Радиоактивное загрязнение: источники и последствия.

Радиоактивное загрязнение: источники, виды и опасность ионизирующего излучения. Определение, концентрация, типы радиации и защита от загрязнений.

13 мин чтения

100%

Источник: Radioactive contamination — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Нежелательные радиоактивные элементы на поверхностях или в газах, жидкостях или твердых веществах.

Радиоактивное загрязнение, также называемое радиологическим загрязнением, – это осаждение или присутствие радиоактивных веществ на поверхностях или внутри твердых веществ, жидкостей или газов (включая человеческий организм), где их присутствие является непреднамеренным или нежелательным (согласно определению Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ)). Такое загрязнение представляет опасность, поскольку радиоактивный распад загрязняющих веществ производит ионизирующее излучение (в частности, альфа-, бета-, гамма-лучи и свободные нейтроны). Степень опасности определяется концентрацией загрязняющих веществ, энергией излучаемого излучения, типом излучения и близостью загрязнения к органам тела. Важно понимать, что загрязнение является источником радиационной опасности, и термины "излучение" и "загрязнение" не являются взаимозаменяемыми. Источники радиоактивного загрязнения можно классифицировать на две группы: природные и техногенные. После взрыва ядерного оружия в атмосфере или нарушения герметичности ядерного реактора воздух, почва, люди, растения и животные в окрестностях будут загрязнены ядерным топливом и продуктами деления. Пролитый флакон с радиоактивным материалом, например, уранил нитратом, может загрязнить пол и любые тряпки, использованные для уборки разлива. Примеры масштабного радиоактивного загрязнения включают атолл Бикини, завод Рокки Флэтс в Колорадо, район, прилегающий к аварии на Фукусима Дайичи, район, прилегающий к Чернобыльской аварии, и район, прилегающий к аварии на "Маяке".

Источники загрязнения

Источники радиоактивного загрязнения могут быть естественными или созданными человеком. Радиоактивное загрязнение может быть вызвано различными причинами. Оно может возникнуть в результате выброса радиоактивных газов, жидкостей или частиц. Например, если радионуклид, используемый в ядерной медицине, прольется (случайно или, как в случае аварии в Гоянии, по незнанию), вещество может быть распространено людьми при передвижении. Радиоактивное загрязнение также может быть неизбежным результатом определенных процессов, таких как выделение радиоактивного ксенона при переработке ядерного топлива. В случаях, когда радиоактивный материал невозможно локализовать, его можно разбавить до безопасных концентраций. Подробное обсуждение загрязнения окружающей среды альфа-излучателями см. в разделе "Актиниды в окружающей среде". Ядерные осадки – это распространение радиоактивного загрязнения в результате 520 атмосферных ядерных взрывов, произошедших с 1950-х по 1980-е годы. При ядерных авариях мерой типа и количества высвобождаемой радиоактивности, например, при разрушении защитной оболочки реактора, является исходный источник (source term). Комиссия по ядерному регулированию США определяет это как "Типы и количества радиоактивных или опасных материалов, выброшенных в окружающую среду после аварии". Загрязнение не включает остаточный радиоактивный материал, остающийся на площадке после завершения вывода из эксплуатации. Следовательно, радиоактивный материал в герметичных и маркированных контейнерах не следует правильно называть загрязнением, хотя единицы измерения могут быть одинаковыми.

Сдерживание

Сдерживание является основным способом предотвращения попадания загрязнения в окружающую среду или контакта с людьми, либо его проглатывания. Нахождение внутри предусмотренных систем сдерживания отличает радиоактивные материалы от радиоактивного загрязнения. Когда радиоактивные материалы концентрируются до обнаруживаемого уровня за пределами системы сдерживания, пораженная область обычно называется "загрязненной". Существует множество методов сдерживания радиоактивных материалов, чтобы предотвратить их распространение за пределы системы сдерживания и загрязнение. В случае жидкостей это достигается использованием резервуаров или контейнеров с высокой степенью герметичности, обычно оснащенных системой сбора для обнаружения утечек с помощью радиометрической или обычной аппаратуры. Если материал может стать воздушно-дисперсным, широко используется бокс с перчатками – распространенный метод в опасных лабораторных и производственных процессах в различных отраслях промышленности. Боксы с перчатками поддерживаются под небольшим отрицательным давлением, а вытяжной воздух фильтруется через высокоэффективные фильтры, которые контролируются радиологической аппаратурой для обеспечения их надлежащей работы.

