Разпространение, натрупване и очистване на радионуклидите в околната среда и човека

Пътища за разпространение на радионуклидите

Радионуклидите, попаднали в околната среда, са подложени на всички атмосферни, физични, химични и биохимични въздействия, които са характерни и за стабилните изотопи на съответните химични елементи. Те се включват и в процесите на обмен с живите организми и човека. Основните пътища на разпространение на радионуклидите от тяхното изхвърляне в атмосферата или хидросферата през почвата, водите, растителните и животински организми до човека са показани на следващата фигура.

Пътища на разпространение на радионуклидите

Още преди ерата на промишленото използуване на ядрената енергия тя е била използувана за военни цели. Ядрените бомби, хвърлени над японските градове Хирошима и Нагазаки през 1945г са само незначителна част от ядрените опити на САЩ, СССР, Великобритания, Франция и други ядрени държави, които са достигнали своя максимум в началото на 60-те години на миналия век. Това е довело до изхвърлянето на огромни количества РАВ в атмосферата (общо 530 Mt с обща активност 2.5.10²¹Bq). Радионуклидите с период на полуразпадане повече от година имат обща активност 2.44.10¹⁸Bq. Поради характера на ядрените опити (много висока температура и взрив с изключително голяма мощност) всички радиоактивни продукти при тях се получават във финодисперсна форма, поради което се пренасят на много големи разстояния (особено при въздушните опити) и се отлагат бавно върху цялата земна повърхност. Поради това те се наричат глобални радиоактивни отлагания. Поведението на тези отлагания е било изучавано в течение на значителен период от време и служи и днес като основен експериментален материал за изследване поведението на радионуклидите в околната среда. Другият източник на данни за разпространението на радионуклидите са замърсяванията от Чернобилската авария, които също интензивно се изучават вече 20 години.

Радионуклиди в атмосферата

За глобалните радиоактивни отлагания е характерно тяхното равномерно разпределение в големи географски райони. За изследване на тяхното поведение са важни следните процеси:

· пренос от едно място на друго (чрез ветровете);

· утаяване върху земната повърхност (гравитационно, което е много бавно, или чрез валежите, което е по-бързо);

· вторично попадане от почвата в атмосферата;

· радиоактивно разпадане.

Във връзка с тези процеси намаляването на концентрацията на радионуклидите с времето е по-сложен процес отколкото само радиоактивното разпадане. Такива сложни процеси са характерни и за поведението на радионуклидите в останалите компоненти на биосферата. Поради това за количествена оценка на скоростта на намаляване се въвежда понятието ефективен период на полуизвеждане. Той се дефинира като времето,за което концентрацията на даден радионуклид намалява наполовина в съответната екосистема.

Ясно е, че периодът на полуотделяне не може да бъде по-дълъг от периода на полуразпадане на съответния радионуклид. За дългоживеещите радионуклиди (¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr) периодът на полуотделянето им от атмосферата е между няколко месеца и 2-3 години. За България оценките са около 1 година. Очевидно за късоживеещите радионуклиди периодът на полуразпадане е определящата величина за периода на полуизвеждане.

Радионуклиди в почвата

Дългоживеещите радионуклиди се отлагат от атмосферата в почвата. Нейното очистване се извършва вследствие на няколко процеса:

· радиоактивно разпадане;

· механично преместване на частиците (това става главно в дълбочина при рохкави почви);

· преминаване в растителността.

Периодите на полуизвеждане на радионуклидите от почвата варират в значителни граници (това е в особена сила за ¹³⁷Cs, чиито съединения са разтворими) и зависят от физико-химичните свойства на радионуклидите, температурата, вида на почвата и др. фактори. Ефективните периоди на полуизвеждане за нашите географски ширини са около 20 години за ¹³⁷Cs и 15 години за ⁹⁰Sr.

Радионуклиди във водата

Радионуклидите постъпват във водните басейни чрез:

· непосредственото им отлагане от атмосферата върху водната повърхност;

· посредством отмиване и пренасяне от почвите от водосборната област на водоемите (вследствие валежи, снеготопене и др.).

