Радиоактивные изотопы цезия их характер и распределение в организме

Введение

Ионизирующее излучение (радиоактивность) сочетает в себе разные виды излучений, но все они аналогичны тем, которые несут высокую энергию, ионизирующее действие, воздействующее на биологические объекты. Радиоактивность (радио - облучение + активность - действие) - явление самопроизвольного превращения ядра атома изотопа химического элемента в ядро изотопа того же или другого элемента и сопровождается ионизирующим излучением. Радиоактивность ядер изотопов существует в природе: это естественная радиоактивность. Ее открыл в 1896 году А. Беккерель. Радиоактивность ядер изотопов, полученных в результате ядерных реакций – это искусственная радиоактивность. ЕЕ открыли в 1934 году Ф. Жолио-Кюри и И. Жолио-Кюри.
Цезий (Cs) — щелочной металл 1 группы Периодической системы Д. И. Менделеева относится к микроэлементам. В крайне незначитель¬ном количестве он содержится во всех внешних средах. Кларковое содер¬жание нуклида в земной коре — 3, 7■ 10-4 %, почве — 5-10-5 %, живой фи-томассе — 6■ 10—6 %. В организм человека входят практически все химиче¬ские элементы, из них 47 считаются биогенными — жизненно необходи¬мыми: O, C, H, Ca, P, K, S, Cl, Na, Mg, Zn, Fe, Mn, I, Co, Se. Они входят в состав тканей и являются химически активными соединениями – гормонами, ферментами, витаминами, пигментами и считаются незаменимыми. В теле содержатся все остальные элементы, включая цезий. Их физиологическое и биохимическое значение остается недостаточно изученным. Очевидно, они также играют роль в поддержании гомеостаза организма. Цезий поступает к человеку в основном с пищей. Только 0,25% поступает через органы дыхания. Среднее содержание цезия в организме взрослого человека составляет 0,0015 г при суточной дозе около 10 мкг.
СРЕДИ антропогенных радионукли¬дов, глобально загрязняющих биосферу, особого к себе внима¬ния требует радиоактивный цезий — один из основных источников, формиру¬ющих дозы внешнего и внутреннего об-лучения людей. Известно 34 изотопа цезия с массовыми числами 114—148, из них только один (133Cs) стабильный, остальные — радиоактивны.
133Cs относится к рассеянным эле¬ментам. В незначительных количествах он содержится практически во всех объектах внешней среды. Кларковое (среднее) содержание нуклида в земной коре — 3.7ш10-4 %, в почве — 5ш10-5 %. Цезий — постоянный микроэлемент ра¬стительных и животных организмов: в живой фитомассе содержится в количе¬стве 6ш10-6 %, в организме человека — примерно 15ш10-4 г. Этот нуклид посту¬пает в основном с пищей в количестве 10 мкг/сут. Выводится из организма пре-имущественно с мочой (в среднем 9 мкг/ сут). Биологическая роль цезия до сих пор окончательно не раскрыта.
Из радиоактивных изотопов цезия наиболее интересен 137Cs с периодом полураспада 30 лет. 137Cs — р-излучаю- щий нуклид со средней энергией р-час- тиц 170.8 кэВ. Его дочерний нуклид 137mBa имеет период полураспада 2.55 мин и испускает у-кванты с энергией 661 кэВ. 137Cs широко применяется в медицине (для диагностики и лечения), радиационной стерилизации, дефекто¬скопии и во многих других технологиях. Другие радиоизотопы цезия имеют меньшее значение.
 