Радиоактивность, встречающаяся в природе

Разнообразные радионуклиды встречаются в природе. Такие элементы, как уран и торий, и продукты их распада присутствуют в горных породах и почве. Калий-40, первичный нуклид, составляет небольшую долю всего калия и содержится в человеческом организме. Другие нуклиды, такие как углерод-14, присутствующий во всех живых организмах, непрерывно образуются под воздействием космических лучей. Эти уровни радиоактивности представляют незначительную опасность, но могут затруднять измерения. Особую проблему представляет природный газ радон, который может влиять на работу приборов, предназначенных для обнаружения загрязнения на уровнях, близких к нормальному фону, и вызывать ложные тревоги. Поэтому оператору радиологического оборудования необходимо уметь различать фоновое излучение и излучение, исходящее от загрязнения. Природные радиоактивные материалы (НОРМ) могут быть вынесены на поверхность или сконцентрированы в результате человеческой деятельности, такой как горнодобывающая промышленность, добыча нефти и газа, а также использование угля.

Контроль и мониторинг загрязнения

Радиоактивное загрязнение может присутствовать на поверхностях, в материалах или в воздухе, и для измерения уровня загрязнения используются специальные методы, основанные на регистрации излучения.

Мониторинг загрязнения

Мониторинг загрязнения полностью зависит от правильного и целесообразного применения и использования приборов радиационного контроля.

Загрязнение поверхности

Поверхностное загрязнение может быть фиксированным или "свободным". В случае фиксированного загрязнения, радиоактивный материал по определению не может распространяться, однако его излучение все еще измеримо. В случае свободного загрязнения существует риск распространения загрязнения на другие поверхности, такие как кожа или одежда, или перенос его с воздухом. Загрязненную радиоактивностью бетонную поверхность можно соскабливать на определенную глубину, удаляя загрязненный материал для утилизации. Для персонала, работающего с радиоактивными веществами, устанавливаются контролируемые зоны, где может существовать опасность загрязнения. Доступ в такие зоны контролируется различными барьерными методами, иногда включающими смену одежды и обуви при необходимости. Загрязнение в контролируемой зоне обычно регулярно контролируется. Приборы радиационного контроля (RPI) играют ключевую роль в мониторинге и обнаружении любого потенциального распространения загрязнения, и часто используются комбинации ручных приборов для радиационного контроля и стационарных площадных мониторов, таких как мониторы радиоактивных частиц в воздухе и площадные гамма-мониторы. Обнаружение и измерение поверхностного загрязнения персонала и оборудования обычно осуществляется с помощью счетчика Гейгера, сцинтилляционного счетчика или пропорционального счетчика. Пропорциональные счетчики и счетчики двойной сцинтилляции могут различать альфа- и бета-загрязнение, но счетчик Гейгера – нет. Сцинтилляционные детекторы обычно предпочтительнее для ручных приборов мониторинга и имеют большую площадь детектора для ускорения контроля больших площадей. Детекторы Гейгера, как правило, имеют небольшую площадь детектора, что больше подходит для контроля небольших участков загрязнения.

Мониторинг выезда

Распространение загрязнения при выходе персонала из контролируемых зон, где используется или перерабатывается ядерный материал, контролируется специализированными стационарными приборами контроля выхода, такими как поисковые зонды, мониторы загрязнения рук и мониторы всего тела. Они используются для проверки отсутствия загрязнения на теле и одежде покидающих контролируемые зоны лиц. В Соединенном Королевстве HSE опубликовало руководство для пользователей по выбору подходящего портативного прибора для измерения радиации в зависимости от конкретной задачи. В руководстве рассматриваются все технологии радиационных приборов и приводится полезное сравнительное руководство для выбора оптимальной технологии в зависимости от типа загрязнения. Британская NPL публикует руководство по уровням сигнализации, которые следует использовать при проверке персонала, покидающего контролируемые зоны, где возможно загрязнение. Поверхностное загрязнение обычно выражается в единицах радиоактивности на единицу площади для альфа- или бета-излучателей. В системе СИ это беккерели на квадратный метр (или Бк/м2). Могут также использоваться другие единицы, такие как пикокюри на 100 см2 или распад в минуту на квадратный сантиметр (1 дпм/см2 = 167 Бк/м2).

