Дозообразующие радионуклиды

М.Н. Тихонов, эксперт журнала «Атомная стратегия»

М.И.Рылов, генеральный директор ООО " РЭС-центр" вице-президент РЗК, Санкт-Петербург

Около 250 из известных в настоящее время 3 тыс. ядер элементов являются стабильными. Остальные испытывают радиоактивный распад, в результате чего возникает ионизирующая радиация, и исходное ядро атома превращается в ядро другого элемента, которое может быть, в свою очередь, стабильным или радиоактивным, т.е. способно испытать дальнейший распад.

Кроме того, образовавшееся в результате радиоактивного распада ядро может находиться в возбужденном состоянии, которое снимается путем излучения квантов. Нестабильные радиоактивные ядра называются радионуклидами (РН) [1-6].

Термин " нуклид" был введен в атомную науку для того, чтобы отличать изотопы разных химических элементов по их ядерно-физическим свойствам. Нуклид – это атом с данным числом протонов в ядре Z, которое определяет заряд ядра, и числом нейтронов N. Сумма A=Z+N представляет собой массовое число нуклида. Эти три числа определяют место нуклида (его квадрат) в Международной карте нуклидов-2003. Число Z является порядковым номером химического элемента в Периодической системе Менделеева.

В настоящее время одной из важнейших и актуальных проблем радиоэкологической безопасности (РЭБ) населения является поиск эффективных путей защиты от вредных воздействий как природных, так и искусственных радионуклидов. Особое место в радиоэкологическом мониторинге занимает контроль за содержанием дозообразующих радионуклидов. Большинство этих элементов применяется в самых разных областях науки и современных технологиях производства, поэтому в статье, наряду с основными характеристиками дозообразующих радионуклидов, дана оценка их потенциальной радиационно-гигиенической значимости. Основная геохимическая особенность РН – их совместное присутствие в природных объектах, поэтому на производственных этапах, предшествующих их полному разделению, объектами контроля должно быть как внешнее, так и внутреннее облучение работников.

В биосфере Земли содержится более 60 естественных радионуклидов (ЕРН). Их можно подразделить на две категории: первичные и космогенные [7, 8].

Космогенные радионуклиды непрерывно образуются в основном в атмосфере при взаимодействии космического излучения преимущественно с ядрами атомов азота, кислорода и аргона, а затем поступают на земную поверхность с атмосферными осадками. К ним относятся: H-3, C-14, Be-7, Na-22 и др. (всего 14 радионуклидов). Главными реакциями образования C-14 и H-3 являются: ¹⁴N+n→ ¹²C+³H и ¹⁴N+n→ ¹⁴C+p. Тритий и радиоуглерод С-14 являются космогенными источниками последующего внутреннего облучения человека на Земле. Основными космогенными источниками внешнего облучения являются Be-7, Na-22 и Na-24, однако на уровне Земли они не вносят существенного вклада в суммарную дозу внешнего гамма-излучения.

Первичные радионуклиды делят на две группы: РН уранового и ториевого семейств и РН, находящиеся вне этих радиоактивных семейств. В первую группу входят 32 РН, среди которых такие долгоживущие нуклиды, как торий-232 (период полураспада 14, 1 млрд. лет), уран-238 (4, 51 млрд. лет), уран-235 (710 млн. лет), радий-226 (1602 года), свинец-210 (22, 3 года) и др.; во вторую группу – 11 долгоживущих РН, которые присутствуют в различных объектах среды с момента образования Земли и имеют период полураспада от10⁷ до 10¹⁵ лет (калий-40, рубидий-87 и др.). Переработка природного сырья позволяет получать радиоактивные элементы в больших количествах.

Все РН делятся на две основные группы. РН, испускающие потоки альфа-частиц, называются альфа-излучателями, а испускающие электроны – бета-излучающими РН. К числу последних относятся некоторые изотопы радия, кобальта, йода, свинца, стронция, цезия, бария и других элементов. Очень часто, но не всегда, α - и β -распад сопровождается выделением гамма-кванта. Существуют РН, которые не испускают α - и β -частиц, но испускают γ -кванты. На практике их обычно называют «чистыми» гамма-излучателями.

Как и всякая область человеческой деятельности, атомная промышленность и энергетика порождают свои отходы – радиоактивные (РАО). Особенность этих отходов в том, что их активность определяется главным образом не естественными РН, поступившими в биосферу после их извлечения из земных недр, а новыми искусственными РН, не существовавшими ранее в природе в ощутимых количествах.

В принципе РАО могут содержать любые из 1300 известных РН.

