Ю.А. Александров
Основы радиационной экологии
Учебное пособие. – Йошкар-Ола: Мар. гос. ун-т, 2007. – 268 с.
Раздел 2. Источники ионизирующих излучений и загрязнений окружающей среды радиоактивными веществами
2.3. Искусственные источники ионизирующих излучений и их характеристика
2.3.2. Ядерные и термоядерные взрывы
Значительно
меньше по сравнению с влиянием естественного фона доза, получаемая от
радиоактивных выпадений в результате испытаний ядерного оружия.
2 декабря
1942 года на спортивной площадке Чикагского университета группой
физиков-атомщиков под руководством великого итальянского ученого Энрико Ферми
был запущен первый атомный котел, в котором происходила самоподдерживающаяся
управляемая атомная реакция.
Этому
успеху предшествовали почти полувековые исследования в области теоретической и
экспериментальной физики, проводимые под руководством П. Кюри, М.
Склодовской-Кюри, Э. Резерфорда, Н. Бора, А. Эйнштейна, М. Планка, Ф.
Жолио-Кюри, И. Жолио-Кюри, Л. Мейтнер, О. Гана, Д. Чедвика, В.
Гейзенберга, И.В. Курчатова и других
выдающихся ученых-атомщиков.
Результаты
осуществленной группой Ферми цепной реакции были с самого начала
поставлены на военные рельсы, а именно – на срочное создание в США атомного
оружия с целью опередить Гитлера, физики которого работали в этом же
направлении.
В 1944 году
в США под руководством Э. Ферми была создана и испытана атомная бомба, а в
августе 1945 г. атомной бомбардировке подверглись японские города Хиросима и
Нагасаки. Тогда погибла третья часть населения этих городов. В последующие годы
многие умирали от лучевой болезни, лейкозов и других недугов, связанных с
радиоактивным облучением.
25
декабря 1946 г. под руководством И.В. Курчатова был осуществлен запуск
первого советского управляемого уран-графитового реактора, в котором в
дальнейшем производился оружейный плутоний, использующийся в качестве
ядерного заряда вместо урана-235 при производстве атомного оружия (рис. 4).
Первая советская атомная бомба была испытана 29 августа 1949 года.
При
атомном взрыве образуются продукты деления и остается часть
неразделившихся атомов урана-235 или плутония-239, которые при наземном взрыве
выбрасываются в атмосферу.
Впоследствии
в СССР была создана и испытана в 1953 г. водородная бомба, действие которой
основано на термоядерной реакции взаимодействия дейтерия и трития:
Эта
реакция протекает мгновенно (3´10-6
секунды), но для ее начала необходима очень высокая температура, которую
возможно получить лишь при атомном взрыве. Вследствие этого в водородной бомбе,
содержащей смесь дейтерия и трития, в качестве детонатора служит атомный
плутониевый заряд.
В атомной
бомбе происходит неуправляемый процесс деления ядер. Для мирных же целей важен
управляемый процесс цепной реакции. Он осуществляется в ядерных реакторах, подобных
тому, который был сооружен в Чикаго в 1942 году Э. Ферми. В 1946 году был
запущен первый советский атомный реактор. Впоследствии были построены атомные
котлы различных конструкций для выработки электроэнергии, в исследовательских
целях, а также для получения плутония-239 из природного урана-238 и урана-233 и
из природного тория-232. Деление урана-235, плутония-239 и особенно
термоядерная реакция, выделяют большое количество нейтронов. Последние
бомбардируют окружающие вещества, превращая их в радиоактивные (наведенная
радиоактивность). Кроме того в атмосферу выбрасывается большое количество
продуктов деления. Наиболее важные из них – цезий-137 и стронций-90.
|
Рис. 4. Схема
атомной бомбы:
1 – заряд урана-235 или плутония-239;
2 – обычное взрывчатое вещество (запал для соединения кусков урана с
целью достижения критической массы); 3 – оболочка из металла большой
плотности
|
Максимум ядерных
испытаний пришелся на период с 1954 по 1958 годы, когда взрывы проводили США,
СССР и Великобритания. Еще более мощные испытания, в которых участвовали и
другие страны (но наиболее сильно США и СССР), проводили в 1961-1962 годах.
Всего за период с 1945 по 1998 годы было проведено 2056 ядерных взрывов (табл. 15).
Таблица 15 – Общее количество ядерных взрывов на территории
земного шара
Страна
|
Год
|
Число взрывов
|
США
|
1945-1992
|
1030
|
СССР-Россия
|
1949-1991
|
716
|
Франция
|
1960-1997
|
210
|
Великобритания
|
1950-1960
|
44
|
Китай
|
1964-1996
|
45
|
Индия
|
1974, 1998
|
6
|
Пакистан
|
1998
|
5
|
В
частности, на территории США было проведено 1030
ядерных взрывов, в том числе в Неваде – 935, Нью-Мексико – 3, Миссисипи – 2, Колорадо – 2, на Аляске – 3 взрыва. На территории
России состоялось 214 ядерных взрывов (в том числе на Новой Земле – 132), в
Казахстане – 496, на Украине – 2, в Узбекистане – 2 и в Туркменистане – 1
взрыв. На полигоне Лобнор в Китае (штат Синьцзян) провели 45 взрывов, в Алжире –
17, в Австралии – 12. Индия испытывала ядерное оружие 6 раз (на площадке
Покхаране), а Пакистан – 5 (горный район Чагаи, провинция Белуджистан). Кроме
того, ядерные взрывы проводились на атоллах Муруроа (175) и Эниветок (43), на
островах Рождества (30), Бикини (23), Джонстон (12), Фангатофа (12), Молден
(3), в Тихом океане (4) и Южной Атлантике (3).
