Радиоактивный изотоп цезия 137 (изотоп Cs-137): период распада

Цезий и стронций: период полураспада

Но у йода-131 период полураспада «всего» 8 суток, а у цезия-137 около 30 лет.

Период полураспада цезия и стронция, двух основных дозообразующих радионуклидов, составляет около 30 лет.

Сейчас они как раз переживают полураспад, их становится в два раза меньше.

Радиоактивные изотопы, образующиеся при делении

При делении образуются разнообразные изотопы, можно сказать, половина таблицы Менделеева. Вероятность образования изотопов разная. Какие-то изотопы образуются с большей вероятностью, какие-то с гораздо меньшей (см. рисунок). Практически все они радиоактивные. Однако у большинства из них периоды полураспада очень маленькие (минуты или еще меньше) и они быстро распадаются в стабильные изотопы.

Однако, среди них есть изотопы, которые с одной стороны охотно образуются при делении, а с другой имеют периоды полураспада дни и даже годы. Именно они представляют для нас основную опасность. Активность, т.е. количество распадов в единицу времени и соответственно количество «радиоактивных частиц», альфа и/или бета и/или гамма,  обратно пропорциональна периоду полураспада.

Таким образом, если есть одинаковое количество изотопов, активность изотопа с меньшим периодом полураспада будет выше, чем с большим. Но активность изотопа с меньшим периодом полураспада будет спадать быстрее, чем с большим. Йод-131 образуется при делении с приблизительно такой же «охотой» как и цезий-137.

В процессе деления урана, по началу количество продуктов его деления, и йода и цезия растет, но вскоре для йода наступает равновесие – сколько его образуется, столько и распадается. С цезием-137, из-за его относительно большого периода полураспада, до этого равновесия далеко. Теперь, если произошел выброс продуктов распада во внешнюю среду, в начальные моменты из этих двух изотопов наибольшую опасность представляет йод-131.

Во-первых, из-за особенностей деления его образуется много (см. рис.), во-вторых из-за относительно малого периода полураспада его активность высока. Со временем (через 40 дней) его активность упадет в 32 раза, и скоро практически его видно не будет. А вот цезий-137 поначалу может быть «светить» не так сильно, зато его активность будет спадать гораздо медленнее.

Ниже рассказано о самых «популярных» изотопах, которые представляют опасность при авариях на АЭС.

Радиоактивный йод

Основным источником поступления радиойода населению в зонах радионуклидного загрязнения были местные продукты питания растительного и животного происхождения.

Человеку радиойод может поступать по цепочкам:

• растения → человек,
• растения  → животные  → человек,
• вода  → гидробионты  → человек.

Молоко, свежие молочные продукты и листовые овощи, имеющие поверхностное загрязнение, обычно являются основным источником поступления радиойода населению. Усвоение нуклида растениями из почвы, учитывая малые сроки его жизни, не имеет практического значения.

У коз и овец содержание радиойода в молоке в несколько раз больше, чем у коров. В мясе животных накапливаются сотые доли поступившего радиойода. В значительных количествах радиойод накапливается в яйцах птиц. Коэффициенты накопления (превышение над содержанием в воде) 131I в морских рыбах, водорослях, моллюсках достигает соответственно 10, 200-500, 10-70.

Практический интерес представляют изотопы 131-135I . Их токсичность невелика по сравнению с другими радиоизотопами, особенно альфа-излучающими. Острые радиационные поражения тяжелой, средней и легкой степени у взрослого человека можно ожидать при пероральном поступлении 131I в количестве 55, 18 и 5 МБк/кг массы тела. Токсичность радионуклида при ингаляционном поступлении примерно в два раза выше, что связано с большей площадью контактного бета-облучения.

В патологический процесс вовлекаются все органы и системы, особенно тяжелые повреждения в щитовидной железе, где формируются наиболее высокие дозы. Дозы облучения щитовидной железы у детей вследствие малой ее массы при поступлении одинаковых количеств радиойода значительно больше, чем у взрослых (масса железы у детей в зависимости от возраста равна 1:5-7 г., у взрослых – 20 г.).