Вторият процес има по-голямо значение за постъпване на радионуклиди във водите. Неговата интензивност зависи от вида на ландшафта, климатичните условия, наличието на растителност и др. Около 80% от радионуклидите постъпват във водите чрез отмиване. По тази причина концентрацията на радионуклидите в повърхностните води има ясно изразена годишна и сезонна периодичност.

Радионуклиди в сухоземните екосистеми

Живите организми са системи, характеризиращи се с активен обмен на вещества с околната среда. Това означава, че освен процесите на пренос в неживата природа, разглеждани досега, при биологичните системи се наблюдават и други процеси, в резултат на които незначителни количества радионуклиди, попаднали от околната среда в живите организми се натрупват така, че могат да създадат опасни нива на облъчване. Тези процеси се наричат с общото име биологично усилване. Биологичното усилване е изследвано активно през последните 50 години във връзка с няколко фактора:

· последиците от опитите с ядрено оръжие;

· влиянието на предприятията от ЯГЦ (най-вече последствията от Чернобилската авария);

· моделни изследвания за вероятните екологични и здравни последствия от евентуална бъдеща ядрена война.

Същността на биологичното усилване се състои в това, че сравнително примитивните екосистеми, поставени в резултат на специфични климатични условия в среда с ограничени ресурси, проявяват склонност да се запасяват с най-важните биопродукти. При това радионуклидите се концентрират в ограничен брой биологични видове и в ограничена по количество биомаса.

Известен и много изучаван пример за такова биологично усилване са някои арктически екосистеми. Изследвания в тундровия пояс на скандинавските страни, САЩ, Канада и Русия показват, че у хората, живеещи там, които се хранят главно с месо от северни елени, съдържанието на ¹³⁷Cs е много по-високо (до 50 пъти) от съдържанието на същия радионуклид в други географски райони. Източник на ¹³⁷Cs са главно мъховете, лишеите и блатните треви, които имат склонност да го натрупват селективно. Много важно значение има обстоятелството, че в арктичните и субарктичните райони мъховете са тънка приземна килимоподобна растителност с голяма площ и значителна част от хранителните вещества те получават непосредствено от атмосферата, а не от почвата чрез корените. Поради това подобна растителност много ефективно улавя и усвоява компонентите на радиоактивните отлагания.

По-общо казано, повишени (от 2 до 10 пъти) концентрации на радионуклиди се наблюдават в дългоживеещи (многогодишни) растения с надземни части. За мъховете и лишеите ефективният период на полуочистване за ¹³⁷Cs е над 10а (същата величина за човека е 100-120d).

Друг пример за екосистеми, характеризиращи се с биологично усилване, са планинските райони. Причината за това е увеличаването на радиоактивните отлагания с надморската височина. Най-вероятната причина за това пък вероятно е значително увеличеното количество валежи на тези височини. Така например на височина 1500m количеството на валежите е 3 пъти по-голямо отколкото това на морското равнище при еднакви други условия. Ландшафтът (по-специално разполагането на склоновете спрямо преобладаващите ветрове) също оказва влияние върху радиоактивното замърсяване. Дебелината на снежната покривка в планините е също значително по-голяма от тази в равнините, а снеговалежът спомага за утаяването на радиоактивните нуклиди от атмосферата върху земната повърхност.

В планините радионуклидите първоначално се натрупват в растенията, но скоро след това преминават в почвата. Част от тях остават в килимоподобната растителност, както и в най-горните слоеве на почвата, където те се свързват с органичните съставки, хумусния слой и фините почвени частици (глини). При изследването на тревопасни животни се наблюдава сезонна зависимост на съдържанието на ¹³⁷Cs - по-високи през лятото, когато тези животни пасат на по-големи височини и по-ниски през зимата, когато животните слизат по-ниско. При това концентрациите на ¹³⁷Cs в тревопасните животни са 5-7 пъти по-високи от тези на хората.

Още по-големи концентрации на ¹³⁷Cs се откриват при хищниците в тези райони, които се хранят с тревопасни животни. Там съдържанието на ¹³⁷Cs е още 3 пъти по-високо.

