Физические и химические свойства радионуклидов цезия.

Радиоактивный цезий.Цезий (Cs) щелочной металл первой группы Периодической системы Д. И. Менделеева. Относится к микроэлементам. В край­не незначительном количестве содержится во всех внешних сре­дах. Кларковое содержание нуклида в земной коре – 3,7·10 ^-4 %, в почве – 5·10^-5 %, в живой фитомассе – 6·10^-6 %. В организм человека входят практически все химические элементы, из них 47 считаются биогенными – жизненно необходимыми, в том чис­ле О, С, Н, Са, Р, К, S, Cl, Na, Mg, Zn, Fe, Mn, I, Co, Se. Они входят в состав тканей и химически активных соединений — гормонов, ферментов, витаминов, пигментов и считаются не­заменимыми. В организме содержатся и все другие элементы, в том числе цезий. Человек получает цезий в основном с про­дуктами питания. Через органы дыхания поступает лишь 0,25 %.Среднее содержание цезия в организме взрослого человека со­ставляет 0,0015 г при суточном поступлении около 10 мкг.

Из 23 изотопов цезия 22 – радиоактивные с массовыми чис­лами 123÷132 и 134÷144. Радиоизотопы цезия образуются при делении ядер атомов тяжелых элементов (при ядерных взрывах и в ядерных реакторах) и с помощью ускорителей заряженных частиц. Ядерно-физические характеристики основных радио­активных изотопов цезия приведены в таблице 5.8.

Ядерные взрывы и крупные радиационные аварии на ради­ационных предприятиях стали основным источником радиоак­тивного загрязнения природной среды планеты. Надолго СССР и США приходится примерно по 40 % от общего радиоактив­ного загрязнения, остальные 20 % – доля Англии, Франции и Китая. Радиоактивные выпадения радиоизотопов цезия на сушу при испытаниях ядерного оружия и выбросы ядерных предприятий явились наиболее значимым источником загряз­нения внешней среды и радиационного воздействия на чело­века.

Из радиоизотопов цезия наибольшее значение имеет ^l37Cs, характеризующийся большим выходом в реакциях деления и сроком жизни (T_1/2 = 30 лет), высокой миграционной способ­ностью и токсичностью. Он считается одним из наиболее значи­мых радионуклидов продуктов ядерного деления. Цезий-137 – β-излучатель со средней энергией β-частиц 173,4 кэВ. Его дочер­ний радионуклид ^137mВа имеет период полураспада 2,55 мин и ис­пускает при распаде γ-кванты с энергией 661,6 кэВ. Выход ^I37Cs при делении меняется в зависимости от делящегося вещества и энергии нейтронов, вызывающих деление (табл.5.9).

Общее поступление нуклида в стратосферу за счет прошед­ших ядерных испытаний равно примерно 960 ПБк с плотно­стью выпадений в Северном, Южном полушариях и в среднем на земном шаре 3,42; 0,86 и 3,14·10³ Бк/м² соответственно. На территориях бывшего СССР средний уровень составляет 3,4·10³ Бк/м². В отдельных регионах уровни загрязнения в силу их физико-географических и климатических условий выше приведенных значений. Уровни загрязнения постепенно сни­жаются вследствие физического распада радионуклидов. В вы­павших ПЯД повышается относительное содержание долгоживущих радионуклидов, в том числе цезия-137 (табл. 5.10).

Источником загрязнения внешней среды ^l37Cs, как было отмечено, являются радиационные предприятия. в ядерных реакторах в процессе их эксплуатации накапливаются продукты деления урана и плутония, в том числе радиоактивный цезий, и трансурановые элементы (ТЭУ) в огромных количествах. На 1 МВт электрической мощности образуется 130 ТБк радиоцезия, а всего к концу прошлого столетия накопление нуклида в реакторах во всех странах мира достигло 900 ЭБк, что примерно в 1000 раз превышает количество радиоцезия, выпавшего на поверхность Земли (960 ПБк). Согласно оценкам, в 2000 г. реакторами всех стран мира в атмосферу было выброшено 1,1÷5,2 ТБк ^l37Cs.

