Радиоэкология: Методические указания

1

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Факультет географии и геоэкологии Кафедра геоэкологии и мониторинга окружающей среды

РАДИОЭКОЛОГИЯ Методические указания для студентов 4 курса отделения геоэкологии

Составитель Иванова Е.Ю.

Воронеж 2000

2

ОСНОВЫ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ. ВВЕДЕНИЕ В РАДИОЭКОЛОГИЮ Атомным ядром называется центральная часть атома, занимающая лишь триллионную долю его объема, но в которой сосредоточено более 99, 9 % его массы. Ядро состоит из частиц двух видов — протонов и нейтронов, общее название которых нуклоны. Число протонов равно атомному номеру Z. Число нейтронов обозначается N, и в сумме они дают атомное, или массовое число А = N + Z. Нуклоны, образующие атомное ядро, удерживаются вместе очень мощными силами взаимного притяжения, которые называются ядерными силами,

или

сильным

электростатическое

взаимодействием.

(кулоновское)

Ядерные

отталкивание,

силы

преодолевают

существующее

между

одноименно заряженными протонами, и не дают им разлететься. Ядра с одинаковым атомным номером, но разными массовыми числами называются изотопами одного элемента. Химические свойства изотопов практически неотличимы, но их специфические ядерные свойства могут отличаться очень сильно. Все атомные ядра делятся на две основные группы — стабильные и радиоактивные. Стабильные ядра в свободном состоянии могут существовать неограниченное время, сохраняя неизменным нуклонный состав и все физические свойства. Радиоактивные ядра с течением времени распадаются, т. е. меняют свой нуклонный состав с испусканием частиц. При

альфа-распаде

испускается

ядро

гелия

(альфа-частица)

и

«материнское» ядро превращается в «дочернее», в котором на 2 протона и 2 нейтрона меньше. При бета-распаде либо один из протонов ядра превращается в нейтрон, либо наоборот, при этом испускается соответственно электрон или позитрон.

Как

электромагнитным

правило,

и

излучением

альфа-,

и

бета-распад

(гамма-излучение).

Оно

сопровождается имеет

ту

же

физическую природу, что световое и рентгеновское излучение, но его длина волны в сотни тысяч или миллионы раз меньше, чем у светового, а частота и, соответственно, энергия квантов излучения во столько же раз больше.

3

Самопроизвольный радиоактивный распад атомных ядер во времени происходит всегда с одинаковой скоростью. Каждый радиоактивный элемент характеризуется периодом полураспада (Т1/2) - это время, за которое распадается половина начального количества атомных ядер. Периоды полураспада атомных ядер варьируются в исключительно широких пределах — от долей секунды до миллиардов лет. Радиоактивность - это самопроизвольное превращение неустойчивого нуклида в другой нуклид, сопровождающееся испусканием ионизирующего излучения. Ионизирующее излучение — это поток заряженных или нейтральных частиц и квантов электромагнитного излучения, прохождение которых через вещество приводит к ионизации и возбуждению атомов или молекул среды. Все ионизирующие излучения по своей природе делятся на фотонные и корпускулярные. Под общим названием фотонного ионизирующего излучения объединяют гамма-излучение

и

рентгеновское

излучение.

К

корпускулярному

ионизирующему излучению относят альфа-излучение, электронное, протонное, нейтронное и излучения. Частицы корпускулярного ионизирующего излучения, или фотоны, принято называть ионизирующими частицами. Корпускулярное излучение, состоящее из потока заряженных частиц (альфа- и бета-частиц, протонов, электронов), кинетическая энергия которых достаточна для ионизации атомов при столкновении, относится к классу непосредственно ионизирующего излучения. Нейтроны и другие элементарные частицы непосредственно не производят ионизацию, но в процессе взаимодействия со средой высвобождают заряженные частицы (электроны, протоны и т. д.), способные ионизировать атомы и молекулы среды, через которую они проходят. Соответственно корпускулярное излучение, состоящее из потока незаряженных частиц, называют косвенно ионизирующим излучением. Фотонное излучение является также косвенно ионизирующим.

4

Различные виды атомной радиации, проходя через вещество, будут передавать ему энергию различными путями. Высокоэнергетичный квант гамма-лучей будет редко сталкиваться с электронами атомов, одна ионизация от другой будет образовываться на далеком расстоянии, и эта радиация получила название редкоионизирующеи радиации. Альфа-частица имеет гораздо большую вероятность столкнуться с электронами атомов. Поэтому она быстро теряет свою энергию, очень неглубоко проникает в вещество, дает сгусток ионов и относится к плотноионизирующей радиации (рис. 1).

Рис. 1. Основные виды излучений и их проницающая способность. Электроны в зависимости от энергии занимают промежуточное положение. При взаимодействии с атомами твердого тела ионизирующее излучение вызывает смещение атомов из устойчивых положений в решетке, ионизацию и, в некоторых случаях, появление в решетке примесей за счет деления и ядерных реакций. Облучение вызывает более или менее устойчивые изменения свойств твердого тела — радиационное повреждение. Характер радиационного повреждения зависит от типа связей в облучаемом теле, вида и условий облучения. На первой стадии происходит взаимодействие ионизирующего излучения с атомами твердого тела и образование первичных смещенных атомов, на второй стадии — взаимодействие первичных смещенных атомов с атомами твердого тела и образование вторичных смещенных атомов.

5

Передача энергии широкого диапазона заряженной частицей веществу осуществляется в основном посредством возбуждения и ионизации атомов. Однако чтобы осуществить ионизацию, квант или частица атомной радиации должны непосредственно столкнуться, попасть в ядро или электрон атома. Если мы примем во внимание ничтожно малую длину волны или размер ионизирующей частицы, то такое попадание будет очень редким явлением, что наглядно в схематическом виде изображено на рис. 2. Большинство частиц пролетит сквозь молекулу, не оказав на нее никакого воздействия. Они легко проходят сквозь непрозрачные для видимого света предметы, проникают в глубь вещества, что и побудило называть их также проникающим излучением.

Рис. 2. Схема взаимодействия молекул и летящих частиц,

пролетающих

мимо

или выбивающих электроны.

Контрольные вопросы: Что такое атом, каково его строение?

Что

представляет собой атомное ядро, его основные свойства? Для каких ядер характерен самопроизвольный распад? Что такое магические числа нуклонов? Дайте определения радиоактивности; ионизирующего излучения; периода полураспада. Каковы виды ионизирующего излучения по способности к ионизации вещества? Каков механизм радиационного повреждения? Какие процессы происходят при взаимодействии с веществом фотонного и электронного излучений? Что происходит при воздействии альфа-излучения? ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАДИОБИОЛОГИИ Фундаментальной

задачей,

составляющей

предмет

радиобиологии,

является вскрытие общих закономерностей биологического ответа на ионизирующее воздействие. Трудность решения этой задачи в необходимости

6

понять и преодолеть основной радиобиологический парадокс (ТимофеевРессовский), состоящий в большом несоответствии между ничтожной величиной поглощенной энергии и крайней степенью выраженности реакций биологического объекта, вплоть до летального эффекта. Для

каждого

чувствительности

биологического к

действию

вида

свойственна

ионизирующей

радиации,

своя

мера

которая

и

характеризует его радиочувствительность. В пределах одного вида степень радиочувствительности сильно варьирует (индивидуальная радиочивствительность), поскольку она зависит от возраста и пола индивидуума. Внутри одного организма различные клетки и ткани также сильно различаются по радиочувствительности. ПРИРОДА ЛУЧЕВОГО ПОРАЖЕНИЯ КЛЕТОК При действии ионизирующих излучений поражаются все структуры, однако, некоторые из них наиболее важны для развития биологического поражения клетки. Прежде всего, это ДНК. Облучение вызывает различные повреждения ДНК и ее комплексов: разрывы молекулы ДНК, потерю оснований и изменения их состава, изменения нуклеотидных последовательностей, сшивки ДНК— ДНК и ДНК—белок, нарушения комплексов ДНК с другими молекулами. При разрыве ДНК нарушается ее пространственная структура и функционирование. Возможны одиночные разрывы, когда связь между отдельными атомными группировками нарушается в одной из нитей молекулы ДНК. При этом образовавшиеся куски прочно удерживаются на месте связями с противоположной нитью ДНК и структура может восстанавливаться системой репарации. При действии больших доз происходят двойные разрывы, когда повреждения одновременно происходят сразу в двух цепях, что приводит к распаду молекулы на куски. Чем выше действующая доза, тем выше вероятность, что отдельные разрывы в противоположных цепях возникают друг против друга.

7

Рис. 3. Основные виды лучевого

поражения

(схема):

—

1

(одиночные)

клетки

однонитевые разрывы

в

молекуле ДНК. 2—двунитевые (двойные) разрывы ДНК. 3 — нарушение белком,

связи

4

структуры

—

ДНК

с

повреждение

ДНК-мембранного

комплекса, 5 — разрушение ядерной мембраны, 6 — повреждение митохондриальной мембраны. В облученной клетке происходят и функциональные нарушения: - нарушение регуляции выдачи в цитоплазму информации с ДНК, -

нарушения функционирования многочисленных внутриклеточных

мембран. На мембранах идут многие процессы внутриклеточного метаболизма, поэтому нарушение целостности мембран может приводить к сдвигу ионного баланса клетки из-за выравнивания концентраций калия и натрия, а также другие рассогласования. ТЕОРИИ

МЕХАНИЗМА

БИОЛОГИЧЕСКОГО

ДЕЙСТВИЯ

ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ Биологический эффект облучения определяется не общим количеством поглощенной энергии, а формой ее передачи. Принцип попаданий характеризует особенности действующего агента — дискретность поглощения энергии. Принцип мишени учитывает особенность облучаемого объекта (клетки) — ее высокую гетерогенность в физическом и функциональном отношении, а значит и различие в ответе на одно и то же попадание. В соответствии с этой гипотезой количество энергии, падающей на клетку, ничтожно, но при попадании ее в жизненно важные структуры клетки возможно серьезное повреждение. Теорию попадания и мишени используют лишь для

8

количественной характеристики первичных механизмов радиобиологического эффекта. Стохастическая

концепция

отвергает

возможность

рассмотрения

проявления конкретной лучевой реакции как следствия попаданий в определенную

мишень.

