Ядерные излучения и искусственные радионуклиды представляют собой двойственное явление: с одной стороны, они несут в себе значительные риски, связанные с развитием ядерных технологий, а с другой — находят широкое и полезное применение в различных сферах, включая промышленность, сельское хозяйство, медицину и научные изыскания.
Естественный радиационный фон
Природная радиоактивность формируется за счет элементов, содержащихся в земной коре, таких как уран и торий. Их средняя концентрация составляет более одной миллионной доли, причем тория примерно в три раза больше. Общие запасы этих элементов на планете превышают квадриллион тонн, создавая радиоактивность порядка 10^16 Кюри. Вместе с другими естественными источниками, такими как космическое излучение и изотоп калий-40, они формируют природный радиационный фон. На поверхности Земли его уровень в среднем составляет около 0,14 микрозиверта в час. Однако в некоторых регионах, особенно из-за выхода и накопления в зданиях радиоактивного газа радона, этот фон может быть выше в десятки раз и более.
Техногенное воздействие на радиационный фон
Помимо ядерных взрывов, деятельность человека вносит существенные коррективы в естественный радиационный уровень. Ключевыми факторами здесь являются добыча урана (а в перспективе, возможно, и тория), а также эксплуатация ядерных реакторов и всех сопутствующих производственных циклов, включая обращение с радиоактивными отходами. Запасы урана в достаточно богатых месторождениях, где концентрация металла в руде превышает 0.1%, оцениваются примерно в 10 миллионов тонн. Ожидается, что в следующем столетии масштабы добычи не выйдут за эти рамки.
Локальное повышение радиоактивности часто связано с образованием так называемых «хвостов» — отходов обогащения урановой руды. Активность этих отходов, содержащих долгоживущие изотопы, такие как торий-230, радий-226 и протактиний-231, снижается крайне медленно. Интересно, что в отличие от урана, торий-232 не образует долгоживущих продуктов распада в своей цепочке.
Искусственная радиоактивность от ядерных реакторов
Значительно более мощным источником радиоактивности являются ядерные реакторы. Основной процесс её генерации — ядерные реакции, инициируемые нейтронами. Небольшой вклад вносят также реакции под действием гамма-излучения высокой энергии, альфа-частиц, а при использовании ускорителей — протонов высоких энергий.
В реакторе электрической мощностью 1 гигаватт каждую секунду происходит примерно 10^20 актов деления ядер. При этом рождается около 3*10^20 нейтронов и 2*10^20 осколков деления, большинство из которых радиоактивны и порождают цепочки последующих бета-распадов. Дополнительные цепочки радионуклидов образуются при поглощении нейтронов не только ураном, но и другими компонентами топлива и конструкционными материалами реактора. В условиях радиоактивного равновесия общая активность реактора может превышать 10^10 Кюри. Если же исключить из расчета наиболее короткоживущие изотопы, оценка всё равно останется впечатляющей — более 10^9 Кюри.
После длительной выдержки извлеченных из реактора продуктов деления их общая активность определяется наиболее долгоживущими изотопами, которые не успевают достичь равновесия за время работы реактора.
Активация конструкционных материалов
Облучение нейтронами приводит к так называемой наведенной радиоактивности в материалах конструкции реактора и его компонентов. Хотя уровень этой активности (обычно в пределах 10^6 Кюри) существенно ниже, чем у продуктов деления, она создает серьезные проблемы при проведении ремонтных работ, демонтаже оборудования и обращении с образующимися радиоактивными отходами.
Перспективы термоядерных реакторов
Кардинально снизить радиационную опасность в энергетике могут термоядерные реакторы, особенно те, в которых используются реакции синтеза, не сопровождающиеся образованием нейтронов и трития. Однако в наиболее проработанном варианте дейтерий-тритиевого термоядерного синтеза проблема радиоактивности сохраняется.
Удельная активность трития очень высока — около 10^4 Кюри на грамм. Хотя его количество непосредственно в камере реактора невелико, в системах воспроизводства трития (бланкете), конструкциях, системах очистки и подготовки топлива может накапливаться от 1 до 2 килограммов этого изотопа. Общая активность такого количества трития превысит 10^7 Кюри. Кроме того, в реакторе мощностью 1 ГВт (эл.) каждую секунду происходит около 10^21 реакций синтеза с рождением такого же количества нейтронов. Поглощение даже 1% этих нейтронов в конструкционных материалах может привести к образованию равновесной наведенной активности более 10^8 Кюри.
Ключевое преимущество термоядерных реакторов перед реакторами деления заключается в возможности выбора специальных материалов. Использование слабо активируемых материалов или материалов, продукты активации которых имеют короткий период полураспада, позволяет значительно снизить радиационную опасность при эксплуатации, ремонте, в случае аварий и при утилизации отходов.
Оценка радиационной опасности
При оценке опасности радионуклидов, образующихся в реакторах, недостаточно учитывать только интенсивность их распада, выраженную в Кюри. Крайне важны и другие факторы: вид и энергия испускаемого излучения (альфа, бета, гамма), а также химические свойства элемента, которые определяют его поведение в окружающей среде и, что особенно важно, в живом организме. Эти свойства влияют на то, как радионуклид накапливается, распределяется и выводится из тела. Учет всех этих параметров отражен в установленных нормах — допустимых концентрациях радионуклидов в воде и воздухе.
