Основные делящиеся и радиоактивные материалы и их свойства

3.1 Цезий

3.2 Йод

3.3 Стронций-90

3.4 Трансплутониевые радионуклиды

Среди обилия ядерных превращений можно выделить ядерные реакции деления, в том числе самопроизвольное деление ядер, которые возможны лишь для очень тяжелых элементов, расположенных в конце периодической таблицы Д.И. Менделеева. Неустойчивость ядер относительно деления связана с большим количеством в них протонов, а, следовательно, кулоновских сил отталкивания. Наиболее вероятным в реакции деления является деление ядер на две части. При делении тепловыми нейтронами и самопроизвольном (спонтанном) делении отношение масс осколков примерно 3:2. Вероятность деления ядра на три части составляет 10^-2–10^–6 от вероятности деления на две части. Деление ядер на еще большее количество частей имеет пренебрежимую вероятность при обычных энергиях частиц. Образующиеся осколки деления перегружены нейтронами и поэтому находятся в возбужденных состояниях, из которых они приходят в основное через несколько бета-распадов, испуская, так называемые, запаздывающие нейтроны. Реакции деления обычно являются экзотермическими с количеством выделившейся энергии примерно 10⁸ электронвольт в каждом акте реакции. Энергия реакции освобождается в виде кинетической энергии осколков и нейтронов (от 2 до 3), вылетающих в момент реакции (за время 10^–14 сек) из делящегося ядра (мгновенные нейтроны). Нейтроны деления, взаимодействуя с соседними ядрами делящегося вещества, в свою очередь вызывают в них реакцию деления и т. д. Такая реакция деления называется цепной.

В качестве делящегося вещества используются изотопы урана, тория, плутония и нептуния, основные характеристики которых приведены в таблице 3.1.

Делящиеся нуклиды нашли свое применение в ядерной промышленности в качестве топлива для ядерных реакторов, в производстве ядерного оружия, а так же для изготовления ядерных эмульсий в дозиметрии нейтронов.

Таблица 3.1 – Характеристики делящихся нуклидов

Нуклид	a-активность	Спонтанное деление
Период полураспада, лет	Число a-частиц, (мг*с)-1	Период полураспада, лет	Число делений, (г*ч)-1
232Th	1,4´1010	4,15	1,4´1018	0,15
233U	1,6´105	3,48´105	3´1017	0,7
234U	8,0´105	2,24´105	1,6´1017	12,7
235U	7,1´108	80,2	1,8´1017	1,08
236U	2,4´107	2,3´103	2´1016
238U	4,5´109	12,4	8´1015	24,8
239Pu	2,4´104	2,31´1015	5,5´1015
237Np	2,2´106	2,55´104	>1018

Топливом для атомных реакторов является ²³⁵U. Как уже упоминалось выше, продуктами деления являются два осколка и нейтроны деления. В качестве примера в таблице 3.2 приведен перечень радионуклидов, наработанных в процессе эксплуатации 4 блока реактора на Чернобыльской АЭС на период его аварии и остановки.

Табл. 3.2 – Радионуклидный состав выброса при аварии на 4 блоке ЧАЭС

Радионуклид	Период полураспада (дни)	Общее количество (Бк)	Доля выброса (%)
85Kr		3,3´1016	~100
133Xe	5,27	1,7´1018	~100
131I	8,05	1,3´1018	20,0
132Te	3,25	3,2´1017	15,0
134Cs		1,9´1017	10,0
137Cs	1,1´104	2,9´1017	13,0
99Mo	2,8	4,8´1018	2,3
95Zr	65,5	4,4´1018	3,2
103Ru	39,5	4,1´1018	2,9
106Ru		2,0´1018	2,9
140Ba	12,8	2,9´1018	5,6
141Ce	32,5	4,4´1018	2,3
144Ce		3,2´1018	2,8
89Sr		2,0´1018	4,0
90Sr	1,02´104	2,0´1017	4,0
239Np	2,35	1,4´1017	3,0
238Pu	3,14´104	1,0´1015	3,0
239Pu	8,9´106	8,5´1014	3,0
240Pu	2,4´106	1,2´1015	3,0
241Pu		1,7´1017	3,0
242Cm		2,6´1016	3,0

Здесь же представлены основные характеристики радионуклидов, которые в дальнейшем определяли радиационную ситуацию. В первый период аварии определяющая роль принадлежала ¹³¹I при формировании дозы на щитовидную железу, а доза внешнего облучения определялась в основном короткоживущими гамма–излучающими радионуклидами. В настоящее время основной вклад в дозу внешнего и внутреннего облучения дают радионуклиды ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr и изотопы плутония.

В результате аварии на ЧАЭС в организмы людей, проживающих в районах радиационного воздействия, поступили радионуклиды, попавшие в окружающую среду с аварийным выбросом, включая цезий, йод, стронций и плутоний. Ниже дается краткое описание конкретных аспектов внутреннего облучения, полученного в результате воздействия этих радионуклидов.