Она

рассматривает

клетку,

как

лабильную

динамическую систему, постоянно находящуюся в состоянии перехода из одного состояния в другое. Совершенно естественно, что в процессе жизнедеятельности под влиянием разнообразных факторов, в такой сложной системе возникает вероятность нарушений функционирования. Поэтому любое событие можно предсказать лишь с известной вероятностью. При облучении объекта стохастичность взаимодействия излучения с веществом накладывается на стохастичность событий, происходящих в клетке как биологической системе. При этом увеличивается вероятность нарушения деятельности системы. Согласно

вероятностной

модели

разные

клетки,

подвергнутые

облучению в одной и той же дозе, поражаются в разной степени в соответствии с принципом попадания, но любые повреждения проявляются с вероятностью меньше единицы. С позиций этой модели процесс радиационного поражения клетки можно формально разделить на три этапа: 1) осуществление событий попадания, в результате которых формируются первичные потенциальные повреждения. 2) реализация потенциальных повреждений. Так как клетки способны восстанавливаться от лучевых повреждений, то реализованными оказываются не все возникшие потенциальные повреждения, а лишь часть их. 3)

различные

вторичные

нарушения

нормального

протекания

внутриклеточных процессов, вызываемые реализацией повреждений. Гипотеза первичных радиотоксинов и цепных реакций. Еще в 50-х годах было обнаружено, что водно-солевые вытяжки из печени облученных животных вызывают гемолиз. Так был выявлен липидный радиотоксин (ЛРТ). Введение ЛРТ интактным животным приводило к образованию других

9

«радиотоксинов». Инъекция же этих «радиотоксинов» не приводила к образованию ЛРТ. Поэтому ЛРТ были названы первичными радиотоксинами, а все остальные — вторичными. Некоторые исследователи полагают, что в начальных процессах лучевого поражения главную роль играют цепные окислительные реакции свободнорадикального типа. Следствием является поражение клеточных мембран. В клетках всегда присутствуют вещества аналогичные ЛРТ, однако их количество увеличивается при облучении и провоцирует самоускоряющиеся окислительные реакции радикального типа. В основе структурно-метаболической гипотезы лежит идея о том, что под действием ионизирующего излучения в клетке развиваются не только чисто

радиационно-химические

процессы,

но

синтезируются

и

дополнительные высокореакционные продукты, приводящие к повреждению биологически важных микромолекул и к образованию низкомолекулярных токсических метаболитов. В

этой

гипотезе

цитоплазматических

важное

структур,

значение которые

функционирования мембран и сбою

придается

приводит

к

нарушениям нарушению

в течение важных метаболических

процессов. РАДИАЦИОННОЕ ПОРАЖЕНИЕ ОРГАНИЗМА Закономерности взаимодействий, установленные на клеточном уровне, сохраняются и при облучении всего организма, поэтому особенности его поражения определяются двумя факторами: 1) радиочувствительностью тканей, органов и систем, непосредственно подвергающихся облучению; 2)

величиной поглощенной дозы излучения и ее распределением в

пространстве и во времени. Эти факторы определяют преимущественный тип лучевых реакций (местные или общие), специфику и время проявления (непосредственно после облучения, вскоре после облучения или в отдаленные сроки) и их значимость для организма.

10

Наибольшее значение имеют поглощенные дозы в критических органах жизненно важных органах или системах, первыми выходящих из строя в исследуемом диапазоне доз излучения, что обуславливает гибель организма в определенные сроки после облучения. При дозах излучения, когда средняя продолжительность жизни не превышает 40 сут, на первый план выступает нарушение продукции клеток крови; при больших дозах (продолжительность жизни около 8 сут) ведущими становятся проявления поражения кишечника, а при еще больших (более 30 Гр; продолжительность жизни - 2 сут и менее) развиваются церебральные симптомы. Под радиочувствительностью организма обычно понимают диапазон доз, вызывающих гибель животного при явлениях костномозгового синдрома. Костный мозг отличается крайне высокой радиочувствительностью, поэтому его поражение всегда наблюдается при общем облучении организма. В

костном

мозге

происходит

продукция

зрелых

высокодифференцированных клеток крови, т.е. гибель или исчезновение каждого клеточного элемента в периферической крови компенсируется образованием одной клетки в костном мозге. Общий принцип, обеспечивающий устойчивую работу любой системы клеточного обновления, состоит в том, что по мере отмирания и удаления зрелых клеток из функционального пула вместо каждой из них поступаем новая, находящаяся в этот момент на стадии максимальной подготовленности. Под действием облучения возникают следующие типичные нарушения в системе обновления: 1. Временное прекращение деления всех клеток независимо от того, какая из них выживет в последующем. 2. Гибель молодых, малодифференцированных и делящихся клеток. 3. Минимальные изменения продолжительности процесса клеточного созревания, а также времени жизни большинства зрелых клеток и скорости притока их в функциональный пул.

11

Рис. 4. Модель системы клеточного обновления. Время, указанное в нижней части рисунка, отражает порядок величин, характерных для гранулоцитопоэза млекопитающих, в том числе и человека. При дозах облучения до 10 Гр в организме развивается типичный костномозговой синдром, вызываемый изменениями в системе кроветворения. Основная причина катастрофического опустошения костного мозга в самые ранние сроки после облучения состоит в резком торможении процессов клеточного деления, в то время как зрелые элементы продолжают поступать в периферическую кровь с неизменной скоростью. В результате облучения в больших дозах развивается желудочнокишечный синдром, при котором происходит клеточное опустошение ворсинок и крипт тонкого кишечника, аналогичное рассмотренному для системы обновления костного мозга. При этом важными для летального исхода будут оголение ворсинок и инфекция, а кроме того, поражения кровеносных сосудов, нарушение баланса жидкостей и электролитов. Реакция ЦНС на облучение принципиально отличается от реакций костного мозга и кишечника отсутствием клеточных потерь. Обусловлено это тем, что зрелая нервная ткань состоит из высокодифференцированных радиорезистентных функциональных клеток.

Гибель клеток, приводящая к

церебральному синдрому, происходит при дозах порядка сотен грей, причем до

12

сих пор не выяснено, является ли причиной гибели нервных клеток их непосредственное повреждение или она вызвана повреждениями других систем, прежде всего кровеносных сосудов. Для

количественного

изучения

радиочувствительности

организма

пользуются кривыми доза-эффект, при построении которых на оси абсцисс откладывают дозы излучения, а на оси ординат—процент гибели в течение определенного срока наблюдения (чаще гВсего за 30 дней). Для всех видов млекопитающих такая кривая всегда имеет S-образную форму. Это объясняется тем, что при облучении в начальном диапазоне доз гибели не наблюдается, а при некоторой величине практически все животные погибают. Наиболее пригодным и чаще всего употребляемым показателем радиочувствительности организма является ЛД50, которую легко определить по графику. Кроме индивидуальных существуют половые

и

возрастные

различия

в

радиочувствительности организма. Рис.

5.

подвергнутых

Кривая

смертности

общему

мышей,

рентгеновскому

облучению. Каждая точка получена для 20 животных. Контрольные вопросы: В чем суть радиобиологического парадокса? Что такое радиочувствительность и от чего она зависит? Какие механизмы лежат в основе первичного повреждения молекул, какой является преобладающим? Какая часть клетки определяет ее радиационное поражение? Каковы основные виды лучевого поражения клетки? Что такое критические органы? Какие системы органов являются критическими для млекопитающих? Как развивается в них процесс лучевого поражения? Что определяет

радиочувствительность организма? Объясните форму кривой

зависимости доза-эффект для мелкопитающих.

13

Естественный радиоактивный фон Атомная радиация — тот физический фактор, который постоянно присутствует в окружающем мире и непрерывно воздействует на природу нашей планеты. Каковы же источники этого естественного радиоактивного фона? Во-первых, это так называемые космические лучи. Космическое излучение представлено первичным, состоящим из быстрых протонов, альфа-частиц и небольшого количества ядер углерода, азота, кислорода и более тяжелых ядер, попадающих на Землю из мирового пространства. Большая часть этих частиц задерживается атмосферой, однако некоторая часть высокоэнергетичных частиц проникает в верхние слои атмосферы и воздействует на ядра атомов составляющих ее элементов. В результате ядерных реакций

образуются тритий, бериллий-7, бериллий-10, натрий-22,

натрий-23, а также возникают высокоэнергетичные протоны, пи-мезоны и каоны, которые также способны вызывать ядерные реакции. Нейтроны первичного излучения частично захватываются атомами азота, образуя изотоп углерод-14. Образовавшиеся частицы составляют космические ливни и являющиеся вторичным космическим излучением, которое

проникает

в

нижние слои атмосферы. Таким образом, на высоте 25—30 км и выше (в стратосфере) преобладает первичное космическое излучение, а ниже в тропосфере (высота 10—15 км) — в основном вторичное. Мощность вторичного космического излучения у поверхности земли изменяется в зависимости от высоты над уровнем моря (барометрический эффект) и при удалении от экватора (широтный эффект). Другой составляющей естественного радиоактивного фона являются космогенные радионуклиды, возникающие в атмосфере в результате ядерных реакций. Они вносят небольшой вклад в облучение. В эту группу входят: тритий (12,34 года); углерод-14 (5 730 лет); бериллий-7 (53,6 суток); натрий-22 (2,62 года).

