Интегральные показатели радиационного воздействия объектов открытого и замкнутого топливного цикла на население

При разработке концепции развития ядерной энергетики большое внимание уделяется инновационным технологиям с замыканием топливного цикла [1, 2]. Экологические проблемы во многом послужили отправной точкой пересмотра ее стратегических направлений и конкретных технических решений [3, 4]. При создании энерготехнологий нового поколения на базе быстрых реакторов с замкнутым ядерным топливным циклом разрабатываются принципы естественной безопасности реакторных установок и радиационно-эквивалентного обращения ядерных материалов с сохранением природного радиационного баланса [5].

Следует отметить важную роль экологичес­ких оценок, сопровождающих разработку и внедрение инновационных ядерных технологий. При этом, несмотря на многообразие факторов воздействия на окружающую среду объектов замкнутого топливного цикла, влияние ионизирующего излучения, связанного с выбросами радионуклидов, рассматривается в качестве специфического и главного экологического фактора [3, 6, 7].

За последние десятилетия в мировой практике возросла роль системных исследований в обоснование развития ядерной энергетики на длительный период [4]. Исследования в радиоэкологическом направлении позволяют решать комплекс задач, касающихся отходов и реализации радиационно-миграционной эквивалентнос­ти [8, 9]. Для радиоэкологического обоснования новых технологий целесообразно использовать принцип интегральной сравнительной оценки замкнутого и открытого ядерного топливного цикла [10].

Работа ядерных объектов в штатном режиме является безопасной для населения и биоты при условии соблюдения правил эксплуатации, радиационных нормативов и дозовых квот [7, 11, 12]. В то же время они представляют собой источники непредвиденных радиоактивных выбросов, причинами которых могут быть природные катаклизмы и человеческий фактор. Ядерные топливные циклы различаются, с одной стороны, составом и активностью изотопов, с другой, безопасностью (вероятностью аварийных выбросов). С экологической точки зрения представляет интерес сравнительный анализ радиационного воздействия топливных циклов на население и окружающую среду. Необходимыми компонентами такого анализа наряду с вероятностным («событийным») аспектом являются обобщенные радиоэкологические показатели.

Цели работы, результаты которой изложены в настоящей статье, заключаются в обосновании подхода к оценке и оценки ключевых показателей совокупности актиноидов для сопоставления радиационного воздействия предприятий открытого и замкнутого топливного цикла на население на долгосрочный период времени.

Обоснование подхода к оценке интег­ральных показателей для населения.
Обобщенные радиоэкологические показатели, характеризующие объекты замкнутого и открытого топливного цикла с точки зрения их радиационного воздействия на население, разрабатывались на основе унифицированного представительного сценария. В качестве такого сценария рассматривался выброс радионуклидов в атмосферу, поскольку в результате ликвидации последствий крупных радиационных аварий накоплен значительный объем данных о параметрах их миграции в аграрных и природных экосистемах. Эти данные необходимы для расчета дозовых нагрузок на население по различным путям облу­чения.

В силу общности задачи были приняты следующие исходные условия:
каждый объект ядерного топливного цикла содержит совокупность радионуклидов (активность i-го изотопа являющихся источниками загрязнения окружающей среды;
в результате нештатных и аварийных ситуаций в атмосферу может быть выброшена часть радионуклидов;
отношение активности выброшенного ра­дионуклида к его начальной активности в объекте 02 может быть задано в интервале 0—1.

Таким образом, исходной информацией является совокупность для начального момента времени t = 0. Величины зависят от характеристик оборудования-источника (объекта ядерного топливного цикла), физических процессов и свойств нуклидов.

В результате разового выброса радионуклиды поступают в приземный слой атмосферы. В течение короткого времени их нахождения в этом слое население подвергается облучению от радиоактивного облака и по ингаляционному пути. В дальнейшем радионуклиды оседают на поверхность почвы, которая представляет собой долговременный источник внешнего и внутреннего облучения.

В течение долгосрочного периода после выброса основными путями облучения населения являются внутреннее облучение за счет употребления продуктов питания, содержащих радионуклиды, и внешнее от радионуклидов, находящихся в поверхностном слое почвы.

