Краткая характеристика радионуклидов: йод-131, цезий-137, стронций-90, плутоний-299

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ЭКОНОМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Реферат

По дисциплине «Защита населения и объектов от чрезвычайных ситуаций. Радиационная безопасность»

На тему: « Краткая характеристика радионуклидов: йод-131, цезий-137, стронций-90, плутоний-299»

МИНСК 2013

ВВЕДЕНИЕ

При радиационных авариях основную опасность представляет радиоактивное загрязнение. Радиоактивные  изотопы – радионуклиды попадают внутрь организма при вдыхании радиоактивных  частиц, с продуктами питания. Они  накапливаются в определенных органах  и тканях, что приводит к их облучению. В основе профилактики поражения  от радионуклидов, попавших в организм, лежит ускорение выведения их из организма, а также общее повышение  сопротивляемости организма различным  заболеваниям.

Защита человека от вредного воздействия радиации обеспечивается системой нормативов, основанных на современных  знаниях и представлениях о характере  биологического действия ионизирующего  излучения.

Йод-131

Биологическое действие радиойода.

Йод-131 — радионуклид с  периодом полураспада 8.04 сут., бета- и гамма-излучатель. Вследствие высокой летучести практически весь йод-131, имевшийся в реакторе (7,3 МКи), был выброшен в атмосферу. Его биологическое действие связано с особенностями функционирования щитовидной железы. Ее гормоны — тироксин и трийодтирояин — имеют в своем составе атомы йода. Поэтому в норме щитовидная железа поглощает около 50% поступающего в организм йода. Естественно, железа не отличает радиоактивные изотопы йода от стабильных. Щитовидная железа детей в три раза активнее поглощает попавший в организм радиойод. Кроме того, йод-131 легко проникает через плаценту и накапливается в железе плода.

Накопление в щитовидной железе больших количеств йода-131 ведет к радиационному поражению  секреторного эпителия и к гипотиреозу  — дисфункции щитовидной железы. Возрастает также риск злокачественного перерождения тканей. Минимальная доза, при которой  есть риск развития гипотиреоза у  детей — 300 рад, у взрослых — 3400 рад. Минимальные дозы, при которых  появляется риск развития опухолей щитовидной железы, находятся в диапазоне 10-100 рад. Наиболее велик риск при дозах 1200-1500 рад. У женщин риск развития опухолей в четыре раза выше, чем у мужчин, у детей в три-четыре раза выше, чем у взрослых.

Величина и скорость всасывания, накопление радионуклида в органах, скорость выведения из организма  зависят от возраста, пола, содержания стабильного йода в диете и  других факторов. В этой связи при  поступлении в организм одинакового  количества радиоактивного йода поглощенные  дозы значительно различаются. Особенно большие дозы формируются в щитовидной железе детей, что связано с малыми размерами органа, и могу в 2-10 раз  превышать дозы облучения железы у взрослых.

Профилактика  поступления йода-131 в организм человека.

Эффективно предотвращает  поступление радиоактивного йода в  щитовидную железу прием препаратов стабильного йода. При этом железа полностью насыщается йодом и  отвергает попавшие в организм радиоизотопы. Прием стабильного йода даже через 6 ч после разового поступления 131I может снизить потенциальную  дозу на щитовидную железу примерно в  два раза, но если отложить йодопрофилактику на сутки, эффект будет небольшим.

Поступление йода-131 в организм человека может произойти в основном двумя путями: ингаляционным, т.е. через легкие, и пероральным — через потребляемые молоко и листовые овощи.

Цезий-137

Свойства радионуклида 137Сs.

Цезий-137 - бета-излучатель с  периодом полураспада 30.174 года. 137Сs  открыт в 1860 г. немецкими учеными  Кирхгофом и Бунзеном. Название получил  от латинского слова caesius — голубой, по характерной яркой линии в синей области спектра. В настоящее время известно несколько изотопов цезия. Наибольшее практическое значение имеет 137Сs, один из наиболее долгоживущих продуктов деления урана.

