Пути миграции радионуклидов

При сопоставлении результатов исследований переноса радиоактивных аэрозолей с метеорологическими данными было установлено, что радиоактивные аэрозоли в тропосфере мигрируют в соответствии с законом перемещения воздушных масс. При этом скорость переноса вдоль параллели значительно больше, чем в меридиональном направлении, и, прежде чем тропосфера очистится от радиоактивных осколков, они успевают несколько раз обойти земной шар вдоль параллели. За это время распространение вдоль меридиана происходит на 10-20? от широты, на которой были проведены испытания. Насколько быстро переносятся в тропосфере радиоактивные частицы, можно проиллюстрировать следующими примерами: продукты взрыва, проведенного в штате Невада (США) 07.03.55, через 5 дней выпали в значительном количестве в окрестностях Ленинграда, после взрыва 13.02.60 в Сахаре радиоактивные продукты были обнаружены 17.02.60 в Крыму.

 

Расположение полосы максимальной загрязненности на широте проведенного испытания фиксируют только в средних широтах. При испытаниях в зоне экватора полоса максимального тропосферного выпадения смещается от широты места взрыва в сторону полюса. Был отмечен также переход продуктов ядерных взрывов в верхней тропосфере через зону экватора из северного полушария в южное.

Радионуклиды могут удерживаться в стратосфере от нескольких месяцев до нескольких лет. За это время короткоживущие изотопы распадаются, а количество долгоживущих элементов практически не изменяется (например, 90Sr, 137Cs). Таким образом, стратосфера является своеобразным резервуаром для накопления долгоживущих осколков деления с периодом полуочищения от 7 мес до 1 года.

Рис. 1 Распределение концентраций продуктов деления ядерных взрывов в воздухе планеты на разных широтах

 

Выпадению радионуклидов из стратосферы предшествует их переход из стратосферы в тропосферу. В настоящее время выдвинут ряд гипотез, которые пытаются объяснить механизмы их перехода на основании результатов оценки глобальных выпадений на территории нашей планеты с учетом сезонных колебаний и др.

 

Характер поведения радионуклидов, поступающих в атмосферный воздух через дымовые трубы или трубы-шахты, зависит от их агрегатного состояния, дисперсности аэрозолей, метеорологических условий, рельефа местности, ряда технических параметров: высоты трубы, силы тяги в ней, температуры выбросов и др. Обычно при этом фиксируют те же самые процессы самоочищения, которые протекают в атмосфере при попадании в нее радионуклидов, возникающих при испытании ядерного оружия (разбавление в результате диффузии, горизонтальное размывание в направлении движения ветра и смещение воздушных струй по вертикали, седиментация крупных частиц, выпадение мельчайших аэрозолей за счет прилипания к поверхности наземных предметов, коагуляция с частицами нейтральной пыли и т.д.). Однако эти процессы происходят в приземных слоях атмосферы, поэтому распространение радионуклидов, входящих в состав отходов, имеет ограниченный, локальный характер.

 

Только при поступлении в атмосферный воздух массивных загрязнений они могут распространиться от источников загрязнения на десятки, а иногда и сотни километров.

 

3 .2. Поведение радионуклидов в почве и их миграция в наземную флору и фауну

 

 

Миграция радионуклидов при попадании их в почву зависит от ряда условий: физико-химических свойств отдельных изотопов и формы химических соединений, в которых они находятся, физико-химических свойств почвы, наличия в ней ионов, близких по химическим свойствам к попадающим в почву радиоизотопам, рН среды, характера движения грунтовых вод и т.п.

В состав почвы входят минеральные и органические вещества, вода и воздух, объединенные в сложную физико-химическую систему, которая обеспечивает растению механическую опору и снабжает его питательными веществами.

Вертикальный профиль почвы состоит из слоев (горизонтов), различающихся физико-химическими особенностями. Условно выделяют 3 типа горизонтов: самый верхний горизонт мощностью до 30-60 см (в черноземной зоне и более), где протекает большинство жизненных процессов; второй горизонт - подпочва - простирается до глубины 120-150 см; до глубины 180-210 см залегает слой рыхлой и частично выветренной материнской породы почвы.

 

 

 

Важную роль в перераспределении изотопов, попавших на поверхность земли, играют топографические и климатические условия. С крутых склонов радионуклиды вместе с частицами почвы могут сноситься потоками атмосферных осадков, накапливаясь на пониженных участках рельефа и попадая в воду. В миграции изотопов имеют значение процессы, наблюдаемые при ветровой эрозии почвы и т.д.

В результате загрязнения почвы радионуклидами они поступают в наземную растительность - первый путь. В целом за счет механического распределения, в том числе и растительностью, почва теряет в год до 2,5% 90Sr и 0,7% 13Сs.