14

Основной вклад в формирование естественного радиоактивного фона вносят радионуклиды, содержащиеся в горных породах: калий-40, рубидий-87 и члены двух радиоактивных семейств урана-238 и тория-232. ОБЛУЧЕНИЕ НАСЕЛЕНИЯ ОТ ИСТОЧНИКОВ ЕСТЕСТВЕННОЙ РАДИАЦИИ. Как уже отмечалось выше, основную дозу облучения от источников естественной радиации человек получает за счет земных источников (более 5/6 годовой эффективной эквивалентной дозы). Причем большая ее часть приходится на внутреннее облучение. Внешнее облучение происходит за счет космического излучения. Примерно 2/3 эффективной эквивалентной дозы внутреннего облучения, получаемой человеком от естественных источников радиации, обусловливают радиоактивные вещества, попадающие в организм с пищей, водой и воздухом. Небольшая часть этой дозы приходится на космогенные радионуклиды (углерод-14 и тритий), основная ее часть — на источники земного происхождения (калий-40). Благодаря постоянному присутствию радона и его продуктов распада в окружающем нас воздухе, они достаточно сильно облучают при дыхании поверхности легочных трахей и альвеол, а также на поверхность кожи. Поэтому их вклад в среднюю эффективную дозу превышает вклад любого другого компонента

естественного

радиоактивного

фона. Рис. 6 Относительный вклад различных составляющих естественного радиоактивного фона в облучение населения. Основную

часть

этой

дозы

человек

получает с вдыхаемым воздухом, особенно в

15

непроветриваемых или плохо проветриваемых помещениях. В зонах с умеренным климатом концентрация радона в закрытых помещениях в среднем примерно в 8 раз выше, чем в наружном воздухе. Наиболее распространенные строительные материалы (дерево, кирпич и бетон) выделяют относительно немного радона. Гораздо большей удельной радиоактивностью обладает гранит. Вода является одним из источников обогащения радоном жилых помещений. При кипячении воды радон в значительной степени улетучивается, поэтому основную опасность представляет попадание паров воды с высоким содержанием радона в легкие с вдыхаемым воздухом. Радон может поступать в жилые помещения и с природным газом. При его переработке и хранении большая часть радона улетучивается. Каменный уголь, используемый для получения электроэнергии, отопления, также служит одним из источников естественной радиации. Антропогенное

загрязнение

естественными

радионуклидами

может

возникнуть при извлечении и переработке многих полезных ископаемых. Контрольные вопросы: Каковы основные составляющие естественного радиационного фона? Что такое космические лучи? Какие изотопы имеют космогенное

происхождение?

Назовите

основные

изотопы

земного

происхождения. Какой вид облучения является наиболее значимым в формировании дозы, получаемой человеком от естественной радиации? Каково происхождение и значение радона? Миграция радионуклидов в различных компонентах биосферы Атмосфера. Атмосфера является источником радионуклидов для наземных и водных экосистем. Радионуклиды атмосферы формируют внешнее облучение живых организмов, а после поступления из воздуха в наземные биогеоценозы и водную среду эти радионуклиды включаются в процессы круговорота в биосфере. Радиоактивность

приземной

атмосферы

формируется

в

основном

радионуклидами естественного происхождения, но в последние десятилетия

16

значительное влияние стали оказывать выпадающие радиоактивные осадки, сформированные

продуктами

ядерных

взрывов

и

газо-аэрозольными

выбросами АЭС и других объектов ядерной энергетики. Радиоактивные выпадения испытаний ядерного оружия делятся на три вида в зависимости от времени, прошедшего с момента взрыва до оседания частиц на земную поверхность. 1. Ближние, или локальные выпадения представлены относительно крупными (более 100 мкм) частицами, оседающими на землю преимущественно под действием силы тяжести. Локальные выпадения начинаются сразу после взрыва и продолжаются в течение последующих 1—2 суток. 2. Промежуточные, или тропосферные выпадения представлены мелкими частицами (несколько микрометров и менее). Эти частицы формируются в тропосфере, на высоте 11—16 км. Период полувыведения этих частиц из тропосферы составляет 20—30 суток. 3. Глобальные, или стратосферные выпадения состоят из частиц от нескольких сотых до десятых долей микрометра, забрасываемых в стратосферу на высоту 10—30 км. Глобальные выпадения характеризуются практически полной усвояемостью биологическими системами. В атмосферных выбросах АЭС преобладают инертные радиоактивные изотопы ксенона, криптона и аргона. Для уменьшения их радиоактивности на АЭС осуществляется их временная задержка в реакторе (для распада короткоживущих радионуклидов) перед тем как выбрасывать в атмосферу. После выброса радионуклидов происходит их осаждение под влиянием разных

механизмов.

Важным

процессом

удаления

радионуклидов

из

атмосферы является вымывание. Хуже всего вымываются частицы размером от 0, 1 до 1 мкм, а более мелкие и более крупные частицы удаляются значительно быстрее. Снег вымывает аэрозоли в несколько раз эффективнее, чем дождь той же интенсивности, а эффективность вымывания мелкокапельными осадками больше, чем крупнокапельными. Количество удаленных радиоактивных примесей прямо пропорционально количеству удаляющих их осадков.

17

Гидросфера.

В

водную

среду

поступают

радионуклиды

как

непосредственно из атмосферных выпадений, так и радиоактивные вещества, оседающие на сушу, которые попадают в моря и океаны с жидким и твердым стоком. Поступившие

на

водную

поверхность

радиоактивные

вещества

первоначально содержатся в верхних горизонтах толщи, а затем постепенно оседают. Важной характеристикой для описания миграции радиоактивных нуклидов в морской среде является среднее время нахождения нуклида в океанической воде между его поступлением и переходом в донные отложения. Особый интерес представляет изучение поведения радионуклидов в прибрежной зоне Мирового океана, куда может поступать радиоактивный сток рек.

Эти

районы

интенсивным

характеризуются

задерживанием

быстрым

поступающего

перемещением

сюда

стока,

вещества,

значительной

биологической активностью и большим количеством биогенной и литогенной взвеси. Большая часть радиоактивных веществ, поступающих в эти районы с твердым материковым стоком, выпадает здесь в донные отложения. Открытый океан относительно беднее живыми организмами и твердым веществом в поверхностных слоях, а также здесь ниже общее содержание питательных веществ. Инертные вещества не задерживаются в прибрежной части океана, а мигрируют в открытый океан. Биологически активные нуклиды, наоборот, усваиваются живыми организмами в прибрежной зоне и затем выпадают на дно.

Радионуклиды,

длительно

пребывающие

в

океанической

среде,

накапливаются в открытом океане. Важную роль в судьбе радионуклидов в океанической среде играют донные отложения. Они обладают огромной сорбирующей емкостью по отношению к содержащимся в жидкой фазе радионуклидам, зависящей от размера частиц илов, физико-химических свойств радионуклидов и состава жидкой фазы. Аккумуляция радионуклидов в донных отложениях может обусловливать накопление их в организмах, обитающих в илах.

18

Радионуклиды, находящиеся в донных отложениях, могут мигрировать обратно

в

жидкую

фазу.

Кроме

того,

перемещение

радионуклидов,

находящихся в донных илах, может быть вызвано непосредственным передвижением донных осадков. Наиболее важную роль в миграции радионуклидов в морской среде играют живые организмы. Их значение особенно велико в участках водной среды с большой биомассой гидробионтов. Концентрация радионуклидов в гидробионтах значительно выше, чем в воде, а, кроме того, живые организмы могут перемещаться в иных направлениях, чем водные массы, все это определяет их значение в переносе радионуклидов в водной среде. В водных пищевых цепях радионуклиды мигрируют иначе, чем в наземных цепях: некоторые гидробионты не только лишены механизма, защищающего их от накопления радионуклида, но и наоборот, энергично их аккумулируют. Как правило, радионуклиды усваиваются гидробионтами из воды двумя путями: по пищевой цепи и непосредственно из воды в процессе минерального

питания.

В

период

эмбрионального

и

раннего

постэмбрионального развития рыба усваивает радионуклиды только из воды, а после перехода на активное питание основное количество радиоактивных веществ поступает в ее организм из кормов и частично из воды. Травоядные организмы по сравнению с хищными характеризуются более высокой аккумуляцией некоторых радионуклидов. Накопление выше на низших трофических уровнях, чем на более высоких, т.е. коэффициент накопления водными организмами уменьшается по мере перехода к более высоким трофическим уровням. В

пресноводной

среде

накопление

радионуклидов

гидробионтами

существенно отличаются от морской. Пресноводные для поддержания нужного осмотического давления, гипертонического по отношению к окружающей пресной воде,

поглощают из нее соли, а морские для саморегуляции их

наоборот выделяют.

19

Наземная среда. Почва — важнейшее депо искусственных радионуклидов в наземной природной среде. Радиоактивные вещества поступают в почву из атмосферы в составе глобальных выпадений и выбросов АЭС, а также в виде твердых и жидких отходов предприятий ядерного топливного цикла. Почва, обладающая большой емкостью поглощения, интенсивно сорбирует различные техногенные примеси, в том числе радионуклиды. Распределение радионуклидов по поверхности почвы определяется многими факторами

и

зависит

метеорологической

от

особенностей

обстановки,

источника

загрязнения,

рельефа, растительности

и других

причин. Радионуклиды в зависимости от химических свойств обстановки, в которую они попадают, могут либо перерабатываться природными процессами, либо сохраняться и накапливаться. Радиоактивные вещества, отложившиеся на поверхности почвы, могут перемещаться (мигрировать) в горизонтальном и вертикальном направлении под действием различных процессов. Причиной горизонтального передвижения свежевыпавших радиоактивных веществ может быть поверхностный сток после сильного дождя. В сухую погоду перемещение радионуклидов может осуществляться

в

результате

ветрового

переноса

вместе

с

пылью.

Передвижение радиоактивных веществ вниз по профилю почвы может явиться следствием механического переноса частиц, на которых сорбированы радионуклиды, а также результатом собственного перемещения свободных ионов с водой через трещины, образующиеся в почве в сухую погоду. В районах с умеренным количеством осадков на почвах относительно тяжелых по гранулометрическому составу, основная часть радионуклидов остается в верхнем десятисантиметровом слое целинных почв, а в пахотных - в пахотном горизонте. На легких песчаных почвах, особенно с промывным типом водного режима, важную роль в переносе наряду с диффузией играет водный перенос. В таких почвах значительная часть радионуклидов за 10-15 лет может достигать уровня грунтовых вод и поступать в речную сеть.

20

Плодородные почвы, особенно тяжелого гранулометрического состава, характеризуются повышенной буферностью к загрязнению, но при этом через какой-то период непрерывного загрязнения эти почвы могут казаться значительно более загрязненными, по сравнению с менее плодородными почвами. Скорость поглощения радионуклидов почвой зависит прежде всего от их растворимости.

