Радиоактивность окружающей среды

AGM2015: Всемирная _{карта потоков энергии} , объединяющая геонейтрино от распада природного урана-238 и тория-232 в земной коре и мантии, а также искусственные реакторные волны, _{испускаемые} энергетическими реакторами по всему миру.

окружающей среды Радиоактивность является частью общего радиационного фона и производится радиоактивными материалами в человека среде обитания . Хотя некоторые радиоизотопы , такие как стронций-90 ( ⁹⁰ ср) и технеций-99 ( ⁹⁹ Tc), обнаружены на Земле только в результате деятельности человека, а некоторые, как калий-40 ( ⁴⁰ K), присутствуют только в результате естественных процессов, некоторые изотопы, например тритий ( ³ H), являются результатом как природных процессов, так и деятельности человека. Концентрация и расположение некоторых природных изотопов, в частности урана-238 ( ²³⁸ U), может пострадать от человеческой деятельности, такой как испытания ядерного оружия , которые вызвали глобальные осадки , в результате которых к 2020 году погибнет до 2,4 миллиона человек.

Уровень фона в почвах

Радиоактивность присутствует повсюду , и она существовала с момента образования Земли. Естественная радиоактивность, обнаруженная в почве, обусловлена ​​преимущественно следующими четырьмя природными радиоизотопами: ⁴⁰ К, ²²⁶ Солнце, ²³⁸ У, и ²³² Т.е. В одном килограмме почвы калий-40 составляет в среднем 370 Бк радиации с типичным диапазоном 100–700 Бк; вклад каждого из остальных составляет около 25 Бк, с типичным диапазоном 10–50 Бк (7–50 Бк для ²³² эт). Некоторые почвы могут сильно отличаться от этих норм.

Морской и речной ил

Недавний отчет о реке Сава в Сербии предполагает, что многие речные илы содержат около 100 Бк кг. ⁻¹ природных радиоизотопов ( ²²⁶ Солнце, ²³² эт, и ²³⁸ В). По данным ООН, нормальная концентрация урана в почве колеблется в пределах 300 мкг/кг. ⁻¹ и 11,7 мг кг ⁻¹ . Хорошо известно, что некоторые растения, называемые гипераккумуляторами , способны поглощать и концентрировать металлы в своих тканях; йод был впервые выделен из морских водорослей во Франции , что позволяет предположить, что морские водоросли являются гипераккумулятором йода.

Синтетические радиоизотопы также можно обнаружить в иле. Басби цитирует отчет Гарланда и др. об активности плутония в приливных отложениях Уэльса. (1989), что предполагает, что чем ближе участок к Селлафилду , тем выше концентрация плутония в иле. Некоторую связь между расстоянием и активностью можно увидеть в их данных, если их подогнать к экспоненциальной кривой, но разброс точек велик (R ² = 0.3683).

Искусственный

Атмосферный ¹⁴ C Бомбовый импульс , Новая Зеландия и Австрия. Кривая Новой Зеландии репрезентативна для Южного полушария, австрийская кривая репрезентативна для Северного полушария. Испытания ядерного оружия в атмосфере почти удвоили концентрацию ¹⁴ С в Северном полушарии.

Дозы на душу населения в щитовидной железе в континентальной части Соединенных Штатов, полученные в результате всех путей облучения в результате всех атмосферных ядерных испытаний , проведенных на испытательном полигоне в Неваде с 1951 по 1962 год.

Дополнительную радиоактивность в биосфере, вызванную деятельностью человека из-за выбросов антропогенной радиоактивности и радиоактивных материалов природного происхождения (НОРМ), можно разделить на несколько классов.

