Раздел 2. Источники возобновляемой нетрадиционной энергетики

Вся наша планета, в тому числі вся жива природа, яка її заселяє, постійно піддаються впливу так званого природного і техногенного радіаційного фону, що обумовлено явищем радіоактивності.

Встановлено, що радіаційний фон Землі формується під впливом трьох основних компонентів: космічного випромінювання; випромінювання розсіяних у земній корі, повітрі та інших об'єктах нашого середовища природних радіонуклідів; випромінювання штучних (техногенних) радіонуклідів.

Космічному зовнішньому опроміненню піддається вся поверхня Землі. Космічна радіація складається з частинок, захоплених магнітним полем Землі, галактичного космічного випромінювання і корпускулярного випромінювання Сонця. До його складу входять в основному ?-частинки, протони і електрони. Це так зване первинне космічне випромінювання, яке, взаємодіючи з атмосферою Землі, породжує вторинне випромінювання. У результаті на рівні моря випромінювання складається майже повністю з мюонів (переважна частина) і нейронів. Інтенсивність космічного випромінювання залежить від сонячної активності, географічного положення об'єкта і зростає з висотою над рівнем моря. Найбільш інтенсивне воно на Північному і Південному полюсах, менш інтенсивне в екваторіальних областях. Причина цього – магнітне поле Землі, що відхиляє заряджені частки космічного випромінювання. Найбільший ефект ослаблення дії космічного зовнішнього опромінення пов'язаний із залежністю космічного випромінювання від висоти: чим товщий шар повітря, тим захисні властивості атмосфери вище. Поглинена потужність дози космічного випромінювання в повітрі на рівні моря дорівнює 32 нГр/год і формується в основному мюонами. Для нейтронів на рівні моря потужність поглиненої дози становить 0,8 нГр/год. Люди, що живуть на рівні моря, одержують у середньому через космічні промені ефективну еквівалентну дозу (ЕЕД) біля 300 мкЗв/рік; для тих же, хто знаходиться на висоті понад 2000 м над рівнем моря, ця величина у декілька разів більше. На висоті 8 км потужність ЕЕД становить 2 мкЗв/год, що призводить до додаткового опромінення при авіаційних перельотах. Колективна ефективна доза від глобальних авіаційних перевезень досягає 104 чол.-Зв, що складає на душу населення у світі в середньому близько 1 мкЗв за рік. У цілому за рахунок космічного випромінювання більшість населення отримує дозу біля 350 мкЗв/рік.

У результаті ядерних реакцій, що відбуваються в атмосфері (а частково і в літосфері) під впливом космічних променів, можуть утворюватися космогенні радіонукліди. Наприклад:

n + ¹⁴N → ³H + ¹²C, p + ¹⁴N → n + ¹⁴C.

У формування дози найбільший внесок роблят ³H, ⁷Be, ¹⁴C и ²²Na, які надходять разом з їжею в організм людини (табл.3.2).

За наявними оцінками, доросла людина споживає з їжею близько 95 кг вуглецю на рік при середній активності на одиницю маси вуглецю 230 Бк/кг, що в перерахунку на сумарний внесок космогенних радіонуклідів в індивідуальну дозу складає близько 15 мк^З в/рік.

Таблиця 3.2 Середнє річне надходження космогенних радіонуклідів в організм людини

Природний радіаційний фон формується головним чином за рахунок розсіяних у земній корі, повітрі та воді природних радіонуклідів і космічного випромінювання. У більшості країн природний радіаційний фон в середньому варіює в діапазоні 8–9 мкР/год, іноді перевищуючи середні величини на 10–20 мкР /год. Цей розкид значень від всіх природних джерел іонізуючого випромінювання обумовлює формування річної ЕЕД опромінення в 2000–2500 мкЗв/рік. При цьому величина природного радіаційного фону в більшості районів була відносно постійна протягом багатьох тисяч, а іноді й мільйонів років.

Однак на планеті також існують райони з відносно високим рівнем радіаційного фону, де його величина відрізняється від середньої в 100–200 і навіть більш ніж в 1000 разів. Наприклад, штат Керала в Індії, окремі ділянки Українського кристалічного щита тощо. Ці райони, як правило, характеризуються або неглибоким заляганням уранових або торієвих руд, або є зонами виходу на поверхню водних радонових джерел.

Над поверхнею морів і океанів середній радіаційний фон зменшується більш ніж удвічі в порівнянні з поверхнею суші за рахунок екрануючих властивостей шару води.

В організмі людини постійно присутні природні радіонукліди, які спочатку містяться в земній корі, повітрі та воді й надходять через органи дихання і травлення. Найбільший внесок у формування дози внутрішнього опромінення вносять 40К, 87Rb і нукліди рядів розпаду 238U і 232Th (табл. 3.3).