Кроме того, при наличии в составе выброса радионуклидов, в цепочках распада которых присутствуют газообразные продукты, формируется внутреннее облучение за счет ингаляционного поступления в легкие человека.

В качестве интегральной радиоэкологичес­кой характеристики предприятий ядерных топливных циклов с точки зрения их воздействия на население будем рассматривать коллективную дозу облучения. Как отмечено в нормативном документе [13], облучение в коллективной дозе 1 чел.-Зв приводит к ущербу, равному потере 1 чел.-года жизни. Этот показатель может быть оценен в денежном эквиваленте, что важно при сравнительных оценках с другими видами производств.

Исходя из принципа консервативной оценки в рамках представительного сценария, полагали, что на территории радиоактивного следа производится сельскохозяйственная продукция. Суммарную годовую коллективную дозу от i-го радионуклида, получаемую населением в год t 
после выброса (, чел.-Зв), можно рассчитать на основе дозовых коэффициентов и миграционных параметров [14—17]

где — средняя концентрация i-го радионуклида в приповерхностном слое почвы, Бк/кг;07 — дозовый коэффициент для внутреннего облучения по перроральному пути, Зв/Бк; 08 коэффициент накопления i-го радионуклида в j-м виде растений, отн. ед.; — масса сельскохозяйственных растений j-го вида, выращиваемых за год на территории радиоактивного следа, кг сухой массы; — коэффициент накопления i-го радионуклида в траве для корма сельскохозяйственных животных, отн. ед.;  Pg — суточное потребление травы (в стойловый период сена) сельскохозяйственными животными, кг сухой массы;  12— коэффициент перехода i-го радионуклида в k-й вид животноводческой продукции, сут/кг; 13— масса животноводческой продукции k-го вида, получаемой за год на территории радиоактивного следа, кг;  14— средняя плотность загрязнения i-м радионуклидом,16;  15 — дозовый коэффициент для внешнего облучения, 17 N — число людей на территории радиоактивного следа, чел.

Поскольку при обосновании обобщенного показателя не рассматриваются конкретные радиоэкологические сценарии, использовать какие-либо данные, характеризующие плотность радиоактивных выпадений, не представляется возможным. По этой причине сформулированы допущения, позволяющие исключить из расчетов площадь, подвергшуюся радиоактивным выпадениям.

При определении параметров, характеризующих массу сельскохозяйственных растений и животноводческой продукции 13, полагалось, что на территории радиоактивного следа производятся все основные виды продукции, входящие в рацион питания человека. Площадь загрязненной территории распределена в пропорции, обеспечивающей потребление продуктов в соответствии с рационом. Оцененные пропорционально вкладу в рацион отношения площадей, необходимых для производства конкретных видов продукции, к площади радиоактивного следа приведены в работе [8]. Масса отдельных видов сельскохозяйственных растений, выращиваемых за год на территории следа, рассчитывается по формуле , (1) где S — площадь радиоактивного следа (пятна загрязнения),  — отношение площади для производства j-го вида продукции растениерастение­водства к площади следа, отн. ед.;  — масса j-го вида продукта питания растительного происхождения, получаемого с единичной площади, кг/м2 — соотношение сухой массы сельскохозяйственных растений и массы j-го вида продукции растениеводства, употребляемой в пищу населением, отн. ед.

Количество получаемой за год животноводческой продукции рассчитывается по формуле , (2) где  — отношение площади для производства k-го вида продукции животноводства к площади следа, отн. ед.;  — масса k-го вида животноводческой продукции, получаемой с единичной площади, кг/м2.

С использованием соотношений (1), (2) можно получить формулу для расчета суммарной годовой коллективной дозы населения по перроральному пути и за счет внешнего облучения i-м радионуклидом
(3)

где — активность i-го радионуклида в окружающей среде через t лет после аварийного выброса (распределенная по территории радиоактивного следа); — плотность почвы, кг/м3;  h — толщина приповерхностного слоя почвы, м;  — плотность населения на территории радиоактивного следа, чел./м2.

