Естественные источники ионизирующих излучений

Естественные (природные) ИИИ существуют в окружающей среде повсеместно с момента образования Земли, и по степени воздействия на человека их обычно подразделяют:

• • на внешние источники внеземного происхождения (космическое излучение и космогенные радионуклиды);
• • внешние источники земного происхождения (радионуклиды, присутствующие в земной коре, в атмосфере, гидросфере) с момента ее образования;
• • внутренние источники - природные радионуклиды, поступающие в организм человека с пищей, воздухом и т. д.

Космическое излучение состоит из протонов (83-89 %), а-частиц (10-15%) и небольшого числа ядер тяжелых элементов. В процессе взаимодействия космического излучения с атмосферой в ней возникают так называемые космогенные радионуклиды. В частности, азот превращается в радионуклид ¹⁴С; возможно образование радиоактивных изотопов таких элементов, как водород, бериллий, натрий, фосфор, сера.

К земным источникам излучения относятся долгоживущие радионуклиды, образовавшиеся в недрах Земли с момента ее существования, или так называемые естественные (или примордиальные) радионуклиды (ЕРН). В рассеянном состоянии примордиальные радионуклиды и продукты их распада присутствуют во всех компонентах окружающей среды, в т. ч. и в организме человека. В настоящее время в природе известно около 100 различных естественных радионуклидов, среди которых следует выделить две группы:

• • «тяжелые» радионуклиды, которые образуют радиоактивные семейства, родоначальниками которых являются ²³⁸U (уран), ²³⁵U (акти- ноуран) и “³²Th (торий) и которые являются основными источниками естественной радиоактивности горных пород и руд. Кроме того, уран имеет 11 искусственных радионуклидов с массовыми числами от 227 до 240, в т. ч. долгоживущий ²³³ и ;
• • «легкие» радионуклиды, в результате распада которых образуются непосредственно стабильные нуклиды. Содержания в природных условиях радионуклидов последней группы чрезвычайно низки. Среди легких радионуклидов заметный вклад в естественный радиоактивный фон вносит ⁴⁰К.

Радионуклиды “^j8U, ^23:>U и ²³²Th в процессе последовательных актов радиоактивного распада испытывают сложные превращения, образуя семейства урана, актиноурана и тория, каждое из которых включает до 14 членов. Схемы распада этих радионуклидов приведены на рис. 2.2 и в табл. 2.2.

Рис. 2.2. Схемы радиоактивных рядов: урано-радиевого ( и), актиноуранового ( ~ С), ториевого ( Т/г)

Таблица 2.2

Схемы распада естественных радионуклидов

А. Ряд ²³⁸и

Б. Ряд ²³⁵AcU

В. Ряд Th

В таблице наряду с химическими символами радионуклидов даны их символы, предложенные М. Кюри. Как видно из таблицы, радиоактивный распад сопровождается выделением а- и /2-частиц и гамма- квантов, которые являются основными источниками ионизирующего излучения земного происхождения. Причем в первой половине цепи радиоактивных превращений каждого семейства происходит преимущественно а-распад, а во второй преобладает /2-распад. Конечным продуктом распада всех трех семейств являются стабильные изотопы свинца.

Уран - очень тяжелый металл с порядковым номером 2- 92 в таблице Д.И. Менделеева. Природный уран состоит из смеси трех изотопов (радионуклидов) с атомными массами А 238, 235 и 234 - соответственно

0 ”3 С л о с "5

и, и, II; удельная масса урана 19 г/см , т. е. он тяжелее свинца и более чем в два раза тяжелее железа. Собственно природный уран состоит на 99,2737 % из ²³⁸ и (уран) и на 0,7204 % из ²³⁵ и (актиноуран) и 0,0057% ²³⁴и.

Уран ²³⁸ и является родоначальником радиоактивного ряда (семейства урана) из 16 продуктов распада, которые характеризуется массовыми числами 4/7 + 2 при /7 от 51 до 59. Родоначальник ряда и, обозначаемый как 1Л, является родоначальником семейства из 14 важнейших радионуклидов. Период полураспада и 4,47© 10 лет (постоянная распада А = 1п2/Т_]/2 =4,876-10^-18 с¹).