Загрязнение воздуха

Воздух может быть загрязнен радиоактивными изотопами в виде частиц, что представляет особую опасность при вдыхании. Респираторы с подходящими воздушными фильтрами или полностью автономные защитные костюмы с собственным запасом воздуха могут снизить эти риски. Загрязнение воздуха измеряется специализированными радиологическими приборами, которые непрерывно прокачивают пробоотборный воздух через фильтр. Взвешенные в воздухе частицы накапливаются на фильтре и могут быть измерены различными способами:

Фильтровальная бумага периодически вручную извлекается для измерения накопленной радиоактивности на приборе, таком как "скалер". Фильтровальная бумага неподвижна и измеряется непосредственно на месте с помощью детектора излучения. Фильтр представляет собой медленно движущуюся ленту, которая измеряется детектором излучения. Такие устройства обычно называют "фильтрами с автоматической подачей" и автоматически перемещают фильтр, представляя чистую поверхность для накопления, что позволяет построить график концентрации загрязняющих веществ в воздухе во времени. Обычно используется полупроводниковый датчик излучения, который также может предоставлять спектрографическую информацию о собираемом загрязнении. Особая проблема для мониторов радиоактивного загрязнения воздуха, предназначенных для обнаружения альфа-частиц, заключается в том, что природный радон может быть широко распространен и может проявляться как загрязнение при поиске низких уровней радиоактивности. Современные приборы, следовательно, оснащены "компенсацией радона" для устранения этого эффекта.

Внутреннее загрязнение человека

Радиоактивное загрязнение может попасть в организм при проглатывании, вдыхании, абсорбции или введении. Это приводит к накопленной дозе облучения. По этой причине важно использовать средства индивидуальной защиты при работе с радиоактивными материалами. Радиоактивное загрязнение также может произойти при употреблении в пищу загрязненных растений и животных или при употреблении загрязненной воды или молока от животных, подвергшихся воздействию. После крупного инцидента с загрязнением необходимо учитывать все возможные пути внутреннего облучения. Хелатная терапия и другие методы лечения, успешно применённые, в частности, к Гарольду МакКласки, существуют для лечения внутреннего загрязнения радионуклидами.

Дезактивация

Очистка от загрязнения приводит к образованию радиоактивных отходов, если только радиоактивный материал нельзя вернуть в коммерческое использование путем переработки. В некоторых случаях загрязнения больших площадей, загрязнение может быть уменьшено путем захоронения и покрытия загрязненных веществ бетоном, почвой или горной породой для предотвращения дальнейшего распространения загрязнения в окружающую среду. Если организм человека загрязнен путем попадания внутрь или в результате травмы, и стандартная очистка не может снизить уровень загрязнения, то человек может оставаться загрязненным на постоянной основе. Средства контроля загрязнения используются Министерством энергетики США (DOE) и коммерческой ядерной промышленностью на протяжении десятилетий для минимизации загрязнения радиоактивного оборудования и поверхностей, а также для фиксации загрязнения на месте. "Средства контроля загрязнения" – это широкий термин, включающий фиксаторы, пленкообразующие покрытия, которые можно удалить, и гели для дезактивации. Фиксатор функционирует как постоянное покрытие для стабилизации остаточного слабосвязанного/переносимого радиоактивного загрязнения путем его закрепления; это помогает предотвратить распространение загрязнения и снижает вероятность попадания загрязнения в воздух, уменьшая облучение персонала и облегчая будущие работы по дезактивации и выводу из эксплуатации (D&D). Пленкообразующие покрытия слабо адгезируются к поверхности, подобно краске, и используются благодаря своим дезактивационным свойствам. Они наносятся на поверхности со слабосвязанным/переносимым радиоактивным загрязнением, а затем, после высыхания, удаляются, что позволяет удалить слабосвязанное/переносимое загрязнение вместе с покрытием. Остаточное радиоактивное загрязнение на поверхности значительно снижается после удаления пленкообразующего покрытия. Современные пленкообразующие покрытия демонстрируют высокую эффективность дезактивации и могут конкурировать с традиционными механическими и химическими методами дезактивации. Гели для дезактивации работают аналогично другим пленкообразующим покрытиям. Результаты, полученные при использовании средств контроля загрязнения, варьируются и зависят от типа субстрата, выбранного средства контроля загрязнения, типа загрязнителей и условий окружающей среды (например, температуры, влажности и т. д.). К числу крупнейших территорий, подлежащих дезактивации, относится префектура Фукусима в Японии. Национальное правительство находится под давлением, чтобы очистить территорию от радиоактивного загрязнения, вызванного ядерной аварией на Фукусиме в марте 2011 года, с максимально возможной площади, чтобы некоторые из 110 000 перемещенных лиц могли вернуться. Извлечение ключевого радиоизотопа, представляющего угрозу для здоровья (цезий-137), из низкоактивных отходов также может значительно уменьшить объем отходов, требующих специальной утилизации. Цель состоит в том, чтобы найти методы, которые могли бы извлекать от 80 до 95% цезия из загрязненной почвы и других материалов эффективно и без разрушения органического вещества в почве. Один из исследуемых методов называется гидротермальным взрывом. Цезий отделяется от частиц почвы, а затем осаждается в виде феррицианида железа(III) (берлинской лазури). Это будет единственным компонентом отходов, требующим специальных мест захоронения. Цель состоит в том, чтобы снизить годовую дозу облучения от загрязненной среды до одного миллизиверта (мЗв) сверх фонового уровня. Наиболее загрязненные районы, где дозы радиации превышают 50 мЗв/год, должны оставаться закрытыми для посещения, но некоторые районы, где в настоящее время дозы менее 5 мЗв/год, могут быть дезактивированы, что позволит 22 000 жителям вернуться. Для защиты людей, проживающих в географических районах, подвергшихся радиоактивному загрязнению, Международная комиссия по радиационной защите опубликовала руководство: "Публикация 111 – Применение рекомендаций Комиссии по защите людей, проживающих в районах, подвергшихся долгосрочному загрязнению после ядерной аварии или радиационной чрезвычайной ситуации".