Периоды полураспада некоторых РН естественного (природного) или искусственного происхождения приведены в табл.1.

Таблица 1
Периоды полураспада дозообразующих нуклидов

Опасность, связанную с ЕРН, можно оценить исходя из того, что по современным представлениям доза 1 мЗв увеличивает риск заболевания с фатальным исходом на 6, 3 10. Согласно оценкам Научного комитета ООН по действию атомной радиации (НКДАР), в настоящее время эффективная эквивалентная доза за год от естественных РН составляет около 2, 4 мЗв на человека. Доза 2, 4 мЗв/год увеличивает риск на 1, 4 10 в год или на 0, 01 за 70 лет. Это означает, что в среднем один из ста человек преждевременно умирает от рака и тяжелых наследуемых эффектов, вызванных естественными РН.

Во времена «холодной войны» производство оружия во имя национальной безопасности брало верх над вопросами охраны окружающей среды и здоровья населения. В результате этого окружающей среде нанесен ущерб, размеры которого становятся видны только теперь. Источником радиоактивности являются продукты урана-235 и плутония-239, составляющие основу боеприпаса. При взрыве водородной бомбы добавляются еще продукты деления урана-238.

В процессе взрыва образуется до 300 радиоактивных изотопов с периодом полураспада от долей секунд до нескольких лет. Все они обладают высокой активностью. При взрывах атомных бомб как один из поражающих факторов образуется радиоактивное заражение (РЗ) местности. Этот термин применяется также для характеристики зон на следе радиоактивного облака. Опасность поражения людей в районах РЗ местности может сохраняться продолжительное время – меяцы, а иногда и годы [17 – 20]. Производство ядерного оружия в США и России сопровождалось накоплением актинидных отходов сложного химического состава.

В связи с развитием атомной энергетики все более остро встает проблема контроля за выбросами вредных веществ в окружающую среду (табл.2).

Таблица 2
Классификация радионуклидов, наиболее представительных в выбросах предприятий ядерного топливного цикла, по путям их миграции и степени равновесносности в окружающей среде (по И.Е. Артемовой и др., 1990)

Из опубликованных материалов аварии на ЧАЭС известно, что во внешнюю среду произошел выброс 500 МегаКюри радиоактивных коротко- и долгоживущих изотопов. Ученые выделили в выбросах из аварийного реактора 27 основных радионуклидов. Среди изотопов выделялись: нептуний-239, церий-141, церий-144, рутений-103, ниобий-95, теллур - 132, йод-131, неодим-147, барий-140, цирконий-95, цезий-134 и цезий -137. Одними из особо опасных веществ на первой стадии формирования радиоэкологической обстановки были радиоактивные изотопы: криптон-85, ксенон-133, тритий, углерод-14, цезий-137, йод-131 и др. Облако, состоящее из данных летучих радионуклидов, представляло собой мощный поток γ -излучения.

На второй стадии основным фактором радиационной опасности выступает радиоактивный йод-131. Благодаря своей летучести он распространяется на значительные территории. Поступление йода в организм происходит по двум цепочкам: «трава – корова – молоко - человек» и «воздушная среда – человек». Уже через два месяца количество его из-за малого периода полураспада (Т =8, 04 сут.) уменьшилось в 250 раз.

Третья - заключительная стадия характеризуется формированием опасности для людей долгоживущими радионуклидами: цезием -137 и -134, стронцием-90, изотопами плутония-239, -240, -241, в меньшей степени цезием-144 и рутением-106. В настоящее время γ -активность почв и растений обусловлена в основном цезием-137, β -активность – стронцием-90, α -активность - изотопами плутония.

Загрязнение территории йодом-131 обусловило большие дозы облучения щитовидной железы у людей, что привело в последующем к значительному увеличению ее патологии. При оценках величины полученной дозы населением, проживающим на загрязненных территориях, лицами, эвакуированными из зоны отселения, и ликвидаторами необходимо учитывать вклад таких короткоживущих радионуклидов, как молибден, технеций, лантан, барий, благородные газы (ксенон, криптон) [17, 21–23]. «Цезиевый период» будет продолжаться много десятков лет [24].

Ионизирующие излучения, проникая в клетки живого организма, производят ионизацию и возбуждение атомов и молекул. При этом энергия излучения полностью или частично (в зависимости от вида излучения и его энергии) передается атомам и молекулам. В результате химические связи в клетках организма могут быть разрушены, и структура клеток может измениться. При этом нарушается функционирование клеток и даже целых органов, что приводит к возникновению заболеваний [9].

