IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Введение

С давних времен человек совершенствовал себя, как физически, так и умственно, постоянно создавая и совершенствуя орудия труда. Постоянная нехватка энергии заставляла человека искать и находить новые источники, внедрять их, не заботясь о будущем. Таких примеров множество: паровой двигатель побудил человека к созданию огромных фабрик, что за собой повлекло мгновенное ухудшение экологи в городах. Другим примером служит создание каскадов гидроэлектростанций, затопивших огромные территории и изменившие до неузнаваемости экосистемы отдельных районов. В порыве за открытиями в конце XIX в. двумя учёными: Пьером Кюри и Марией Склодовской-Кюри было открыто явление радиоактивности.

Целью работы изучить представления о радиоактивности, биосфере, влияние радиоактивного излучения на живой организм и сделать соответствующие научные выводы.

1. Радиация и радиоактивность

Атомное ядро представляет собой положительно заряженную центральную часть атома, в которой сосредоточено 99,96 % его массы. Хотя атомные ядра и не имеют резких границ, можно считать, что большинство из них имеют приблизительно шарообразную форму с радиусом порядка 10^-15 м и плотностью ~ 2,7·10¹⁷ кг/м³.

Первые экспериментальные данные о ядре были получены Э. Резерфордом в 1910 году.

Квантовая физика объясняет существование атомных ядер действием внутри их особых, ядерных сил. Вот некоторые их свойства:

1. Ядерные силы обеспечивают притяжение нуклонов друг к другу, причем независимо от того, в каком зарядовом состоянии (протонном или нейтронном) эти нуклоны находятся;

2. Ядерные силы на 2–3 порядка интенсивнее электромагнитных;

3. Ядерные силы имеют короткодействующий характер, т.е. проявляются лишь на очень малых расстояниях, сравнимых с радиусом атомного ядра.

Радиация существовала всегда. Радиоактивные элементы входили в состав Земли с начала ее существования и продолжают присутствовать до настоящего времени. Однако само явление радиоактивности было открыто всего сто лет назад.

В 1896 году французский ученый Анри Беккерель (автор термина радиоактивность – способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра, испуская при этом различные частицы) случайно обнаружил, что после продолжительного соприкосновения с куском минерала, содержащего уран, на фотографических пластинках после проявки появились следы излучения.

Позже этим явлением заинтересовались Мария Кюри и Пьер Кюри. В 1898 году они обнаружили, что в результате излучения уран превращается в другие элементы, которые молодые ученые назвали полонием и радием. К сожалению люди, профессионально занимающиеся радиацией, подвергали свое здоровье, и даже жизнь опасности из-за частого контакта с радиоактивными веществами. Несмотря на это исследования продолжались, и в результате человечество располагает весьма достоверными сведениями о процессе протекания реакций в радиоактивных массах, в значительной мере обусловленных особенностями строения и свойствами атома.

Различают несколько видов радиации.

Альфа-частицы: относительно тяжелые, положительно заряженные частицы, представляющие собой дважды ионизированные ядра атома гелия.

Бета-частицы – это быстрые электроны и позитроны.

Гамма-излучение имеет ту же электромагнитную природу, что и видимый свет, однако обладает гораздо большей проникающей способностью.

Нейтроны – электрически нейтральные частицы, возникают главным образом непосредственно вблизи работающего атомного реактора, куда доступ, естественно, регламентирован.

1.  

   1. Основные термины и единицы измерения

Радиоактивный распад – весь процесс самопроизвольного распада нестабильного нуклида.

Радионуклид – нестабильный нуклид, способный к самопроизвольному распаду.

Период полураспада изотопа – время, за которое распадается в среднем половина всех радионуклидов данного типа в любом радиоактивном источнике.

Радиационная активность образца – число распадов в секунду в данном радиоактивном образце; единица измерения – беккерель (Бк).

Поглощенная доза – энергия ионизирующего излучения, поглощенная облучаемым телом (тканями организма), в пересчёте на единицу массы; единица измерения – грей (Гр).

Эквивалентнаядоза – поглощенная доза, умноженная на коэффициент, отражающий способность данного вида излучения повреждать ткани организма; единица измерения – зиверт (Зв).

Эффективнаяэквивалентнаядоза – эквивалентная доза, умноженная на коэффициент, учитывающий разную чувствительность различных тканей к облучению; единица измерения – зиверт (Зв).

Коллективная эффективнаяэквивалентнаядоза – эффективная эквивалентная доза, полученная группой людей от какого-либо источника радиации; единица измерения – человеко-зиверт (чел-Зв).

Полная коллективная эффективная эквивалентная доза – коллективная эффективная эквивалентная доза, которую получат поколения людей от какого-либо источника за все время его дальнейшего излучения.

1.3 Источники радиационного излучения

Существует два способа облучения: если радиоактивные вещества находятся вне организма и облучают его снаружи, то речь идет о внешнем облучении. Другой способ облучения – при попадании радионуклидов внутрь организма с воздухом, пищей и водой – называют внутренним.

Источники радиоактивного излучения весьма разнообразны, но их можно объединить в две большие группы: естественные и искусственные (созданные человеком). Причем основная доля облучения (более 75 % в год) приходится на естественный фон.