Cleaning up contamination results in radioactive waste unless the radioactive material can be returned to commercial use by reprocessing. In some cases of large areas of contamination, the contamination may be mitigated by burying and covering the contaminated substances with concrete, soil, or rock to prevent further spread of the contamination to the environment. If a person's body is contaminated by ingestion or by injury and standard cleaning cannot reduce the contamination further, then the person may be permanently contaminated. Contamination control products have been used by the U. S. Department of Energy (DOE) and the commercial nuclear industry for decades to minimize contamination on radioactive equipment and surfaces and fix contamination in place. "Contamination control products" is a broad term that includes fixatives, strippable coatings, and decontamination gels. A fixative product functions as a permanent coating to stabilize residual loose/transferable radioactive contamination by fixing it in place; this aids in preventing the spread of contamination and reduces the possibility of the contamination becoming airborne, reducing workforce exposure and facilitating future deactivation and decommissioning (D&D) activities. Strippable coating products are loosely adhered to paint like films and are used for their decontamination abilities. They are applied to surfaces with loose/transferable radioactive contamination and then, once dried, are peeled off, which removes the loose/transferable contamination along with the product. The residual radioactive contamination on the surface is significantly reduced once the strippable coating is removed. Modern strippable coatings show high decontamination efficiency and can rival traditional mechanical and chemical decontamination methods. Decontamination gels work in much the same way as other strippable coatings. The results obtained through the use of contamination control products are variable and depend on the type of substrate, the selected contamination control product, the contaminants, and the environmental conditions (e. g., temperature, humidity, etc.). Some of the largest areas committed to be decontaminated are in the Fukushima Prefecture, Japan. The national government is under pressure to clean up radioactivity due to the Fukushima nuclear accident of March 2011 from as much land as possible so that some of the 110,000 displaced people can return. Stripping out the key radioisotope threatening health (caesium 137) from low level waste could also dramatically decrease the volume of waste requiring special disposal. A goal is to find techniques that might be able to strip out 80 to 95% of the caesium from contaminated soil and other materials, efficiently and without destroying the organic content in the soil. One being investigated is termed hydrothermal blasting. The caesium is broken away from soil particles and then precipitated with ferric ferricyanide (Prussian blue). It would be the only component of the waste requiring special burial sites. The aim is to get annual exposure from the contaminated environment down to one millisievert (mSv) above background. The most contaminated area where radiation doses are greater than 50 mSv/year must remain off limits, but some areas that are currently less than 5 mSv/year may be decontaminated allowing 22,000 residents to return. To help protect people living in geographical areas which have been radioactively contaminated, the International Commission on Radiological Protection has published a guide: "Publication 111 – Application of the Commission's Recommendations to the Protection of People Living in Long term Contaminated Areas after a Nuclear Accident or a Radiation Emergency".

Низкий уровень загрязнения

Опасность для людей и окружающей среды от радиоактивного загрязнения зависит от природы радиоактивного загрязнителя, уровня загрязнения и масштаба распространения загрязнения. Низкие уровни радиоактивного загрязнения представляют небольшую опасность, но все же могут быть обнаружены с помощью радиационного оборудования. При проведении обследования или составлении карты загрязненной территории точки случайного отбора проб могут быть помечены их активностью в бекерелях или кюри на месте контакта. Низкие уровни могут измеряться в импульсах в минуту с помощью сцинтилляционного счетчика. В случае низкого уровня загрязнения изотопами с коротким периодом полураспада, оптимальным решением может быть просто позволить материалу естественным образом распадаться. Более долгоживущие изотопы следует удалять и правильно утилизировать, поскольку даже очень низкий уровень радиации может быть опасен для жизни при длительном воздействии. Объекты и места, признанные загрязненными, могут быть оцеплены специалистом по радиационной безопасности и обозначены как "Загрязненная зона". Лицам, приближающимся к такой зоне, как правило, требуется защитная одежда от загрязнений ("анти-Cs").