Ниже приведены краткие характеристики наиболее часто наблюдаемых при РЗ местности дозообразующих нуклидов [2, 10-13]. Первое, что необходимо знать, это изотопный состав радионуклидов на местности.

1. Уран

Уран (U - uranium) – металлический химический элемент семейства актиноидов, которые включают Ac, Th, Pa, U и трансурановые элементы (Np, Pu, Am, Cm, Bk, Сf, Es, Fm, Md, No, Lr). Уран - один из наиболее тяжелых элементов (относительная плотность 19), встречающихся в природе. Это серебристо-белый глянцеватый металл. Чистый металл очень плотный, пластичный, немного мягче стали. Он ковкий, гибкий, обладает небольшими парамагнитными свойствами, электороположительный с малой электропроводностью и высокореакционноспособный. Основные физические свойства урана: температура плавления - 1132, 2°С; температура кипения - 3818°С; плотность – 18, 95 г/см³ (в альфа-фазе); удельная теплоемкость – 6, 65 кал/моль/°С (25°С); прочность на разрыв – 450 МПа.

Химически уран очень активный металл. Быстро окисляясь на воздухе, он покрывается радужной пленкой оксида. Мелкий порошок урана самовоспламеняется на воздухе, он зажигается при температуре 150—175°С, образуя U₃O. При 1000°С уран соединяется с азотом, образуя желтый нитрид урана. Вода способна разъедать металл, медленно при низкой температуре, и быстро при высокой, а также при мелком измельчении порошка урана. Уран растворяется в соляной, азотной и других кислотах, образуя четырёхвалентные соли, зато не взаимодействует с щелочами. При сильном встряхивании металлические частицы урана начинают светиться.

Уран широко распространён в природе. Содержание урана в земной коре составляет 0, 003%. Кларк урана составляет 1 10 % (вес). Количество урана в слое литосферы толщиной 20 км оценивается в 1, 3 10¹⁴ т.

Уран имеет 14 изотопов, при этом только три из них встречаются в природе. Все другие изотопы урана от U до U получают искусственно. Все изотопы урана нестабильны. Все его соединения проявляют радиоактивность. Изотопы урана ²³⁸U и ²³⁵U являются родоначальниками двух радиоактивных рядов. Конечными элементами этих рядов являются изотопы свинца ²⁰⁶Pb и Pb (рис. 1, 2).

Рис. 1. Радиоактивное семейство ²³⁸U

Рис. 2. Радиоактивное семейство ²³⁵U

Природный уран состоит из трех α -радиоактивных изотопов: уран-238 (период полураспада 4, 5·10⁹ лет), уран-235 (7, 13·10⁸ лет) и уран-234 (2, 48·10⁵ лет). Основную массу природного урана составляет уран-238 – 99, 282 %. На уран-235 приходится лишь 0, 712 %, а на уран-234 – 0, 006 %. В природную облученность биосферы основной вклад вносит уран-238, радиоактивные продукты его распада и уран-234. Уран-234 имеет значительно меньший период полураспада, поэтому в α -облучение среды он вносит почти такой же вклад, что и уран-238, несмотря на его малое процентное содержание [2-5, 7, 8, 12, 14]. Примерно половину радиоактивности природного урана составляет вклад ²³⁴U. Природный уран достаточно радиоактивен для засвечивания фотопластинки за время около 1 ч. Удельная активность изотопа ²³⁵U в природном уране в 21 раз меньше активности ²³⁸U.

Ядра ²³⁴U и ²³⁵U делятся при захвате как тепловых, так и быстрых нейтронов, а ядра ²³⁸U способны к делению только при захвате нейтронов с энергией более 1МэВ. При захвате нейтронов с меньшей энергией ядра ²³⁸U превращаются сначала в ядра ²³⁹U, которые далее испытывают β -распад и последовательно превращаются в ²³⁹Np и ²³⁹Pu (этот процесс осуществляется в так называемых бридерных ядерных реакторах). Следовательно, природный уран можно считать, как делящимся элементом (благодаря содержанию урана -235), так и воспроизводящим (благодаря содержанию урана-238).

В малых количествах, в мелкодисперсном состоянии уран входит в состав почти всех пород земной коры, находится в почвах, подземных водах, водах рек, морей и океанов, в живых организмах. Его содержание варьирует в широких пределах в различных магматических горных и осадочных породах, что видно из табл. 3 [14-16].

