Классификация радиоактивных элементов

Все известные радиоактивные элементы следует разделить на 2 группы (таблица 2.1): естественные и искусственные (техногенные).

Среди естественных радиоактивных элементов выделяются долгоживущие (U, Th, K-40, Rb-87 и др.), короткоживущие продукты распада долгоживущих изотопов (радий, радон и т.д.) и нуклиды, постоянно образующиеся в природной среде за счет ядерных реакций (C-14, H-3, Be-7 и др.).

Искусственные радионуклиды могут быть подразделены на:

- осколочные (продукт деления ядер урана-235 под воздействием тепловых нейтронов по схеме):

⁹⁰Sr, ¹³⁴Cs, ¹³⁷Cs, ¹⁴⁰La, ¹³¹I, ¹²⁹I, ⁹⁹Tc, ¹⁰⁶Ru, ¹⁴¹Ce

- трансурановые радиоактивные элементы - химические элементы с атомным номером, больше чем у урана-92:

²⁴⁰Pu, ²³⁹Pu, ²³⁹U, ²³⁹Np, ²⁴⁷Cm, ²⁴¹Am

- продукты активации – за счет взаимодействия нейтронов, гамма - квантов и т.д. с веществом:

⁵⁶Fe, ²²Na, ⁶⁰Co, ⁶⁵Zn, ³²P

8 Предельно допустимые дозы облучения на организм человека. Каковы основные тенденции в изменении этих нормативов?

Предельно допустимая доза (ПДД) ионизирующего излучения - гигиенический норматив, регламентирующий наибольшее допустимое значение индивидуальной эквивалентной дозы во всем теле человека или в отдельных органах, которое не вызовет в состоянии здоровья лиц, работающих с источниками ионизированного излучения, неблагоприятных изменений. Применяется в области радиационной безопасности, устанавливается законодательно. В Российской Федерации законодательным документом являются "Нормы радиационной безопасности". ПДД зависит от облучения всего тела, тех или иных групп т. н. критических органов и составляет от 5 до 30 бэр (50-300 мЗв) в год.

По отношению к облучению население делится на 3 категории.

Категория А облучаемых лиц или персонал (профессиональные работники) - лица, которые постоянно или временно работают непосредственно с источниками ионизирующих излучений.
Категория Б облучаемых лиц или ограниченная часть населения - лица, которые не работают непосредственно с источниками ионизирующего излучения, но по условиям проживания или размещения рабочих мест могут подвергаться воздействию ионизирующих излучений.

Категория В облучаемых лиц или население - население страны, республики, края или области.

Для категории А вводятся предельно допустимые дозы -наибольшие значения индивидуальной эквивалентной дозы за календарный год, при которой равномерное облучение в течение 50 лет не может вызвать в состоянии здоровья неблагоприятных изменений, обнаруживаемых современными методами. Для категории Б определяется предел дозы.

Устанавливается три группы критических органов:

1 группа - все тело, гонады и красный костный мозг.

2 группа - мышцы, щитовидная железа, жировая ткань, печень, почки, селезенка, желудочно-кишечный тракт, легкие, хрусталики глаз и другие органы, за исключением тех, которые относятся к 1 и 3 группам.

3 группа - кожный покров, костная ткань, кисти, предплечья, голени и стопы.

Помимо основных дозовых пределов для оценки влияния излучения используют производные нормативы и контрольные уровни. Нормативы рассчитаны с учетом непревышения дозовых пределов ПДД (предельно допустимая доза) и ПД (предел дозы). Расчет допустимого содержания радионуклида в организме проводят с учетом его радиотоксичности и непревышения ПДД в критическом органе. Контрольные уровни должны обеспечивать такие низкие уровни облучения, какие можно достичь при соблюдении основных дозовых пределов.

Для категории А (персонала) установлены:

- предельно допустимое годовое поступление ПДП радионуклида через органы дыхания;

- допустимое содержание радионуклида в критическом органе ДС_А;

- допустимая мощность дозы излучения ДМД_А;

- допустимая плотность потока частиц ДПП_А;

- допустимая объемная активность (концентрация) радионуклида в воздухе рабочей зоны ДК_А;

- допустимое загрязнение кожных покровов, спецодежды и рабочих поверхностей ДЗ_А.

Для категории Б (ограниченной части населения) установлены:

- предел годового поступления ПГП радионуклида через органы дыхания или пищеварения;

- допустимая объемная активность (концентрация) радионуклида ДК_Б в атмосферном воздухе и воде;

- допустимая мощность дозы ДМД_Б;

- допустимая плотность потока частиц ДПП_Б;

- допустимое загрязнение кожных покровов, одежды и поверхностей ДЗ_Б.