В исходной статье И.Я. Василенко, О.И. Василенко. Радиоактивный йод про радиоактивный йод содержатся гораздо подробные сведения, которые, в частности, могут быть полезны медицинским работникам.

Радиоактивный цезий

Радиоактивный цезий является одним из основных дозообразующих радионуклидов продуктов деления урана и плутония. Нуклид характеризуется высокой миграционной способностью во внешней среде, включаяпищевые цепочки. Основным источником поступления радиоцезия человеку являются продукты питания животного и растительного происхождения. Радиоактивный цезий, поступающий животным с загрязненным кормом, в основном накапливается в мышечной ткани (до 80 %) и в скелете (10 %).

После распада радиоактивных изотопов йода основным источником внешнего и внутреннего облучения является радиоактивный цезий.

У коз и овец содержание радиоактивного цезия в молоке в несколько раз больше, чем у коров. В значительных количествах он накапливается в яйцах птиц. Коэффициенты накопления (превышение над содержанием в воде) 137Cs в мышцах рыб достигает 1000 и более, у моллюсков – 100-700, ракообразных – 50-1200, водных растений – 100-10000.

Поступление цезия человеку зависит от характера питания. Так после аварии на ЧАЭС в 1990 гю вклад различных продуктов в среднесуточное поступление радиоцезия в наиболее загрязненных областях Беларуси был следующим:  молоко – 19 %, мясо – 9 %, рыба – 0.5 %, картофель – 46 %, овощи – 7.5 %, фрукты и ягоды – 5 %, хлеб и хлебопродукты – 13 %. Регистрируют повышенное содержание радиоцезия у жителей, потребляющих в больших количествах «дары природы» (грибы, лесные ягоды и особенно дичь).

Радиоцезий, поступая в организм, относительно равномерно распределяется, что приводит к практически равномерному облучению органов и тканей. Этому способствует высокая проникающая способность гамма-квантов его дочернего нуклида 137mBa, равная примерно 12 см.

В исходной статье И.Я. Василенко, О.И. Василенко. Радиоактивный цезий про радиоактивный цезий содержатся гораздо подробные сведения, которые, в частности, могут быть полезны медицинским работникам.

Радиоактивный стронций

После радиоактивных изотопов йода и цезия следующим по значимости элементом, радиоактивные изотопы которого вносят наибольший вклад в загрязнение – стронций. Впрочем, доля стронция в облучении значительно меньше.

Природный стронций относится к микроэлементам и состоит из смеси четырех стабильных изотопов 84Sr (0.56 %), 86Sr (9.96 %), 87Sr (7.02 %), 88Sr (82.0 %). По физико-химическим свойствам он является аналогом кальция. Стронций содержится во всех растительных и животных организмах. В организме взрослого человека содержится около 0.3 г стронция. Почти весь он находится в скелете.

В условиях нормальной эксплуатации АЭС выбросы радионуклидов незначительны. В основном они обусловлены газообразными радионуклидами (радиоактивными благородными газами, 14С, тритием и йодом). В условиях аварий, особенно крупных, выбросы радионуклидов, в том числе радиоизотопов стронция, могут быть значительными.

В начальный период 89Sr является одним из компонентов загрязнения внешней среды в зонах ближних выпадений радионуклидов. Однако у 89Sr относительно небольшой период полураспада и со временем начинает превалировать 90Sr.

Животным радиоактивный стронций в основном поступает с кормом и в меньшей степени с водой (около 2 %). Помимо скелета наибольшая концентрация стронция отмечена в печени и почках, минимальная – в мышцах и особенно в жире, где концентрация в 4–6 раз меньшая, чем в других мягких тканях.

Содержание стронция в гидробионтах зависит от концентрации нуклида в воде и степени ее минерализации. Так у рыб Балтийского моря содержание стронция в 5 раз больше, чем у рыб Атлантического океана. Коэффициент накопления достигает 10-100, в основном стронций депонируется в скелете.

Радиоактивный стронций относится к остеотропным биологически опасным радионуклидам. Как чистый бета-излучатель основную опасность он представляет при поступлении в организм.  Населению нуклид в основном поступает с загрязненными продуктами. Ингаляционный путь имеет меньшее значение. Радиостронций избирательно откладывается в костях, особенно у детей, подвергая кости и заключенный в них костный мозг постоянному облучению.