В различных породах земной коры количество урана варьирует в больших пределах. Урановые руды имеются по всему миру. Запасы и коммерческие сделки выражаются в эквивалентных массах U₃O. Один килограмм U₃O₈ стоит в среднем около 40$. Уран более распространен, чем ртуть или серебро и содержится в промышленных рудах в таких же концентрациях, как мышьяк или молибден. Его средняя концентрация в земной коре примерно 2 части к 1 миллиону, занимает 48 место по содержанию в кристаллических породах. В литосфере уран более распространен, чем такие недорогие вещества как цинк и бор, встречающиеся в концентрациях 4 г/т.

Содержание урана в гранитных породах вполне достаточное, чтобы радиоактивный газ радон, продукт распада, представлял серьезную биологическую опасность в местах выхода гранита на поверхность. Уран обнаружен и в морской воде, в концентрации 150 мкг/м³. Уран входит в достаточной концентрации в 150 различных минералов, и в небольшом количестве - еще в 50. Его содержание в гранитах – от 10^-4 до 4, 75 %, в ортитах – 0, 05 %, в моноцитах – 0, 1 %, в самаркитах – около 10 % и в уранитах – до 70 % [14].

В основном уран выделяют из урановой смолки, уранинита, отунита, браннерита, карнотита или торбернита. Он также извлекается из других вторичных ресурсов, таких как отходы производства суперфосфата или остатки золотодобывающих производств. Обычным процессом является восстановление тетрафторида с помощью кальция или магния или электролизом.

Из продуктов радиоактивного распада урана-238 наибольший интерес, с точки зрения их вклада в природный радиоактивный фон (ПРФ), имеют радий-226, свинец-210 и полоний-210.

Таблица 3
Содержание урана в земных породах

Рудоносные залежи урана широко распространены в мире (США, Австрия, ЮАР, Канада, Россия, Намибия, Бразилия, Франция, Индия и др.). Вокруг рудоносных отложений урана на многие сотни километров образуются урановые провинции с повышенным содержанием урана. Так, например, в Южной Америке большую известность получили обширные площади с повышенным радиоактивным фоном в Бразилии (штаты Минас-Жерайс, Рио-де-Жанейро, Эспириту-Санту и др.), несомненно связанные с урановыми месторождениями вдоль Бразильского горного щита. В урановых провинциях земное облучение биоты в 2-10 раз выше среднемирового.

Разное содержание урана в основных породах и различия в процессах выветривания, вымывания, разрушения этих пород приводят к неодинаковому содержанию урана в почвах различного происхождения, о чем можно судить по данным табл. 4.

Таблица 4
Содержание урана в различных почвах

Реки и озера тоже разнятся по содержанию урана в зависимости от состава окружающих пород, о чем дает представление табл. 5.

Таблица 5
Содержание урана в реках и озерах России

В морях и океанах содержание урана колеблется в пределах (1, 3-600)·10^-7 г/л в зависимости от места и глубины взятия пробы. Некоторые показатели сведены в табл.6.

Таблица 6
Содержание урана в водах морей и океанов

Из почв, рек, озер, морей и океанов уран поступает в микроорганизмы, растительный и животный мир. Многие микроорганизмы способны накапливать уран из окружающей среды, причем коэффициенты накопления колеблются от 2 до 35000 (для Bacillus megaterium коэффициент равен 35000). Имеются работы, показывающие значительное накопление урана планктоном с коэффициентами накопления от 3 до 1600 в зависимости от видового состава планктона и содержания урана в среде. В наземную растительность в большом количестве уран поступает из почвы, образуя концентрации от 7, 1·10^-7 до 1, 9·10^-2 % (на золу) в различных видах и частях растения.

Очень активно поглощают уран из воды озер, морей и океанов водоросли. Для одноклеточных водорослей были найдены коэффициенты накопления от 800 до 3900 [Sakaguchi et al., 1978]. Сильно поглощают уран харовые водоросли с коэффициентом накопления от 100 до 1400.

С кислородом уран образует ряд соединений: UO₂, U₃O₇, U₃O₈ и др. В растворах устойчив уранил-ион UO₂²⁺, содержащий уран в степени окисления +6. Из соединений важное значение имеет легколетучий фторид UF₆, температура сублимации которого 56, 4°С. Это соединение используют при разделении изотопов ²³⁵U и ²³⁸U [3, 4].

Наибольшее применение имеет изотоп урана ²³⁵U, в котором возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция. Под действием медленных (тепловых) нейтронов он делится с освобождением огромной энергии. Полное деление ²³⁵U приводит к выделению теплового энергетического эквивалента 2 10 кВт ч/кг. Поэтому этот изотоп используется как топливо в ядерных реакторах, а также в ядерном оружии.