1. Обычные лицензированные выбросы, которые происходят во время обычной работы завода или процесса обращения с искусственными радиоактивными материалами.
   • Например, выпуск ⁹⁹ Tc из отделения ядерной медицины больницы, который возникает, когда человек, получивший агент визуализации Tc, вытесняет агент.
2. Выбросы искусственных радиоактивных материалов, происходящие во время промышленной или исследовательской аварии.
   • Например, Чернобыльская авария .
3. Выбросы, происходящие в результате военной деятельности.
   • Например, испытание ядерного оружия, которое вызвало глобальные осадки , достигшие пика в 1963 году ( импульс бомбы ), и до 2,4 миллиона смертей к 2020 году.
4. Освобождения, произошедшие в результате преступления .
   • Например, авария в Гоянии , когда воры, не подозревая о ее радиоактивном составе, украли медицинское оборудование, в результате чего несколько человек подверглись воздействию радиации.
5. Выбросы радиоактивных материалов природного происхождения (НОРМ) в результате добычи полезных ископаемых и т. д.
   • Например, выброс следовых количеств урана и тория в угле при его сжигании на электростанциях.

Сельское хозяйство и передача человеку выпавшей радиоактивности

Тот факт, что радиоизотоп попадает на поверхность почвы, не означает, что он попадет в пищевую цепь человека . После выброса в окружающую среду радиоактивные материалы могут достичь человека различными путями, и наиболее вероятный путь обычно определяет химический состав элемента.

Радиоактивные материалы, переносимые по воздуху, могут оказывать воздействие на человека различными путями.

Коровы

Иржи Гала утверждает в своем учебнике «Радиоактивность, ионизирующая радиация и ядерная энергия» что крупный рогатый скот передает лишь незначительную часть стронция , цезия , плутония и америция, которые они потребляют, людям, потребляющим молоко и мясо . На примере молока: если корова ежедневно потребляет 1000 Бк предыдущих изотопов, то молоко будет обладать следующей активностью.

• ⁹⁰ Ср, 2 Бк/л
• ¹³⁷ Cs, 5 Бк/л
• ²³⁹ Pu, 0,001 Бк/л
• ²⁴¹ Am, 0,001 Бк/л

Земля

Иржи Галы В учебнике говорится, что почвы сильно различаются по своей способности связывать радиоизотопы, частицы глины и гуминовые кислоты могут изменять распределение изотопов между почвенной водой и почвой. Коэффициент распределения K _d представляет собой отношение радиоактивности почвы (Бк г ⁻¹ ) к почвенной воде (Бк мл ⁻¹ ). Если радиоактивность тесно связана с минералами в почве, тогда меньше радиоактивности может быть поглощено сельскохозяйственными культурами и травой , растущей в почве.

• Cs-137 К _d = 1000
• Pu-239 К _d = от 10 000 до 100 000
• Sr-90 К _d = от 80 до 150
• I-131 К _d = от 0,007 до 50

Тест Тринити

Уровни радиоактивности в стекле Тринити из двух разных образцов, измеренные методом гамма-спектроскопии на кусках стекла.

Одним из драматических источников искусственной радиоактивности являются испытания ядерного оружия . Стекловидный тринитит, созданный первой атомной бомбой, содержит радиоизотопы, образовавшиеся в результате нейтронной активации и ядерного деления . Кроме того, присутствуют некоторые природные радиоизотопы. Недавняя статья сообщает об уровнях долгоживущих радиоизотопов в тринитите. Тринитит образовался из полевого шпата и кварца , расплавленных под действием тепла. Были использованы два образца тринитита: первый (левые столбцы на графике) был взят на расстоянии от 40 до 65 метров от эпицентра, а другой образец был взят дальше от эпицентра .

The ¹⁵² Eu (период полураспада 13,54 года) и ¹⁵⁴ Eu (период полураспада 8,59 года) образовался в основном за счет нейтронной активации европия в почве, ясно, что уровень радиоактивности этих изотопов наиболее высок там, где доза нейтронов в почве была больше. Некоторые из ⁶⁰ Co (период полураспада 5,27 года) образуется в результате активации кобальта в почве, но некоторое его количество также образуется в результате активации кобальта в стальной (100-футовой) башне. Этот ⁶⁰ Co из башни разбросался бы по территории, уменьшая разницу в уровнях почвы.

The ¹³³ Ба (период полураспада 10,5 года) и ²⁴¹ Am (период полураспада 432,6 года) возникают в результате нейтронной активации бария и плутония внутри бомбы. Барий делящегося присутствовал в форме нитрата в используемых химических взрывчатых веществах, а плутоний использовался в качестве топлива .