Водорастворимые

формы

радионуклидов

легче

взаимодействуют с почвенным поглощающим комплексом, чем малорастворимые. Поглощение почвой радионуклидов препятствует их миграции вниз по профилю почвы, проникновению в грунтовые воды и в конечном счете определяет их аккумуляцию в верхних почвенных горизонтах. Растительный покров и животный мир. Накопление искусственных радионуклидов растениями может происходить по двум путям: - в результате непосредственного задерживания на надземной фитомассе радиоактивных частиц и аэрозолей, оседающих из атмосферы; - и при усвоении радионуклидов из почвы (корневое питание). Значимость внекорневого (аэрального) пути поступления в растения радионуклидов не зависит от периода их полураспада, тогда как роль почвенного перехода невелика для коротко- и отчасти среднеживущих радионуклидов, так как они успевают распасться в течение времени, характерного для усвоения радионуклидов корнями. При поступлении в растения радионуклидов по аэральному и почвенному путям их накопление описывается уравнением C=aDа+ bDк, где С—концентрация радионуклида в растениях; Da— интенсивность выпадений радионуклида из воздуха на растительный покров в

течение

вегетационного

периода;

Dп—кумулятивное

отложение

радионуклида в почве; а и b —коэффициенты. Один из основных путей накопления радионуклидов в растениях— непосредственное (аэрозольное) поступление выпадающих из атмосферы радиоактивных примесей на надземные органы растений. Задерживание

21

радионуклидов на растительном покрове зависит от особенностей растений, размеров и физико-химических свойств радиоактивных аэрозолей, а также от метеорологических условий. Наиболее эффективно растения задерживают частицы с диаметром менее 45—50 мкм. Установлено, что при повышенной влажности воздуха поглощение с поверхности листьев усиливается, а при относительно низкой влажности резко снижается. Наиболее активными участками поглощения радиоактивных веществ при внекорневом загрязнении растений радионуклидами являются листья (листовое поглощение), соцветия (флоральное поглощение) и базальная часть растений, или поверхностные корни (поглощение из дернины в базальные части стебля). Непосредственно

после

осаждения

радионуклидов на

растений начинается обратный процесс—удаление их с

поверхность

растений (смыв

дождем, сдувание ветром и др.). Среднее время удаления с травянистых растений 50% задержанных радионуклидов для зоны умеренного климата составляет от 1 до 4—5 недель в зависимости от вида выпадений (сухие или влажные), типа и биомассы растительного покрова и метеорологических условий. С течением времени скорость очищения поверхности растений от радионуклидов уменьшается, а на растениях удерживается наиболее прочно фиксированная их часть. Осевшие на надземных частях растении радионуклиды могут инкорпорироваться во внутренние ткани растений в результате биологически активных процессов. Усвоение радиоактивных веществ растениями через корни зависит от физических и химических свойств радионуклидов, от концентрации их во внешней среде, от физиологических особенностей растений и от свойств почвы. Известно, что растения обладают способностью усваивать только те вещества, которые растворимы в воде. Если радионуклиды выпадают в нерастворенном виде, например, в составе оплавленных частиц, то вовлечение их в растения возможно лишь при условии их перехода под действием процессов выветривания в растворимую форму.

22

Усвоение минерального

радионуклидов питания

из

зависит

почвы в

растениями

первую

очередь

в от

процессе

их

биологической

подвижности нуклидов, которая, прежде всего, определяется физикохимической природой нуклидов и агрохимическими свойствами почв, а также биологическими особенностями растений и условиями их возделывания. Эти различия в накоплении искусственных радионуклидов сельскохозяйственными растениями могут достигать 3—6 порядков и более. Многие искусственные радионуклиды при усвоении из почвы задерживаются в корнях и не поступают в надземную часть растений, что важно с точки зрения перехода радиоактивных веществ в paцион человека. Установлено, что ионы низкой валентности переносятся в стебли растений в больше, чем ионы высокой валентности. При накоплении радионуклидов в сельскохозянственной продукции из почвы важное значение имеют лишь относительно долгоживущие радионуклиды (с периодом полураспада от нескольких десятков суток и более). Радионуклиды с меньшим периодом полураспада успевают распасться

за

вегетативный период. Сельскохозяйственные животные. Накопление радионуклидов в организме сельскохозяйственных животных и переход их в продукцию животноводства — молоко, мясо и продукты их переработки—зависят от физико-химических

свойств

радионуклидов,

видовых

и

возрастных

особенностей животных, а также от их функционального состояния. Поступление радионуклидов в организм животных может происходить через желудочно-кишечный тракт, органы дыхания,

поврежденную и

неповрежденную кожу. Оральный путь, т.е. поступление с рационом, является основным путем вовлечения радионуклидов в организм животных. Скорость поглощения радионуклидов в желудочно-кишечном тракте определяется скоростью

передвижения

радиоактивных

веществ.

Представление

о

биологической доступности радионуклидов для организма животных дают величины всасывания их в жедудочно-кишечном тракте и перехода из

23

рациона в молоко, субпродукты. Размеры всасывания снижаются с возрастом из-за уменьшения проницаемости стенки желудочно-кишечного тракта. В общем

случае

передвижение

радионуклида

в

организме

сельскохозяйственного животного может быть разделено на следующие стадии: 1) всасывание из желудочно-кишечного тракта в кровь; 2) перенос с кровью и последующее распределение в тканях и органах; 3) выведение из организма в результате секреторной и экскреторной функций. Для количественной оценки скорости выведения радионуклидов из организма

животного

принято

использовать

эффективный

период

полувыведения: Тэфф= ТбТр/ (ТБ+ Тр), где

Тб—биологический

период

полувыведения;

Тр—период

ра-

диоактивного полураспада. Контрольные вопросы: Какие последствия может иметь накопление техогенных радионуклидов в биосфере? Назовите основные источники поступления радионуклидов в атмосферу, почву, гидросферу, растения и животных. На какие виды делятся выпадения после испытаний ядерного оружия и каковы их основные свойства? Какие радионуклиды поступают в атмосферу с выбросами АЭС? Как отличается поведение радионуклидов в различных зонах Мирового океана? Какова роль в миграции радионуклидов донных отложений; гидробионтов? Чем отличается миграция в морской и пресноводной среде? Как происходит миграция радионуклидов в почве? Какие факторы влияют на эти процессы? От чего зависит буферная емкость почвы в отношении

радионуклидов?

Каковы

основные

пути

поступления

радионуклидов в растения? Какой путь является преобладающим? Как происходит удаление радионуклидов с поверхности растения?Что определяет доступность

радионуклидов

для

корневой

системы?

Какие

определяют поведение радионуклидов в организме млекопитающих?

процессы

24

Радиационное воздействие на сообщества живых организмов. При облучении природных биогеоценозов реализация радиационного воздействия осуществляется одновременно на различных уровнях интеграции биологических процессов, начиная от молекулярного и клеточного и кончая популяционным и биогеоценотическим. При

этом

последствия

воздействия

ионизирующих

излучений

определяются, с одной стороны, непосредственным влиянием излучений на его отдельные компоненты (так называемые первичные радиационные эффекты), а с другой они являются результатом вторичных процессов, начало которым кладут первичные радиационные изменения (эти радиационные эффекты принято считать вторичными). ПЕРВИЧНЫЕ РАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В БИОГЕОЦЕНОЗАХ Размеры искусственных

первичных

радиационных

биогеоценозах

в

изменений

первую

в

очередь

природных

и

зависят

от

радиочувствительности живых организмов, входящих в биогеоценоз, а точнее, от

радиорезистентности

популяций.

Амплитуда

колебаний

первичной

радиочувствительности основных компонентов биогеоценозов достаточно велика,

что

определяется,

прежде

всего,

широкими

различиями

в

радиоустойчивости разных видов растений и животных, составляющих биогеоценоз. В мире растений существует достаточно четкая обратная зависимость между радиорезистентностью и размером клеточного ядра и хромосом в стадии интерфазы: виды растений с небольшими хромосомами характеризуются, как правило, низкой радиочувствительностью. Однако по ряду важных критериев на

биогеоценотическом

уровне

явной

корреляции

между

радиорезистентностью и размером ядра и хромосом у растений обнаружить не удается. Травянистые сообщества и ранние стадии сукцессии более устойчивы, чем зрелые леса. Это происходит из-за того, что у первых более мелкие ядра, а также меньше объем биомассы над грунтом. К тому же мелкие травянистые

25

растения восстанавливаются гораздо быстрее, прорастая из семян или из защищенных подземных частей. Следовательно, такие признаки сообщества, как биомасса и разнообразие, играют poль в восприимчивости к облучению независимо от объема хромосом у отдельных частей. У высших животных не обнаружено такой прямой зависимости между чувствительностью и клеточной структурой; для них более важное значение имеет чувствительность отдельных систем органов. Помимо

цитогенетических

параметров

чувствительность

живых

организмов к облучению определяется биохимическими, физиологическими, эколого-географическими и другими характеристиками как самого объекта облучения, так и внешней среды, влияющей на степень проявления радиационных эффектов. Радиоустойчивость зависит от филогенетического положения и стадии онтогенеза у всех видов живых организмов: как правило, филогенетически

более

древние

формы

оказываются

более

радиорезистентными. Радиочувствительность живых организмов изменяется в течение онтогенеза, заметно уменьшаясь на более поздних стадиях. Мхи, лишайники частей

растительных

и почвенные сообществ,

грибы относятся к числу составных характеризующихся

высокой

радиоустойчивостью, что связано со сравнительно небольшими размерами хромосом и ядер этих организмов и диффузным распределением генеративных клеток. В зависимости от дозы излучения первичные радиационные изменения у растений и животных в биогеоценозах могут варьировать от незначительного угнетения роста и торможения развития до полной гибели. Наименее радиорезистентными тканями у растений являются генеративные и активно растущие меристематические; вегетативный рост растений приблизительно в десять раз более радиоустойчив. ВТОРИЧНЫЕ ЛУЧЕВЫЕ РЕАКЦИИ В БИОГЕОЦЕНОЗАХ Группу вторичных радиационных эффектов на биогеоценотическом уровне составляют весьма различные по природе процессы, связанные не с непосредственным влиянием ионизирующего излучения на живые организмы,