Деление ²³⁵U можно использовать не только для получения больших количеств энергии, но и для синтеза других важных актиноидных элементов. Уран природного изотопного состава можно использовать в ядерных реакторах для производства нейтронов, образующихся при делении ²³⁵U, в то же время избыточные нейтроны, не востребуемые цепной реакцией, могут захватываться другим природным изотопом, что приводит к получению плутония.

Изотоп ²³⁸U способен делиться под влиянием бомбардировки высокоэнергетическими нейтронами, эту его особенность используют для увеличения мощности термоядерного оружия (используются нейтроны, порождённые термоядерной реакцией). В результате захвата нейтрона с последующим β -распадом ²³⁸U может превращаться в Pu, который затем используется как ядерное топливо.

Выделение изотопа ²³⁵U из природного урана - сложная технологическая проблема [2, 4].Для разделения урана в разное время использовались (ются) следующие технологии: электромагнитное разделение, газовая диффузия, жидкостная термодиффузия, газовое центрифугирование, аэродинамическая сепарация, испарение с использованием лазера, химическое разделение. Чтобы получить уран, обогащенный ураном-235, и уран, обедненный ураном-235 (т.е. обогащенный ураном-238), гексафторид урана подвергают изотопному разделению с помощью электромагнитной, центробежной или газодиффузионной сепарации.

Уран-233, искусственно получаемый в реакторах из тория (торий-232 захватывает нейтрон и превращается в торий-233, который распадается в протактиний-233 и затем в уран-233), может в будущем стать распространённым ядерным топливом для атомных электростанций (уже сейчас существуют реакторы, иcпoльзyющиe этот нуклид в качестве топлива, например KAMIN1 в Индии) и производства атомных бомб (критическая масса около 16 кг) [25].

Несмотря на недостаток в виде сильной гамма - и нейтронной радиоактивности, U-233 - прекрасный делящийся материал для ядра атомной бомбы. Он обладает меньшей критической массой, чем U-235, и его ядерные характеристики сходны с плутонием. США производили испытания зарядов на основе U-233 в операции Teapot в 1957 году. Индия придает большое значение U-233 как части исследования и производства оружия и официально включила производство изотопа в свою ядерную программу.

Уран-233 также является наиболее перспективным топливом для газофазных ядерных ракетных двигателей. Обеднённый уран используется для радиационной защиты (как это ни странно) и как балластная масса в аэрокосмических применениях, таких как рулевые поверхности летательных аппаратов. В каждом самолёте «Боинг-747» содержится 1500 кг обеднённого урана для этих целей. Ещё этот материал применяется в высокоскоростных роторах гироскопов, больших маховиках, как балласт в космических спускаемых аппаратах и гоночных яхтах, при бурении нефтяных скважин.

Самое известное применение обеднённого урана — в качестве сердечников для бронебойных снарядов. Сплавы типа «Стабилла» применяются в стреловидных оперенных снарядах танковых и противотанковых артиллерийских орудий. Такие снаряды были использованы войсками НАТО в боевых действиях на территории Югославии. После их применения обсуждалась экологическая проблема радиационного загрязнения территории страны. Впервые уран в качестве сердечника для снарядов был применен в Третьем Рейхе. Обеднённый уран используется в современной танковой броне, например, танка М-1 «Абрамс».

Согласно выпущенной ОЭСР «Красной книге по урану», в 2005 г. было добыто 41250 т урана (в 2003 г. - 35492 т). По данным ОЭСР в мире функционирует 440 реакторов коммерческого назначения, которые потребляют в год 67000 т урана. Это означает, что его производство обесп е чивает лишь 60% объёма его потребления (остальное извлекается из старых ядерных боеголовок). Степень обогащения по U-235 в ядерном топливе для АЭС колеблется в пределах 2-4.5%, для оружейного использования - минимум 80%, а более предпочтительно 90%. В США уран-235 оружейного качества обогащен до 93, 5%, промышленность способна выдавать 97, 65% - уран такого качества используется в реакторах для военно-морского флота.

В 1998 г. изотопное отделение Ок-Риджской Национальной лаборатории (ORNL) поставляло 93% U-235 по цене 53$/г. Уран - слаборадиоактивный элемент, обычно продается в форме чушек, пригодных для полировки, опиливания, прокатывания и т.п. (чтобы получить бруски и стержни, трубы, листы, проволоку и т.п.). Реальная его цена на рынке не очень высока — необогащённая окись урана U₃O₈ стоит меньше 100 американских долларов за килограмм. Связано это с тем, что для запуска атомного реактора на необогащённом уране нужны десятки или даже сотни тонн топлива, а для изготовления ядерного оружия следует обогатить большое количество урана для получения пригодных для создания бомбы концентраций.