Ядерная энергетика является источником поступления 137Сs в окружающую среду. Согласно опубликованным данным в 2000 году реакторами АЭС всех стран  мира в атмосферу было выброшено  около 22,2 х 1019 Бк 137Сs. Выброс 137Сs осуществляется не только в атмосферу, но и в океаны с атомных подводных лодок, танкеров, ледоколов, оснащенных ядерно-энергетическими установками. Суммарная активность продуктов деления, образовавшихся в ядерном реакторе атомной подводной лодки мощностью 60 МВт при его непрерывной работе в течение одного года, достигает более 3,7 х 1017 Вк, в том числе 137Сs — приблизительно 24 х 1014 Бк. Естественно, что при крупных авариях, происшедших с двумя атомными подводными лодками США («Третер» в 1963 году и «Скорпион» в 1967), большая часть радиоактивных веществ, включая 137Сs, могла поступить в воду и явиться источником длительного загрязнения.

По своим химическим свойствам  цезий близок к рубидию и калию  — элементам 1 группы. Радиоизотопы цезия применяются в химических исследованиях, в гаммадефектоскопии, в радиационной технологии, в радиобиологических экспериментах. 137Сs используется как источник -излучения для контактной и дистанционной лучевой терапии, а также для радиационной стерилизации. Изотопы цезия при любом пути поступления в организм хорошо всасываются.

После аварии на ЧАЭС во внешнюю  среду поступило 1.0 МКи цезия-137. В настоящее время это основной дозообразующий радионуклид на территориях, пострадавших от аварии на Чернобыльской АЭС. От его содержания и поведения во внешней среде зависит пригодность загрязненных территорий для полноценной жизни.

Почвы Украинско-Белорусского Полесья имеют специфическую  особенность — цезий-137 плохо  фиксируется ими и, как следствие, он легко поступает в растения через корневую систему. Поэтому  еще в доаварийные времена содержание этого радионуклида в выращенной здесь продукции было в 35-40 раз выше, чем в центральных районах страны. После аварии на ЧАЭС людей пришлось отселять из наиболее пострадавших районов вовсе не из-за опасно высокого радиационного фона — там стало невозможным ведение сельского хозяйства.

В Украине есть места, где  нельзя получать чистую продукцию даже при уровне загрязнения цезием-137 в 1 Ки/км2.

Биологическое действие 137Сs.

Изотопы цезия, являясь продуктами деления урана, включаются в биологический  круговорот и свободно мигрируют  по различным биологическим цепочкам. В настоящее время 137Сs обнаруживается в организме различных животных и человека. Следует отметить, что  стабильный цезий входит в состав организма человека и животных в  количествах от 0,002 до 0,6 мкг на 1 г  мягкой ткани.

Всасывание 137Сs в ЖКТ животных и человека составляет 100%. В отдельных  участках ЖКТ всасывание 137Сs происходит с различной скоростью. По данным ученых через час после введения всасывается по отношению к введенной  дозе: в желудке всасывается 7% 137Сs, в двенадцатиперстной кишке—77%, в тощей—76%, в подвздошной—78%, в слепой—13%, в поперечно-ободочной кишке—39%.

Через дыхательные пути в  организм человека поступление 137Сs составляет 0,25% величины, поступающей с пищевым  рационом. После перорального поступления цезия значительные количества всосавшегося радионуклида секретируются в кишечник, затем реабсорбируются в нисходящих отделах кишечника. Степень реабсорбции цезия может существенно различаться у разных видов животных. Поступив в кровь, он сравнительно равномерно распределяется по органам и тканям. Путь поступления и вид животного не влияют на характер распределения изотопа.

Л. А. Булдаков, Г. К. Королев считают, что изотопы цезия больше всего накапливаются в мышцах. По данным Ю. И. Москалева после внутривенного введения 137Сs быстро покидает кровяное русло. В первые 10 - 30 мин максимальная концентрация его регистрируется в почках (7-10% в 1 грамме ткани). Затем происходит перераспределение его, и основные количества — до 52,2% — задерживаются в мышечной ткани.

Проводили исследования по распределению 137Сs в организме свиней. Свиньям скармливали 137Сs с пищей  однократно или повторно в течение 7 суток в суммарных дозах 2,9 или 1,6 кБк. На 1, 7, 14, 28 и 60 суток после введения изотопа животных забивали и исследовали содержание 137Сs в мышечной ткани. Содержание активности в мышечной ткани животных, получавших 137Сs в дозе 2,967 кБк, было почти в 2 раза выше, чем у животных, получавших 137Сs в дозе 1,609 кБк. Уменьшение радиоактивности в мышечной ткани было наиболее выражено в первые 14 суток при обеих дозах радионуклида. Выведение 137Сs из организма свиней осуществлялось главным образом с мочой. Скорости выведения 137Сs при однократном и повторных введениях существенно различались. Период полувыведения изотопа при однократном введении составлял 5 суток, а при повторных— 14 суток.