В екосистемите на по-топлите области на планетата както натрупването, така и времето за полуочистване на радионуклидите са по-малки от тези за същите биологични видове в по-умерените или в полярните ширини. Причините за тези различия са:

· по-голямата скорост на физико-химична миграция на радионуклидите (вследствие по-високата температура);

· по-високо равнище на метаболитна активност на организмите в топлите области;

· по-ускорено гниене и разлагане на растителността.

В тези екосистеми относително по-високи съдържания на радионуклиди се наблюдават в мъхове, лишеи, гъби и папрати.

Радионуклиди в пресноводните екосистеми

Реалното биологично усилване на концентрациите на радионуклиди в сухоземните екосистеми може да достигне (оценено по реализираните дози в човека) десетки и стотици пъти, но не повече. Причината за това е, че хранителните вериги при тези системи са сравнително къси и съответно етапите на последователна селективна концентрация не са много. При водните екосистеми обаче това усилване може да бъде много по-значително.

Пресноводните екосистеми обхващат ручеите, реките, езерата, блатата, подземните води, а също така и изкуствените водохранилища. Тяхното замърсяване може да стане непосредствено от повърхността им (чрез утаяване на радионуклиди от атмосферата), или чрез отмиване на радионуклиди в почвата с помощта на повърхностните води. Някои радионуклиди с висока степен на разтворимост се разтварят хомогенно във водата, а други се поглъщат в дънните отлагания чрез адсорбция. Съществува и обратният процес – десорбция, т.е. обратно преминаване на адсорбираните йони във водния разтвор. Адсорбцията и десорбцията се намират в динамично равновесие, което зависи от температурата, скоростта на движение (разбъркване при голям приток на води) и концентрациите на различните вещества във водата. В резултат на процесите на десорбция се увеличава времето, през което водоемите са замърсени.

Различните радионуклиди имат различно значение за замърсяването на водните екосистеми. По-съществена е ролята на дългоживеещите радионуклиди, на тези с висока радиотоксичност, както и на изотопите на химичните елементи, които активно се усвояват от живите организми (чрез вдишване, поглъщане или през кожата). Следващата таблица класифицира някои от БЗР по степента на тяхното усвояване.

Степен на усвояване	Радионуклиди
най-висока (70-100%)	³H, ¹⁴C, ⁴⁰K, ¹³¹I, ¹²⁹I, ¹³⁷Cs, ¹³⁴Cs
висока (20-70%)	⁹⁰Sr, ⁸⁹Sr, ²²⁶Ra
средно (1-20%)	¹⁰⁶Ru, ^xPo
ниско (<1%)	²³²Th, ^xU, ^xPu

(За пълнота тук са включени и най-важните естествени радионуклиди). Обобщено може да се каже, че за пресноводните екосистеми най-опасни са изотопите на стронция, цезия и йода.

В началните етапи след емисията на радиоактивни вещества, замърсяването на подпочвените води е минимално поради адсорбцията от почвата и растенията. По тази причина късоживеещите радионуклиди се разпадат още преди постъпването им в подпочвените води. Щом обаче радионуклидите достигнат подпочвените води, те ги замърсяват за по-дълго време отколкото повърхностните течащи води. Такива замърсявания зависят от конкретното разположение на водоносните пластове, скоростта на обмен на водата и могат да продължат десетки години.

Поради голямото отслабване на лъченията във водата, водните екосистеми са слабо чувствителни към външно облъчване. Основният начин за въздействие на радиацията върху тях е чрез попадането на радионуклиди през хранителните вериги. Тъй като голяма част от радионуклидите се намират продължително време близо до дъното, то най-голямо е въздействието върху дънните организми (т.нар. бентос). Това са бактерии, водорасли и други водни растения, а също и раци, скариди, миди и др. Оттам радионуклидите преминават в другите водните животни, които се хранят с тези организми.

Радионуклиди в морските екосистеми

Морските басейни се отличават от пресноводните по следните характеристики:

· те имат значително по-голям обем и дълбочина;

· съдържат много по-голямо количество разтворени соли;

· водообменът в морските басейни е значително по-бавен.

В резултат на това разпределението на радионуклидите в морските и океански води (хоризонтално и по дълбочина) се определя от физични, химични и биологични процеси, които са специфични за солените води.