Источники радиации

Естественные Техногенные

Естественные источники радиации:

- долгоживущие (уран-238, уран-235, торий-232);

- короткоживущие (радий, радон);

- долгоживущие одиночные, не образующие семейств (калий-40);

- радионуклиды, возникающие в результате взаимодействия космических частиц с атомными ядрами вещества Земли (углерод-14).

Разные виды излучения попадают на поверхность Земли либо из космоса, либо поступают от радиоактивных веществ, находящихся в земной коре, причем земные источники ответственны в среднем за 5/6 годовой эффективной эквивалентной доз, получаемой населением, в основном вследствие внутреннего облучения.

Уровни радиационного излучения неодинаковы для различных областей биосферы.

Рисунок 1 – Уровень радиационного излучения

Так, Северный и Южный полюсы более, чем экваториальная зона, подвержены воздействию космических лучей из-за наличия у Земли магнитного поля, отклоняющего заряженные радиоактивные частицы. Кроме того, чем больше удаление от земной поверхности, тем интенсивнее космическое излучение.

Иными словами, проживая в горных районах и постоянно пользуясь воздушным транспортом, мы подвергаемся дополнительному риску облучения. Люди, живущие выше 2000 м над уровнем моря, получают в среднем из-за космических лучей эффективную эквивалентную дозу в несколько раз большую, чем те, кто живет на уровне моря.

Уровни земной радиации также распределяются неравномерно по поверхности Земли и зависят от состава и концентрации радиоактивных веществ в земной коре. Так называемые аномальные радиационные поля природного происхождения образуются в случае обогащения некоторых типов горных пород ураном, торием, на месторождениях радиоактивных элементов в различных породах, при современном при вносе урана, радия, радона в поверхностные и подземные воды, геологическую среду.

По данным исследований около 95% населения этих стран проживает в районах, где мощность дозы облучения колеблется в среднем от 0,3 до 0,6 мЗв в год. Эти данные можно принять за средние по миру, поскольку природные условия в вышеперечисленных странах различны.

Есть несколько «горячих точек», где уровень радиации намного выше. К ним относятся несколько районов в Бразилии: окрестности города Посус-ди-Калдас и пляжи близ Гуарапари, где уровень радиации достигает 250 и 175 миллизивертов в год соответственно. Это превышает средние показатели в 500-800 раз. Здесь, а также в другой части света, на юго-западном побережье Индии, подобное явление обусловлено повышенным содержанием тория в песках. Вышеперечисленные территории в Бразилии и Индии являются наиболее изученными в данном аспекте, но существует множество других мест с высоким уровнем радиации, например в Нигерии, на Мадагаскаре.

По территории России зоны повышенной радиоактивности также распределены неравномерно и известны как в европейской части страны, так и в Зауралье, на Полярном Урале, в Западной Сибири, Прибайкалье, на Дальнем Востоке, Камчатке, Северо-востоке.

Источники радиации, созданные человеком – это техногенные источники радиации.

Искусственные источники радиационного облучения существенно отличаются от естественных не только происхождением.

Во-первых, сильно различаются индивидуальные дозы, полученные разными людьми от искусственных радионуклидов. В большинстве случаев эти дозы невелики, но иногда облучение за счет техногенных источников гораздо более интенсивно, чем за счёт естественных.

Во-вторых, для техногенных источников упомянутая вариабельность выражена гораздо сильнее, чем для естественных.

Наконец, загрязнение от искусственных источников радиационного излучения (кроме радиоактивных осадков в результате ядерных взрывов) легче контролировать, чем природно-обусловленное загрязнение.

Энергия атома используется человеком в различных целях: в медицине, для производства энергии и обнаружения пожаров, для изготовления светящихся циферблатов часов, для поиска полезных ископаемых и, наконец, для создания атомного оружия.

Основной вклад в загрязнение от искусственных источников вносят различные медицинские процедуры и методы лечения, связанные с применением радиоактивности. Основной прибор, без которого не может обойтись ни одна крупная клиника – рентгеновский аппарат, но существует множество других методов диагностики и лечения, связанных с использованием радиоизотопов.

Следующий источник облучения, созданный руками человека – радиоактивные осадки, выпавшие в результате испытания ядерного оружия в атмосфере, и, несмотря на то, что основная часть взрывов была произведена еще в 1950-60е годы, их последствия мы испытываем на себе и сейчас.

Один из наиболее обсуждаемых сегодня источников радиационного излучения является атомная энергетика. На самом деле, при нормальной работе ядерных установок ущерб от них незначительный. Дело в том, что процесс производства энергии из ядерного топлива сложен и проходит в несколько стадий.

Ядерный топливный цикл начинается с добычи и обогащения урановой руды, затем производится само ядерное топливо, а после отработки топлива на АЭС иногда возможно вторичное его использование через извлечение из него урана и плутония. Завершающей стадией цикла является, как правило, захоронение радиоактивных отходов. На каждом этапе происходит выделение в окружающую среду радиоактивных веществ, причем их объем может сильно варьироваться в зависимости от конструкции реактора и других условий. Кроме того, серьезной проблемой является захоронение радиоактивных отходов, которые еще на протяжении тысяч и миллионов лет будут продолжать служить источником загрязнения.

Дозы облучения различаются в зависимости от времени и расстояния. Чем дальше от станции живет человек, тем меньшую дозу он получает.