В организме северных оленей, после однократного введения, 137Сs распределятся  таким образом. В мышцах накапливается 100%, в почках - 79, сердце - б7, селезенке - 60, легких - 55, печени - 48 %.

В опытах на собаках, проведенных  в 1968 году, было установлено, что при однократным внутривенным введением 137Сs в количестве 3,5 – 14 х 107 Бк/кг изучал распределение по органам. Показано, что наибольшие количества 137Сs через 19—81 суток содержатся в скелетных мышцах, печени, почках. Важно отметить, что введенная доза 137Сs и пол животных не влияют на распределение нуклида по органам и тканям.

Определение 137Сs в организме  человека проводят по измерению гамма-излучения  от тела и бета-, гамма-излучению от выделений (моча, кал). Для этой цели используют бета-гамма-радиометры и счетчик излучений человека (СИЧ). По отдельным пикам спектра, соответствующим различным гамма-излучателям, можно определить их активность в организме. С целью профилактики радиационных поражений 137Сs все работы с жидкими и твердыми соединениями рекомендуется проводить в герметичных боксах. Для предупреждения попадания цезия и его соединений внутрь организма необходимо использовать средства индивидуальной защиты и соблюдать правила личной гигиены.

На рабочем месте без  разрешения санэпидемслужбы могут находиться открытые препараты цезия с активностью 0,37— 3,7 мБк (10—100 мкКи).

Неотложная помощь при остром поражении изотопами  цезия.

Неотложная помощь при  поражении изотопами 137Сs заключается  в дезактивации рук и лица водой  с мылом, моющими порошками «Эра», «Астра». Необходимо провести промывание носоглотки и ротовой полости  водой или физиологическим раствором.

Для ускорения выведения  цезия из организма рекомендуют  применять в качестве сорбентов: ферроцин, 1,0: 100 мл воды, или бентонит, 20,0: 200 мл воды, с последующим вызыванием рвоты (1 % -ный апоморфин — 0,5 мл под кожу), или обильное промывание желудка водой. После очистки желудка повторное назначение курса лечения ферроцином (1,0 г 2—3 раза в сутки в течение 15—20 суток). В тяжелых случаях гемодиализ (применение аппарата «Искусственная почка»). Всемерное повышение водносолевого обмена. Назначение ацетата калия, 30,0: :200,0, по 1 столовой ложке 5 раз в день. Калиевая диета (изюм, курага) Внутривенное введение лимоннокислого натрия 10% -ного – 2 - З мл. Мочегонные с водной нагрузкой. Внутрь димедрол 0,05 г, антибиотики.

Допустимое поступление 137Сs в организм человека не должно превышать 7,4 х 102 Бк/сутки. Допустимое годовое поступление 137Сs в организм персонала через органы дыхания составляет 13,3 х 104 Бк/год. Допустимая концентрация 137Сs в воздухе рабочих помещений 5,18 х 10-1 Бк/л, в воде — 5,5 х 102 Бк/л, в атмосферном воздухе 18 х 10-3 Бк/л.

Миграция 137Сs в  почвах.

Выпавший, после аварии на ЧАЭС, на почву 137Сs прочно удерживается в верхнем гумусированном слое. Со временем происходят его физико-химические превращения, осуществляется миграция по почвенному профилю, накопление растительностью. Для цезия характерно поглощение минеральной частью почв. Элемент внедряется в кристаллические решетки глинистых минералов, прочно связываясь там самой тонкодисперсной частью почвы. Наиболее интенсивно цезий поглощается вермикулитом, флогопитом, гидрофлогопитом, асканитом, гумбрином. Сорбция цезия почвенным поглощающим комплексом после его выпадения в почву осуществляется в первое время крупнодисперсными частицами, смещаясь затем в сторону поглощения мелкодисперсной фракцией. За семь лет доля цезия, фиксированного минеральной частью почвы, увеличилась в серых лесных почвах в 2,5 раза, дерново-подзолистых -4,5 раза, в черноземных - 7 раз и может достигать 80-95% валового содержания элемента в почве. Прочно связывается цезий почвенной органикой, образуя, в частности, гуматы и фульваты. Последние характеризуются значительно большей подвижностью. Увеличивают подвижность металла водорастворимые органические вещества, образующиеся при разложении растительности. При миграции цезия в глубь почвенного горизонта выделяют два типа массопереноса - быстрый (обусловленный передвижением металла вместе с тонкодисперсными частицами) и медленный (обусловленный передвижением водорастворимых форм). В суглинистых разностях дерново-подзолистых почв наблюдается только медленный перенос, в супесчаных и песчаных - и медленный, и быстрый с преобладанием последнего. В среднем доля быстрого переноса составляет 15% всех мигрирующих форм цезия.