Численные значения допустимых уровней в полном объеме содержатся в "Нормах радиационной безопасности".

Пределы допустимых экспозиционных доз с годами менялись, и в целом, по мере того, как увеличивающиеся знания о рисках заболевания раком в результате облучения указывали на то, что угроза, которую представляет облучение, -значительно больше, чем предполагалось ранее, наблюдалась тенденция к их понижению. Для того чтобы гарантировать, что персонал не подвергается вредному воздействию свыше нормы, необходимо должным образом контролировать наиболее важные пути этого воздействия. Необходимо также учитывать, что ионизирующее излучение оказывает воздействие на людей различными путями.

9 Трансурановые элементы – как радиационно-опасный фактор

Трансурановые радиоактивные элементы - химические элементы с атомным номером, больше чем у урана-92:

²⁴⁰Pu, ²³⁹Pu, ²³⁹U, ²³⁹Np, ²⁴⁷Cm, ²⁴¹Am

Википедия:

Элементы с атомным номером более 100 называются трансфермиевыми элементами. Одиннадцать из известных трансурановых элементов (93-103) принадлежит к числу актиноидов. Трансурановые элементы с атомным номером более 103 называются трансактиноидами.

Все известные изотопы трансурановых элементов имеют период полураспада значительно меньший, чем возраст Земли. Поэтому трансурановые элементы практически отсутствуют в природе и получаются искусственно посредством различных ядерных реакций. Элементы до фермия включительно образуются в ядерных реакторах в результате захвата нейтронов и последующего бета-распада. Трансфермиевые элементы образуются только в результате слияния ядер.

Первый из трансурановых элементов нептуний Np (п. н. 93) был получен в 1940 г. бомбардировкой урана нейтронами. За ним последовало открытие плутония (Pu, п. н. 94), америция (Am, п. н. 95), кюрия (Cm, п.н. 96), берклия (Bk, п. н. 97), калифорния(Cf, п. н.98), эйнштейния (Es, п.н.99), фермия (Fm, п.н. 100), менделевия (Md, п. н. 101), нобелия (No, п. н. 102) и лоуренсия (Lr, п. н. 103). Получены также трансактиноиды с порядковыми номерами 104—118; в этом ряду имена присвоены элементам 104—112: резерфордий (Rf, 104), дубний (Db, 105), сиборгий (Sg, 106), борий (Bh, 107), хассий (Hs, 108), мейтнерий (Mt, 109), дармштадтий (Ds, 110), рентгений (Rg, 111), коперниций (Cn, 112). Элементы 113—118 пока имеют временные названия, производные от соответствующих латинских числительных: унунтрий[1] (Uut, 113), унунквадий[2] (Uuq, 114), унунпентий[3] (Uup, 115), унунгексий[4] (Uuh, 116), унунсептий[5] (Uus, 117), унуноктий[6] (Uuo, 118).

Химические свойства лёгких трансурановых актиноидов, получаемых в весовых количествах, изучены более или менее полно; трансфермиевые элементы (Md, No, Lr и так далее) изучены слабо в связи с трудностью получения и короткими временами жизни. Кристаллографические исследования, изучение спектров поглощения растворов солей, магнитных свойств ионов и других свойств показали, что элементы с п. н. 93-103 — аналоги лантаноидов. Из всех трансурановых элементов наибольшее применение нашёл нуклид плутония 239Pu как ядерное топливо.

Трансурановые элементы (ТУЭ).

Радионуклид	T½, годы
238Pu	87,44
239Pu
240Pu
241Pu
241Am	432,2

все эти радионуклиды испытывают α-распад и все долгоживущие.

Трансурановые радионуклиды (элементы) образуются в результате последовательно повторяющихся актов захвата нейтронов (n,γ) и последующим β-распадом:

1. ²³⁵U(n,γ)²³⁶U(n,γ)²³⁷U ²³⁷Np(n,γ)²³⁸Np ²³⁸Pu

2. ²³⁸U(n,γ)²³⁹U ²³⁹Np ²³⁹Pu

3. ²³⁹Pu(n,γ²⁴⁰Pu

4. ²⁴⁰Pu(n,γ)²⁴¹Pu ²⁴¹Am

5. ²⁴¹Pu(n,γ)²⁴²Pu

Здесь приведены только основные превращения, в результате которых образуются значимые для радиоэкологии радионуклиды.