На примере Чернобыльской трагедии мы можем сделать вывод о чрезвычайно большой потенциальной опасности атомной энергетики: при любом минимальном сбое АЭС, особенно крупная, может оказать непоправимое воздействие на всю экосистему Земли. Масштабы Чернобыльской аварии не могли не вызвать оживленного интереса со стороны общественности. Но мало кто догадывается о количестве мелких неполадок в работе АЭС в разных странах мира.

Осталось указать несколько искусственных источников радиационного загрязнения, с которыми каждый из нас сталкивается повседневно.

Это, прежде всего, строительные материалы, отличающиеся повышенной радиоактивностью. Среди таких материалов – некоторые разновидности гранитов, пемзы и бетона, при производстве которого использовались глинозем, фосфогипс и кальциево-силикатный шлак. Известны случаи, когда стройматериалы производились из отходов ядерной энергетики, что противоречит всем нормам, это, безусловно, является загрязнением биосферы.

1.4 Влияние радиации на организм

Воздействие радиации на организм может быть различным, но почти всегда оно негативно. В малых дозах радиационное излучение может стать катализатором процессов, приводящих к раку или генетическим нарушениям, а в больших дозах часто приводит к полной или частичной гибели организма вследствие разрушения клеток тканей.

Сложность в отслеживании последовательности процессов, вызванных облучением, объясняется тем, что последствия облучения, особенно при небольших дозах, могут проявиться не сразу, и зачастую для развития болезни требуются годы или даже десятилетия.

Кроме того, вследствие различной проникающей способности разных видов радиоактивных излучений они оказывают неодинаковое воздействие на организм: -частицы наиболее опасны, однако, для -излучения даже лист бумаги является непреодолимой преградой; -излучение способно проходить в ткани организма на глубину один-два сантиметра; наиболее безобидное -излучение характеризуется наибольшей проникающей способностью: его может задержать лишь толстая плита из материалов, имеющих высокий коэффициент поглощения, например, из бетона или свинца.

Различается чувствительность отдельных органов к радиоактивному излучению. Поэтому, чтобы получить наиболее достоверную информацию о степени риска, необходимо учитывать коэффициенты чувствительности тканей при расчете эквивалентной дозы облучения. Вероятность повреждения тканей зависит от суммарной дозы и от величины дозировки, так как благодаря репарационным способностям большинство органов имеют возможность восстановиться после серии мелких доз.

Крайние значения допустимых доз радиации:

Орган	Допустимая доза
Красный костный мозг	0,5-1 г
Хрусталик глаза	0,1-3 г
Почки	23 г
Печень	40 г
Мочевой пузырь	55 г
Зрелая хрящевая ткань	>70 г
Примечание: Допустимая доза – суммарная доза, получаемая человеком в течение 5 недель.

Тем не менее, существуют дозы, при которых летальный исход практически неизбежен. Так, например, дозы порядка 100 г приводят к смерти через несколько дней или даже часов вследствие повреждения центральной нервной системы, от кровоизлияния в результате дозы облучения в 10–50 г смерть наступает через одну–две недели, а доза в 3–5 грамм грозит обернуться летальным исходом примерно половине облученных.

Знания конкретной реакции организма на те или иные дозы необходимы для оценки последствий действия больших доз облучения при авариях ядерных установок и устройств или опасности облучения при длительном нахождении в районах повышенного радиационного излучения, как от естественных источников, так и в случае радиоактивного загрязнения. Однако даже малые дозы радиации не безвредны и их влияние на организм и здоровье будущих поколений до конца не изучено. Однако можно предположить, что радиация может вызвать, прежде всего, генные и хромосомные мутации, что в последствии может привести к проявлению рецессивных мутаций.

Следует более подробно рассмотреть наиболее распространенные и серьезные повреждения, вызванные облучением, а именно рак и генетические нарушения. В случае рака трудно оценить вероятность заболевания как следствия облучения. Любая, даже самая малая доза, может привести к необратимым последствиям, но это не предопределено. Тем не менее, установлено, что вероятность заболевания возрастает прямо пропорционально дозе облучения.

Среди наиболее распространенных раковых заболеваний, вызванных облучением, выделяются лейкозы. Оценка вероятности летального исхода при лейкозе более надежна, чем аналогичные оценки для других видов раковых заболеваний. Это можно объяснить тем, что лейкозы первыми проявляют себя, вызывая смерть в среднем через 10 лет после момента облучения. За лейкозами «по популярности» следуют: рак молочной железы, рак щитовидной железы и рак легких. Менее чувствительны желудок, печень, кишечник и другие органы и ткани.

Что касается генетических последствий радиации, то они проявляются в виде хромосомных аберраций (в том числе изменения числа или структуры хромосом) и генных мутаций. Генные мутации проявляются сразу в первом поколении (доминантные мутации) или только при условии, если у обоих родителей мутантным является один и тот же ген (рецессивные мутации), что является маловероятным.

Изучение генетических последствий облучения еще более затруднено, чем в случае рака. Неизвестно, каковы генетические повреждения при облучении, проявляться они могут на протяжении многих поколений, невозможно отличить их от тех, что вызваны другими причинами.

Приходится оценивать появление наследственных дефектов у человека по результатам экспериментов на животных.

При оценке риска НКДАР использует два подхода: при одном определяют непосредственный эффект данной дозы, при другом – дозу, при которой удваивается частота появления потомков с той или иной аномалией по сравнению с нормальными радиационными условиями.