Н. В. Тимофеевым-Ресовским  с соавторами 137Сs выделен в отдельную  группу изотопов по характеру поведения  в системе почва - раствор - в группу, обладающую признаками обменного и  необменного поведения. Наиболее важным фактором миграции цезия в системе  почва - раствор является изменение  его собственной концентрации (он по-разному мигрирует в почвах-грунтах  в зависимости от того, в каком  количестве находится в них: поведение  цезия в системе необменное при  микроконцентрациях и обменное в области макроконцентраций).

В силу незначительной гидролизации сорбция 137Сs слабо зависит от рН почвенного раствора.

Отмечено накопление 137Сs в пойменных почвах, обусловленное  дополнительным привнесением с механическими  взвесями во время паводков. В пойменных  почвах 137Сs, как правило, задерживается  в верхнем 5-сантиметровом слое. Однако в тех случаях, когда поверхностные  горизонты пойменных почв представлены слоями легкого механического состава  с низким содержанием гумуса, 137Сs выщелачивается из этих горизонтов и  задерживается в нижележащих. Миграционная способность 137Сs повышена и в некоторых торфяных почвах, где он энергично поступает в растения. Японские исследователи отмечают факты проникновения 137Сs в породы (невыветрелые базальты) на глубину 3-5 см.

Накопление радионуклида 137Сs растениями.

Цезий хорошо поглощается  растительностью, коэффициент накопления элемента в урожае сельскохозяйственных культур может достигать 100%; накопление идет в основном в надземной фитомассе (до 60% поглощенного элемента). На супесчаных почвах 137Сs в 7 раз более доступен для растений, чем 137Сs. Интенсивное вовлечение элемента в биологический круговорот обусловлено кислотностью полесских ландшафтов, благоприятствующих физиологическому накоплению металла организмами, подвижностью металла, а также его аналогией с калием – биохимически активным элементом, дефицит которого в полесских ландшафтах ярко выражен, но который жизненно необходим растениям.

Стронций-90

Свойства радионуклида 90Sr.

Стронций -90 — чистый бета-излучатель с периодом полураспада 29.12 лет. 90Sr - чистый бета-излучатель с максимальной энергией 0,54 эВ. При распаде он образует дочерний радионуклид 90Y с периодом полураспада 64 ч. Как и 137Сs, 90Sr может находиться в растворимой и нерастворимой в воде формах. После аварии на Чернобыльской АЭС во внешнюю среду его попало сравнительно немного - суммарный выброс оценивается в 0,22 МКи. Исторически сложилось так, что в радиационной гигиене уделяется много внимания этому радионуклиду. Причин тому несколько. Во-первых — на стронций-90 приходится значительная часть активности в смеси продуктов ядерного взрыва: 35% суммарной активности сразу после взрыва и 25% через 15-20 лет, во-вторых — ядерные аварии на ПО «Маяк» на Южном Урале в 1957 и 1967 годах, когда в окружающую среду было выброшено значительное количество стронция-90. И, наконец, особенности поведения этого радионуклида в организме человека. Практически весь попавший в организм стронция-9О центрируется в костной ткани. Объясняется это тем, что стронций — химический аналог кальция, а соединения кальция — основной минеральный компонент кости. У детей минеральный обмен в костных тканях интенсивней, чем у взрослых, поэтому в их скелете стронций-90 накапливается в большем количестве, но и выводится быстрее.

Для человека период его  полувыведения стронция-90 - 90-154 суток. От депонированного в костной ткани стронция-90 страдает, в первую очередь, красный костный мозг - основная кроветворная ткань, которая к тому же очень радиочувствительная. От стронция-90 накопленного в тазовых костях, облучаются генеративные ткани. Поэтому для этого радионуклида установлены низкие ПДК — примерно в 100 раз ниже, чем для цезия-1З7.

В организм стронций-90 поступает  только с пищей, причем в кишечнике  всасывается до 20% от его поступления. Наибольшее содержание этого радионуклида в костной ткани жителей северного  полушария было фиксировано в 1963-1965 гг. Тогда этот скачок был вызван глобальными выпадениями радиоактивных  осадков от интенсивных испытаний  ядерного оружия в атмосфере в 1961-1962 гг.