Подробно все изложено в исходной статье И.Я. Василенко, О.И. Василенко. Радиоактивный стронций.

Радиоактивный Цезий-137: технические характеристики

Одинарная или двойная капсула, содержащая радионуклид цезий-137 в виде таблетки из порошка или гранулы на основе цеолита или стеклоплава.

Область применения:

Гамма-радиография, облучательные установки, радиоизотопные приборы для контроля процессов.

Примечание:

Наружные и внутренние капсулы герметизируются аргонодуговой сваркой. Источники по классам прочности соответствуют С(Е) 65546 по ГОСТ 25926 (ISO 2919). Контроль герметичности производится в соответствии с ГОСТ Р 51919-2002 (ИСО 9978:1992(Е)) иммерсионным методом; предел прохождения – 185 Бк (~5 нКи). Конструкции источников сертифицированы на радиоактивный материал особого вида. Назначенный срок службы: 5 лет с даты выпуска для источников типов ИГИ-Ц-4 и 7 лет для остальных типов источников.

Об авторе

Иван Яковлевич Василенко, доктор медицинских наук, профессор, лауреат Государственной премии СССР, ведущий научный сотрудник Государственного научного центра РФ — Института биофизики.

Область научных интересов — токсикология продуктов ядерного деления, радиационная гигиена.

Введение

Среди антропогенных радионуклидов, глобально загрязняющих биосферу, особого к себе внимания требует радиоактивный цезий — один из основных источников, формирующих дозы внешнего и внутреннего облучения людей.

Известно 34 изотопа цезия с массовыми числами 114-148, из них только один (133Cs) стабильный, остальные — радиоактивны.

133Cs относится к рассеянным элементам. В незначительных количествах он содержится практически во всех объектах внешней среды. Кларковое (среднее) содержание нуклида в земной коре — %, в почве — %.

Цезий — постоянный микроэлемент растительных и животных организмов: в живой фитомассе содержится в количестве %, в организме человека — примерно 1 г. Этот нуклид поступает в основном с пищей в количестве 10 мкг/сут.

Выводится из организма преимущественно с мочой (в среднем 9 мкг/сут). Биологическая роль цезия до сих пор окончательно не раскрыта.

Из радиоактивных изотопов цезия наиболее интересен 137Cs с периодом полураспада 30 лет. 137Cs — -излучающий нуклид со средней энергией-частиц 170.8 кэВ.

Его дочерний нуклид 137mBa имеет период полураспада 2.55 мин и испускает -кванты с энергией 661 кэВ. 137Cs широко применяется в медицине (для диагностики и лечения), радиационной стерилизации, дефектоскопии и во многих других технологиях. Другие радиоизотопы цезия имеют меньшее значение.

Источники образования радиоактивного цезия

Известно, что выброс радиоактивного цезия в окружающую среду происходит в основном в результате испытаний ядерного оружия и аварий на предприятиях атомной энергетики.

В реакторах выход 137Cs зависит от делящегося материала и энергии нейтронов, вызывающих деление, и составляет1 по активности 5.1-6.3%.

Относительное содержание радиоцезия в продуктах деления меняется с их «возрастом» (табл.1).

Испытание ядерного оружия — один из наиболее значимых источников радиоактивного загрязнения планеты, в том числе 137Cs.

К началу 1981 г. суммарная активность2 поступившего в окружающую среду 137Cs достигла 960љПБк. Плотность загрязнения3 в Северном и Южном полушариях и в среднем на земном шаре составляла соответственно 3.42; 0.86 и 3.14 кБк/м2, а на территории бывшего СССР4 в среднем — 3.4љкБк/м2.

В ядерных реакторах в процессе их эксплуатации накапливаются продукты деления (фиссиум) и трансурановые элементы, суммарная активность которых огромна.

Среди радионуклидов фиссиума радиоизотопы цезия занимают значительное место (табл.2). На 1љМВт (эл. мощности) этого радионуклида за год образуется столько, что его активность составляет 130 ТБк (Т, тера — 1012).