С увеличением Z и A синтезируемого ядра его выход резко уменьшается. В отличие от ядерного взрыва, при котором синтез ТУЭ происходит за время 10^-6 ÷ 10^-8 с при очень высоком интегральном нейтронном потоке (до 10²³ ÷ 10²³ нн/см²), в ядерном реакторе время синтеза может продолжаться в течение многих лет при меньшей интенсивности нейтронного потока. Наибольший выход имеет реакция 2. – выход ²³⁹Np и ²³⁹Pu при плотности потока нейтронов в реакторе 10¹³ нн/см² с составляет 0,1 Ки/1 г U.

Реакция ²³⁸U(n,γ)²³⁹U → ²³⁹Np → ²³⁹Pu может происходить и в природных условиях под действием нейтронов спонтанного деления U(s,f) и нейтронов из (α,n) реакции на уране, содержащемся в урановых рудах. Выход ядер ²³⁹Pu в этом случае порядка (0,4 ÷ 15)·10^-12 относительно содержания ядер ²³⁸U в рудах.

Трансурановые элементы наиболее интенсивно нарабатываются в ядерных реакторах (в том числе и энергетических) и являются одним из самых ценных продуктов переработки выгоревшего ядерного топлива. Кроме ЯТЦ и ЯВ источником выбросов ТУЭ явилась авария ЧАЭС.

Все трансурановые элементы химически очень активны. Характерная их особенность – способность образовывать соединения с водородом, азотом, кислородом, галогенами, а также комплексные соединения. Степени окисления их от 2⁺ до 7⁺.

Валентность радионуклидов плутония от 2⁺ до 7⁺ (2⁺ наименее характерна). В большинстве случаев радионуклиды плутония образуют нерастворимые соединения. Окислы плутония PuO, Pu₂O₃,PuO₂ и фазы переменного состава от Pu₂O₃ до Pu₄O₇. В водных растворах образует ионы (от 3⁺ до 7⁺), причем все ионы могут находиться в растворе одновременно (кроме 7⁺). Они подвержены гидролизу (эта способность возрастает в ряду PuO<Pu³⁺<PuO₂²⁺<Pu⁴⁺) и легко образуют комплексные соединения (эта способность увеличивается для различных ионов в ряду 5⁺, 6⁺, 3⁺, 4⁺).

Валентность ²⁴¹Am от 2⁺ до 7⁺, причем наименее характерны 2⁺ и 7⁺, а устойчивые 3⁺, в твердом состоянии и в виде комплексов в растворе – 4⁺. Окислы AmO, Am₂O₃, и AmO₂. Образует нитридAmN, сульфид Am₂S, а также металлоорганическое соединение Am(C₅H₅)₃. Америций образует растворимые соединения с галогенами (AmCl₂, AmBr, AmJ₃). Образует комплексные соединения с минеральными и органическими кислотами. В отличие от плутония соединения америция обладают бóльшей растворимостью и, следовательно, бóльшей миграционной способностью.

В степени окисления 3⁺ свойства ТУЭ подобны свойствам лантаноидов, но обладают более сильно выраженной способностью к комплексообразованию (она возрастает в ряду U<Np<Pu≥Am). Соединения ТУЭ (гидроокиси, фториды, иодиды, двойные сульфиды, фосфаты) труднорастворимые.

В степени окисления 4⁺ образуют оксиды, фториды, устойчивы в водных растворах (U, Np, Pu), в водных растворах образуют комплексы. Соединения (гидрооксиды, фториды, иодиды, фосфаты, карбонаты) труднорастворимые. Сильные комплексообразователи (склонность возрастает от U к Am).

В степени окисления 5⁺ существуют в виде диокислов MeO₂⁺. Эта ионная форма определяет химические свойства – малую склонность к гидролизу и комплексообразованию. В степени окисления 6⁺ находятся в форме ионов MeO₂²⁺. Известно значительное число комплексных соединений.

В степени окисления 7⁺ наиболее устойчив Pu. В твердом состоянии существует в виде ионов MeO₅^5-, MeO₅^3-, [Me₂O₅(OH)₂]^4- и MeO₄^-, а в растворах – в гидратированной форме аниона MeO₅³⁺.

В общем, закономерности миграции плутония и америция подобны. Поэтому достаточно рассмотреть особенность миграции радионуклидов плутония.

Они определяются растворимостью соединений плутония в природных средах и, особенно, первоначальная химическая форма. При ядерных взрывах такой формой являются практически нерастворимые окислы и, в основном, отдельные атомы, которые с глобальными выпадениями поступают на земную поверхность и только здесь могут образовывать растворимые соединения.