26

а с рассогласованием функциональных связей между его компонентами как следствием их радиационного изменения. Воздействие ионизирующих излучений может стимулировать течение физиологических и биохимических процессов у отдельных видов растений, повышая их конкурентоспособные возможности в ценозе. В этом случае происходит истинная стимуляция роста и развития отдельных видов растений в отличие от ложной стимуляции, когда более интенсивное развитие отдельных

видов

является

следствием

снятия

давления

со

стороны

конкурирующих видов, которые как более радиочувствительные сильнее угнетаются при облучении. Среди вторичных радиационных эффектов в биогеоценозах можно выделить группу реакций, связанных с угнетением животного населения сообществ. Так, гибель относительно радиочувствительных животных, питающихся спадом и подстилкой, приводит к снижению темпов разложения органических веществ, что может ухудшить условия для прорастания семян. Радиационное повреждение растений приводит к появлению большого количества мертвых органических остатков, что может служить причиной массового размножения в биогеоценозах энтомовредителей. Это — один из наиболее важных вторичных радиационных эффектов в растительных сообществах, так как вред от энтомовредителей может быть большим, чем от непосредственного действия ионизирующего излучения. Спектр вторичных радиационных изменений в природных биогеоценозах достаточно широк, причем последствия этих нарушений для природных сообществ могут быть важнее, чем прямое радиационное повреждение. Ионизирующие излучения могут играть роль лишь начального пускового механизма, а вся последующая цепь нарушений связана с вторичными процессами. РАДИАЦИОННОЕ

ПОРАЖЕНИЕ

ЕСТЕСТВЕННЫХ

И

ИСКУССТВЕННЫХ БИОГЕОЦЕНОЗОВ ОСНОВНЫХ ТИПОВ Последствия

воздействия

ионизирующего

излучения

на

27

биогеоценотическом

уровне

зависят

от

структурной

организации

биогеоценозов, радиочувствительности их основных компонентов и влияния сложного комплекса экологических факторов, определяющих действие внешней среды на первичные и вторичные радиационные эффекты. Естественные

и

культурные

травяные

биогеоценозы.

Луговые

экосистемы, агроландшафты значительно более устойчивы к химическим и радиационным воздействиям. К критическим их относят тогда, когда из-за аккумуляции загрязнителей в зеленой массе, корнеплодах загрязнители поступают с пищей к человеку, причем в количествах, опасных для здоровья. Типичные реакции травяного фитоценоза на облучение в достаточно высокой дозе — снижение видового разнообразия и изменение доминантности видов,

уменьшение

продуктивности

растений

и

изменение структуры

сообщества. Радиобиологические реакции различных видов травянистых растений на радиоактивное загрязнение варьируют в широком диапазоне в зависимости от видовой радиочувствительности, от способности растений к вегетативному размножению и от того, как размещены почки возобновления относительно поверхности почвы как источника облучения. В луговых сообществах изменения видового состава обусловлены только облучением (первичные эффекты), а в лесных фитоценозах важную роль играют и опосредованные (вторичные) эффекты: в лесах, где кроны деревьев сильно повреждены под действием облучения, происходят серьезные изменения микроклиматических условий под пологом леса. Искусственные фитоценозы — агрокультурценозы—часто представлены одним (иногда несколькими) видами растений. В этом случае взаимосвязь между отдельными видами растений упрощена (а если фитоценоз составляет монокультура—вообще отсутствует) и зависимость лучевого поражения такого ценоза от первичной радиочувствительности растений и фазы их развития выявляется достаточно четко.

28

Лесной

биогеоценоз

-

это

сложная

система,

представленная

растительными и животными организмами, для нее характерны многообразные связи как между растениями и животными, так и между разными популяциями растений и разными популяциями животных. Те и другие популяции взаимодействуют с биотопом. В самом общем виде перенос радиоактивного загрязнителя

в

лесном

биогеоценозе

происходит

по

"традиционной"

трофической схеме: биотоп - автотрофы (растительность) - консументы (животные, т.е. консументы всех уровней) - сапрофаги (деструкторы) – биотоп. На нее накладываются процессы, являющиеся внешними по отношению к системе "лесной биогеоценоз" (ветер, дождь, хозяйственная деятельность людей и, следовательно, аэральное загрязнение радионуклидами растений и др.). В общем случае фитосоставляющая лесной экосистемы представлена взрослыми деревьями, деревьями в подросте, подлеском и малыми формами растительности, среди которых могут быть кустарничковые, однолетние и многолетние травы, а также мхи и лишайники. В лесу могут быть участки покрытые

опадом,

малых

форм

растительности

на

которых

нет

(мертвопокровные участки), могут быть участки, на которых нет опада и нет растительности (прогалина без травяного покрова). Лес может быть густым, т.е. с высокой плотностью древостоя, редким и средним по плотности древостоя. Древесная растительность характеризуется более высокой задерживающей способностью в отношении радиоактивных выпадений по сравнению с травянистой. В среднем коэффициент задерживания древесным ярусом можно принять

равным

степени

сомкнутости

крон.

Исключение

составляют

лиственные лес в период, когда деревья лишены листьев. Задерживающая способность древесного яруса в этом случае оказывается примерно в 3 раза ниже. В ближней части зоны радиоактивного загрязнения заметно выражен так называемый "опушечный" эффект. Он проявляется в повышенном осаждении

29

радионуклидов в кронах деревьев на опушках, с наветренной стороны по отношению к источнику радиоактивного выброса. Соответственно, лесные опушки,

расположенные

с

подветренной

стороны,

экранируют

от

радиоактивных выпадений прилегающие к ним безлесные участки. Опушечный эффект прослеживался на расстояниях 20—50 м от кромки леса. Радионуклид, поступивший в биогеоценоз, включается в физикохимические, биохимические и биологические процессы, происходящие постоянно в биогеценозе. Эти процессы и определяют миграцию, изменение физико-химических форм и агрегатных состояний радионуклидов, накопление их в элементах биогеоценоза, перенос в почвенном слое, формирование источников излучения. Радиоактивный загрязнитель в виде осаждающихся аэрозолей вносится и равномерно распределяется под пологом леса. В весенне-летний и осенний период он осаждается в кронах взрослых деревьев, на подлеске, подросте, стволах взрослых деревьев, на кустарничках и траве, мхах и лишайниках, прогалинах, опаде, распределяясь по этим составляющим участка леса пропорционально их поверхностям. Сразу после радиоактивных выпадений на лес начинается их вертикальная миграция, в результате чего радионуклиды перемещаются из верхних частей крон в нижние, а затем — под полог леса на поверхность лесной подстилки и далее в глубь почвы. В специальных экспериментах с опрыскиванием древесных растений радиоактивными растворами Sr было установлено, что скорость вертикальной миграции связана в основном с интенсивностью ростовых процессов, т.е. зависит, прежде всего, от сезонных условий и в меньшей степени — от количества выпадающих атмосферных осадков. Весной, т.е. в период активного роста, этот процесс ускоряется; в фазе физиологического покоя (осенью и зимой) он резко замедляется. Это свидетельствует о том, что радионуклиды мигрируют под полог леса преимущественно в твердой форме - в составе листовых восковых чешуек и

30

покровной чешуи и чехликов почек и коры. Поэтому, чем активнее ростовые процессы, тем выше темпы дезактивации крон. В отличие от этого, в условиях осенних выпадений естественная дезактивация

крон

замедлена.

На

почву

с

листопадом

переносится

загрязнитель, сохранившийся на листовой поверхности к моменту листопада, с лиственных пород подроста и подлеска. Также на почву поступает загрязнитель при отмирании надземной части травы, кустарничков, мхов и лишайников. Процессы

разложения

опада,

отмерших

частей

древесной

растительности и растительности малых форм, воздействие осадков, талых вод, с участием педобионтов и других процессов переносят загрязнитель в почвенные горизонты. Радионуклиды становятся доступными для корневых систем растений, начинается процесс корневого поступления радионуклидов в надземную

часть

радиоактивного

растительности

загрязнителя

из

лесного

участка.

корнеобитаемого

Некоторая

доля

почвенного

слоя

переносится в более глубокие горизонты, здесь она недоступна корням растений и захоранивается навечно. Идет также процесс самоочищения почвы, вследствие чего часть загрязнителя перестает быть доступной растениям. Зимой нижние ярусы лесной экосистемы (кустарничково-травяной, подлесок, открытые участки почвы, участки почвы, покрытые спадом) находятся

под

снегом, поэтому поступающий в лесную экосистему

загрязнитель распределяется по поверхностям крон и стволов взрослых деревьев, подроста и снежного покрова. В зимнее время радионуклиды переносятся из крон взрослых деревьев и подроста на снежный покров в результате их встряхивания ветром. Весной радиоактивный загрязнитель из снежного покрова переходит на участки почвы и распределяется между ними равномерно. Наибольшей

радиочувствительностью

в

лесном

биогеоценозе

характеризуется ярус древесной растительности—основа лесного сообщества. Хвойные леса - одни из наименее радиорезистентных живых организмов в

31

растительном мире. Лиственные породы в среднем в 5—10 раз более устойчивы к излучению, чем хвойные. Характерной ответной реакцией у лиственных древесных пород на облучение является сдвиг фенофаз—более позднее распускание листьев весной и более ранний листопад осенью. Сопоставление устойчивости к радиоактивным выпадениям (радиационным воздействиям) хвойных и лиственных древесных растений показывает, что при выпадениях в весенне-летний период различия в устойчивости хвойных и лиственных лесов определяются в основном видовыми различиями в радиочувствительности (лиственные

в 5—10 раз устойчивее хвойных). В

условиях осенних выпадений различия в радиоустойчивости между хвойными и лиственными породами оказались больше (примерно 20-кратные) в связи с уменьшением задерживающей способности крон лиственных деревьев (а следовательно, и дозы облучения) при радиоактивных выпадениях после листопада. Другие компоненты лесных биогеоценозов (кустарники, травяной ярус, многие представители животного населения, обитающего в надземной части леса, подстилке и почве, особенно беспозвоночные животные) в целом значительно более радиорезистентны. При частичном повреждении крон, облученных в сублетальных дозах, облучение во всех рассмотренных ситуациях вызвало физиологические и морфологические нарушения у вновь формирующихся побегов. Увеличилась частота двойного прироста, который проявляется в том, что почки, заложенные на побегах текущего года, в том же году трогались в рост и побеги давали прирост дважды за год. При этом новые побеги закладывались не только на конце вторичного побега, но и в пазухах хвоинок. В последующий вегетационный период из таких почек формировались так называемые "ведьмины метлы" — пучки побегов до 40 штук в каждом. Кроме того, у части вновь заложенных почек изменялись форма и их ориентация относительно оси побега. К началу следующего вегетационного периода некоторые из этих почек погибали, а из уцелевших формировались пучки хвои или короткие

32

толстые побеги со скрученной хвоей увеличенных размеров. Во многих пучках было по три хвоинки вместо обычных двух. Новые почки на таких побегах не закладывались. Сублетальные дозы облучения вызывали также торможение роста хвои и побегов и сокращение числа боковых побегов (особенно в нижней части кроны), образующихся на следующий год после радиоактивных выпадений. Однако эти морфологические нарушения были временными. Спустя 2 года деревья, облученные в этих (сублетальных) дозах, полностью восстанавливают нормальный рост и почти не отличаются от контрольных. Морские и пресноводные биогеоценозы. Опасность радиоактивного и химического загрязнения водных экосистем связана как с непосредственным воздействием загрязнителей на гидробионтов, так и с изменением среды обитания

гидробионтов.