Радиоактивные изотопы, находящиеся в почве, как правило, переходят в корневые системы точно так же, как и стабильные изотопы тех же элементов. Если химические свойства стабильных и радиоактивных элементов одинаковы, они поступают в растение в исходной пропорции. Так, при выращивании растений на простых неорганических растворах, содержащих кальций и стронций, соотношение этих элементов сохраняется и в растениях. Степень усвоения стронция растениями из почвы зависит от его химической формы, физиологических потребностей растений и физико-химических свойств. Чем прочнее радиоизотоп фиксируется в почве, тем меньшее его количество попадает в растение. Например, овес, выращенный на песке, накапливал 90Sr в несколько раз больше, чем овес, произрастающий на тяжелом суглинке. При этом из глинистого песка поступало 8-10%, а из тяжелого суглинка - 1% всего 90Sr, внесенного в почву. Относительное накопление растениями различных элементов из почв выглядит следующим образом:

Sr > I > Ва > Cs, Ru > Се > Y, Pm, Zr, Nb > Pu.

Попадая из почвы в растение, радиоактивные элементы в зависимости от свойств проникают в наземные части или же задерживаются в корневой системе. Такие изотопы, как 90Sr и 137Cs, легко проникают через корневую систему во все части растения. Такие радиоактивные элементы, как церий, рутений, цирконий, иттрий, плутоний, накапливаются в основном в корневой системе.

 

Второй путь возможного поступления радионуклидов в растения заключается в поглощении их через поверхность надземных частей. При нанесении на листья радиоизотопов они проникают во внутреннюю структуру в месте соприкосновения, а затем перемещаются и в другие части растения. Рутений и церий задерживаются в основном вблизи места первичного нанесения. Стронций и йод передвигаются по растению достаточно быстро, и уже через 90 ч их находят во всех частях растений.

Вследствие выпадения на земную поверхность радиоактивных осколков загрязнению подвергается вся наземная растительность. Уровень накопления в ней радиоактивных осколков обусловлен, с одной стороны, плотностью выпадений, а с другой - условиями произрастания. Так, больше радионуклидов накапливают многолетние луговые травы, чем однолетние сельскохозяйственные культуры. Определенную роль в накоплении осколочных продуктов играют площадь поверхности растений и его строение. Так, форма соцветий пшеницы способствует максимальному удержанию выпадающих мельчайших аэрозолей.

 

В лесной зоне больше всего задерживают радионуклиды хвойные породы деревьев, что связано с медленной сменой хвои. Лиственные породы деревьев в средней полосе ежегодно сбрасывают свой покров, поэтому степень накопления у них меньшая.

В результате загрязнения луговых трав радиоактивными продуктами они поступают в организм животных алиментарным путем. При попадании в желудочно-кишечный тракт сельскохозяйственных животных загрязненной растительной пищи эффективно резорбируются цезий, йод, фосфор, стронций. Церий, иттрий, прометий и другие элементы попадают в кровоток в незначительном количестве. Попавшие в кровоток радиоактивные изотопы распределяются по различным органам и тканям: стронций, иттрий, радий концентрируются в скелете, цезий - в мышцах, йод - в щитовидной железе, рутений - в почках и т.д. Из организма животного они выводятся с характерным для каждого изотопа периодом полувыведения. При всасывании из желудочно-кишечного тракта стронция и кальция у животных наблюдается дискриминация радиоактивного стронция. Согласно материалам НКДАР при ООН, величина указанного коэффициента составляет в среднем 0,23. Радиоактивные элементы выводятся из организма животных с калом и мочой. Установлено присутствие их в молоке (например, 131I). При выведении 90Sr с молоком отмечается дискриминация его по отношению к кальцию. Коэффициент дискриминации в звене растительная пища животных - молоко составляет примерно 0,12-0,24. Указанные коэффициенты дискриминации могут существенно меняться в зависимости от характера питания животных, их физиологического состояния и т.д., поэтому эти величины ориентировочные.

 

 

3.3. Поведение и пути миграции радионуклидов в открытых водоемах

 

 

При поступлении в воду открытых водоемов в первую очередь фиксируют разбавление радионуклидов, поглощение их дном и тканями гидробионтов. Эффективность процесса разбавления в реках и замкнутых водоемах неодинакова. Степень и скорость этого явления в реках зависят от ряда гидрологических причин: соотношения объема загрязнений и расхода воды в реке, скорости течения, турбулентности водного потока, глубины, формы русла, рельефа дна и т.д. В реках горного типа максимальное разбавление радионуклидов происходит на малом расстоянии в течение нескольких минут, а на реках равнинного типа с выраженной струйностью течения протяженность участка, на котором заканчивается разбавление, может достигать десятков километров. Интенсивность разбавления в замкнутых водоемах (пруды, озера, водохранилища) значительно меньше за счет течений, волнового режима и в определенной степени процесса диффузии.