Его использование сосредоточено в основном в технологии керамики и в металлургии; оксиды урана широко применяются для окраски стекла в цвета от бледножелтого до темнозеленого, что способствовало развитию недорогих стекольных производств. Сегодня изделия этих производств идентифицируют как флуоресцирующие под ультрафиолетовыми лучами. Желтый уранил и применяют для изготовления фарфоровых глазурей и в производстве флуоресцентных стекол.

Во время Первой мировой войны и вскоре после нее уран в виде карбида применяли в производстве инструментальных сталей, аналогично Мо и W; 4-8% урана заменяли вольфрам, производство которого в то время было ограничено. Для получения инструментальных сталей в 1914-1926 гг. ежегодно производили по нескольку тонн ферроурана, содержащего до 30% (масс.) U. Сплавы железа и обеднённого урана (уран-238) применяются как мощные магнитострикционные материалы. Карбид урана-235 в сплаве с карбидом ниобия и карбидом циркония применяется в качестве топлива для ядерных реактивных двигателей (рабочее тело — водород+ гексан).

В начале XX века уранилнитрат широко применялся для усиления негативов и окрашивания (тонирования) позитивов (фотографических отпечатков) в бурый цвет. Основная отрасль использования урана – определение возраста минералов и горных пород с целью выяснения последовательности протекания геологических процессов. Этим занимаются геохронология и теоретическая геохронология. Существенное значение имеет также решение задачи о смещении и источниках вещества

Уран применяют в ядерных реакторах и ядерном оружии. Критическая масса ²³⁵U составляет от 1-2 кг (в растворе) до 50-60 кг. Находит использование и обедненный ²³⁵U уран-238 как защитный материал при поглощении рентгеновского и γ -излучения и для других целей.

Уран альфа-радиоактивен. Соли урана – сильные яды. Наиболее интенсивно уран накапливается в почках.

По пищевым цепям уран переходит в организм человека. Оценка поступления урана с пищей в организм человека, проведенная в различных странах, показала колебания в пределах (0, 74-4, 44)·10^-2 Бк/сут, при выделении с мочой – (1, 1-4.8)·10^-3 Бк/сут. Это приводило к средней активности в скелете от 0, 14 до 0, 18 Бк/кг, а в мягких тканях – (0, 1-1, 1)·10^-2 Бк/кг. Соединения урана всасываются в желудочно-кишечном тракте - около 1 %, в легких — 50 %. Основные депо в организме: селезенка, почки, скелет, печень, лёгкие и бронхо-лёгочные лимфатические узлы. Содержание урана в органах и тканях человека и животных не превышает 10 г.

Уран и его соединения токсичны.Особенно опасны аэрозоли урана и его соединений. Для аэрозолей растворимых в воде соединений урана ПДК в воздухе - 0, 015 мг/м³_, для нерастворимых форм урана ПДК - 0, 075 мг/м³. При попадании в организм уран действует на все органы, являясь общеклеточным ядом. Молекулярный механизм действия урана связан с его способностью подавлять активность ферментов. В первую очередь поражаются почки (появляются белок и сахар в моче, олигурия ). При хронической интоксикации возможны нарушения кроветворения и нервной системы [9, 20, 23, 24, 26].

Приведены основные характеристики дозообразующих радионуклидов. Основной упор сделан на изложение потенциальной опасности радионуклидов. В целях безопасности применения рассмотрены радиотоксические и радиобиологические эффекты воздействия радиоизотопов на организм и окружающую среду. Изложенное даёт возможность более осознанно относиться к радиационной опасности дозообразующих радионуклидов.

Изотопы тория

Торий – (Th - thorium), химический элемент III группы периодической системы элементов, металл, относится к актиноидам, атомный номер 90, атомная масса 232, 0381. Торий радиоактивен, стабильных изотопов не имеет, наиболее долгоживущие изотопы ²³⁰Th (период полураспада 7, 5 10⁴ лет) и ²³²Th (период полураспада 1, 4 10¹⁰ лет). В природе наиболее распространен изотоп ²³²Th, его содержание в земной коре 8 10 %, примерно столько же, сколько свинца [3, 4, 14].