В выбросах ЯТЦ преобладают растворимые соединения плутония, а также его комплексные соединения с органическими лигандами.

Особо сложным составом отличались выбросы при аварии ЧАЭС. Их можно разделить на 4 группы:

А - механически выброшенные из активной зоны тонкодисперсные частицы топлива, близкие по радионуклидному составу к отработанному топливу; осели на земную поверхность в ближней зоне (R ≤ 60 – 70 км).

Б – мелкодисперсное топливо и другие продукты, умеренно обогащенные летучими радионуклидами; содержание радионуклидов плутония в ~ 2 раза больше ожидаемого; осели на земную поверхность в зоне R ≤ 100 км.

В – выбросы, сильно обогащенные летучими радионуклидами, в том числе плутонием; осели на земную поверхность в зоне R ≤ 150 км и далее.

Г – выбросы, обогащенные радионуклидами плутония до 200 раз, в том числе частично растворимые соединения плутония; осели на земную поверхность в дальней зоне.

Различия в этих группах выбросов обусловлены главным образом различием температур в аварийном реакторе к моменту взрыва. Содержание кислорастворимых форм плутония возрастает от группы А и Б к группам В, Г в 4 – 15 раз и доходит до 55 ÷ 85%.

В настоящее время основным резервуаром радионуклидов плутония и ²⁴¹Am являются поверхность почв и донные отложения (более 99% поступивших и поступающих от глобальных и чернобыльских выпадений и от выбросов предприятий ЯТЦ). В биологических объектах этих трансурановых элементов не более 1% (в основном в растениях, а в животных еще в 5 ÷ 10⁴ раз меньше). Радионуклиды плутония находятся преимущественно в 4⁺ нерастворимой форме. Коэффициент диффузии в почве ~ 10^-9 см/с.

Только около ~ 10% этих радионуклидов может быть в растворимой доступной для растений форме. Из растений наибольшую концентрацию радионуклидов плутония имеют низкорастущие растения (травы, мхи, лишайники). Это следствие того, что радионуклиды плутония перераспределяются на земной поверхности в основном за счет ветрового переноса и эрозии. Коэффициент накопления трансурановых элементов растениями очень низкий (10^-1 ÷ 10^-3).

Изотопные отношения радионуклидов плутония, содержащихся в почве различных регионов, существенно различаются из-за различия источников их поступления (глобальный, от ЯТЦ, авария ЧАЭС). Так, отношение ²⁴⁰Pu/²³⁹Pu от ядерных взрывов – (0,05 ÷ 0,06); от глобальных выпадений - около 0,176; от выбросов ЯТЦ вместе с глобальными выпадениями – (0,049 ÷ 0,150), а от чернобыльских выпадений – (0,30 ÷ 0,35).

Изотопные отношения для различных регионов варьируют в следующих пределах:

Радионуклиды	Отношения
238Pu/239Pu+240Pu	0,027 ÷ 0,44
238Pu/239Pu	1,1·10-4 ÷ 3,7·10-3
240Pu/239Pu	0,049 ÷ 0,35
241Pu/239Pu	0,003 ÷ 0,090
242Pu/239Pu	4,4·10-3 ÷ 4,0·10-2

Видно, что основным радионуклидом плутония в выбросах является ²³⁹Pu. Очень малы выбросы ²³⁸Pu и ²⁴²Pu. Несмотря на относительно низкие выбросы ²⁴¹Pu, они играют особую роль, так как в результате распада этого радионуклида образуется долгоживущий ²⁴¹Am. Поэтому содержание ²⁴¹Am в окружающей среде непрерывно возрастает. Так, в период 1940 – 1990 гг. содержание²⁴¹Am в атмосфере увеличилось в 2 раза.

Абсолютное содержание радионуклидов плутония в почвах и атмосферных аэрозолях очень сильно варьирует, особенно в зависимости от расстояния от ЧАЭС. Так в атмосферных аэрозолях содержание плутония уменьшается в 10⁴ раз при переходе от ближней к дальней зоне (в которой содержание плутония находится на уровне 19 Бк/л), плотность выпадений уменьшается в ~ 170 раз (до уровня 1,25·10⁵ Бк/м²), содержание на поверхности почвы уменьшается в ~ 370 раз (до уровня ~ 10 Бк/м²). В целом по мере удаления от ЧАЭС уровень загрязнения приближается к фону глобального загрязнения – для земной поверхности (10 ÷ 60) Бк/м². Средняя удельная активность радионуклидов плутония в почвах для европейской части России ~ 140 Бк/кг при фоне глобального загрязнения около 60 Бк/кг.