Поскольку суммарная коллективная доза не зависит от площади радиоактивного следа, ее можно использовать для сравнительной оценки радиационного воздействия на население от предприятий ядерного топливного цикла без привязки к конкретным сценариям атмосферных выбросов. Выражению в квадратных скобках формулы (3) можно дать определение «экологический фактор» . Этот показатель специфичен для каждого радионуклида и зависит от его физико-химических свойств, определяющих способность к миграции и формированию дозовой нагрузки.

Таким образом, годовую коллективную дозу от всех радионуклидов, поступивших в окружающую среду (без учета продуктов распада), можно рассчитать по формуле  где  — исходная активность i-го радионуклида в рассматриваемом объекте, Бк;  — отношение активности i-го радионуклида, поступившего в окружающую среду, к его исходной активности в объекте, отн. ед.; i — константа радиоактивного распада i-го радионуклида, год–1 — экологический фактор, чел.-Зв/Бк.

Расчет экологического фактора для актиноидов с учетом цепочек распада. Выполнены численные оценки ключевых показателей радиационного воздействия на население для актиноидов, выброшенных в окружающую среду. Расчеты представляют интерес в силу нескольких причин:
при поступлении в окружающую среду актиноиды могут воздействовать на население и биоту в течение длительного времени в отличие от большинства продуктов деления;
актиноиды являются источниками α-излучения, обладающего высокой плотностью ионизации;
в результате радиоактивного распада актиноиды формируют цепочки, включающие совокупность изотопов, что обусловливает необходимость комплексной оценки дозовых нагрузок на живые организмы как от материнских, так и от дочерних радионуклидов;
актиноиды представляют собой объекты различных технологических операций в замкнутом ядерном топливном цикле, таких, как извлечение изотопов из отработавшего ядерного топлива, трансмутация (сжигание) в целях уменьшения активности.

Оценка ключевых показателей выполнялась отдельно для каждого актиноида, поступающего в окружающую среду активностью 1 Бк (единичной активностью). Такой подход представляется целесообразным при отсутствии информации об активности актиноидов в составе выбросов. Рассчитанные ключевые показатели для единичной активности можно использовать при выполнении оценок на основе данных, характеризующих конкретную радиоэкологическую ситуацию.

Поскольку актиноиды, поступившие в окружающую среду, формируют цепочки распада, необходимо учесть вклад в дозовую нагрузку дочерних радионуклидов. Годовая коллективная доза за счет внутреннего облучения по перроральному пути и внешнего облучения от i-го материнского актиноида и радионуклидов, входящих в цепочку распада, рассчитывается по формуле  где  — активность m-го радионуклида в составе i-й цепочки. Согласно такому представлению материнский радионуклид имеет индекс 1 в цепочке i.

Изменение во времени активности материнского актиноида и дочерних радионуклидов описывается системой уравнений [18]

где39— активность материнского актиноида в момент времени t, Бк;    — активность материнского актиноида, поступившего в окружающую среду, в начальный момент времени, Бк;   — активность m-го радионуклида в составе i-й цепочки распада в момент времени t, Бк;  — константа распада m-го радионуклида в составе i-й цепочки, год–1. При выполнении расчетов рассматривались следующие актиноиды:  241Am, 242mAm, 242Am, 243Am, 242Cm, 243Cm, 244Cm, 245Cm, 246Cm, 247Cm, 248Cm, 237Np, 238Pu, 239Pu, 240Pu, 241Pu, 242Pu, 244Pu, 235U, 236U, 238U. Каждый из них порождает дочерние и формирует цепочки распада. Радионуклиды в цепочках разделены на звенья, включающие долгоживущий радионуклид (родоначальник звена) и совокупность радионуклидов с коротким периодом полураспада. Полагаем, что, находясь в окружающей среде, короткоживущие радионуклиды распадаются одновременно с долгоживущим радионуклидом, определяющим звено. В результате поступления долгоживущих радионуклидов в организме человека формируется дозовая нагрузка за счет всех радионуклидов, входящих в состав звена. Для оценки мощности дозы облучения населения используются дозовые коэффициенты, учитывающие вклад материнских и дочерних радионуклидов.

