения возраста и скорости геоморфных и осадочных явлений и процессов.
Конкретные применения космогенных изотопов включают:
- датирование обнажений земных поверхностей, включая размытые ледниками коренные породы , уступы разломов , оползневые обломки
- датировка захоронения отложений, коренных пород, льда
- измерение скорости стационарной эрозии
- абсолютное датирование органического вещества ( радиоуглеродное датирование )
- абсолютное датирование водных масс, измерение скорости переноса подземных вод
- абсолютная датировка метеоритов, лунных поверхностей
Методы измерения долгоживущих изотопов
Для измерения космогенных изотопов, образующихся в твердых земных материалах, таких как горные породы, образцы обычно сначала подвергаются механическому разделению. Образец измельчается, и желаемый материал, такой как конкретный минерал ( кварц в случае Be-10), отделяется от нежелательного материала с использованием разделения по плотности в тяжелой жидкой среде, такой как вольфрамат лития-натрия (LST). Затем образец растворяют, добавляют обычный изотопный носитель (носитель Be-9 в случае Be-10), и водный раствор очищают до оксида или другого чистого твердого вещества.
Наконец, отношение редкого космогенного изотопа к общему изотопу измеряется с помощью масс-спектрометрии на ускорителе . Исходная концентрация космогенного изотопа в образце затем рассчитывается с использованием измеренного изотопного отношения, массы образца и массы носителя, добавленного к образцу.
Радий и радон от распада долгоживущих актинидов
Радий и радон находятся в окружающей среде, потому что они являются продуктами распада урана и тория .
Выбрасываемый в воздух радон ( 222 Rn) распадается на 210 Pb и другие радиоизотопы, и уровни 210 Pb можно измерить. Скорость осаждения этого радиоизотопа зависит от погоды. Ниже приведен график скорости наплавки, наблюдаемой в Японии .
Уран-свинцовые датировки
Уран - ведущие знакомства обычно выполняются на минеральном цирконе (ZrSiO 4 ), хотя можно использовать и другие материалы. Циркон включает атомы урана в свою кристаллическую структуру в качестве заменителя циркония , но сильно отвергает свинец. Он имеет высокую температуру блокировки, устойчив к механическим воздействиям и химически инертен. Циркон также образует несколько кристаллических слоев во время метаморфических событий, каждый из которых может фиксировать изотопный возраст события. Их можно датировать с помощью ионного микрозонда SHRIMP .
Одним из преимуществ этого метода является то, что любой образец обеспечивает два тактовых генератора: один основан на распаде урана-235 до свинца-207 с периодом полураспада около 703 миллионов лет, а другой основан на распаде урана-238 до свинца-206 с период полураспада около 4,5 миллиардов лет, что обеспечивает встроенную перекрестную проверку, которая позволяет точно определить возраст образца, даже если часть свинца была потеряна.
Смотрите также
- Журнал экологической радиоактивности
- Радиоактивный материал природного происхождения
- Радиоэкология
- Радий в окружающей среде
- Уран в окружающей среде
Рекомендации
Ссылки о космогенном изотопном датировании
- Госс, Джон К. , и Филлипс, Фред М. (2001). «Земные космогенные нуклиды in situ: теория и применение». Quaternary Science Reviews 20 , 1475–1560.
- Грейнджер, Дэррил Э., Фабел, Дерек и Палмер, Артур Н. (2001). «Плиоцен-плейстоценовый разрез реки Грин-Ривер, штат Кентукки, определенный по радиоактивному распаду космогенных 26Al и 10Be в отложениях Мамонтовой пещеры». Бюллетень Геологического общества Америки 113 (7), 825–836.
дальнейшее чтение
- Радиоактивность, ионизирующее излучение и ядерная энергия, Дж. Хала и Дж. Д. Навратил
- Обзор этой темы был опубликован Научным комитетом по проблемам окружающей среды (SCOPE) в отчете SCOPE 50 Radioecology after Chernobyl .