Первичный спектр у-излучения уранового ряда представлен набором моноэнергетических линий с энергиями в интервале от 48 кэВ до 2,5 МэВ, причем наиболее интенсивные из них имеют энергию менее

1 МэВ. Основными источниками /-излучения уранового ряда являются

короткоживущие продукты распада радона - ЯаВ, ЯаС и ЯаС’. На долю продуктов распада урана, предшествующих радону в цепи радиоактивных превращений, приходится примерно 2 % от общего числа квантов. Поэтому, если в материале горных пород нарушено радиоактивное равновесие между радием и ураном и/или происходит миграция радона, то это может приводить к искажению характеристик поля /-излучения в сравнении с равновесным состоянием. В длительно существующих замкнутых природных системах между содержаниями урана, радия и продуктов распада устанавливается равновесие, позволяющее по интенсивности гамма-излучения определять содержание урана. Чаще всего такое нарушение бывает связано с разной геохимической подвижностью двух элементов -

самого урана и радия. Радий, являясь гомологом щелочноземельных металлов (кальция, бария), практически неподвижен в сульфатной среде и безразличен к величине окислительно-восстановительного потенциала. Уран, будучи поливалентным металлом, чувствителен к изменению окислительно-восстановительного потенциала среды и в шестивалентном состоянии легко подвижен в сульфатной и карбонатной обстановках. Поэтому можно считать, что нарушенное радиоактивное равновесия полностью может восстановиться спустя 16 900 лет, что соответствует десятикратному периоду полураспада радия.

Уран ²³⁵ и является родоначальником радиоактивного ряда (семейства актиноурана) из 13 продуктов распада, которые характеризуется массовыми числами 4/7 + 3 при /7 от 51 до 58. Родоначальник - П является родоначальником семейства из 13 радионуклидов и имеет самый маленький период полураспада среди естественных радинуклидов

• (7,04з10⁸ лет). Его постоянная распада Л = 3,13-10 ^,7с '. За время суще- ствования химических элементов и распался значительно быстрее
• 238

и, в связи с чем его распространенность очень мала. Первичный спектр у-излучения актиноуранового ряда представлен моноэнергетиче- скими линиями с энергиями в интервале от 27 кэВ до 750 кэВ, но " Е) и продукты его распада не дают какого-либо заметного вклада в общее ионизирующее излучение горных пород и руд.

Радионуклид²³⁴ и ²³⁴ и не является первичным, а радиогенным и входит в состав радиоактивного ряда ЕГ; его период полураспада 2,44-10" лет.

Торий (“ “ТЬ) - металл с порядковым номером 90 в таблице Д.И. Менделеева является родоначальником ториевого (семейства тория) ряда из 11 элементов, которые характеризуется массовыми числа- ми 4/7 при п от 52 до 58. Период полураспада “ ТЬ 1,40© 1010 лет (по- стоянная распада Я = 1,57© 10 с ). В ряду тория нет долгоживущих радионуклидов, за исключением самого тория, и потому радиоактивное равновесие в ториевом ряду наступает практически через 50 лет. Отличительной особенностью ториевого ряда является малое время жизни дочерних радионуклидов. Ряд ТЬ представляет собой цепь радиоактивных превращений с испусканием а- и /У-частиц и у-квантов. Первичный спектр /-излучения ториевого ряда представляет собор набор моно- энергетических линий с энергиями в интервале от 46 кэВ до 2,6 МэВ. Основные /-излучатели в ториевом ряду - МяТЬП, ЯТЬ и его коротко- живущие продукты распада - ТЬВ, ТЬС, ТИС, причем /-кванты ТЬС обладают наибольшей энергией среди всех естественных источников /-излучения.

Следует особо отметить, что в каждом из радиоактивных семейств присутствует газообразный радионуклид (эманация), - соответственно ~²²1Еп (радон) и ²“°Тп (торон). Наиболее активным является радон, который имеет период полураспада 3,82 сутки, короткоживущие продукты распада которого являются основными источниками а-излучения и который может распространяться от места образования на значительные расстояния. Торон с периодом полураспада 3,92 с, как правило, не образуют значительных самостоятельных ореолов.

Уран и торий распространены повсеместно в земной коре. Они принадлежат к числу литофильных элементов, для которых характерными являются кислородные соединения. В связи с этим их содержания в магматических породах возрастают от основных к кислым, причем возрастает и торий-урановое отношение. В природе существует более 150 радиоактивных минералов, некоторые из которых известны в народе с незапамятных времен под названием «вредный камень», «волчий камень».

Металлический уран и его соединения в настоящее время используются в основном в качестве горючего в ядерных реакторах: природная

ллп с

малообогащенная смесь и и и применяется в стационарных реакторах на тепловых нейтронах, вырабатывающих энергию на атомных электростанциях, а продукт высокой степени обогащения ²³⁵II- в атомных бомбах.

Калий является петрогенным элементом и входит в состав практически всех породообразующих минералов. Доля радионуклида ⁴⁰К в природном калии составляет 0,12 %.

Различным типам горных пород свойственны характерные закономерности распределения урана и тория. Средние содержания ЕРН в основных типах горных пород приведены в табл. 2.3.

Таблица 2.3

Массовые доли ЕРН в основных типах горных пород