Опасность

радиоактивного

и

химического

загрязнения водных экосистем связана также с возможностью поступления этих загрязнителей по пищевым цепочкам к человеку. Диапазон радиочувствительности основных видов живых организмов, входящих в структуры большинства гидробиоценозов, достаточно велик: многие виды микроорганизмов небольших по размеру растений и животных, составляющих основную массу фито- и зоопланктона, относятся к числу относительно

радиорезистентных,

тогда

как

различные

водные

млекопитающие попадают в группу сравнительно радиочувствительных организмов. Однако оценка радиационной уязвимости гидробиоценозов на основании радиочувствительности их основных компонентов неполная, так как при попадании в водные сообщества радиоактивных веществ их накопление различными видами гидробионтов, а следовательно, и дозовые нагрузки на них будут достаточно сильно варьировать. Так, коэффициенты накопления многих радионуклидов фито- и зоопланктоном в сотни и тысячи раз выше, чем аналогичные показатели для внутренних органов и тканей крупных гидробионтов (например, рыб и млекопитающих), что вызывает большее облучение мелких водных растений и животных.

33

Поступившие в гидросферу радионуклиды распределяются в ней неравномерно,

образуя

области

с

повышенными

концентрациями

радиоактивных веществ в экологических зонах и биотопах с максимальными биомассой и продуктивностью (эвтрофический слой,

внутренние моря,

контактные и эстуарные зоны, границы раздела фаз вода—дно, вода—воздух). Поэтому, большинство гидробионтов, находящихся вне этих зон, получают меньшие дозы облучения, чем сухопутные виды при том же уровне излучения. Основная

доля

в

дозе

облучения

гидробионтов

обусловлена

инкорпорированными в них естественными а-излучателями. ПОСТРАДИАЦИОННОЕ ВОССТАНОВЛЕНИЕ В БИОГЕОЦЕНОЗАХ После прекращения облучения в природных сообществах наступает стадия восстановления. При хроническом воздействии ионизирующих излучений на биогеоценозы процессы восстановления осуществляются одновременно с процессами лучевого повреждения. При этом,

кроме

репарации на

молекулярном, клеточном, тканевом и организменном уровнях, происходит восстановление и на уровне биогеоценоза как целостного образования. Это восстановление зависит от большого числа факторов: 1) способности растений к вегетативному размножению; 2) наличия в почвах и подстилках облученных биогеоценозов фертильных семян; 3) скорости

восстановления

генеративных

функций

у

поврежденных

облучением растений и животных; 4) сукцессионного периода в развитии биогеоценоза (растительные сообщества на

более

ранних

стадиях

сукцессии

относительно

быстрее

восстанавливаются от повреждений); 5) степени летального повреждения популяций растений и животных и соответственно доли выживших особей, что определяет способность к восстановлению. Важную роль в восстановлении облученных биогеоценозов играют живые организмы, получившие меньшую дозу излучения, чем остальная часть

34

популяции,

а

также

те

виды,

которые

в

силу

влияния

различных

экологических факторов испытали меньшее дозовые воздействия. Так, существенным способом восстановления биогеоценозов после облучения является вегетативное размножение растений от корневых почек, корневищ и других органов, находящихся под землей. Хотя по радиочувствительности подземные органы могут не отличатся от надземных по отношению к кумулятивной дозе и к ежедневной мощности дозы, но они эффективно

защищены

от

воздействия

могут быть

ионизирующих

излучений

экранирующим влиянием почвы. Таким путем могут восстанавливаться многие древесные, кустарниковые и травяные растения. И наоборот, некоторые древесные породы характеризуются слабой возможностью порослевого возобновления или такая возможность отсутствует вообще (например, для таких пород древесных растений, как хвойные—сосна, ель, пихта и др.). Возможность вегетативного размножения от подземных органов является важным механизмом восстановления многолетних видов растений в травяных сообществах. РОЛЬ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ В РАЗВИТИИ ЛУЧЕВЫХ И ПОСТРАДИАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В БИОГЕОЦЕНОЗАХ В биогеоценозах, подвергающихся хроническому облучению, действие ионизирующего излучения как одного из экологических факторов всегда проявляется на фоне влияния сложного комплекса других условий внешней среды. Комбинированное воздействие излучения на фоне одного или нескольких

неблагоприятных

радиационного

повреждения

радиочувствительности влиянием

комплекса

факторов растений

живых

может и

животных.

организмов

экологических

изменить

факторов,

степень

Природный

формируется изменение

фон под

которых

может привести к заметному сдвигу в уровне естественной радиоустойчивости. Так, при сравнении радиоустойчивости семян большого числа видов растений с различным географическим происхождением было отмечено, что наиболее радиоустойчивыми оказались семена растений из областей с жарким и

35

засушливым климатом, а самыми радиочувствительными—семена растений из регионов

с

влажным

и

умеренно

теплым

климатом.

Повышенной

радиоустойчивостью обладают млекопитающие, обитающие в пустынных и полупустынных

областях,

что

может

быть

связано

с

влиянием

на

радиочувствительность комплекса экологических факторов этих регионов. В том

числе

особый

рацион

этих

животных,

содержащий

в

высоких

концентрациях радиозащитные средства. Радиочувствительность биогеоценозов как самостоятельных образований, оцененная по таким интегральным показателям, как гибель отдельных видов растений, изменение видового состава растений и продуктивности фитомассы, зависит и от сезона года, когда происходит облучение (покоящиеся растения более радиоустойчивы, чем находящиеся в физиологически активном состоянии). Сезонная представляет

радиочувствительность собой

интегральную

на

биогеоценотическом

характеристику

уровне

радиорезистентности

биогеоценоза, которая отражает в суммарном виде сезонные различия в радиоустойчивости отдельных видов растений (разная чувствительность отдельных фаз онтогенеза у растений, сезонные различия в размерах клеточного ядра и хромосом и скорости клеточного деления, сезонная динамика течения процессов восстановления и т. п.). Как общая закономерность для наземных биогеоценозов отмечается, что наиболее радиочувствительными периодами являются весна и раннее лето, а наиболее радиоустойчивыми— конец лета и начало осени, причем разница по радиорезистентности между указанным периодами может достигать двух и более раз. Влияние температурного режима и освещенности как экологических факторов на последствия облучения может проявиться опосредованным путем через воздействие на интенсивность клеточного деления, определяющего темпы процесса

лучевого

поражения

и

пострадиационного

восстановления.

Тормозящее влияние ионизирующих излучений на рост древесных растений

36

(прирост годичного кольца древесины и рост хвои) проявляется сильнее в засушливые годы. Интенсивность

восстановления

в

поврежденных

ионизирующими

излучениями биогеоценозах существенно зависит от климатических факторов, влияющих на напряженность процессов роста и развития растений. Например, восстановление в облученном тропическом лесу в целом идет быстрее, чем в лесу умереннойзоны,

так

как

природные

условия

тропической

зоны

содействуют более интенсивному росту и развитию растений. Таким образом, взаимодействие облучения с другими экологическими факторами может как увеличивать радиационное повреждение, так и уменьшать его. ОБЩИЕ

ЗАКОНОМЕРНОСТИ

РАЗВИТИЯ

РАДИАЦИОННЫХ

И ПОСТРАДИАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В БИОГЕОЦЕНОЗАХ Интегральная

картина

развития

процессов

лучевого

поражения

биогеоценоза и его послерадиационного восстановления является результатом сложного взаимодействия большого числа факторов, влияющих на первичные и вторичные

лучевые

эффекты

в

природных

сообществах.

Наиболее

характерными сдвигами в облучаемых сообществах растении являются исключение из биогеоценозов наиболее радиочувствительных видов растений, возвращение биогеоценоза к более ранним этапам сукцессии, смена формдоминантов в результате первичных и вторичных радиационных эффектов, обеднение видового разнообразия сообществ. Одним

из

факторов,

определяющих

особенности

проявления

радиационных эффектов в биогеоценозах, является режим облучения, который можно охарактеризовать мощностью поглощенной дозы, продолжительностью воздействия ионизирующих излучений (кумулятивной поглощенной дозой) и типом излучения. В сообществах травяных растений можно выделить три группы ответных

реакций

на

облучение:

1)

расположение

видов

растений

по радиационному градиенту в форме поясов сукцессионного доминирования в

37

соответствии с устойчивостью к действию ионизирующего излучения, света, тепла, влаги и других экологических факторов; 2) исключение из сообществ наиболее радиочувствительных видов и 3) относительно сильное развитие многолетников вследствие роста многолетних органов растении несмотря на то, что семена этих растения теряют жизнеспособность. По увеличению радиорезистетности природные сообщества различных климатических зон располагаются в следующий ряд: хвойные леса смешанные леса умеренной зоны - тропические дождевые леса - степные биогеоценозы травяной растительности - тундровые сообщества - пустынные биогеоценозы. Контрольные вопросы: Как различается воздействие ветта- и гаммаизлучения на отдельные компоненты биогеоценозов? Какие цитогенетические показатели определяют радиорезистентность организмов? Почему хвойные растения являются наиболее радиочувствительными? Почему травянистые растения более резистентны, чем древесные? Какие явления относятся к первичным

лучевым

реакциям?