Так, при первом подходе установлено, что доза в 1 г, полученная при низком радиационном фоне особями мужского пола (для женщин оценки менее определенны), вызывает появление от 1000 до 2000 мутаций, приводящих к серьезным последствиям, и от 30 до 1000 хромосомных аберраций на каждый миллион живых новорожденных.

При втором подходе получены следующие результаты: хроническое облучение при мощности дозы в 1 г на одно поколение приведет к появлению около 2000 серьезных генетических заболеваний на каждый миллион живых новорожденных среди детей тех, кто подвергся такому облучению.

Оценки эти ненадежны, но необходимы. Генетические последствия облучения выражаются такими количественными параметрами, как сокращение продолжительности жизни и периода нетрудоспособности, хотя при этом признается, что эти оценки не более чем первая грубая прикидка. Так, хроническое облучение населения с мощностью дозы в 1 г на поколение сокращает период трудоспособности на 50 000 лет, а продолжительность жизни – также на 50 000 лет на каждый миллион живых новорожденных среди детей первого облученного поколения; при постоянном облучении многих поколений выходят на следующие оценки: соответственно 340 000 лет и 286 000 лет.

Радиация воздействует в три этапа:

1) Ионизирующее излучение проходит сквозь живые организмы, оно передает энергию тканям и клеткам – физический этап.

(При этом происходит ионизация атомов и моле­кул, т.е. отрыв электронов.)

2) В результате возникают свободные радикалы: электрон и остаток атома или молекулы – химический этап.

3) Выбитые электроны вызывают биологические повреждения.

Типы биологических повреждений.

Два типа биологического действия ионизации на живые клетки (по Э. Стернглассу, 1982):

1. Прямое повреждение – «пулеобразное» действие (главным образом на ДНК), выбитые электроны разрушают молекулярные связи непосредственно в структуре, где они были выбиты.

2. Косвенное повреждение – путем образования свободных радикалов (главным образом на фосфолипиды мембран клеток) ущерб наносят реакционные частицы, которые образовались в дали от данной структуры, но приблизи­лись к ней в результате блужданий.

В результате воздействия радиации:

- Наблюдаются изменения на всех уровнях организации живой материи. Молекулярный уровень характеризуется по­вреждением ферментов, ДНК, РНК, следовательно, нарушается обмен веществ. Особо чувствительными оказываются молекулы ДНК, в которых возникают разрывы, приводящие к мутациям, являющимися в большинстве случаев вредными.

- Н.П. Бочковым (1993 год) было показано увеличение частоты мутаций в 2–4 раза у проживающих на чернобыльских территориях с плотностью загрязнения более 3-х Ku/км².

- Генетические нарушения приводят к наследственным заболеваниям. Многие из эмбрионов с тяжелыми наследственными нарушениями не доживают до рожде­ния, следовательно, возрастает число спонтанных абортов. Но если даже дети с наследственными дефектами рождаются живыми, вероятность для них дожить до своего первого дня рождения в 5 раз меньше, чем для нормальных детей. Но бывает и так, что рождаются дети с врожденными пороками. Наблюдались такие аномалии конечностей, как отсутствие конечностей, амилия – полное отсутствие, фокомилия – отсутствие плеча или предплечья, при этом кисть сочленяется с лопаткой, отсутствие лучевой кости; добавочная верхняя конечность; косорукость; синдактилия – сращение пальцев кисти перепонками; клешнеобразные кисти и стопы; добавочная нижняя конечность и восьмипалость; укорочение конечностей; пороки развития голени и стопы.

- Раннее сращение швов костей черепа в детском возрасте приводит к нарушению роста костей черепа, к дeфopмации черепа.

- Пocлe воз­действия радиации наблюдаются аномалии и в развитии головного мозга, причем очень часто они не совместимы с жизнью. Например, микроцефалия представляет собой результат недостаточного роста головного мозга. Масса мозга при этом дос­тигает 1000 г. Микроцефалия часто наблюдалась после взрыва в Хиросиме. Кроме того, встречались случаи циклопии – срастание радужной оболочки глаз.

- Радиация вызывает гибель многих клеток. Особенно чувствительны клетки крови, половые клетки, кишечный и плоский эпителий. Обнаружено, что за пер­вый месяц после облучения потеря эритроцитов может достигнуть 25 %, в резуль­тате развивается анемия. Уменьшение количества лейкоцитов в крови называется лейкопенией. Параллельно уменьшается количество тромбоцитов, которые отве­чают за свертывание крови, поэтому в результате радиационного поражения мо­жет возникнуть геморрагический синдром (кровотечение). Под действием ионизирующей радиации могут возникнуть нарушения кроветворения, самым серьезным из них является нарушение дифференциации клеток, приводящее к лейкозу, болезни, характеризующейся избыточным содержанием в крови неполноценных белых кле­ток, её называют «раком крови».

В результате действия ионизирующих излучений может происходить трансформация клеток в злокачественные, развивается рак.

Радиоактивное облучение может привести к развитию лучевой болезни, которая протекает в несколько этапов. На первом этапе появляются такие симптомы, как головокружение, головная боль, тошнота, рвота, нарушение аппетита, расстройство сна, в тяжелых случаях потеря сознания.