Впервые торий выделен И. Берцелиусом в 1828 г. из минерала, позже получившим название торит (содержит сульфат тория), торий - был назван его первооткрывателем по имени бога грома Тора в скандинавской мифологии. Чистый препарат тория был получен лишь в 1882 г. другим известным шведским химиком - первооткрывателем скандия Ларсом Фредериком Нильсоном. Следующее важное событие в истории элемента № 90 произошло в 1898 г., когда независимо друг от друга и практически одновременно Мария Склодовская-Кюри и немецкий ученый Герберт Шмидт обнаружили, что торий радиоактивен.

Со временем были обнаружены достаточно многочисленные продукты алхимических превращений тория. Резерфорд изучил их и установил генетические связи. На основе этих исследований им был сформулирован закон радиоактивных превращений, а в мае 1903 г. ученый предложил схему последовательных распадов естественного радиоактивного ряда тория.

Торий оказался родоначальником довольно большого семейства (рис. 3).

Рис. 3. Радиоактивное семейство ²³²Th

Большинство изотопов ториевого ряда «живет» всего дни, часы, минуты, секунды, а иногда миллисекунды. Конечный продукт распада тория-232 – свинец, как и у урана. Но «урановый» свинец и «ториевый» свинец не совсем одно и то же. Торий в конце концов превращается в свинец-208, а уран-238 – в свинец-206. Постоянство скорости распада и совместное присутствие в минералах материнских и дочерних изотопов (в определенном радиоактивном равновесии) позволили еще в 1904 г. установить, что с их помощью можно измерять геологический возраст. Первым эту идею высказал один из светлейших умов своего времени – Пьер Кюри.

Вторым широко распространенным ЕРН после урана является торий-232 (²³²Th), находящийся в природе в состоянии равновесия со своими многочисленными, как правило, короткоживущими дочерними продуктами радиоактивного распада (ДПР).

Хотя чистый ²³²Th с периодом полураспада 1, 45·10¹⁰ лет является только α -излучателем (с энергией 3, 95-4, 01 МэВ), практически в зонах его распространения ПРФ повышен за счет электронов (β -излучение с энергией от 0, 05 до 2, 26 МэВ) и гамма-лучей (с энергией от 0, 2 до 2, 6 МэВ), излучаемых ДПР, в первую очередь такими, как β -излучатель мезоторий 1 (MsTh₁) – радий-228 с периодом полураспада в 5, 8 лет; α - и γ -излучатель радиоторий ²²⁸Th с периодом полураспада 1, 9 лет; α - и γ -излучатель торий X (ThX) – радий-224 с периодом полураспада 3, 66 сут и др. (табл.7). Склодовская-Кюри еще в 1898 г. отметила, что активность чистого тория выше активности урана. Именно радиоактивность - основная причина повышенного интереса к элементу №90. Торий все шире используется в атомной энергетике как сырье для получения первичного ядерного горючего [25].

Таблица 7
Основные характеристики изотопов тория

Элементом первостепенной важности, стратегическим металлом торий стал лишь после второй мировой войны. Практически весь природный торий состоит из²³²Th, так как массовое содержание в нем ²²⁸Th – лишь 1, 37·10^-8 %. Остальные четыре изотопа генетически связаны с радиоактивными семействами ²³⁸U (²³⁴Th, ²³⁰Th) и ²³⁵U (²³¹Th, ²²⁷Th). Как и всякий чётно-чётный изотоп (чётное число протонов и нейтронов)_, торий-232 не способен делиться тепловыми нейтронами и быть ядерным горючим. Но под действием нейтронов с торием происходит следующая реакция: ²³²₉oTh +¹_o n—> ²³³₉o Th - (β ^-) —> ²³³₉₁ Pa - (β ^-) —> ²³³₉₂ U. Уран-233 - отличное ядерное горючее, поддерживающее цепную реакцию. Уран-233 имеет некоторые преимущества перед другими видами ядерного горючего: при делении его ядер выделяется больше нейтронов. Каждый нейтрон, поглощенный ядром плутония-239 или урана-235, дает 2, 03-2_, 08 новых нейтронов, а урана-233 — намного больше — 2, 37.

Для тория характерны крайне низкие концентрации в водной среде (табл.7) вследствие склонности его солей к гидролизу, при этом основная часть их включена во взвеси и коллоиды. В истинно растворенном состоянии в форме полимерных ионов находится не более 20 % тория. Серебристо-белый пластичный металл - торий, образует сплавы со многими металлами. Температура плавления - 1750° С, температура кипения — 4200° С, плотность — 7, 24 г/см³_, при температуре ниже 1, 4 К становится сверхпроводником,

Торий весьма реакционноспособен — быстро тускнеет на воздухе, в кипящей воде покрывается пленкой ThO₂. Мелкодисперсный металлический торий вспыхивает на воздухе из-за энергичного окисления. Торий растворим в разбавленных минеральных кислотах: соляной, азотной, серной; концентрированной азотной кислотой он пассивируется, не реагирует со щелочами. Запасы этого элемента только в редкоземельных рудах втрое превышают все мировые запасы урана. Это неминуемо приведет к увеличению роли ториевого ядерного горючего в энергетике будущего [3, 4, 25].