Что

такое

вторичное

радиационное

повреждение? Приведите примеры вторичных лучевых реакций. Что такое истинная и ложная стимуляция роста? Как реагируют на облучение травянистные биогеоценозы? В чем особенности агрофитоценозов? Что такое «опушечный эффект»? Как происходит вертикальная миграция радионуклидов в лесу? Каковы отличия радиационного загрязнения лесной экосистемы в разные сезоны? Как действуют на лесной биогеоценоз сублетальные дозы облучения? Каковы особенности поражения гидробиоценозов? Какие факторы определяют процессы

пострадиационного

востановления?

Какова роль

экологических факторов в развитии лучевого поражения и пострадиационного восстановления?

Какие

наиболее

характерные

сдвиги

наблюдаются в

растительных сообществах под действием радиации? Ядерный топливный цикл Ядерный топливный цикл (ЯТЦ) — это совокупность технологических операций:

38

1) добыча урановой руды; 2) изготовление уранового концентрата (в форме октооксида урана (III) U3O8 или диураната натрия Na2U207); 3) конверсия (производство гексафторида урана UF6 и его обогащение ураном235); 4) изготовление топлива для ядерных реакторов; 5) его сжигание в реакторах с целью производства тепловой и электроэнергии; 6) переработка отработанного ядерного топлива (ОЯТ) и обращение с радиоактивными отходами. Различают два вида ЯТЦ — открытый (разомкнутый) и закрытый (замкнутый).

В

замкнутом

ЯТЦ

на

радиохимических

предприятиях

осуществляется переработка (репроцессинг) ОЯТ с целью возврата в цикл невыгоревшего урана-235, почти всей массы урана-238, а также изотопов энергетического плутония, образовавшихся при работе ядерных реакторов гражданского и военного назначения. В

разомкнутом

ЯТЦ

отработанное

ядерное

топливо

считается

высокоактивными радиоактивными отходами и вместе с остаточными делящимися изотопами исключается из дальнейшего использования (рис. 8). Поэтому

разомкнутый

ЯТЦ

характеризуется

низкой

эффективностью

использования природного урана (до 1 %). Изготовление Топливо Топлива

Реактор ОЯТ

Обогащенный UF6

Хранилище реактор ОЯТ

Рис.8. Разомкнутый ядерный топливный цикл.

Обогащение UF6 Конверсия

Хранилище отходов U3O8

Добыча урановой руды

Выделяют два типа замкнутого ЯТЦ — с регенерацией урана и с регенерацией урана и плутония (рис. 9). Замкнутый ЯТЦ второго типа

39

предполагает

утилизацию

энергетического

и

оружейного

плутония

посредством развития производства смешанного уран-плутониевого топлива из диоксидов урана и плутония (UO2, РuО2) для реакторов на быстрых и тепловых нейтронах. Учитывая разнообразие типов ядерных реакторов, действующих в России в настоящее время, можно констатировать, что в целом для российской ядерной энергетики характерно наличие разомкнутого ЯТЦ. Исходным этапом ядерного топливного цикла (ЯТЦ) является добыча руды и производство уранового концентрата, включающее основные стадии: собственно добыча урансодержащей руды; ее механическое обогащение посредством удаления пустой породы; измельчение полученной рудной массы; выщелачивание из нее урана с помощью серной кислоты или карбоната натрия; получение уранового концентрата путем извлечения из урановых растворов (экстракцией, сорбцией или селективным осаждением); сушка уранового концентрата и его герметичная упаковка.

Изготовление Топливо Топлива Обогащенный UF6 Обогащение UF6

Реактор ОЯТ

Добыча урановой руды

а)

Изготовление Топливо Топлива Обогащенный UF6

U

ОЯТ Переработка

Реактор ОЯТ

Хранилище реактор

U

ОЯТ

Обогащение

Переработка UO2

UF6

PuO2

Конверсия

U3O8

Хранилище реактор

Радиоактивные отходы

Конверсия

Изготовление смешанного топлива

PuO2 Радиоактивные отходы

U3O8

Хранилище плутония Хранилище отходов

Добыча урановой руды

Хранилище отходов

б)

Рис.9. Замкнутый ядерный топливный цикл а) с использованием урана, выделенного из отработанного ядерного топлива; б) с использованием урана и плутония, выделенных из отработанного ядерного топлива.

40

Содержание урана в урансодержащих рудах, добываемых в СНГ, составляет 0,05— 0,1 %. Цель данного этапа ЯТЦ состоит в повышении концентрации урана. Добыча урановой руды производится на рудниках и в открытых

карьерах

обычными

способами

и

методомподземного

выщелачивания. Все предприятия по добыче урана оказывают негативное воздействие на окружающую среду. Изготовление химических концентратов природного урана в форме октооксида урана (III) U3O8 или диураната натрия Na2U2O7 осуществляется в процессе гидрометаллургического производства. Выбор технологии обусловлен химическим составом руды и спецификой предприятия. Для целей ядерной энергетики и ядерного военного комплекса требуется уран-235, который способен поддерживать цепную реакцию деления. Но его концентрация в природном уране низка — в среднем около 0,7 %. Поэтому требуется обогащение природного урана до 2,4—2,5 % для различных типов ядерных реакторов и более высокое обогащение для военных целей. До осуществления процесса изотопного обогащения необходимо проведение операции доочистки урана для превращения его в ядерно-чистый материал (такая операция называется аффинаж), который преобразуется затем в гексафторид урана (UF6). Ядерным реактором называется устройство, в котором осуществляется контролируемая самоподдерживающаяся цепная реакция деления ядер некоторых тяжелых элементов под действием нейтронов. В качестве топлива (источника

энергии)

ядерных

реакторах

используют,

как

правило,

обогащенный уран. Самоподдерживающаяся реакция ядерного распада может привести к ядерному взрыву либо протекать стационарно — при определенных условиях, создаваемых в реакторах. Для этого необходимо, чтобы при делении урана-235 часть нейтронов продолжала реакцию, а часть поглощалась либо выводилась из дальнейшего участия в процессе деления. Это достигается при использовании в качестве топлива (ядерного горючего) обогащенного урана (с содержанием урана-235 около 2—3 %). Уран-238, присутствующий в обогащенном уране в

41

избыточном количестве, поглощает лишние нейтроны, позволяя удерживать цепную реакцию под контролем, превращаясь при этом в плутоний-239. Таким образом, к концу срока эксплуатации реактора топливо содержит больше плутония-239, чем урана-235, выгорающего в процессе поддержания цепной реакции. Центральная область ядерного реактора, содержащая ядерное топливо, где в основном и протекает цепная реакция, называется активной зоной. Здесь происходит цепная реакция деления и выделяется основная доля тепловой энергии. Условия, необходимые для протекания самоподдерживающейся цепной реакции, создаются в каждом реакторе при вполне определенных размерах его активной зоны и количестве делящегося материала. Минимальное количество делящегося материала и минимальные размеры активной зоны, при которых в данном реакторе возможна самоподдерживающаяся цепная реакция, называются критической массой и критическими размерами этого реактора. Активная зона, как правило, окружается отражателем — слоем материала (вода, уран, графит), эффективно возвращающего нейтроны, тем самым уменьшая их утечку из реактора, что приводит к сокращению размеров активной зоны и уменьшению загрузки ядерного реактора делящимся материалом. Величина критической массы зависит от нуклидного состава отражателя и активной зоны, а также ее формы (куб, цилиндр), от вида используемого топлива и замедлителя, наличия примесей и некоторых других факторов. Важной частью ядерного реактора является тепловыделяющий элемент (твэл) — некоторое количество ядерного топлива в одной оболочке. Простейший твэл представляет собой блок (стержень, трубка, пластина) из делящегося материала (уран, диоксид урана), заключенный в герметичную оболочку из алюминия, циркония, нержавеющей стали. Материал оболочки твэла не должен сильно поглощать нейтроны. Во многих реакторах твэлы объединяют в сборки или кассеты. Тепло, генерируемое в твэлах, доставляется к

парогенераторам или

теплообменникам с помощью теплоносителя,

42

циркулирующего через активную зону. В качестве теплоносителя применяют газы, обычную или тяжелую воду, жидкие металлы, органические жидкости. В реакторе обычно устанавливают стержни трех типов: компенсирующие (поглощающие)

стержни

для

возмещения

избыточной

реактивности;

регулирующие, предназначенные для управления работой реактора (разгоны, остановки, переходы с одного уровня мощности на другой), и стержни аварийной защиты. Последние при нормальной работе реактора находятся вне активной зоны во взведенном состоянии. При превышении допустимого значения хотя бы одного параметра (мощности, температуры, давления пара, скорости разгона) стержни аварийной защиты сбрасываются в активную зону, что приводит к немедленному прекращению цепной реакции. Радиоактивные отходы и их классификация К радиоактивным отходам (РАО) относятся не подлежащие дальнейшему использованию вещества в любом агрегатном состоянии, материалы, изделия, оборудование, объекты биологического происхождения, газообразная среда, грунт, а также породы, руды и отходы обогащения и выщелачивания руд, в которых содержание радионуклидов превышает уровень, установленный нормативными правовыми актами. Радиоактивные отходы в зависимости от агрегатного состояния делятся на газообразные, жидкие и твердые (отвержденные). Газообразные РАО в общем объеме отходов составляют незначительную часть. Наибольший объем РАО поступает в жидком виде — радиоактивные растворы и пульпы, различные жидкие шламы. Твердые радиоактивные отходы являются продуктом деятельности предприятий (части загрязненных конструкций, оборудования, упаковки, густой шлам, мусор, загрязненный грунт и т. п.), а также продуктами специальной технологии отверждения жидких отходов (битумирование, цементирование, остеклование и т. д.). Существуют два альтернативных пути обращения с отходами и удаления их: 1) концентрирование отходов и их захоронение в таких участках биосферы