После аварии на чернобыльской  АЭС вся территория со значительным загрязнением стронцием-90 оказалась  в пределах 30- километровой зоны. Большое  количество стронция-90 попало в водоемы, но в речной воде его концентрация нигде не превышала предельно  допустимой для питьевой воды (кроме  реки Припять в начале мая 1986 г. в  ее нижнем течении).

Миграция стронция-90 в почвах.

Радионуклид 90Sr характеризуется  большей подвижностью в почвах по сравнению с 137Сs. Поглощение 90Sr в  почвах в основном обусловлено ионным обменом. Большая часть задерживается  в верхних горизонтах. Скорость миграции его по почвенному профилю зависит  от физико-химических и минералогических особенностей почвы. При наличии  в почвенном профиле перегнойного горизонта, расположенного под слоем  подстилки или дернины, 90Sr концентрируется  в этом горизонте. В таких почвах, как дерново-подзолистая песчаная, перегнойно-торфянисто-глеевая суглинистая на песке, черноземно-луговая оподзоленная, выщелоченный чернозем, наблюдается некоторое увеличение содержания радионуклида в верхней части иллювиального горизонта. В засоленных почвах появляется второй максимум, что связано с меньшей растворимостью сульфата стронция и его подвижностью. В верхнем горизонте он задерживается в солевой корке. Концентрирование в перегнойном горизонте объясняется высоким содержанием гумуса, большой величиной емкости поглощения катионов и образованием малоподвижных соединений с органическим веществом почв.

В модельных экспериментах  при внесении 90Sr в разные почвы, помещенные в вегетационные сосуды, было установлено, что скорость его миграции в условиях опыта возрастает с увеличением содержания обменного кальция. Повышение миграционной способности 90Sr в почвенном профиле при увеличении содержания кальция наблюдалось и в полевых условиях. Миграция стронция-90 возрастает также с увеличением кислотности и содержания органического вещества.

Миграция стронция-90 в растения.

В миграции 90Sr большую роль играет лесная растительность. В период интенсивных радиоактивных выпадений  после аварии на ЧАЭС деревья выполняют роль экрана, на котором осаждались радиоактивные аэрозоли. Задержанные поверхностью листьев и хвои радионуклиды поступают на поверхность почвы с опавшими листьями и хвоей. Особенности лесной подстилки оказывают существенное влияние на содержание и распределение стронция-90. В лиственных подстилках содержание 90Sr постепенно падает от верхнего слоя к нижнему, в хвойных происходит значительное накопление радионуклида в нижней гумусированной части подстилки.

Плутоний-239

В декабре 1940 года был открыт изотоп плутония Pu-238, с периодом полураспада ~90 лет, через год – более важный Pu-239 с периодом полураспада ~24 000 лет, альфа-распад (гамма).

В природе плутоний-239 образуется в урановых рудах. Изотопы плутония получаются в урановых реакторах, а также образуются при испытаниях ядерного оружия.

Поверхностные слои почвы  и донные отложения в настоящее  время являются основным резервуаром  плутония (более 99% поступившего в окружающую среду элемента). Основное количество плутония, находящегося в почве, присутствует в нерастворимой форме. В зависимости  от источника поступления и состава  почвы до 10% всего количества плутония может находиться в растворимой, доступной для усвоения растениями форме.

Ингаляционное поступление  изотопов плутония наблюдается у  работников плутониевых заводов, у  проживающих вблизи предприятий  по переработке ядерного топлива, у  людей, вдыхающих глобальный плутоний. Период полувыведения плутония из легких человека составляет 250–500 суток.

Токсическое действие определяется воздействием альфа-излучения на органы и ткани. Особую опасность представляет инкорпорация плутония, т.к. в этом случае энергия альфа-частиц будет реализована полностью. Различают острое, подострое и хроническое лучевое поражение плутонием.

Плутоний-239 в 2–45 раз токсичнее  радия-226, в 45–200 раз токсичнее стронция.

Сегодня в мире много людей, облученных плутонием. Плутоний концентрируется  в жизненно важных органах – костном  мозге, печени, что опасно для человека. До сих пор наука не дала ответа, как, в каких количествах распределяется этот элемент в разных частях организма.

С воздухом в организм человека поступает едва ли больше 1% всей радиоактивности, примерно 5% попадает с водой, но основная опасность – это радионуклиды в пище (94%).