При выполнении расчетов выделялись следующие звенья, в которых активность дочерних радионуклидов принималась равной активности долгоживущих предшественников:  227Ac—227Th—223Ra—219Rn—215Po—211Pb—211Bi—207Tl; 243Am—239Np; 247Cm—243Pu; 237Np—233Pa; 210Pb—210Bi—210Po; 244Pu—240U—240mNp; 226Ra—222Rn—218Po—214Pb—214Bi—214Po; 228Ra—228Ac; 228Th—224Ra—220Rn—216Po—212Pb—212Bi—(0,64212Po +  0,36208Tl); 229Th—225Ra—225Ac—221Fr—217At—213Bi—213Po—209Pb; 234Th—234mPa; 235U—231Th; 238U—234Th—234mPa.

Для условия поступления в окружающую среду актиноидов начальной активностью 1 Бк получена динамика активности каждого актиноида и его дочерних продуктов на длительный период времени. Эти данные рассматривались в качестве исходных для численных оценок разработанных показателей радиационного воздействия объектов ядерного топливного цикла на население.

При расчете экологического фактора плотность почвы и толщина приповерхностного слоя почвы приняты равными 1500 кг/м3 и 0,1 м соответственно. Суточное потребление травы сельскохозяйственными животными, распределенное в интервале 7,9—16,1 кг/сут, принято равным 12 кг/сут. Плотность населения в зависимости от региона варьирует в широких пределах. Полагалось, что она равна среднему показателю 5·10–5 чел./м2. Коэффициенты накопления радионуклидов в растениях и коэффициенты перехода радионуклидов в продукцию животноводства приведены в публикациях [14, 15], дозовые коэффициенты — [16, 17]. Численные параметры — массу продуктов питания растительного происхождения и продуктов животноводства, получаемых с единичной площади, отношение площадей для производства отдельных видов продукции растениеводства и животноводства к площади радиоактивного следа, соотношение сухой массы сельскохозяйственных растений и массы соответствующих видов растениеводческой продукции, употребляемой в пищу населением, оценивали с использованием данных [8].

В результате расчетов, выполненных с учетом миграционных особенностей долгоживущих родоначальников звеньев, вклада в дозовую нагрузку всех материнских и дочерних радионуклидов, дозовых коэффициентов и характеристик агропродукции, получен экологический фактор, специфичный для каждого рассматриваемого радионуклида, чел.-Зв/Бк:

Оценка коллективной дозы от радона. В цепочках распада актиноидов есть радон, который формирует дозовую нагрузку при ингаляционном поступлении в легкие человека. В цепочки распада 242mAm, 242Am, 243Am, 242Cm, 243Cm, 244Cm, 246Cm, 247Cm, 248Cm, 238Pu, 239Pu, 240Pu, 242Pu, 244Pu, 235U, 236U, 238U входят три изотопа радона. В составе цепочек 241Am, 245Cm, 237Np, 241Pu изотопов радона нет. Непосредст­венным продуктом распада долгоживущего 226Ra (период полураспада 1624 г.) является 222Rn (период полураспада 3,82 сут), который называют непосредственно радоном. В звено 228Th входит 220Rn (торон) с периодом полураспада 55,6 с, в звене 227Ac есть 219Rn (актинон), имеющий период полураспада 3,96 с.

Для оценки дозовой нагрузки от 222Rn использовали соотношение между годовой эффективной эквивалентной дозой, получаемой человеком по ингаляционному пути поступления этого радионуклида, и содержанием 226Ra в почве [8]

где  — коэффициент пропорциональности для пары 226Ra—222Rn, Зв/год/(Бк/кг); 45— годовая доза от 222Rn, Зв/год;  — концент­рация 226Ra в почве, Бк/кг. Этот показатель, определенный на основе данных [19], равен 4·10–5 Зв/год/(Бк/кг).

Для расчетов целесообразно использовать понятие дозового коэффициента, позволяющего оценить годовую дозу для человека на основе плотности загрязнения почвы 226Ra:

где — плотность загрязнения почвы 226Ra, Бк/м2.