The ¹³⁷ Уровень Cs выше в образце, который находился дальше от нулевой точки – предположительно, это связано с тем, что предшественники ¹³⁷ Cs ( ¹³⁷ я и ¹³⁷ Хе) и, в меньшей степени, сам цезий летучи. Естественные радиоизотопы в стекле примерно одинаковы в обоих местах.

Последствия вокруг объекта Тринити. Радиоактивное облако переместилось на северо-восток с высоким уровнем рентгена на расстояние около 100 миль (160 км).

Продукты активации

Основная статья: Анализ нейтронной активации

Под действием нейтронов на стабильные изотопы могут образовываться радиоизотопы , например, нейтронная бомбардировка (нейтронная активация) азота -14 образует углерод -14. Этот радиоизотоп может выделяться из ядерного топливного цикла ; именно этот радиоизотоп отвечает за большую часть доз, получаемых населением в результате деятельности атомной энергетики .

Испытания ядерной бомбы увеличили удельную активность углерода, тогда как использование ископаемого топлива снизило ее. можно найти в статье о радиоуглеродном датировании Более подробную информацию .

Продукты деления

Основная статья: Продукты деления

Выбросы атомных электростанций в рамках ядерного топливного цикла выбрасывают продукты деления в окружающую среду. Выбросы заводов по переработке ядерных материалов, как правило, представляют собой средне- и долгоживущие радиоизотопы; Это происходит потому, что ядерному топливу дают остыть в течение нескольких лет, прежде чем оно растворится в азотной кислоте . Выбросы в результате аварий ядерных реакторов и взрывов бомб будут содержать большее количество короткоживущих радиоизотопов (когда количества выражены в активности Бк )).

Недолговечный

Логарифмический график внешней дозы гамма-излучения для человека, находящегося на открытом воздухе вблизи Чернобыльской АЭС.

Вклад различных изотопов в дозу (в воздухе), полученную на загрязненной территории вскоре после аварии. Это изображение было получено с использованием данных из отчета ОЭСР, корейской таблицы изотопов и второго издания «Радиохимического руководства».

Примером короткоживущего продукта деления является йод-131 , он также может образовываться как продукт активации нейтронной активацией теллура .

Как при выпадении бомбы, так и при выбросе в результате аварии на энергетическом реакторе короткоживущие изотопы приводят к тому, что мощность дозы в первый день будет намного выше, чем та, которая будет получена на том же объекте много дней спустя. Это справедливо даже в том случае, если не предпринимаются попытки дезактивации. На графиках ниже показана общая мощность дозы гамма-излучения и доля дозы, приходящаяся на каждый основной изотоп, выброшенный в результате чернобыльской аварии.

Средняя продолжительность жизни

Примером среды обитания является ¹³⁷ Cs, период полураспада которого составляет 30 лет. Цезий выделяется с осадками бомб и из ядерного топливного цикла. Была написана статья о радиоактивности устриц, найденных в Ирландском море было обнаружено, . С помощью гамма-спектроскопии что они содержат ¹⁴¹ Этот, ¹⁴⁴ Этот, ¹⁰³ Ру, ¹⁰⁶ Ру, ¹³⁷ Кс, ⁹⁵ Зр и ⁹⁵ Нб. Кроме того, продукт активации цинка ( ⁶⁵ Zn), предположительно, это связано с коррозией оболочек магноксового топлива в прудах-охладителях. Концентрация всех этих изотопов в Ирландском море, относящаяся к ядерным объектам, таким как Селлафилд, значительно снизилась за последние десятилетия.

Важной частью чернобыльских выбросов стал цезий-137, этот изотоп ответственен за большую часть долгосрочного (по крайней мере, один год после пожара) внешнего облучения, произошедшего на объекте. Изотопы цезия в выпадении оказали влияние на сельское хозяйство. [2]

Большое количество цезия было выброшено во время аварии в Гоянии, когда радиоактивный источник (предназначенный для медицинских целей) был украден, а затем разбит во время попытки превратить его в металлолом. Аварию можно было остановить на нескольких этапах; во-первых, последние законные владельцы источника не обеспечили его хранение в безопасном и надежном месте; а во-вторых, забравшие его металлоломщики не распознали маркировку, указывающую на то, что это радиоактивный объект.