Высокий уровень загрязнения

Высокий уровень загрязнения может представлять серьезную опасность для людей и окружающей среды. Люди могут подвергаться воздействию потенциально смертельных уровней радиации как снаружи, так и изнутри, в результате распространения загрязнения после аварии (или преднамеренного начала) с участием больших количеств радиоактивного материала. Биологические эффекты внешнего облучения радиоактивным загрязнением, как правило, аналогичны эффектам от внешнего источника излучения, не содержащего радиоактивные материалы, например, рентгеновских аппаратов, и зависят от поглощенной дозы. При измерении или нанесении на карту радиоактивного загрязнения любое место, кажущееся точечным источником излучения, скорее всего, будет сильно загрязненным. Место с высокой степенью загрязнения в разговорной речи называют «горячей точкой». На карте загрязненной территории горячие точки могут быть обозначены скоростью дозы «при контакте» в мЗв/ч. В загрязненном помещении горячие точки могут быть отмечены знаком, экранированы мешками свинцовой дробью или огорожены предупредительной лентой с радиоактивным символом трилистника. Опасность, исходящая от загрязнения, заключается в испускании ионизирующего излучения. Основными видами излучения, с которыми можно столкнуться, являются альфа-, бета- и гамма-излучение, но они обладают совершенно разными характеристиками. Они имеют значительно различающуюся проникающую способность и эффекты облучения, и прилагаемая схема иллюстрирует проникновение этих излучений в упрощенном виде. Для понимания различных ионизирующих эффектов этих излучений и применяемых коэффициентов взвешивания обратитесь к статье о поглощенной дозе. Радиационный мониторинг включает в себя измерение дозы радиации или радионуклидного загрязнения в целях оценки или контроля воздействия радиации или радиоактивных веществ, а также интерпретацию результатов. Методологические и технические детали проектирования и эксплуатации программ и систем радиационного мониторинга окружающей среды для различных радионуклидов, сред окружающей среды и типов объектов приведены в серии стандартов безопасности МАГАТЭ № RS–G 1.8 и в серии докладов МАГАТЭ по безопасности № 64.

High levels of contamination may pose major risks to people and the environment. People can be exposed to potentially lethal radiation levels, both externally and internally, from the spread of contamination following an accident (or a deliberate initiation) involving large quantities of radioactive material. The biological effects of external exposure to radioactive contamination are generally the same as those from an external radiation source not involving radioactive materials, such as x ray machines, and are dependent on the absorbed dose. When radioactive contamination is being measured or mapped in situ, any location that appears to be a point source of radiation is likely to be heavily contaminated. A highly contaminated location is colloquially referred to as a "hot spot." On a map of a contaminated place, hot spots may be labeled with their "on contact" dose rate in mSv/h. In a contaminated facility, hot spots may be marked with a sign, shielded with bags of lead shot, or cordoned off with warning tape containing the radioactive trefoil symbol. The hazard from contamination is the emission of ionizing radiation. The principal radiations which will be encountered are alpha, beta and gamma, but these have quite different characteristics. They have widely differing penetrating powers and radiation effects, and the accompanying diagram shows the penetration of these radiations in simple terms. For an understanding of the different ionising effects of these radiations and the weighting factors applied, see the article on absorbed dose. Radiation monitoring involves the measurement of radiation dose or radionuclide contamination for reasons related to the assessment or control of exposure to radiation or radioactive substances, and the interpretation of the results. The methodological and technical details of the design and operation of environmental radiation monitoring programmes and systems for different radionuclides, environmental media and types of facility are given in IAEA Safety Standards Series No. RS–G 1.8 and in IAEA Safety Reports Series No. 64.

Биологические эффекты

Радиоактивное загрязнение по определению испускает ионизирующее излучение, которое может облучать человеческое тело как извне, так и изнутри.

Внешнее облучение

Это связано с излучением от загрязнения, находящегося вне человеческого тела. Источник может находиться рядом с телом или на поверхности кожи. Степень опасности для здоровья зависит от продолжительности и типа и интенсивности облучения. Наибольшую опасность от внешнего источника представляет проникающее излучение, такое как гамма-лучи, рентгеновские лучи, нейтроны или бета-частицы. Слабопроникающее излучение, например альфа-частицы, представляет небольшую внешнюю опасность благодаря экранирующему эффекту верхних слоев кожи. Подробнее о расчетах этого показателя можно узнать в статье о зиверте.