Второй период – период «кажущегося благополучия», характеризующийся исчезновением выше перечисленных симптомов, хотя молекулярные изменения, возникшие в клетках, и в биологических мембранах прогрессируют; активизируется гормональная система.

- Третий этап – разгар болезни, сопровождающийся повторным всплеском гормональной активности, снижением иммунитета, нарушением обмена веществ. Может наступить смерть от истощения, от кровотечения в сердце и мозг, от изменений в работе внутренних органов (печени, почек, кишечника и т.д.), от присоединения инфекции.

Рисунок 2 – Влияние радиации на организм

2. Биосфера и её загрязнение

Настоящее время влияние человека на Землю достигло таких масштабов, что речь необходимо вести не о природе, как об абстрактном понятии или об окружающей среде, а именно о загрязнение биосферы.

История его, если можно говорить о такой истории, началась не вчера, не с началом научно-технической революции и даже не с появлением человека, а может быть, и жизни. Увеличение содержания каких-либо химических элементов, а также появление на той или иной территории не присущих определенному ореолу элементов, насчитывает миллиарды лет, то есть с момента образования Земли.

Благодаря таким процессам собственно и шла эволюция нашей планеты, которая привела к появлению жизни и комфортной для нее сферы обитания, то есть биосферы. Загрязнение биосферы на всем протяжении ее существования мало чем отличались. И это вполне естественно, потому что всё живое и неживое на Земле состоит из одних и тех же химических элементов. В силу определённых причин они могли скапливаться в каких-то местах либо на Землю попадали из космоса новые вещества. Но все это были естественные или природные способы и источники.

С ними экосистема боролась сама, приспосабливалась, адаптировалась, сопротивлялась, стабилизировалась, то есть развивалась и эволюционировала.

То же самое происходило и с появлением человека, но до тех пор как не «свершилась» научно-техническая революция. С ней в биосферу, во все ее слои и те, где сконцентрирована жизнь на планете и в те, которые эту жизнь обеспечивают, стало поступать кратно увеличенное количество элементов.

С развитием химической ядерной промышленности биосфера стала насыщаться веществами искусственно произведенными, переработка их естественным путем невозможна, а также теми, которые могут быть переработаны в природе, но имеют слишком длительный срок такой переработки. Искусственными или ксенобиотикам являются вещества и соединения, рожденные современной наукой и получающие все большее применение в промышленном производстве. Другими, срок переработки которых в естественных условиях настолько велик, что их можно приравнять к предыдущей категории, являются радиоактивные вещества, образующиеся в результате проведения контролируемых ядерных реакций.

Сегодня загрязнению подвергаются: вода, почва, воздух, животные, птицы, рыбы, растения, человек.

Наконец, человечество начало самостоятельно вырабатывать необходимую ему, и совершенно лишнюю для планеты, энергию. Энергетическое загрязнение набирает свои обороты. Если Земля за период своей эволюции всячески стремилась ограничить приток энергии, основным источником которой был и пока является Солнце, то человек действует в абсолютном диссонансе с природой. Увеличивая объемы вырабатываемой энергии, он совершенно не заботится об эффективности и полноте ее использования. А главное, о ее утилизации.

Человечество говорит о нехватке энергии для собственных нужд и максимально наращивает ее производство, в то время как использует не полностью. В то время как для природы, круговорота веществ в ней достаточно 10 % энергии предыдущей ступени трофической цепи.

Биосфера вступила в новый «этап». В.И. Вернадский назвал его ноосфера, где благодаря человеку, биосферы источники загрязнения, виды и формы не только расширились и увеличились по объему, но и появились новые. Кроме внутренних, природных и космических, добавился антропогенный, то есть изобретенный и произведенный человеком. Несвойственных природе веществ и процессов становится все больше, а сфера их распространения все шире. Одними из таких видов является химическое и радиоактивное.

2.1 Источники радиоактивного загрязнения биосферы

По данным учёных Сахаева и Щербицкого, в начале 80-х годов ХХ столетия на нашей планете добывалось около 100 млрд т различных руд, горючих ископаемых, строительных материалов. При этом в результате хозяйственной деятельности человека в биосферу поступило более 200 млн т диоксида углерода, около 146 млн т диоксида серы, 53 млн т оксидов азота и другие химические соединения. Побочными продуктами деятельности промышленных предприятий явились также 32 млрд м³ неочищенных сточных вод и 250 млн т пыли.

Земля, всё живое и неживое на ней состоит из химических элементов. Органическое и неорганическое вещество – это железо, кислород, кремний, магний, сера, никель, кальций, алюминий, азот, фосфор, углерод и т.д. в различных формах, соединениях, соотношениях и пропорциях. Превышение допустимого, необходимого или природного уровня этих веществ в одном месте и есть химическое загрязнение биосферы. Пока его можно считать основным или базовым видом загрязнения.

Загрязнение может носить местный или локальный характер, быть одноразовым или постоянным. Ему могут подвергаться как живые организмы, так и косное вещество. Это загрязнение следует различать по характеру и степени нанесенного вреда и ущерба. Но самой важной характеристикой химического загрязнения должна быть возможность устранения последствий или хотя бы их локализация. К сожалению, в силу различных причин, ликвидация последствий редко приносит положительные результаты, а потому вполне можно говорить о том, что даже незначительное, оно становится частью общего, глобального. Химическое загрязнение биосферы происходит разными способами, веществами и из различных источников. Одним, из которых, является химическая промышленность. Наряду с другими отраслями промышленного производства, транспортом, сельским хозяйством и энергетикой, предприятия этой отрасли меньше по объему загрязняющих веществ, но разнообразнее по составу. В первую очередь это: органические растворители, амины, альдегиды, хлор, разнообразные ксенобиотики и др.