Судек и др. сообщили в 2006 году подробности поглощения ⁹⁰ старший и ¹³⁷ Cs в подсолнечник, выращенный в гидропонных условиях. Цезий обнаружен в жилках листьев, стебле и верхушечных листьях. Установлено, что в установку поступило 12% цезия и 20% стронция. В этой статье также сообщается подробно о влиянии ионов калия , аммония и кальция на поглощение радиоизотопов.

Цезий прочно связывается с глинистыми минералами, такими как иллит и монтмориллонит ; следовательно, он остается в верхних слоях почвы, где к нему могут получить доступ растения с неглубокими корнями (например, трава). Следовательно, трава и грибы могут нести значительное количество ¹³⁷ Cs, который может передаваться человеку по пищевой цепи . Одна из лучших контрмер в молочном животноводстве против ¹³⁷ Cs – перемешивать почву путем глубокой вспашки . Это приводит к тому, что ¹³⁷ Cs вне досягаемости неглубоких корней травы, следовательно, уровень радиоактивности в траве будет снижен. Кроме того, после ядерной войны или серьезной аварии удаление нескольких верхних сантиметров почвы и ее захоронение в неглубокой траншее снизит долговременную дозу гамма-излучения для людей из-за ¹³⁷ Cs, поскольку гамма- фотоны будут ослабляться при прохождении через почву. Чем дальше траншея находится от людей и чем глубже она, тем выше степень защиты, которая будет предоставлена ​​человеческому населению.

В животноводстве важной мерой противодействия ¹³⁷ Cs – давать животным немного берлинской лазури . Это железа и калия соединение цианида действует как ионообменник . Цианид настолько прочно связан с железом, что человеку безопасно съедать несколько граммов берлинской лазури в день. Берлинская лазурь уменьшает биологический период полураспада (не путать с периодом ядерного полураспада ) цезия). Физический или ядерный период полураспада ¹³⁷ Cs составляет около 30 лет, что является постоянной величиной и не подлежит изменению; однако биологический период полураспада будет меняться в зависимости от природы и привычек организма, для которого он проявляется. Цезий в организме человека обычно имеет биологический период полураспада от одного до четырех месяцев. Дополнительным преимуществом берлинской лазури является то, что цезий, выделяемый из животных с пометом, находится в форме, недоступной для растений. Следовательно, это предотвращает переработку цезия. Форма берлинской лазури, необходимая для лечения людей или животных, представляет собой особый сорт. Попытки использовать пигмент , используемый в красках, не увенчались успехом.

Долговечный

Примеры долгоживущих изотопов включают йод-129 и Tc-99, период полураспада которых составляет 15 миллионов и 200 000 лет соответственно.

Плутоний и другие актиниды

Основная статья: Актиниды в окружающей среде

В популярной культуре плутоний считается главной угрозой для жизни и здоровья , что ошибочно; хотя употребление плутония внутрь вряд ли будет полезно для здоровья, другие радиоизотопы, такие как радий, более токсичны для человека. попадания трансурановых элементов, таких как плутоний в окружающую среду Тем не менее, по возможности следует избегать . В настоящее время деятельность промышленности по переработке ядерных материалов является предметом серьезных дискуссий, поскольку противники этой отрасли опасаются, что большие количества плутония будут либо неправильно использованы, либо выброшены в окружающую среду.

В прошлом одним из крупнейших выбросов плутония в окружающую среду были испытания ядерной бомбы .

• В результате этих испытаний в воздухе некоторое количество плутония разлетелось по всему земному шару; такое сильное разбавление плутония привело к тому, что угроза для каждого человека, подвергшегося воздействию, очень мала, поскольку каждый человек подвергается воздействию лишь очень небольшого количества.
• Подземные испытания имеют тенденцию образовывать расплавленную породу, которая быстро охлаждается и запечатывает актиниды в породе, делая их неспособными двигаться; Опять же, угроза для людей невелика, если только место проведения испытаний не будет раскопано.
• Испытания на безопасность, в ходе которых бомбы моделировались в результате аварий, представляют наибольшую угрозу для людей; некоторые участки земли, используемые для таких экспериментов (проводимых на открытом воздухе), не были полностью освобождены для общего пользования, несмотря на то, что в одном случае была проведена обширная дезактивация.