Годовой дозовый коэффициент, оцененный на основе принятых параметров плотности почвы и толщины приповерхностного слоя почвы, составляет 2,7·10–7 Зв·м2/Бк. Годовую коллективную дозу, получаемую населением от 222Rn, можно оценить по уравнению

49

Учитывая соотношение

где 51 — активность 226Ra, можно получить формулу для расчета годовой коллективной дозы, формируемой 222Rn в зависимости от активности 226Ra:

52

Аналогичные формулы использовали для пар 228Th—220Rn и 227Ac—219Rn. Численные коэффициенты, оцененные на основе данных [20], приняты в этих случаях равными 8,74·10–12.

53

Динамика интегральных показателей. Оценена годовая коллективная доза, формируемая отдельными актиноидами с начальной активностью каждого из них 1 Бк и продуктами их распада. При наличии данных, характеризующих активность поступающих в окружающую среду актиноидов, можно рассчитать суммарную коллективную дозу для рассматриваемых ситуаций.

Динамика годовой коллективной дозы, формируемой материнскими изотопами америция, кюрия, плутония и урана и их дочерними радионуклидами, носит сложный характер, что обусловлено суперпозицией различных процессов (см. рисунок). К таким процессам относятся радиоактивный распад и образование новых изотопов, миграция радионуклидов и их воздействие на население по различным путям облучения.

Анализ расчетов показывает высокую вариабельность коллективной дозы для различных актиноидов. Наибольшая коллективная доза в течение длительного периода формируется 235U, наименьшая — 242Am. Вторым по значимости радионуклидом на временном отрезке до 106 лет является 237Np. В течение первых 500 лет третье место в «радиоэкологическом рейтинге» занимает 241Am, по истечении этого периода — 245Cm. К значимым с точки зрения опасности для населения радионуклидам относятся изотопы плутония, прежде всего 238Pu и 240Pu. Следует отметить, что при анализе конкретных ситуаций вклад отдельных радионуклидов будет определяться не только их радиоэкологической значимостью, но и абсолютной активностью.

Заключение. Исследованиями обоснован интегральный показатель воздействия на население объектов ядерных топливных циклов — годовая коллективная доза облучения, оценка которой выполняется на основе данных, характеризующих активность радионуклидов в окружающей среде, и экологический фактор. Последний специфичен для каждого радионуклида и зависит от его ядерно-физических свойств, определяющих формирование дозовой нагрузки, и миграционных особенностей. Этот показатель инвариантен по отношению к характеру атмосферных выбросов и пригоден для сопоставления воздействия радиационного фактора на население при аварийных и нормализованных выбросах предприятий различных топливных циклов.

Поскольку целью работ, результаты которых представлены в настоящей статье, являлась разработка подходов к сравнительному анализу радиационного воздействия на население, численные расчеты выполнены для условий разового (аварийного) выброса. Проведены расчеты динамики коллективной дозы от актиноидов с единичной начальной активностью и их дочерних продуктов. При выполнении оценок на долгосрочный период времени учитывались все значимые пути формирования дозовой нагрузки на население, включая внутреннее облучение по перроральному пути поступления, внешнее облучение, а также внутреннее за счет вдыхания радона, образующегося в цепочках распада.

Расчетные результаты являются основой определения суммарных дозовых нагрузок на население от различных актиноидов, поступающих в окружающую среду. При выполнении сравнительной оценки объектов ядерных топливных циклов целесообразно учесть не только активность выбрасываемых радионуклидов, но и вероятность радиационных выбросов (риски аварий). Такой подход позволит провести исчерпывающее радиоэкологическое сопоставление замкнутого и открытого ядерных топливных циклов в целом с учетом специфики всех входящих в их состав объектов как потенциальных источников поступления радионуклидов в окружающую среду.