Радионуклиды: правда и мифы

Суммарное накопление нуклида в реакторах всего мира (в пересчете на активность) к концу столетия достигнет 900 ЭБк (Э, экса — 1018), что примерно в тысячу раз больше количества поступивших во внешнюю среду радионуклидов при ядерных взрывах.

Содержание 137Cs (ПБк/т урана) в реакторе ВВЭР-1000 (после его остановки) во времени (Колобашкин В.М. и др., 1982)

Известно, что при нормальных условиях эксплуатации АЭС выбросы радионуклидов, в том числе радиоактивного цезия, незначительны.

Подавляющее количество продуктов ядерного деления остается в топливе. По данным дозиметрического контроля, концентрация цезия в районах расположения АЭС лишь незначительно превышает концентрацию нуклида в контрольных районах, где загрязнение среды происходит за счет испытаний ядерного оружия5. Объем выбросов радионуклидов зависит от конструктивных особенностей реакторов, времени их эксплуатации, способа очистки и состояния оборудования. Источником загрязнения могут быть и радиохимические заводы (РХЗ) по переработке отработанных твэлов, и хранилища радиоактивных отходов.

По прогнозу Научного комитета по действию атомной радиации при ООН (НКДАР), выбросы радиоцезия к 2000љг. могут достигнуть 1.5-5.2 ТБк.

Чрезвычайно сложные ситуации возникают после аварий, когда во внешнюю среду поступает огромное количество радионуклидов и загрязнению подвергаются большие территории.

Например, при аварии на Южном Урале в 1957 г. произошел тепловой взрыв хранилища радиоактивных отходов, и в атмосферу поступили радионуклиды с суммарной активностью 74 ПБк, в том числе 0.2 ПБк 137Cs.

При пожаре на РХЗ в Уинденейле в Великобритании в 1957љг. произошел выброс 12 ПБк радионуклидов, из них 46 ТБк 137Cs. Технологический сброс радиоактивных отходов предприятия «Маяк» на Южном Урале в р.Течу в 1950 г.

составил 102љПБк, в том числе 137Cs 12.4 ПБк. Ветровой вынос радионуклидов из поймы оз.Карачай на Южном Урале в 1967љг. составил 30 ТБк. На долю 137Cs пришлось 0.4 ТБк. Настоящей катастрофой стала в 1986 г. авария на Чернобыльской атомной электростанции (ЧАЭС): из разрушенного реактора было выброшено 1850 ПБк радионуклидов, при этом на долю радиоактивного цезия пришлось 270 ПБк.

Распространение радионуклидов приняло планетарные масштабы. На Украине, в Белоруссии и Центральном экономическом районе Российской Федерации выпало более половины от общего количества радионуклидов, осевших на территории СНГ.

Известны случаи загрязнения внешней среды в результате небрежного хранения источников радиоактивного цезия для медицинских и технологических целей.

Миграция во внешней среде

Цезий легко мигрирует во внешней среде, чему способствуют два обстоятельства.

Во-первых, 137Cs — конечный продукт цепочки распадов:

в которой йод и ксенон присутствуют в газовой фазе. При ядерных взрывах образуются мелкодисперсные частицы, адсорбирующие цезий и медленно выпадающие на поверхность земли.

Процесс выпадения ускоряют атмосферные осадки и агрегация частиц с образованием более крупных. Во-вторых, при всех (кроме подземных) ядерных взрывах и аварийных выбросах предприятий атомной энергетики выпадения содержат цезий в хорошо растворимой форме, что имеет принципиальное значение в процессах его миграции. При наземных взрывах на силикатных почво-грунтах образуются слаборастворимые частицы. Содержание радионуклида в атмосферных осадках при ядерных взрывах в слаборастворимой форме колебалось в широких пределах6 — 3.3-82.4% (мас).

Выпавший на поверхность земли радиоактивный цезий перемещается под воздействием природных факторов в горизонтальном и вертикальном направлениях.

Горизонтальная миграция происходит при ветровой эрозии почв, смывании атмосферными осадками в низменные бессточные участки. Скорость миграции зависит от гидрометеорологических факторов (скорости ветра и интенсивности атмосферных осадков), рельефа местности, вида почв и растительности и физико-химических свойств нуклида.