1. Источники поступления во внешнюю среду

Из 23 изотопов цезия 22 радиоактивных с массовыми числами 123 ^ 132 и 134 ^ 144. Радиоизотопы цезия образуются при делении атомных ядер тяжелых элементов (при ядерных взрывах и в ядерных реакторах) и с помощью ускорителей частиц. Физические и ядерные характеристики основных радиоактивных изотопов цезия приведены в таблице. 1. Ядерные взрывы и серьезные радиационные аварии на радиационных предприятиях стали основным источником радиоактивного загрязнения природной среды планеты. Вклад СССР и США в радиоактивное загрязнение примерно одинаков, по 40%, остальные 20% приходятся на Англию, Францию и Китай.
Радиоактивные выпадения радиоизотопов цезия на землю во время испытаний ядерного оружия и выбросы предприятий атомной промышленности являются наиболее значительным источником загрязнения окружающей среды и радиационного облучения человека. Из радиоизотопов цезия наиболее важным является 137Cs, характеризующийся большим выходом в реакциях деления и сроками жизни (T1=2 = 30, 2 года), высокая миграционная способность и токсичность. Он считается одним из наиболее важных радионуклидов продуктов деления (FFP).
Цезий-137 — бета- излучатель со средней энергией бета-частиц 170,8 кэВ. Его дочерний ра¬дионуклид 137,"Ba имеет период полураспада 2,55 мин и испускает при распаде гамма-кванты с энергией 661,6 кэВ. Выход 137Cs при делении меняется в зависимости от делящегося вещества и энергии нейтронов, вызывающих деление (таблице 2).
Суммарный выброс нуклида в стратосферу в результате предыдущих ядерных испытаний составляет примерно 960 ПБк при плотности выпадения в северном и южном полушариях и в среднем по земному шару.3,42; 0,86 и 3,14• 103 Бк/м2 соответственно [3]. На территориях бывшего СССР сред¬ний уровень составляет 3, 4 • 103 Бк/м2 [4]. В некоторых регионах в силу своих физико-географических и климатических условий уровни загрязнения выше этих значений. Уровни загрязнения постепенно снижаются из-за физического распада радионуклидов. Относительное содержание долгоживущих радионуклидов в т.ч. цезия-137 (таблице 3).
Источником загрязнения внешней среды 137Cs, как уже говорилось, это радиационные предприятия. Продукты деления урана и плутония, в том числе радиоактивный цезий и трансурановые элементы (ТЭЭ), образуются в больших количествах при работе ядерных реакторов. На 1 МВт электрической мощности образуется 130 ТБк радиоцезия, а суммарно к концу века накопление нуклида в реакторах во всех странах мира достигнет около 900 ЭБк, что примерно в 1000 раз превышает количество радиопроцесса, выпавшего на поверхность Земли ( 960 ПБк). По прогнозу, в 2000 г. реакторы всех стран мира смогут выбрасывать в атмосферу 1,1 ¥ 5, 2 ТБк 137Cs [5].
Известно, что при работе АЭС в штатном режиме выбросы радионуклидов, в том числе радиоактивного цезия, незначительны. На 1 ГВт электроэнергии выброс водо-водяных реакторов достигает 29,7 ГБк _0_. По данным дозиметрического контроля, концентрация радионуклидов в районах расположения АЭС лишь незначительно превышает концентрацию нуклида в контролируемых районах. Радиохимические заводы также являются источником загрязнения (РХЗ) по перера¬ботке отработавших твэлов и хранилища радиоактивных отходов (РАО).
Сложные ситуации могут возникать при радиационных авариях. Зарегистрированы сотни инцидентов. Однако лишь некоторые из них были связаны с выбросом в окружающую среду значительных количеств радионуклидов. Во время аварии в Виндскейле (1957 г.) из-за неисправности системы управления реактором начался перегрев топлива и возник пожар, продолжавшийся 3 дня. Во внешнюю среду поступило 12 ПБк ради¬онуклидов, в том числе 131I - 740 ТБк, 137Cs - 44 ТБк, 106Ru - 12 ТБк [3]. При аварии на АЭС Три Майл Айленд (1979 г) произошел выброс пара и продуктов деления из поврежденного реактора. В атмосферу поступило 370 ПБк РБГ, в основном 133Xe, около 550 ТБк 131I [3]. Авария на Черно¬быльской АЭС (1986 г) она была крупнейшей за весь период развития атомной энергетики. Из разрушенного ядерного реактора было выброшено огромное количество радионуклидов: 1,85 ЭБк (без РБГ). Радиоактивный цезий был 270 ПБк. Распространение радионуклидов стало почти глобальным. На территорию бывшего СССР приходилось около 40% инжектированных радиоцезов, ставших критическим нуклидом после распада радиоактивного йода (через 2-3 месяца). Особенностью Чернобыльской аварии является крайне неоднородный характер радиоактивного загрязнения, связанный с длительным выбросом радионуклидов (10 суток) и изменением погодных условий (осадки и изменение направления ветра).
На Урале было 2 серьезных аварии. Первый из них можно назвать несчастным случаем лишь условно. С 1949 по 1956 год радиохимический завод «Маяк» был вынужден сбрасывать высокоактивные отходы в реку Теча. Выброшено 102 ПБк радионуклидов, в том числе 12,4 ПБк 137Cs. Около четверти всей активности приходится на 90Sr и 137Cs. Были также радиоизотопы ниобия, рутения и редкоземельных элементов. В 1951 г. в верховьях р. Уровни утечки загрязняющих веществ в воду местами превышали допустимую концентрацию 2-3 тыс. раз для 90Sr и 100 раз для 137Cs и 89Sr. Еще одна авария произошла в 1957 г. близ г. Кыштыма, когда в результате термохимического взрыва полигона высокоактивных отходов было выброшено 74 • 1016 Бк (20 мКи) радионуклидов с суммарной активностью 74 ПБк (2 мКи). выпущено, в т.ч. 137Cs.