 

В морях и океанах скорость разбавления радиоактивных продуктов зависит в первую очередь от скорости перемещения (течения) водных масс и процессов их перемещения. Так, после испытаний ядерного оружия США в районе Маршалловых островов в 1954 г. радиоактивные продукты, попавшие в воду, первоначально перемещались в Западном полушарии к Азиатскому материку, затем загрязнение распространилось к северу по течению Куро-Сиво. При этом продукты деления за 40 дней переместились на 192 км, продиффундировав на глубину 40-50 м. Разбавление введенной активности в 0,37 ТБк было таково, что средняя концентрация после 40 дней равнялась 5,5 кБк/л, а площадь загрязнения - примерно 40 км2.

Одновременно с разбавлением радиоактивных изотопов в воде открытых водоемов происходит и их интенсивная сорбция дном и донными отложениями. В результате дно становится своеобразным депо долгоживущих элементов. Степень накопления дном радиоактивных продуктов зависит от структуры грунта. При возрастании ионообменной емкости грунта степень накопления изотопов возрастает. Так, при внесении в воду экспериментального пруда 90Sr и активности воды 740 Бк/л коэффициент накопления (отношение удельной активности пробы к удельной активности воды) для песка был равен 20, для суглинка - 110. Существенную роль в накоплении дном радионуклидов играют их химические свойства. Слабо фиксируется грунтом дна 35S, лучше - 32Р, 137С и др. На количество радиоактивных продуктов в пробе влияет удельная активность воды - она возрастает с ее увеличением, хотя коэффициент накопления при этом уменьшается. Если дно состоит из плотных глинистых пород, распространение продуктов деления урана в глубину достигает лишь 15 см, на большей глубине резко уменьшается активность. Проникновение в глубину рыхлого дна, сложенного, например, из торфа, достигает 1,5 м и более. Подобная картина характерна и для песчаных грунтов.

 

При постоянстве концентраций радиоактивных изотопов в воде возникает устойчивое динамическое равновесие с содержанием их в донном грунте. При уменьшении активности воды обычно процесс десорбции радионуклидов и их поступление в воду замедляются. Таким образом, дно в этом случае может быть источником вторичного загрязнения воды.

Наряду с разбавлением радионуклидов в воде и сорбцией дном они накапливаются в гидробионтах в результате адсорбции и диф- фузии, поступления через органы дыхания и алиментарным путем.

Механизм накопления радионуклидов микрофлорой зависит от их химических свойств. Так, кальций для бактерий не является биогенным элементом, поэтому накопление радиоактивного стронция бактериями происходит за счет процесса физико-химической адсорбции атомов этого элемента на поверхности бактериальных клеток. В противоположность стронцию биогенный элемент 32Р ассимилируется бактериями в значительном количестве. Результаты экспериментальных исследований свидетельствуют о том, что при внесении в микробную взвесь радионуклидов уже через несколько минут удельная активность бактериальных тел становится во много раз выше, чем таковая водной среды, при этом с увеличением концентрации микробных клеток процент извлеченных радиоактивных продуктов не возрастает. Таким образом, коэффициент накопления увеличивается при уменьшении числа микроорганизмов в водной среде. Кроме того, обнаружено уменьшение коэффициента накопления с возрастанием удельной активности воды. В зависимости от химических свойств радиоизотопов, вида микроорганизмов, удельной активности воды, ее рН и других условий коэффициент накопления для бактериальных клеток варьирует в широких пределах - от 100 до 4-6 млн и более.

Большая удельная поверхность тела у планктона, губок и некоторых других гидробионтов создает благоприятные условия для адсорбции ими значительного количества радиоактивных изотопов. Следует отметить, что скорость накопления планктоном радионуклидов значительна. Так, дафния накапливает 50-60% (предельное количество) радиоактивного стронция в течение 5 мин.

 

В последующем накоплении принимают участие и обменные процессы. Время, необходимое для максимального накопления радиоактивных продуктов зоопланктоном, составляет несколько часов.

У водных растений процесс накопления более медленный, так как главный путь поступления в них радиоактивных продуктов обусловлен процессами обмена. Предельное накопление в водорослях происходит в течение 7-30 сут.

У рыб основной путь поступления радионуклидов в организм алиментарный, поэтому в данном случае существенное значение имеет уровень загрязнения низших организмов, являющихся кормом для рыб. Вместе с тем радиоактивные изотопы проникают в организм рыбы и через жабры. Значимость этого пути возрастает с повышением удельной активности. Время предельного накопления изотопов (при постоянстве концентрации) в теле рыб колеблется от 10 до 120 дней.