Цезий

Цезий имеет два радиоактивных изотопа, имеющих важное значение с биологической точки зрения ¹³⁷Cs с периодом полураспада 30 лет и ¹³⁴Cs, период полураспада которого составляет 2,1 года. Наличие ¹³⁷Cs наиболее вероятно, так как он является основным продуктом деления, происходящего в урановом и плутониевом топливе. В течение нескольких последних десятилетий в рамках многих исследований изучалось радиобиологическое и метаболическое поведение ¹³⁷Cs. Цезий и калий имеют одинаковые модели поведения в организме, включая распределение и участие в обмене веществ. Цезий растворяется в биологических жидкостях, при поступлении в организм с продуктами питания он быстро абсорбируется, почти равномерно распределяется по всему организму и в конечном счете выводится через почки, эффективный период полувыведения цезия из организма составляет от 70 до 110 дней. В организме детей биологический период полувыведения меньше и колеблется от 12 дней у младенцев до 57 дней у более взрослых детей. Пероральный прием гексацианоферрата железа (берлинская лазурь), содержащего ионы гексацианоферрата, в острых случаях является наиболее эффективным средством выведения радиоактивного цезия из организма человека. Как правило, к этому методу прибегают в случаях высоких доз облучения, полученных в результате поступления радионуклидов в организм с пищевыми продуктами. Такой метод терапии использовался при лечении нескольких больных, пострадавших в результате радиологической аварии в Гоянии, Бразилия, в 1988 году.

С точки зрения радиации весь организм человека является критическим органом; ожидаемая полувековая эквивалентная доза облучения всего тела равна 8,1 мЗв на 1 МБк радиоактивности в организме. В старых единицах эта доза составляет 0,03 бэр на 1 мкКи цезия в организме.

Схема распада ¹³⁷Cs:

Характеристики распада	137Cs	37mBa	134Cs
T1/2	30,17 лет	153,5 с	2,06 года
Eβ (кэВ)	179,8		156,7
Eγ1 (кэВ)		661,6
Eγ2 (кэВ)
Eγ3 (кэВ)
Eγ4 (кэВ)
Г (Р´см2´ч-1´мКи-1)		3,24	8,72

Йод

Примерно половина из 20 радиоактивных изотопов йода встречается в виде продуктов деления. ¹³¹I скорее всего является основным изотопом, приводящим к внутреннему облучению организма после аварии реактора, при которой происходит выброс свежих продуктов распада; однако, такие короткоживущие изотопы, как ¹³²I, ¹³³I, ¹³⁴I и ¹³⁵I, период полураспада которых колеблется от 52 минут до 7 часов, могут вносить значительный вклад в облучение людей, находящихся в непосредственной близости от источника крупного выброса. Период физического полураспада ¹³¹I составляет 8 дней, а эффективный период полувыведения из организма человека приблизительно равен 7,6 дня.

Наиболее радиоактивные нуклиды йода, попавшие в окружающую среду во время аварийного выброса, растворимы и быстро абсорбируются в организме при ингаляционном поступлении, поступлении с пищевыми продуктами или через кожу. В биологических жидкостях равновесное состояние йода, поступившего в организм ингаляционным путем, наступает приблизительно через 30 минут. Средние значения обычного поступления ¹³¹I в щитовидную железу в течение 24 часов, как правило, составляют 10%-30% от общей пероральной дозы поступления радионуклидов. Причиной гипотиреоза и увеличения распространенности узелков щитовидной железы и рака могут быть большие поглощенные дозы. Профилактические меры по уменьшению облучения радиоактивными изотопами йода включают в себя контроль за пищевой цепочкой и прием йодистых соединений калия или натрия. Это приводит к насыщению щитовидной железы стабильным изотопом йода, в результате чего происходит блокировка щитовидной железы и прекращение поступления в нее радиоактивного йода. В случае незамедлительного приема блокирующего стабильного йода его эффективность может составить почти 100%. Однако, если его принять через шесть часов после облучения радиоактивным йодом, эффективность блокирования снизится до 50%.

Характеристики распада	131I	131mXe
T1/2	8 суток	11.9 суток
Eβ (кэВ)	179.6
Eγ1 (кэВ)
Eγ2 (кэВ)
Г (Р´см2´ч-1´мКи-1)	2.16	0.42

Количество радиоактивного йода, которое приводит к развитию раннего гипотиреоза у больного с нормально функционирующей щитовидной железой, должно превышать 5,5´10⁹ Бк/кг (150 мкКи/г) расчетного веса щитовидной железы. По расчетам эквивалентная доза облучения щитовидной железы за счет поступления ¹³¹I равна 1755 мЗв/МБк (6,5 бэр/мкКи).