Радиоактивните вещества постъпват в моретата и океаните най-вече индиректно, чрез втичащите се в океаните сладки води. Радионуклидите са във формата на разтвори, колоиди или твърди частици. Разтворите или колоидите се разнасят от хоризонталните течения и в резултат на размесване с водните маси и дифузия постепенно попадат в по-дълбоките води. В резултат на физикохимични процеси колоидите могат да се свържат с други твърди частици. Неразтворимите частици се отправят към дъното със скорост, зависеща от тяхната големина и плътност.

В повърхностните слоеве (до 200m дълбочина) размесването на радионуклидите става за време от няколко дни до няколко седмици. В по-дълбоките води обаче скоростта на вертикален обмен намалява значително и времето за обмен може да достигне десетки и стотици години.

Вертикалният пренос на радионуклиди се осъществява за сметка на възходящите движения на водните маси, денонощната миграция на планктона и отлагането на продукти от жизнената дейност на морските организми. Чрез хоризонталните движения (породени от океанските течения) радионуклидите се придвижват на големи разстояния и се размесват до голяма степен независимо от мястото на постъпването им.

Специфичното биологично натрупване на радионуклиди в морските екосистеми е значително по-малко отколкото в сладководните, поради наличието на голямо количество разтворени съединения (соли) на елементите, които имат и радиоактивни изотопи. Вследствие на еднаквите химични отнасяния на стабилните и радиоактивни изотопи (напр. на цезия и на стронция) солите, съдържащи стабилни изотопи, се конкурират с тези на радиоактивните изотопи в процеса на усвояване и оттам коефициентът на натрупване на съответните радионуклиди е стотици пъти по-малък в морските екосистеми в сравнение с пресноводните.

Някои морски организми (мекотели и ракообразни) имат специфичен метаболизъм, който е свързан с биофилтрирането на големи (в сравнение със собствената им маса) количества вода. Вследствие на това концентрацията на радионуклиди в мидите, добити в плитките крайбрежни води, които са и относително по-силно замърсени, може да достигне опасно високи нива.

Основните радионуклиди – ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr – остават в морската вода главно в разтворено състояние. Стронцият се натрупва в костите, раковините и люспите на морските организми, а цезият- в меките тъкани.Тъй като за храна се използуват именно меките тъкани, цезият е по-опасен като възможен източник на вътрешно облъчване.

Изотопите на биологично значимите трансуранови елементи –²³⁸Pu, ²³⁹Pu, ²⁴¹Am – са слабо разтворими в морска вода и се отлагат в дънните утайки. Част от плутония обаче може да се върне като разтвор_,поради което максималната му концентрация е в слоя до 450m дълбочина.

Обобщение – прилики и разлики между глобалните и чернобилските отлагания

Зависимостите, които са наблюдавани и при изучаването на глобалните радиоактивни отлагания от ядрените опити, и при отлаганията от Чернобилската авария, се резюмират така:

· по-високи концентрации в районите с по-голяма надморска височина;

· по-високи концентрации в мъхове, билки, гъби, тютюн, мед;

· по-високи концентрации в дънни риби;

· по-високи концентрации в продукти от животни, които са изхранвани на открито;

· по-високи концентрации в месото на диви животни;

· по-високи концентрации в организмите на хора, работещи дълго време на открито (овчари, работници на полето);

· зависимост на степента на замърсяванията от вида на почвите и мелиоративните мероприятия.

Има и съществени различия между замърсяванията от ядрените опити и чернобилските замърсявания:

· глобалните емисии се осъществяват в продължение на няколко десетилетия, а чернобилските са в течение на 1 година;

· съотношенията на изотопите са различни поради различията между ядрения взрив и ядрения реактор (напр. в глобалните замърсявания почти отсъствува ¹³¹I, отношението Cs/Sr, както и количеството ТУЕ е различно и пр.);

· глобалните замърсявания са равномерни по територията на Европа, а чернобилските са подчертано неравномерни; те имат мозаечен характер дори и далеч от източника;

практически не са предприемани мерки за защита на населението при глобалните отлагания, а при чернобилските са взети мерки, макар и не винаги достатъчни.