Высокодисперсные
фракции продуктов ядерных взрывов поднимаются в верхние слои атмосферы и годами
и даже десятилетиями циркулируют там, распространяясь вначале над своим
полушарием, а зaтeм и над всей территорией земного шара, и лишь постепенно
выпадают на поверхность Земли. В течение 10 лет, когда испытания проводились
наиболее интенсивно, население Земли получило за счет глобальных выпадений
дополнительно 2 мЗв (одна годовая доза от естественного фона).
При атомном взрыве образуются
продукты деления ядерного горючего 235U,
238U, 239Pu с образованием сложной смеси из
200 изотопов 36 химических элементов с периодом полураспада от 1 с до млн лет.
По характеру излучения все они относятся к бета- и гамма+бета-излучателям,
кроме 147Sm и 144Nd – альфа-излучатели.
Дополнительным источником радиоактивного загрязнения местности служит также
наведенная радиоактивность, возникающая в результате воздействия потока
нейтронов, образующихся при цепной реакции деления урана или плутония на ядра
атомов различных веществ окружающей среды.
Наибольший практический интерес для радиобиологии
представляют следующие радионуклиды: 89Sr,
90Sr, 131J, 137Cs,
140Ba, 144Ce.
Активность продуктов ядерного деления
быстро снижается в первые часы и сутки, например, в первые сутки наблюдается
снижение активности в 50 раз.
Таблица 16 – Снижение активности ПЯД с течением времени
Время, ч
|
Относительная
активность
|
Время, ч
|
Относительная
активность
|
1
|
1000
|
30
|
17
|
1,5
|
610
|
40
|
12
|
2
|
440
|
60
|
7,3
|
3
|
70
|
100
|
4,3
|
5
|
150
|
200
|
1,7
|
7
|
97
|
400
|
0,75
|
10
|
63
|
600
|
0,46
|
15
|
39
|
800
|
0,33
|
20
|
27
|
1000
|
0,25
|
Из
закона радиоактивного распада выведено правило: каждое десятикратное снижение
активности осколков и мощности дозы гамма-излучения происходит в результате
увеличения их возраста в 7 раз.
При термоядерных
взрывах в момент реакции синтеза возникает интенсивный поток нейтронов,
вызывающих образование значительного количества продуктов активации – наведенную
радиоактивность.
Основными источниками загрязнения окружающей среды являются радиоактивные
осколки 238U, 239Pu, тритий 3Н и радиоуглерод 14С. В результате проведенных до 1959
года термоядерных взрывов в земной
атмосфере образовалось около 560 кг 14С.
Загрязнение
окружающей среды зависит от характера взрывов, мощности зарядов, атмосферных
условий, географических зон и широт.
При
воздушном взрыве РВ распыляются на большой площади, но под влиянием атмосферных
осадков, выпавших в момент прохождения радиоактивного облака, может повыситься
загрязнение в том или ином районе.
Взрывы
средней и малой мощности (до нескольких килотонн тротилового эквивалента)
загрязняют в основном тропосферу – на высоте 18 км, мелкие и крупные частицы выпадают на расстоянии нескольких сот километров от эпицентра,
образуя локальные радиоактивные загрязнения. Крупные взрывы в несколько
мегатонн загрязняют, главным образом, стратосферу на высоте 80 км. Воздушными течениями частицы продукты ядерного деления (ПЯД) способны совершать очень большой
путь, вплоть до нескольких оборотов вокруг земного шара, образуя в результате
выпадения глобальные загрязнения. Следует отметить, что продукты взрывов
распределяются следующим образом: при воздушном взрыве 99% задерживается в
стратосфере; при наземном взрыве 20% попадает в стратосферу, а 80% выпадает в
районе взрыва; при взрывах у поверхности моря 30% остается в стратосфере, а 70%
выпадает локально. ПЯД могут находиться в тропосфере 2-3 месяца, в стратосфере
– 3-9 лет. По данным исследователей, из имеющихся в стратосфере ПЯД ежегодно
осаждается 10% 90Sr и 137Cs.
По
данным Научного комитета ООН по действию атомной радиации, при испытаниях
ядерного оружия, проводимых до 1963 года, суммарная мощность взорванных
боеприпасов и устройств составила 510,9 мегатонн по тротиловому
эквиваленту, в т.ч.: при воздушных взрывах – 406,2 Мт, при наземных – 104,7 Мт.
Выпадение радионуклидов составило в МКи: 3H
– 360, 14C – 6,2; 55Fe – 50, 89Sr – 2800, 90Sr –
12,2, 106Ru – 330, 144Ce – 182,4, 137Cs – 19,5, 239Pu – 0,32. Расчеты показали, что
ожидаемые дозы от радионуклидов, образовавшихся в результате ядерных испытаний,
проведенных до 1976 года, составляют для населения умеренного пояса Северного
полушария: от внешнего облучения – 110 мрад, от инкорпорированных
радионуклидов: для гонад – 37, костного мозга – 150, клеток, выстилающих
костную ткань – 180 и для легких – 150 мрад.
|