Нарушения радиоактивного фона в локальных условиях и тем более глобальные опасны для существования биосферы и могут привести к непоправимым последствиям. Причиной увеличения радиоактивного фона является активная деятельность человека. Создание крупной промышленности, научных установок, энергетических источников, военной техники и др. может приводить к локальным изменениям фона. Но наиболее опасными причинами нарушений естественного радиоактивного фона являются выбросы радиоактивных частиц, которые могут возникнуть при ядерных взрывах или при эксплуатации атомных электростанций (АЭС).
В основе ядерных взрывов и работы АЭС лежит явление деления ядер радиоактивных элементов, например ядер урана. (Термин «деление ядра» был введен в обращение по аналогии с термином «деление клетки» в биологии.)
Это явление заключается в том, что при бомбардировке нейтронами ядер изотопа урана 235U его ядра распадаются на две примерно равные части. Процесс деления ядра сопровождается испусканием двух или трех нейтронов, например:
.
Эта реакция одна из типичных, хотя в природе существуют еще многие другие реакции деления урана.
Важно, что при делении урана высвобождается огромное количество энергии, так как масса ядра 235U больше суммарной массы осколков деления (в приведенной реакции 141Ва и 92Zr). Разность энергий между исходным ядром урана и осколками деления составляет примерно 0,9 МэВ на нуклон.
В каждом процессе деления участвуют 235 нуклонов и энергия, выделяющаяся при делении одного ядра, составляет примерно 0,9 • 235, то есть около 200 МэВ. Но при этом, как указано выше, выделяется 2 или 3 нейтрона, способных вызвать дальнейшее деление ядер, таким образом осуществлять цепную реакцию деления урана. При указанных процессах возникают различные реакции, течение которых определяет многими условиями их протекания. Важным показателем является коэффициент размножения нейтронов f: среднее число нейтронов в каждом акте деления, вызывающих деление других ядер. Если f=1, то идет цепная самоподдерживающаяся реакция. Если f>l, то процесс называется надкритическим, способным вызывать атомный взрыв. Именно это условие (f >1) выполняется в атомных бомбах. Минимальная масса делящегося вещества, например урана или плутония, необходимая для выполнения условия f >1, то есть для возникновения цепной реакции, называется критической массой Мкр. (Термин "критическая масса", обозначающий переход процесса в новое качество, используется в биологии и медицине, например «критическая масса миокарда» при возникновении особо опасных аритмий сердца.) Разница между ядерным реактором и атомной бомбой заключается в скорости высвобождения энергии: в реакторе поддерживается f<l, но близко к ней, а в атомной бомбе f >1, отчего цепная реакция развивается с высокой скоростью и происходит взрыв. При этом масса ядерного топлива должна превысить Мкр. Для 235U критическая масса Мкр ~ 50 кг, а для 233Рu - Мкр = 11 кг.
В эпицентре взрыва развивается огромная температура 108 К и давление 1012 атм. Это вызывает совокупность сложных физических явлений. Вещество превращается в плазму, разлетается и теряет надкритичность. Образуется мощный поток нейтронов и гамма-излучения (1% от выделившейся энергии). Эти потоки опасны для человека находящегося на расстоянии нескольких сот метров. В воздухе образуется ударная волна, то есть фронт высокого давления и плотности, которая вызывает разрушения в радиусе 1 км. В центре взрыва на несколько секунд возникает ярко светящийся шар радиусом около 150 м (для бомбы 20 килотонн тротилового эквивалента). За время свечения примерно 10-20% энергии взрыва переходит в свет, возникают пожары и ожоги. Кроме того, возникает интенсивное радиационное излучение, его источником являются осколки деления ядерного топлива - нестабильные изотопы с Z от 30 до 60.
Разряженный нагретый воздух поднимает вверх продукты распада на высоту до 50 км, после чего это облако может расплываться на сотни и даже тысячи километров. Радиоактивные частицы выпадают на поверхность земли, образуя радиоактивный след. Радионуклиды, находящиеся в виде аэрозолей
в воздухе, а также осевшие на земную поверхность, могут представлять для человека опасность. Оценку степени опасности можно получить по активности препарата А:
А=-(dN / dt),
где N - количество распадающихся ядер. Активность данного препарата измеряется в кюри (Ки): 1 Ки = 3,7 • 1010 распад/с. Активность уменьшается со временем по экспоненциальному
закону:
А =
где А. - постоянная распада, N0 - начальное количество ядер. Для точечных источников излучений мощность экспозиционной дозы уменьшается с расстоянием по закону:
где r - расстояние от источника излучения , Kγ - гамма-постоянная, зависящая от природы радиоактивного источника. Значения Kγ для некоторых радиоактивных источников:
131I - 2,6 24Na -18,6
60Со - 13,5 220Ra - 8,4 .
Таким образом, при выпадении радионуклидов на почву степень опасности их влияния на организм зависит от природы радиоактивного изотопа (Кγ), его активности и расстояния r от человека до источника, а экспозиционную дозу можно оценить из соотношения
где ∆t - время облучения.
Изотопы могут накапливаться в организме, вызывая нем нарушение деятельности как отдельных органов, так и организма в целом.
Так, 131Ι накапливается в щитовидной железе, и уже 0,35 мг радиоактивного иода опасны для человека (при ежесуточной потребности около 150 мг). Изотоп 90Sr накапливается в костной ткани, а изотоп 137Cs равномерно распределяется в клетках организма.
Особую опасность представляют повышенные дозы радиоактивных излучений для кроветворной системы, пищеварительного тракта и желез внутренней секреции человека. Люди, работающие с излучением; в больницах, на АЭС, в лабораториях могут получать дозу до 0,5 бэр в год.
Предельно допустимой биологической дозой для человека при профессиональном облучении считается 5 бэр в год. Минимальная летальная доза от «прямого γ-луча» условно принята 600 бэр при облучении всего тела.