Естественный

Уровни радиации по высоте] на Земле.

Продукты активации космических лучей

Основные статьи: Космические лучи и космогенный нуклид

Космогенные изотопы (или космогенные нуклиды ) — это редкие изотопы, высокоэнергетических космических лучей при взаимодействии с ядром атома in situ образующиеся . Эти изотопы производятся в земных материалах, таких как камни или почва, в Земли атмосфере и во внеземных объектах, таких как метеориты . Измеряя космогенные изотопы, ученые могут получить представление о ряде геологических и астрономических процессов. Существуют как радиоактивные , так и стабильные космогенные изотопы. Некоторые из этих радиоизотопов — тритий , углерод-14 и фосфор -32.

Режимы производства

Вот список радиоизотопов, образовавшихся в результате действия космических лучей на атмосферу; список также содержит способ производства изотопа. Эти данные были получены из отчета SCOPE50, см. таблицу 1.9 главы 1 .

Изотопы, образовавшиеся под действием космических лучей в воздухе

Изотоп	Способ формирования
³H (тритий)	14 Н (н, 12 В)³Н
7 Быть	Откол (N и O)
10 Быть	Откол (N и O)
11 С	Откол (N и O)
14 С	14 Н (н, р) 14 С
18 Ф	18 О (п, н) 18 F и откол (Ar)
22 Уже	Откол (Ar)
24 Уже	Откол (Ar)
28 мг	Откол (Ar)
31 И	Откол (Ar)
32 И	Откол (Ar)
32 П	Откол (Ar)
34 м кл.	Откол (Ar)
35 С	Откол (Ar)
36 кл.	35 Cl (н, ) 36 кл.
37 С	37 Cl (п, н) 37 С
38 кл.	Откол (Ar)
39 С	38 Ар (н, ) 39 С
39 кл.	40 Ар (н, нп) 39 Cl и расщепление (Ar)
41 С	40 Ар (н, ) 41 С
81 НОК	80 Кр (н, ) 81 НОК

Трансфер на землю

Уровень бериллия -7 в воздухе связан с циклом солнечных пятен , поскольку радиация Солнца образует этот радиоизотоп в атмосфере. Скорость, с которой он переносится из воздуха на землю, частично контролируется погодой.

Скорость доставки Бе-7 с воздуха на землю в Японии (источник М. Ямамото и др. , Journal of Environmental Radioactivity , 2006, 86 , 110–131)

Приложения в геологии, перечисленные по изотопам

Обычно измеряемые долгоживущие космогенные изотопы

элемент	масса	период полураспада (лет)	типичное приложение
гелий	3	- стабильный -	датирование обнажения оливинсодержащих пород
бериллий	10	1,36 миллиона	датирование обнажения кварцсодержащих пород, отложений, датирование ледяных кернов, измерение скорости эрозии
углерод	14	5,730	датирование органического вещества, воды
неон	21	- стабильный -	датирование очень стабильных, длительно подвергающихся воздействию поверхностей, включая метеориты
алюминий	26	720,000	экспозиционное датирование горных пород, отложений
хлор	36	308,000	экспозиционное датирование горных пород, подземных вод трассер
кальций	41	103,000	датирование обнажения карбонатных пород
йод	129	15,7 миллиона	индикатор подземных вод

Приложения для знакомств

Поскольку космогенные изотопы имеют длительный период полураспада (от тысяч до миллионов лет), ученые находят их полезными для геологического датирования . Космогенные изотопы производятся на поверхности Земли или вблизи нее и поэтому обычно применяются для решения задач измерения возраста и скорости геоморфических и осадочных событий и процессов.