Торий, как и уран, встречается в окружающем нас мире в виде крупных месторождений, образующих обширные провинции с высоким его содержанием, и в мелкодисперсном состоянии во всех земных породах (табл. 8) и водах [14]. Минерал монацит - важнейший источник редкоземельных элементов и тория. Тория в монаците содержится, как правило, от 2, 5 до 12%. Богатые монацитовые россыпи, помимо Бразилии, есть в Индии, США, Австралии, Малайзии. Известны и жильные месторождения этого минерала - на юге Африки, ураноторианит – находится на острове Мадагаскар.

Таблица 8
Типичные концентрации тория в горных породах и почвах, Бк/кг

В кислых вулканических лавах содержание тория доходит до 550 Бк/кг. Концентрация тория в почвах 33 штатов США колеблется в пределах 3, 7-125, 8 мБк/кг.

Из горных пород и почв торий-232 и особенно легко выщелачивающийся продукт его распада радий-228 поступают в грунтовые воды, воды рек, морей и океанов. Из почвы и воды – в биоту. Содержание радия-228 в поверхностных водах в моноцитовых районах Бразилии достигает 120 мБк/л.

Торий в морских водах присутствует в коллоидном состоянии в очень малом количестве – порядка 10^-6 г/л. Морские организмы накапливают его в значительном объеме. Коэффициенты накопления в природных условиях лежат в пределах: для зеленых водорослей – от 1, 3·10³ до 1, 8·10⁶, бурых водорослей – от 9, 4·10³ до 1, 45·10⁶ и для красных – от 1, 7·10⁴ до 8, 9·10⁶ [7, 8, 26].

В приземном воздухе концентрация тория сильно меняется в зависимости от его запыленности. Так, например, если в Норвегии она находится в пределах 28-36 нБк/м³, то в северных районах Германии составляет 460-470 нБк/м³ [Kolb, 1982]. При дыхании торий попадает в легкие, где его среднее содержание для человека равно 20 мБк/кг [НКДАР, 1982]. Для организма человека, проживающего в районах с низким содержанием тория, в среднем принимаются величины: для костной ткани в пределах 6-24 мБк/кг, а для мягких тканей – 0, 15-3, 0 мБк/кг. В районах с повышенным содержанием тория оно соответсвенно выше.

Применяется в ядерной технике и энергетике как элемент ядерно-топливного цикла. Широко распространен как легирующий и присадочный элемент, используется в качестве геттера в производстве электроламп. Двуокись тория является огнеупорным материалом. В авиационной и оборонной технике наших дней широко используются многокомпонентные сплавы на основе магния. Торий-магниевые и торий-вольфрамовые сплавы используются в самолетостроении и в производстве термоионных устройств. Наряду с цинком, марганцем, цирконием в их состав входят торий и редкоземельные элементы. Торий заметно повышает прочность и жаростойкость этих легких сплавов, из которых делают ответственные детали реактивных самолетов, ракет, электронных устройств. Сейчас торий используется и как катализатор – в процессах органического синтеза и крекинга нефти, а также при получении жидкого топлива из угля. Гидриды тория применяют для получения высокочистого тория.

Разработано большое количество методов определения ²³²Th как физических, так и химических. Концентрации других изотопов находят с помощью регистрации α -, β - и γ -излучения непосредственно самих РН или ДПР в инструментальном варианте или после радиохимического выделения. Отделение тория чрезвычайно затруднено, поскольку монацит содержит элементы по свойствам близкие к торию - редкоземельные металлы, уран. Применение тория в качестве ядерного горючего затруднено прежде всего тем, что в побочных реакциях образуются изотопы с высокой активностью. Главный из таких загрязнителей уран-232 - альфа-и гамма-излучатель с периодом полураспада 73, 6 года.

Многочисленные сложности ториевого производства усугубляются необходимостью надежной радиационной защиты. Выделение изотопов тория из концентрата в радиохимически чистом виде осуществля­ется чаще всего с помощью ионообменной хроматографии на катионитах и анионитах или экстракцией хелатообразующими реагентами и высокомолекулярными аминами. Приготовление счетного образца (в случае α -спектрометрического определения) выполняется электролитическим способом.