Вертикальный перенос цезия происходит с фильтрационными токами воды и связан с деятельностью почвенных животных и микроорганизмов, выносом из корнеобитаемого слоя почвы в наземные части растений и др.

Подвижность и биологическая доступность нуклида со временем снижается в результате перехода в «слабообменное» состояние.

В первые годы после выпадения цезий в основном содержится в верхнем, 5-10-сантиметровом, слое почвы независимо от ее вида.

Удержание нуклида происходит благодаря высокому содержанию в верхнем слое мелкодисперсных фракций (особенно глинистых) и органических веществ, повышающих сорбционные свойства почвы. Проникновение радиоактивного цезия на глубины 30-50 см, очевидно, занимает десятки и сотни лет, однако перераспределение его по профилю почвы может произойти и быстрее — в результате сельскохозяйственной деятельности.

В этом случае нуклид относительно равномерно рассредоточивается в пределах всего пахотного слоя.

Как правило, «путешествие» 137Cs по пищевым цепочкам начинается с растений, куда нуклид может попасть непосредственно в момент радиоактивных выпадений, либо косвенно — через листья, стебли и корневую систему с пылью и водой.

Уровни поверхностного загрязнения растений определяются их морфологическими особенностями и физико-химическими свойствами выпадающих аэрозолей. Известно, что растения способны задерживать аэрозоли с размером частиц менее 45 мкм. Особенно высокое содержание радионуклидов отмечено у лишайников, чая и хвойных деревьев, что связано с их биологическими особенностями.

Относительно аэрозольного цезия установлено, что более всего он накапливается в капусте, далее по убыванию — свекле, картофеле, пшенице и естественной травянистой растительности. Накопление цезия в растительном покрове (разнотравье) относительно содержания этого нуклида в окружающией среде в средней полосе колеблется от 0.1 до 0.36. Со временем уровни загрязнения растений снижаются в результате прямых потерь (под действием дождя и ветра) и прироста биомассы: так, примерно в течение двух недель содержание нуклидов в пастбищной растительности уменьшается вдвое.

Уровень поглощения растворимого цезия растениями с их поверхности может достигать 10%.

Сначала он накапливается в листьях, зернах, клубнях и корнеплодах, а в дальнейшем поступает в основном через корневую систему. Степень его усвоения колеблется в широких пределах и зависит от вида почв и особенностей растений. Наиболее высокие показатели зафиксированы на торфянисто-болотистых почвах Украинско-Белорусского полесья7. После аварии на ЧАЭС коэффициент перехода цезия (т.е. отношение активности единицы массы растения, Бк/кг, к загрязнению почвы, Бк/км2) в растения из почв полесского типа составлял8: для зерна — , картофеля — , огурцов — , помидоров — .

Основной источник поступления цезия в организм человека — загрязненные нуклидом продукты питания животного происхождения.

Содержание радиоактивного цезия9 в литре коровьего молока достигает 0.8-1.1% от суточного поступления нуклида, козьего и овечьего — 10-20%. Однако в основном он накапливается в мышечной ткани животных: в 1 кг мяса коров, овец, свиней и кур содержится 4, 8, 20 и 26% (соответственно) от суточного поступления цезия. В белок куриных яиц попадает меньше — 1.8-2.1%. Еще в больших количествах цезий накапливается в мышечных тканях гидробионтов: активность 1 кг пресноводных рыб может превышать активность 1 л воды более чем в 1000 раз (у морских — ниже).

Отметим, основной источник цезия для населения России — молочные и зерновые продукты (после аварии на ЧАЭС — молочные и мясные), в странах Европы и США цезий поступает в основном с молочными и мясными продуктами и меньше — с зерновыми и овощными.

События в Японии невольно акцентировали наше внимание на радиологической обстановке вокруг нас. Государственная инспекция ядерного регулирования Украины официально зарегистрировала на территории Украины наличие следов йода-131 и цезия-137 с аварийной АЭС Фукусима-1. Как сообщил в конце марта изданию «Сегодня» первый замглавы Госинспекции Михаил Гашев, концентрация этих веществ постоянно растёт в связи с непрекращающимися выбросами радиации на АЭС в Японии.