Конкретные применения космогенных изотопов включают:

• датирование земных поверхностей, включая ледниковые коренные породы , разломов уступы , оползней обломки
• датировка захоронения отложений, коренных пород, льда
• измерение установившейся эрозии скорости
• абсолютное датирование органического вещества (радиоуглеродное датирование)
• абсолютное датирование водных масс, измерение скорости транспорта подземных вод
• абсолютная датировка метеоритов, лунных поверхностей

Методы измерения долгоживущих изотопов

Для измерения космогенных изотопов, образующихся в твердых земных материалах, таких как горные породы, образцы обычно сначала подвергаются процессу механического разделения. Образец измельчается, и желаемый материал, такой как конкретный минерал (кварц в случае Be-10), отделяется от нежелательного материала с помощью разделения по плотности в тяжелой жидкой среде, такой как вольфрамат лития-натрия (LST). Затем образец растворяют, добавляют обычный изотопный носитель (носитель Be-9 в случае Be-10) и водный раствор очищают до оксида или другого чистого твердого вещества.

Наконец, отношение редкого космогенного изотопа к обычному изотопу измеряется с помощью ускорительной масс-спектрометрии . Затем рассчитывается исходная концентрация космогенного изотопа в образце с использованием измеренного изотопного соотношения, массы образца и массы носителя, добавленного в образец.

Радий и радон в результате распада долгоживущих актинидов

Скорость осаждения свинца-210 как функция времени, наблюдавшаяся в Японии

Смотрите также: Актиниды в окружающей среде.

Радий и радон попадают в окружающую среду, поскольку являются продуктами распада урана и тория .

Радон ( ²²² Rn), выброшенный в воздух, распадается до ²¹⁰ Pb и другие радиоизотопы, а также уровни ²¹⁰ Pb можно измерить. Скорость осаждения этого радиоизотопа зависит от погоды. Ниже приведен график скорости осаждения, наблюдаемой в Японии .

Датирование урана и свинца

Основная статья: Датирование урана и свинца

Уран - свинцовое датирование обычно проводят по минералу циркону (ZrSiO ₄ ), хотя можно использовать и другие материалы. Циркон включает атомы урана в свою кристаллическую структуру в качестве заменителя циркония , но категорически отвергает свинец. Имеет высокую температуру схватывания, устойчив к механическим воздействиям и химически инертен. Циркон также образует несколько кристаллических слоев во время метаморфических событий, каждый из которых может указывать изотопный возраст события. Их можно датировать с помощью ионного микрозонда SHRIMP.

Одним из преимуществ этого метода является то, что любой образец обеспечивает два часа: одни основаны на распаде урана-235 до свинца-207 с периодом полураспада около 703 миллионов лет, а другие основаны на распаде урана-238 до свинца-206 с периодом полураспада около 703 миллионов лет. период полураспада около 4,5 миллиардов лет, что обеспечивает встроенную перекрестную проверку, позволяющую точно определить возраст образца, даже если часть свинца была потеряна.

См. также

• Журнал радиоактивности окружающей среды
• Радиоактивный материал природного происхождения
• Радиоэкология
• Радий в окружающей среде
• Уран в окружающей среде

Ссылки

Ссылки на датирование космогенных изотопов

• Госс, Джон К. и Филлипс, Фред М. (2001). «Земные космогенные нуклиды in situ: теория и применение». Четвертичные научные обзоры 20 , 1475–1560 гг.
• Грейнджер, Дэррил Э., Фабель, Дерек и Палмер, Артур Н. (2001). «Плиоцен-плейстоценовый разрез реки Грин-Ривер, штат Кентукки, определенный по радиоактивному распаду космогенных 26Al и 10Be в отложениях Мамонтовой пещеры». Бюллетень Геологического общества Америки 113 (7), 825–836.

Дальнейшее чтение

• Радиоактивность, ионизирующее излучение и ядерная энергия, Дж. Хала и Дж. Д. Навратил.
• Обзор этой темы был опубликован Научным комитетом по проблемам окружающей среды (SCOPE) в отчете SCOPE 50 «Радиоэкология после Чернобыля» .

Внешние ссылки

• Основная лаборатория Университета Пердью, «Космогенные нуклиды». Архивировано 6 июня 2011 г. в Wayback Machine.
• «Датирование космогенного воздействия и возраст Земли»
• Лаборатория космогенных изотопов Вашингтонского университета