Известно, что при эксплуатации АЭС в нормальном режиме выбросы радионуклидов, в том числе радиоактивного цезия, не­значительны. На 1 ГВт электрической мощности выброс водо-водяных реакторов достигает 29,7 ГБк. По данным дозиметри­ческого контроля, концентрация радионуклидов в районах расположения АЭС лишь незначительно превышает концентра­цию нуклида в контрольных районах. Источником загрязнения являются также радиохимические заводы (РХЗ) по переработке отработавших твэлов и хранилища радиоактивных отходов (РАО).

Сложные ситуации могут возникнуть при радиационных ава­риях. Зарегистрированы сотни аварий, однако лишь некоторые из них сопровождались поступлением во внешнюю среду зна­чительных количеств радионуклидов. Так, при аварии в Уиндскейле (1957) в результате ошибки при управлении реактором стало перегреваться топливо и возник пожар, который продол­жался 3 сут. Во внешнюю среду поступило 12 ПБк радионукли­дов, в том числе ¹³¹I - 740 ТБк, ^I37Cs - 44 ТБк, ^I06Ru - 12 ТБк и др. При аварии на АЭС в Три Майл Айленде (1979) произошел выброс пара и продуктов деления из поврежденного реактора. В атмосферу поступило 370 ПБк РБГ, в основном ¹³³Хе, около 550 ТБк ¹³¹I. Авария на Чернобыльской АЭС (1986) явилась са­мой крупной за весь период развития ядерной энергетики. Из разрушенного ядерного реактора было выброшено огромное ко­личество радионуклидов – 1,85 ЭБк (без РБГ). На долю радио­активного цезия пришлось 270 ПБк. Распространение радио­нуклидов приняло практически глобальный характер. На территории бывшего СССР выпало около 40 % инжектированного радиоцезия, который после распада радиоактивного йода (через 2–3 мес) стал критическим нуклидом. Особенностью Чернобыльской аварии является крайне неоднородный характер радиоактивного загрязнения, связанный с длительным выбро­сом радионуклидов (10 сут) и изменявшимися погодными усло­виями (выпадение осадков и изменения направления ветра).

На Урале произошло 2 крупные аварии. Первую из них мож­но лишь условно назвать аварией. С 1949 по 1956 г. осуществ­лялся вынужденный сброс высокоактивных отходов радиохи­мическим заводом предприятия «Маяк» в реку Течу. Было сброшено 102 ПБк радионуклидов, в том числе 12,4 ПБк ^!37Cs. Около четверти суммарной активности приходилось на ⁹⁰Sr и ^l37Cs. Присутствовали также радиоизотопы ниобия, рутения, редкоземельных элементов. В 1951 г. в верховьях реки Течи уровни загрязнения воды местами превышали допустимые кон­центрации в 2–3 тыс. раз по ⁹⁰Sr и в 100 раз по ^l37Cs и ⁸⁹Sr. Другая авария произошла в 1957 г. в районе города Кыштыма, когда в результате теплохимического взрыва хранилища высо­коактивных отходов из хранившихся 74·10¹⁶ Бк (20 МКu) про­изошел выброс радионуклидов общей активностью 74 ПБк (2 МКu), в том числе ¹³⁷Сз. Радиоактивному загрязнению подверглись значительные территории Челябинской, Сверд­ловской и Тюменской областей. Загрязненным оказался регион площадью около 15 000 км². Следует также отметить ветровой вынос радионуклидов из поймы озера Карачай (1967), который составил 37 ТБк. На долю ¹³⁷Cs пришлось 0,4 ТБк.

Таким образом, радиоактивное загрязнение цезием-137 при испытаниях ядерного оружия носило глобальный характер. Ра­диоактивному загрязнению при аварии на ЧАЭС подверглись не только территории бывшего СССР, но и всего Северного по­лушария. При других радиационных авариях загрязнение носи­ло в основном локальный характер. Суммарный запас ^l37Cs на территории России оценивается в 5,66·10¹⁶ Бк (1,53 млн Кu), из которых 58 % приходится на глобальное загрязнение, 38 % является следствием выпадений в результате аварии на ЧАЭС, 3,6 %– следствием аварий и инцидентов в районе ПО «Маяк» на Южном Урале, 0,4 % – следствием сбросов жидких радио­активных отходов Красноярским ГХК в реку Енисей и прочие источники — менее 0,1 %.