55 56

5758

Изменение годовой коллективной дозы, формируемой изотопами америция активностью 1 ТБк и продуктами их распада 241Am, 242Am, 242mAm, 243Am (а, 1—4 соответственно), изотопами кюрия 242Cm, 243Cm, 244Cm, 245Cm, 246Cm, 247Cm, 248Cm (б, 1—7 соответственно), изотопами плутония 238Pu, 239Pu, 240Pu, 241Pu, 242Pu, 244Pu (в, 1—6 соответственно), урана 235U, 236U, 238U (г, 1—3 соответственно)

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Адамов Е.О., Джалавян А.В., Лопаткин А.В. и др. Концептуальные положения стратегии развития ядерной энергетики России в перспективе до 2100 г. — Атомная энергия, 2012, т. 112, вып. 6, с. 319—330.
2. Рачков В.И., Калякин С.Г. Инновационная ядерная технология — основа крупномасштабной ядерной энергетики. — Ядерная энергетика, 2014, № 1, с. 5—13.
3. Алексахин Р.М. Актуальные экологические проблемы ядерной энергетики. — Атомная энергия, 2013, т. 114, вып. 5, с. 243—249.
4. Аврорин Е.Н., Адамов Е.О., Алексахин Р.М. и др. Концептуальные положения стратегии развития ядерной энергетики России в XXI веке. М.: ОАО «НИКИЭТ», 2012. 62 с.
5. Адамов Е.О., Ганев И.Х. Экологически безупречная ядерная энергетика. М.: НИКИЭТ им. Н.А. Доллежаля, 2007. 145 с.
6. Алексахин Р.М. Ядерная энергия и биосфера. М.: Энергоатомиздат, 1982.
7. Крышев И.И., Рязанцев Е.П. Экологическая безопасность ядерно-энергетического комплекса России. М.: ИздАТ, 2010. 496 с.
8. Спирин Е.В., Спиридонов С.И., Алексахин Р.М., Уткин С.С. Радиоэкологическая оценка уранового месторождения для обоснования радиационно-миграционного баланса долгоживущих отходов. — Атомная энергия, 2013, т. 114, вып. 1, с. 34—39.
9. Спирин Е.В., Алексахин Р.М., Спиридонов С.И. и др. Радиационный баланс отработавшего ядерного топлива тепловых реакторов и эквивалентной массы урана для природных организмов. — Там же, 2014, т. 116, вып. 6, с. 350—353.
10. Спиридонов С.И. Перспективы системной радиоэкологии в решении инновационных задач ядерной энергетики. — Радиац. биология. Радиоэкология, 2014, т. 54, № 4, с. 415—422.
11. Спиридонов С.И., Карпенко Е.И., Шарпан Л.А. Ранжирование радионуклидов и путей облучения по вкладу в дозовую нагрузку на население, формирующуюся в результате атмосферных выбросов атомных электростанций. — Там же, 2013, т. 53, № 4, с. 401—410.
12. Шарпан Л.А., Карпенко Е.И., Спиридонов С.И. Оценка дозы облучения населения в результате атмосферных выбросов Ростовской АЭС. — Атомная энергия, 2013, т. 115, вып. 3, с. 163—166.
13. Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009): Санитарные правила и нормативы СанПин 2.6.1.2523-09. М.: Минздрав России, 2009. 68 с.
14. Quantification of Radionuclide Transfer in Terrestrial and Freshwater Environments for Radiological Assessments. Vienna: IAEA, 2009. 625 p.
15. Handbook of Parameter Values for Prediction of Radionuclide Transfer in Terrestrial and Freshwater Environments. Vienna: IAEA, 2010. 208 p.
16. Radiation Protection and Safety of Radiation Sources: International Basic Safety Standards. IAEA Safety Standards Series. Vienna: IAEA, 2011. 303 p.
17. Safety Reports Series № 19 «Generic Models for Use in Assessing the Impact of Discharges of Radioactive Substances to the Environment». Vienna: IAEA, 2001.
18. Машкович В.П. Защита от ионизирующих излучений. Справочник. 3-е изд. перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1982. 296 с.
19. Ионизирующее излучение: источники и биологические эффекты. НКДАР ООН. Доклад за 1982 г. на Генеральной Ассамблее. В 2 т. Нью-Йорк, 1982. 881 с.
20. Internal Dosimetry. DOE Standard DOE-STD-1121—98. Washington, Department of Energy, 1999. 135 p.

Источник: Атомная энергия, 2015, Т. 118, вып. 1. С. 47-54