Середня доза внутрішнього опромінення за рахунок цих природних радіонуклідів становить близько 1,35 мЗв/рік. Найбільший внесок у формування природного фону опромінення наземних живих організмів (до 30–60%) дає немаючий смаку і запаху важкий газ радон і продукти його розпаду. В організм людини він надходить при диханні й викликає опромінення слизових тканин легень. Радон вивільнюється із земної кори повсюдно, але його концентрація в приземному шарі повітря істотно розрізняється в різних точках земної кулі.

Таблиця 3.3 Внесок у формування середньорічної ефективної еквівалентної дози внутрішнього опромінення деяких природних радіонуклідів

Якщо людина перебуває в приміщенні, його доза зовнішнього опромінення змінюється під дією двох протилежно діючих факторів: екранування зовнішнього випромінювання будівлею; опромінення за рахунок природних радіонуклідів, що знаходяться в матеріалах, з яких побудований будинок.

Залежно від концентрації ізотопів 40К, 226Ra і 232Th в різних будівельних матеріалах потужність дози в приміщеннях змінюється від 4·10-8 до 12·10-8 Гр/ч. У середньому в цегляних, кам'яних і бетонних будинках потужність дози в 2–3 рази вище у порівнянні з дерев'яними. Частка будинків, всередині яких концентрація радону і продуктів його розпаду варіює від 103 до 104 Бк/см3, становить від 0,01 до 0,1% у різних країнах. Це означає, що значна кількість людей піддається помітному опроміненню завдяки високій концентрації радону всередині будинків, де вони живуть.

Техногенне випромінювання. Починаючи з 50-х років ХХ ст. радіаційний фон помітно підвищився через вплив безлічі техногенних джерел радіоактивності (у середньому до 10–15 мкР/год). Це підвищення зумовили:

• випробування і застосування ядерної зброї;

• виділення радіонуклідів при згоранні органічного палива;

• перерозподіл видобутих з надр мінералів, що містять радіоактивні речовини;

• викиди і скиди АЕС і підприємств ядерно-паливного циклу, у тому числі при аваріях;

• техногенні джерела проникаючої радіації (енергетичні та дослідницькі ядерні установки, медична діагностична та терапевтична рентгенівська апаратура, радіаційна дефектоскопія, джерела сигнальної індикації і т.п.).

На даний час відомі понад 900 радіонуклідів, отриманих штучним шляхом в результаті різних ядерних реакцій. Наприклад, при ядерних вибухах і у керованій ланцюговій реакції поділу утворюються близько 250 різних ізотопів (з них 225 радіоактивних), що є продуктами поділу ядер важких елементів.

Крім того, при поділі ядер виникають трансуранові радіонукліди, що утворюються при послідовному поглинанні нейтронів важкими ядрами без їх поділу. До таких радіонуклідів відносяться ізотопи плутонію, америцію та інші, які є ?-випромінювачами.

До штучних радіонуклідів з особливо високою токсичністю належать ²¹Pb, ²²⁶Ra, ²²⁷Ac, 228, 230, 232Th. Група радіонуклідів з високою радіотоксичністю включає 90Sr, ¹⁰⁶Ru, ¹³¹I, ¹⁴⁴Се и др. та ін. До групи радіонуклідів, що мають середню радіотоксичність, відносяться ²²Na, ⁸⁹Sr, ¹³⁷Cs, ⁵⁹Fe,

65Zn, 140Ba тощо. За останні 60 років людина навчилася використовувати атомну енергію в найрізноманітніших цілях: у медицині, для створення атомної зброї, виробництва енергії, пошуку корисних копалин. Все це призводить до збільшення дози опромінення, одержуваної як окремими людьми, так і населенням в цілому. Часто опромінення за рахунок джерел, створених людиною, виявляється в тисячі разів інтенсивнішим, ніж від природних джерел (табл. 3.4).

Таблиця 3.4 Середньорічні дози, одержані від природного радіаційного фону і різних штучних джерел випромінювання

* У процесі життєдіяльності незначні дози опромінення люди також отримують: від рентгенівських апаратів для перевірки багажу пасажирів у аеропортах; кам'яних прикрас тощо.

Існує величезна кількість загальновживаних предметів, що є джерелами опромінення: годинники із циферблатами, що світяться, при виготовленні яких використовують радій; радіоактивні ізотопи, що застосовуються в пристроях, які світяться: покажчики входу-виходу, компаси, телефонні диски, приціли, дроселі флуоресцентних світильників та інші електроприлади; детектори диму, в яких використовуються радіонукліди – α-випромінювачі; спеціальні оптичні лінзи з домішками торію тощо.

Наведені дані свідчать, що внесок ядерної енергетики в опромінення населення в порівнянні з іншими техногенними та природними джерелами радіоактивності незначний і може бути співставлений з впливами від польотів на літаку або роботи з комп'ютером.