Биосферу химическая промышленность загрязняет не только самим технологическим процессом, но и продукцией, а также результатами ее использования. Химическому загрязнению подвергаются все слои биосферы.

Источниками загрязнения атмосферы являются:

• промышленность;

• транспорт;

• тепловые станции.

«Лидируют» в этом процессе металлургия и предприятия химии. В гидросферу загрязнения попадают с промышленными сбросами, коммунально-бытовыми, талыми и ливневыми стоками. Основные загрязняющие вещества и соединения это: мышьяк, свинец, ртуть, неорганические кислоты, углеводороды в разных видах и формах, токсичные тяжелые металлы, нефть и нефтепродукты.

У литосферы основной источник загрязнения – бытовой сектор. Не меньшая роль у промышленности, транспорта, сельского хозяйства и энергетики. От них в почву поступают тяжелые металлы, пестициды, нефтепродукты, кислотные соединения и тому подобное.

Всего в производственной деятельности человек использует более 60 тысяч химических соединений. Наиболее распространенными из них являются:

• оксид углерода;

• сернистый и серный ангидрид;

• сероводород;

• оксиды азота;

• двуокись серы;

• соединения фтора;

• свинца;

• хлора;

• углеводороды и их пары;

• альдегиды и некоторые другие.

Химическое загрязнение носит, как правило, комплексный эффект, то есть оно не воздействует на какой-то отдельный компонент биосферы, а поражает в ней и живое и неживое вещество.

Радиоактивное загрязнение биосферы стало «возможно» с развитием человеческих познаний в область атомарного строения вещества. Первым актом такого загрязнения следует считать опытные испытания и военные применение, направленное против человека, в 1945 году ядерного оружия.

Биосферу, а значит все ее компоненты и составляющие, загрязняет так называемый радиоактивный химический элемент. Он может быть естественного или искусственного происхождения. К радиоактивным относят все изотопы такого элемента и все смеси, в которые он входит. Радиоактивным свойством элемента является его способность в результате происходящих изменений выбрасывать элементарные частицы, их кванты или ядерные фрагменты. Это природное свойство. Оно присуще элементам, по атомарной массе следующим за свинцом, согласно периодической таблице Д.И. Менделеева. Это: калий, кальций, ванадий, цирконий, молибден, кадмий, вольфрам, осмий, платина, висмут, уран, радий, радон, астат, углерод-14.

Кроме того, радиоактивность можно определить как способность этих элементов, при создании определенных условий, генерировать энергию и распространять ее в виде потоков или волн. Такое явление называется радиацией. Основным источником энергии на Земле является Солнце. Но вырабатывать энергию могут как живые организмы, так и косное и биокосное вещество. Например, уголь, торф, базальт, гранит и некоторые другие руды.

Загрязнение радиоактивными веществами, по сути, носит характер загрязнения биосферы энергией, ее излишней концентрацией в живой и неживой природе.

Радиоактивное загрязнение биосферы относится к физическому виду загрязнений. Ему свойственно аккумулироваться или накапливаться в веществе, двигаясь вверх по трофической цепи. Больше всего радиоактивных веществ накапливают мхи и лишайники. В живом организме накапливание происходит в костных тканях.

Основными радиоактивными веществами являются:

• Йод-131;

• Стронций-90;

• Цезий-137;

• Кобальт-60;

• Америт-241.

Период их полураспада или природной переработки может достигать 450 лет. К природным источникам радиоактивного загрязнения относят добычу торфа, угля, урановых руд и тому подобных. На местах разработок создаются в процессе эксплуатации рудника, а потом и остаются:

• отвалы;

• могильники;

• зола;

• пыль;

• содержащие радиоактивные элементы;

• технологические;

• сточные и ливневые воды;

разносят эти элементы далеко за пределы месторождения.

Основным и главным источником радиоактивного загрязнения Земли является искусственный, а именно деятельность человека в области исследования и использования атома и его энергии.

• Атомные электростанции;

• реакторы и двигатели;

• ядерное топливо;

• оружие;

• их разработка;

• испытание;

• использование и утилизация;

– всё это источники попадания радиоактивных веществ в землю, воду, воздух, организмы животных и человека.

Радиоактивное загрязнение биосферы, как ни какое другое, несет в себе наиболее парадоксальный характер. Оно является последствием желания человека обладать дополнительной энергией, в то время как вся биологическая система Земли построена именно для уменьшения и сокращения ее роли и отрицательного воздействия. Это с одной стороны.

С другой оно, как прямо, созданием и применением ядерного оружия или выбросом радиации в результате аварий, так и косвенно, накоплением радиоактивных элементов в веществе и организмах, направлено на уничтожение человечества. И вопрос уже не в том: «Зачем человеку это надо?». А в том, является ли человек разумным, как утверждает русский академик В.И. Вернадский.

2.2 Радиоактивные отходы и их захоронение

К радиоактивным отходам относятся не подлежащие дальнейшему использованию материалы, растворы, газообразные среды, изделия, аппаратура, биологические объекты, грунт и т.п., в которых содержание радионуклидов превышает уровни, установленные нормативными актами.