Большинство из нас к этому времени уже перестали задумываться о радиации вокруг нас.

А представители молодого поколения и вообще никогда о ней не думали. Ведь события Чернобыля так далеки и, кажется, что всё уже давно минулось. Однако, к сожалению, это далеко не так. Выбросы после аварии на ЧАЭС были столь велики, что, по оценкам экспертов, в несколько десятков раз превысили радиационное загрязнение после Хиросимы и постепенно покрыли собой весь Земной шар, оседая на полях, в лесах и т.п.

Источники радиационного загрязнения

В последние годы основными источниками радиационного загрязнения атмосферы являлись испытания ядерного оружия и аварии на объектах атомной энергетики.

В 1996 году все ядерные и многие безъядерные государства подписали договор о полном запрещении ядерных испытаний. Не подписавшие договор Индия и Пакистан, провели последние ядерные испытания в 1998 году.

25 мая 2009 года о проведении ядерного испытания заявила КНДР. То есть количество испытаний ядерного оружия в последние годы заметно уменьшилось.

Краткая характеристика цезия-137, стронция-90 и плутония-239

А вот что касается эксплуатации АЭС, то здесь ситуация обстоит сложнее. При нормальных условиях эксплуатации АЭС выбросы радионуклидов незначительны. Подавляющее количество продуктов ядерного деления остаётся в топливе. По данным дозиметрического контроля, концентрация радионуклидов, в частности цезия, в районах расположения АЭС лишь незначительно превышает концентрацию нуклидов в районах, где загрязнение среды происходит за счёт испытаний ядерного оружия (Гусев Н. Г. // Атомная энергия. 1976. Вып. 41. №4. С.254-260.).

Наиболее сложные ситуации возникают после аварий на самих АЭС или в хранилищах радиоактивных отходов, когда во внешнюю среду поступает огромное количество радионуклидов и загрязнению подвергаются большие территории.

Наиболее известные из аварий – Кыштым (1957 г., СССР), Три-Майл-Айленд (1979г., США), Чернобыль (1986г., СССР), Гояния (1987г., Бразилия), Токаймура (1999г., Япония), Флёрюс (2006г., Бельгия), Фукусима (2011г., Япония). Можно заметить, что география аварий весьма обширна и охватывает весь Земной шар – от Азии до Европы и Америки.

А сколько ещё происходило и происходит более мелких аварий, малоизвестных, а то и вовсе неизвестных общественности, каждая из которых, как правило, сопровождается выбросом радиации в окружающую среду, то есть радиационным загрязнением.

Источником радиационного загрязнения могут быть и радиохимические заводы по переработке отработанных твэлов, и хранилища радиоактивных отходов.

Радиоактивные изотопы и их воздействие на человека

На здоровье человека оказывают влияние как внешнее, так и внутреннее облучения, причём 80% облучения – это внутреннее облучение через пищу. Наибольшими источниками облучения в настоящее время являются радиоактивные изотопы йода (йод-131), стронция (стронций-90) и цезия (цезий-137) с периодами полураспада соответственно 8 суток, 28,9 лет, 30,17 лет. Сами по себе элементы йод, стронций и цезий присутствуют в организме человека и не являются радиоактивными, в отличии от их

радиоактивных изотопов. Все эти изотопы при распаде являются источниками гамма- и бета-излучений, имеющих самую большую энергию проникновения.

Йод

Элемент йод необходим для синтеза гормонов щитовидной железы, регулирущей работу всего организма. Гормоны, которые она вырабатывает (тиреоидные) влияют на размножение, рост, дифференцировку тканей и обмен веществ, поэтому нехватка йода является скрытой причиной многих заболеваний, называемых йододефицитными.

А вот его радиоактивный изотоп йод-131, наоборот, оказывает негативное действие – вызывает мутации и гибель клеток, в которые он проник, и окружающих тканей на глубину нескольких миллиметров.

Для пополнения запасов организма йодом необходимо употреблять в пищу желтые овощи и фрукты – грецкие орехи, мёд и т.<