43

(или вообще вне ее), когда исключается или сводится к безопасному минимуму контакт отходов с живыми организмами; 2) рассеяние радионуклидов в окружающей среде (в первую очередь в атмосфере и гидросфере) до такой концентрации, которая считается безопасной

в

радиационно-гигиеническом

и

радиоэкологическом

отношениях. Классификация жидких радиоактивных отходов. Категория РАО Удельная активность Ки/л (Бк/кг) Низкоактивные

Ниже 10-5 (ниже 3.7 10 –5)

Среднеактивные

10–5 – 1 (3.7 10–5 – 3.7 1010)

Выше 1 (выше 3.7 1010 ) Высокоактивные Классификация газообразных радиоактивных отходов. Категория РАО Удельная активность Ки/м3 Ниже 10 –10

Низкоактивные

10 –10 - 10

Среднеактивные

-6

Высокоактивные Выше 10 -6 Классификация твердых радиоактивных отходов. Мощность Вид доминирующего излучения Категория АО экспозиционной Альфа Бетта Гамма* дозы, Р/ч Ки/кг Ки/кг Гр/ч -7 -5 -8 -4 -7 Низкоактивные Ниже 0.2 2 10 –10 2 10 – 10 3 10 – 3 10-4 Среднеактивные

0.2 – 2

10-5 - 10-2

Выше 10-2 Высокоактивны Выше 2 Первый из указанных путей принят

10-4 – 10-1

3 10-4 – 10-2

Выше 10-1 Выше 10-2 во многих странах для

высокоактивных отходов, второй — для отходов низкой активности. При обращении с радиоактивными отходами используют термины «удаление» и «захоронение», а также понятие «хранение». В отличие от термина «хранение» понятия «удаление» и «захоронение» применяются для тех методов обращения с отходами, в которых не предполагаются их повторное использование и строгий контроль за состоянием отходов. Захоронение в

44

отличие от хранения не требует постоянного гарантийного обслуживания (например, охлаждения, наблюдения, ремонта и т. п.). Захоронение можно производить, только когда гарантируется уверенность, что при отсутствии постоянного контроля со стороны человека содержащиеся в отходах радионуклиды не смогут достичь окружающей человека и живые организмы

среды

превышающей

в

концентрации,

безопасные

нормы

облучения как человека, так и объектов природной среды. В настоящее время используются или рассматриваются как перспективные

следующие

способы

обращения с радиоактивными отходами: 1) сброс и рассеяние в природной среде; 2)

хранение

в

наземных

неглубокозалегающих емкостях; сброс

в

глубинные

формации.

3)

геологические Рассматривается

возможность радиоактивных

и

захоронения отходов

во

льдах

Антарктиды. Рис.10 Общая схема обращения с радиоактивными отходами. поверхностные

участки

Низкоактивные

отходы

можно

безопасно удалять на контролируемые

захоронения,

условия

которых

обеспечивают

ограниченную миграцию радиоактивных веществ в окружающую человека среду. Одним из наиболее перспективных методов удаления радиоактивных отходов и решением проблемы долговременного хранения отходов в настоящее время считается удаление отходов в геологические формации (соляные, глинистые, сланцевые, безводно-гипсовые, известковые и гранитные).

45

Критериями для удаления отходов в геологические формации являются их тектоническая стабильность и обезвоженность. Захоронение

высокоактивных

отходов

в

геологические

формации

предполагает их предварительное отверждение, хотя значительный интерес может представить закачивание отходов в глубинные слои в жидкой форме. При переработке 1 м3 облученных твэлов образуется 500 л жидких отходов, требующих для отверждения около 90 л стекла. При хранении отходов в глубинных геологических формациях существуют три барьера, препятствующих переходу радионуклидов в биосферу: 1) матрица (например, стекло), куда

инкорпорированы

радионуклиды;

2)

оболочка

контейнеров

(для

нержавеющей стали она теряет герметичность через несколько сот лет) и 3) собственно геологические породы. Основной аргумент в пользу сброса радиоактивных отходов в Мировой океан—это наличие глубоководных областей с относительно медленной циркуляцией вод в горизонтальном и вертикальном направлениях и со сравнительно низкой биологической продуктивностью, что может создать предпосылки длительной изоляции радиоактивных веществ от включения в биогеохимические циклы миграции. Контрольные вопросы: Что такое ядерный топливный цикл; какие этапы он включает? Чем отличаются замкнутый и разомкнутый циклы? Какие этапы включает изготовление ядерного топлива? Что такое ядерный реактор? Что такое критическая масса и критический объем? Какие основные части входят в состав ядерного реактора? Что такое радиоактивные отходы?

Каковы способы

обращения с радиоактивными отходами? Чем отличаются хранение и захоронение отходов? В каком виде захоранивают отходы? Гигиенические и экологические основы радиационной защиты человека и окружающей среды В 1977 г. в целях повышения уровня безопасности при использовании ионизирующего излучения Международная комиссия радиационной защиты (МКРЗ)

приняла

концепцию

беспороговой

линейной

зависимости

46

возникновения

злокачественных

новообразований

и

генетических

повреждений при нормировании радиационного фактора и оценки возможных неблагоприятных для здоровья отдаленных последствий облучения. Из

предложенной

концепции

вытекают

три

основных

принципа

радиационной защиты, которые приняты в современном нормировании. Принцип обоснования. Не должна проводиться любая деятельность, связанная с использованием источников ионизирующего излучения, если польза для отдельных лиц и общества в целом не превышает риска, вызванного дополнительным облучением (по отношению к естественному радиоактивному фону). Принцип

оптимизации.

При

использовании

любого

источника

ионизирующего излучения индивидуальные дозы и число облучаемых людей должны поддерживаться на столь низком уровне, насколько это возможно и достижимо с учетом экономических и социальных факторов. Принцип нормирования. Индивидуальная доза облучения персонала и населения от всех источников ионизирующего излучения в процессе их эксплуатации не должнa превышать действующих дозовых пределов. В основу современных концепций нормирования радиационного фактора положен принцип ограничения дозы на человека. Повышение радиационного фона в глобальных масштабах делает актуальной задачу разработки принципов охраны

здоровья

непосредственного

человека воздействия

и

окружающей ионизирующих

его

среды

излучений

с на

учетом объекты

природной среды. Это целесообразно назвать экологическим принципом нормирования радиационной нагрузки. При этом нужно исходить из тезиса, что охрана здоровья человека от радиационного воздействия — это не только прямая защита его от облучения, но и обеспечение радиационной безопасности самой среды, так как человек может быть здоров только в «здоровой» среде. По рaдиoycтoйчивости человек относится к самым радиочувствительным организмам в биосфере. Однако целый ряд других объектов внешней среды, помимо упомянутых выше млекопитающих, в общем, достаточно близок по

47

радиорезистентности к человеку. Обширная экологическая литература о действии ионизирующих излучений на природные и искусственные экосистемы свидетельствует о том, что поглощенная доза 200—1000 рад вызывает существенные видимые радиационные повреждения у многих типов природных и искусственных сообществ растений и животных. Вместе с тем длительные (десятки и более лет) экологические наблюдения за действием ионизирующих излучений на природные экосистемы показывают, что неблагоприятные сдвиги в природной среде могут иметь место и при значительно более низкой дозе излучения (10 - 30 рад). Существующие

нормативы

содержания

радиоактивных

веществ

рассматривают объекты внешней среды как источники внешнего облучения человека

или

как

источники

питания.

Нормирование

концентрации

радионуклидов в воздухе тоже осуществляется исходя из анализа опасности ингаляционного поступления радионуклидов в организм человека. При этом подразумевается, что абсолютные поглощенные дозы для находящихся в среде, содержащей радионуклиды, человека и других живых организмов достаточно близки. Однако такое положение не всегда соответствует действительности: реальные поглощенные дозы у растений и животных значительно выше, чем у человека. Следует отметить, что для обеспечения радиационной безопасности человека имеется арсенал активных методов защиты, наиболее эффективными среди которых являются эвакуация из района загрязнения, постоянное или временное

запрещение

потребление

критических

пищевых

продуктов

дезактивация. Для защиты же живой природы от радиоактивного загрязнения набор технически и экономически приемлемых методов крайне ограничен. Если опасность радиационного воздействия обусловлена поступлением радионуклидов с рационом в результате их миграции по пищевым цепям, то защита населения осуществляется прежде всего за счет изменения традиционно сложившейся площади питания, структуры посевных площадей и завоза продовольствия с незагрязненной территории. Естественно, что доза на диких

48

животных и растения от осевшего радиоактивного вещества в подобных ситуациях существенно выше, чем на человека. Здесь следует напомнить и о различиях в составе рациона человека и животных, приводящих к значительной разнице в дозе облучения сравниваемых объектов, обитающих на территории с одинаковой концентрацией радионуклидов. Рассмотренная выше специфика формирования поглощенной дозы при нахождении радионуклидов во внешней среде у человека и других живых организмов побуждает к мысли, что в некоторых радиологических ситуациях для определенных групп живых организмов в биосфере экологические нормативы радиационных воздействий оказываются более жесткими, чем санитарно-гигиенические. Справедливость этого положения подтверждается экспериментальными данными для некоторых природных экосистем. Контрольные вопросы: Какова история нормирования радиационного фактора в нашей стране? Назовите основные принципы нормирования и поясните, как они осуществляются? В чем суть экологического и антропогенного принципов нормирования

радиационной

нагрузки?

Почему

целесообразно

ввести

нормирование радиационной нагрузки не только с точки зрения воздействия на человека? Рекомендуемая литература: Алексахин Р.М. Ядерная энергия и биосфера. – М.: Энергоатомиздат, 1982. – 216 с. Кузин А.М. Проблемы современной радиобиологии (Что необходимо знать каждому об атомной радиации). - М.: Знание, 1987. – 64 с. Радиация: Дозы, эффекты, риск. / Пер. с англ. Ю.А. Банникова - М.: Мир, 1990 – 79 с. Ядерная энергетика, человек, окружающая среда/ Н.С. Бабаев, В.Ф. Демин, Л.А. Ильин и др. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 311 с. Ядерная энциклопедия. - М.: Б.и., 1996. – 594 с. Составила Иванова Екатерина Юрьевна Редактор Тихомирова О.А.