В категорию «РАО» может быть включено также отработавшее ядерное топливо (ОЯТ), если оно не подлежит последующей переработке с целью извлечения из него компонентов и после соответствующей выдержки направляется на захоронение. РАО подразделяются на высокоактивные отходы (ВАО), среднеактивные (САО) и низкоактивные (НАО). Деление отходов по категориям устанавливается нормативными актами.

Радиоактивные отходы представляют собой смесь стабильных химических элементов и радиоактивных осколочных и трансурановых радионуклидов. Осколочные элементы с номерами 35–47; 55–65 являются продуктами деления ядерного топлива. За 1 год работы большого энергетического реактора (при загрузке 100 т ядерного топлива c 5 % урана-235) вырабатывается 10 % (0,5 т) делящегося вещества и производится примерно 0,5 т осколочных элементов. В масштабах страны ежегодно только на энергетических реакторах АЭС вырабатывается 100 т осколочных элементов.

Основными и наиболее опасными для биосферы элементами радиоактивных отходов являются Rb, Sr, Y, Zr, Mo, Ru, Rh, Pd, I, Cs, Ba, La....Dy и трансурановые элементы: Np, Pu, Am и Cm. Растворы радиоактивных отходов высокой удельной активности по составу представляют собой смеси азотнокислых солей с концентрацией азотной кислоты до 2,8 моль/литр, в них присутствуют добавки HF (до 0,06 моль/литр) и H₂SO₄(до 0.1 моль/литр). Общее содержание солей конструкционных элементов и радионуклидов в растворах составляет приблизительно 10 мас.%. Трансурановые элементы образуются в результате реакции нейтронного захвата. В ядерных реакторах топливо (обогащенный природный уран) в виде таблеток UO₂ помещается в трубки из циркониевой стали (тепловыделяющий элемент – ТВЭЛ). Эти трубки располагаются в активной зоне реактора, между ними помещаются блоки замедлителя (графита), регулирующие стрежни (кадмиевые) и трубки охлаждения, по которым циркулирует теплоноситель - чаще всего, вода. Одна загрузка ТВЭЛов работает примерно 1–2 года.

Радиоактивные отходы образуются:

• при эксплуатации и снятии с эксплуатации предприятий ядерного топливного цикла (добыча и переработка радиоактивных руд, изготовление тепловыделяющих элементов, производство электроэнергии на АЭС, переработка отработавшего ядерного топлива);

• в процессе реализации военных программ по созданию ядерного оружия, консервации и ликвидации оборонных объектов и реабилитации территорий, загрязненных в результате деятельности предприятий по производству ядерных материалов;

• при эксплуатации и снятии с эксплуатации кораблей военно-морского и гражданского флотов с ядерными энергетическими установками и баз их обслуживания;

• при использовании изотопной продукции в народном хозяйстве и медицинских учреждениях;

• в результате проведения ядерных взрывов в интересах народного хозяйства, при добыче полезных ископаемых, при выполнении космических программ, а также при авариях на атомных объектах.

При использовании радиоактивных материалов в медицинских и других научно-исследовательских учреждениях образуется значительно меньшее количество РАО, чем в атомной отрасли промышленности и военно-промышленном комплексе – это несколько десятков кубических метров отходов в год. Однако применение радиоактивных материалов расширяется, а вместе с ним возрастает объем отходов. Выбор места (площадки) для захоронения или хранения радиоактивных отходов, зависит от ряда факторов: экономических, правовых, социально-политических и природных. Особая роль отводится геологической среде – последнему и важнейшему барьеру защиты биосферы от радиационно-опасных объектов.

Пункт захоронения должен быть окружен зоной отчуждения, в которой допускается появление радионуклидов, но за ее границами активность никогда не достигает опасного уровня. Посторонние объекты могут быть расположены не ближе, чем на расстоянии 3 радиусов зоны от пункта захоронения. На поверхности эта зона носит название санитарно-защитной, а под землей представляет собой отчужденный блок горного массива.

Отчужденный блок необходимо изъять из сферы человеческой деятельности на период распада всех радионуклидов, поэтому он должен располагаться за пределами месторождений полезных ископаемых, а также вне зоны активного водообмена. Проводимые при подготовке к захоронению отходов инженерные мероприятия должны обеспечить необходимый объем и плотность размещения РАО, действие систем безопасности и надзора, а том числе долговременный контроль за температурой, давлением и активностью в пункте захоронения и отчуждаемом блоке, а также за миграцией радиоактивных веществ по горному массиву.

С позиций современной науки, решение о конкретных свойствах геологической среды на участке хранилища должно быть оптимальным, то есть отвечающим всем поставленным целям, и прежде всего гарантирующим безопасность. Оно должно быть объективным, то есть защищаемым перед всеми заинтересованными сторонами. Такое решение должно быть доступным для понимания широкой общественности.

Решение должно предусмотреть степень риска при выборе территории для захоронения РАО, а также опасность возникновения различных чрезвычайных ситуаций. При оценке геологических источников риска загрязнения окружающей среды необходимо учитывать физические (механические, тепловые), фильтрационные и сорбционные свойства горных пород; тектоническую обстановку, общую сейсмическую опасность, новейшую активность разломов, скорость вертикальных движений блоков земной коры; интенсивность изменения геоморфологических характеристик: водообильность среды, активность динамики подземных вод, включая влияние глобального изменения климата, подвижности радионуклидов в подземных водах; особенности степени изоляции от поверхности водонепроницаемыми экранами и образования каналов гидравлической связи подземных и поверхностных вод; наличие ценных ресурсов и перспектив их обнаружения. Эти геологические условия, определяющие пригодность территории для устройства хранилища, должны оцениваться независимо, по представительному параметру для всех источников риска. Они должны обеспечить оценку по совокупности частных критериев, связанных с горными породами, гидрогеологическими условиями, геологическими, тектоническими и минеральными ресурсами. Это позволит экспертам дать корректную оценку пригодности геологической среды. При этом неопределенность, связанная с узостью информационной базы, а также и с субъективизмом экспертов, может быть уменьшена применением оценочных шкал, ранжированием признаков, единой формой опросных листов, компьютерной обработкой результатов экспертизы. Сведения о типе, количестве, ближайшей и долгосрочной динамике поступления ОЯТ предоставят возможность выполнить районирование территории области, чтобы оценить пригодность участков для размещения хранилища, устройства (использование) коммуникаций, развития инфраструктуры и прочих смежных, но не менее важных проблем.

2.3 Радиоактивное загрязнение биосферы

В биосфере повсюду есть естественные источники радиоактивности, и человек, как и все живые организмы, всегда подвергался естественному облучению. Внешнее облучение происходит за счет излучения космического происхождения и радиоактивных нуклидов, находящихся в окружающей среде. Внутреннее облучение создается радиоактивными элементами, попадающими в организм человека с воздухом, водой и пищей.

Для количественной характеристики воздействия излучения на человека используют единицы – биологический эквивалент рентгена (бэр) или зиверт (Зв): 1 Зв = 100 бэр. Так как радиоактивное излучение может вызвать серьёзные изменения в организме, каждый человек должен знать допустимые его дозы.

В результате внутреннего и внешнего облучения человек в течение года в среднем получает дозу 0,1 бэр и, следовательно, за всю свою жизнь около 7 бэр. В этих дозах облучение не приносит вреда человеку. Однако есть такие местности, где ежегодная доза выше средней. Так, например, люди, живущие в высокогорных районах, за счет космического излучения могут получить дозу в несколько раз большую. Большие дозы излучения могут быть в местностях, где содержание естественных радиоактивных источников велико. Так, например, в Бразилии (200 км от Сан-Паулу) есть возвышенность, где годовая доза составляет 25 бэр. Эта местность необитаема.

Наибольшую опасность представляет радиоактивное загрязнение биосферы в результате деятельности человека. В настоящее время радиоактивные элементы достаточно широко используются в различных областях. Халатное отношение к хранению и транспортировке этих элементов приводит к серьезным радиоактивным загрязнениям. Радиоактивное заражение биосферы связано, например, с испытаниями атомного оружия.

Проблема радиоактивного загрязнения возникла в 1945 году после взрыва атомных бомб, сброшенных на японские города Хиросиму и Нагасаки.

Испытания ядерного оружия, производимое в атмосфере, вызвали глобальное радиоактивное загрязнение. Радиоактивные загрязнения имеют существенное отличие от других. Радиоактивные нуклиды – это ядра нестабильных химических элементов, испускающих заряженные частицы и коротковолновые электромагнитные излучения. Именно эти частицы и излучения, попадая в организм человека, разрушают клетки, вследствие чего могут возникнуть различные болезни, в том числе и лучевая. При взрыве атомной бомбы возникает очень сильное ионизирующее излучение, радиоактивные частицы рассеиваются на большие расстояния, заражая почву, водоемы, живые организмы. Многие радиоактивные изотопы имеют длительный период полураспада, оставаясь опасными в течение всего времени своего существования. Все эти изотопы включаются в круговорот веществ, попадают в живые организмы и оказывают губительное действие на клетки. Очень опасен стронций, вследствие своей близости к кальцию. Накапливаясь в костях скелета, он служит постоянным источником облучения организма. При ядерном взрыве образуется громадное количество мелкой пыли, которая долго держится в атмосфере и поглощает значительную часть солнечной радиации.

Заключение

Изучив понятия радиации и радиоактивности, влияние радиации на окружающий мир и человека, мы пришли к выводу, что она является «прыжком в будущее», даже не смотря на огромное количество её негативных последствий. Ведь без радиации врачи не могли бы лечить онкологические заболевания и не было бы космонавтики, других отраслей науки.

Человек – кузнец своего счастья, и поэтому, если он хочет жить и выживать, то он должен научиться безопасно использовать радиацию. Человек должен научится управлять ядерной энергией без вреда для себя и всего окружающего мира, в этом случае человечество достигнет небывалого расцвета цивилизации, сохранив накопленные знания для следующих поколений.

Список литературных и информационных источников

1. И.Н. Лазановская, Д.С. Орлов, Л.К.Садовникова. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении. – М.: Высш. шк., 1998.

2. Т.Х. Маргулова. Атомная энергетика сегодня и завтра. М.: Высш. шк.,1996.

3. А.А. Мельников. Проблемы окружающей среды и стратегия её сохранения : Учеб. пособие. – М., 2009.

4. www.greenpeace.ru

Код для цитирования: Скопировать