ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ РАДИОНУКЛИДАМИ СЕМЕЙСТВА 238-U ОТ НЕКОТОРЫХ ОТРАСЛЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ, НЕ СВЯЗАННЫХ С ЯТЦ
|
Введение 4
Глава 1 Литературный обзор 7
1.1 Общие сведения о радиоактивном семействе 238U и о содержании 238U в земной коре 7
1.2 Железная руда 14
1.3 Фосфатные руды 15
1.4 Обзор отчётов НКДАР ООН 18
1.5 Оценки облучения населения 27
Глава 2. Оценка изменения вклада 226Ra, 222Rn и продуктов его распада в естественный радиационный фон за счёт добычи фосфатов и железной руды 35
2.1 Вычисление количества 226Ra(238U) поднятого на поверхность, сопутствующего добыче железной руды и фосфатов 35
2.2 Оценка результатов 37
Заключение 40
Список литературы 42
Приложение А Содержание железа в руде разных стран в % [38] 46
Приложение Б Содержание фосфора в руде разных стран в % [38] 49
Приложение В Статистика полезной железной руды с 1904-2015 года по миру [39] 52
Приложение Г Статистика добычи железной руды (сырой) с 1904-2015 года по миру 54
Приложение Д Статистика полезной фосфатной руды с 1904-2015 года по миру [40] 55
Приложение Е Статистика добычи фосфатов (сырой руды) с 1904-2015 года по миру 57
Приложение Ж Количество урана и радия, оценочно образовавшегося на поверхности в связи с добычей железной руды по миру с 1904-2015 г. 58
Приложение И Количество урана и радия, оценочно образовавшегося на поверхности в связи с добычей фосфатов по миру с 1904-2015 г. 60
Приложение К Значения концентраций 238U и 226Ra в почве разных стран [35] 62
Приложение Л Динамика количества добытой железной руды с 1904-2015 г. 64
Приложение М Динамика количества добычи фосфатов с 1904-2015 г. 65
Глава 1 Литературный обзор 7
1.1 Общие сведения о радиоактивном семействе 238U и о содержании 238U в земной коре 7
1.2 Железная руда 14
1.3 Фосфатные руды 15
1.4 Обзор отчётов НКДАР ООН 18
1.5 Оценки облучения населения 27
Глава 2. Оценка изменения вклада 226Ra, 222Rn и продуктов его распада в естественный радиационный фон за счёт добычи фосфатов и железной руды 35
2.1 Вычисление количества 226Ra(238U) поднятого на поверхность, сопутствующего добыче железной руды и фосфатов 35
2.2 Оценка результатов 37
Заключение 40
Список литературы 42
Приложение А Содержание железа в руде разных стран в % [38] 46
Приложение Б Содержание фосфора в руде разных стран в % [38] 49
Приложение В Статистика полезной железной руды с 1904-2015 года по миру [39] 52
Приложение Г Статистика добычи железной руды (сырой) с 1904-2015 года по миру 54
Приложение Д Статистика полезной фосфатной руды с 1904-2015 года по миру [40] 55
Приложение Е Статистика добычи фосфатов (сырой руды) с 1904-2015 года по миру 57
Приложение Ж Количество урана и радия, оценочно образовавшегося на поверхности в связи с добычей железной руды по миру с 1904-2015 г. 58
Приложение И Количество урана и радия, оценочно образовавшегося на поверхности в связи с добычей фосфатов по миру с 1904-2015 г. 60
Приложение К Значения концентраций 238U и 226Ra в почве разных стран [35] 62
Приложение Л Динамика количества добытой железной руды с 1904-2015 г. 64
Приложение М Динамика количества добычи фосфатов с 1904-2015 г. 65
Естественный радиационный фон существовал на всех этапах эволюции Земли. Любой организм подвергается воздействию радиационного фона, характерного для данной местности. Он обусловлен радионуклидами, находящимися в окружающей среде, либо космическим излучением. Основной вклад в облучение человека дают радионуклиды семейства 238U. Доза от этого семейства, получаемая населением, обусловлена теми радионуклидами, которые находятся в атмосфере, воде и непосредственной близости от поверхности земли. Всё что глубже, будем считать, на человека не влияет.
Средняя доза от облучения человека естественным радиационным фоном составляет 2,4 мЗв/год [35]. Будем считать, что ~2/3 этого значения обусловлено семейством 238U, то есть примерно 1,6 мЗв в год.
Зададимся вопросом, какое же количество урана принимает участие в формировании этой части дозы? Вкладом членов семейства 238U до 226Ra в величину 1,6 мЗв/год пренебрежём. Основной вклад вносят 226Ra, 222Rn и продукты его распада. Ядра 222Rn, образующиеся при распаде 226Ra вылетают в произвольном направлении. Только ограниченная их часть может достигнуть поверхности земли. Чем глубже находится атомы 238U(226Ra), тем меньше вероятность вклада одного из них в 1,6 мЗв/год. Нам нужно рассматривать эффективный приповерхностный слой, атомы которого, прямо или косвенно, вносят вклад в естественно радиационный фон. Кроме того, испускание радона как в результате распада радия, так и вследствие отдачи при распаде изотропно.
О количестве 226Ra будем судить по количеству 238U (зная его содержание из таблиц [7]), считая, что имеет место вековое равновесие. T1>>T2, λ1<<λ2. В течение времени, равного многим периодам полураспада дочернего вещества, активность материнского вещества заметно не уменьшается при рассмотрении в пределах земной коры [3].
Возьмём площадь континентальной части земной коры за вычетом Антарктиды (135 млн. км2) [8] и слой земли толщиной всего 1 м, примем что плотность рассматриваемого слоя земли составляет 2,5 т/м3.
Найдём объём — V и массу — M, выбранного нами участка земной коры:
V ≈ 1,35·1014 м2·0,5 м ≈ 14·1013 м3
M ≈ 14·1013 м3·2,5 т/м3 ≈ 3,5·1014 т.
Теперь, когда мы знаем массу, определим, сколько в этом слое содержится урана.
При содержании урана в верхней части земной коры 2,5 г/т в выбранном нами слое находится количество урана mU, равное
mU ≈ 3,5·1014 т·2,5 г/т ≈ 9·108 т
Количество 226Ra, находящегося в равновесии с таким количеством урана рассчитаем из соотношения [4] : N1/N2 = λ2/λ1, где N1, N2 - число атомов, λ2, λ1 - постоянная распада, которая равна ln2/. Нам нужно связать количество атомов с количеством вещества, поэтому воспользуемся формулой N = Na , где Na – постоянная Авогадро, m – количество вещества, M – молярная масса вещества. Воспользуемся некоторыми константами, представленными в таблице 1.
Таблица 1 – Периоды полураспада и молярные массы 238U и 226Ra
Радионуклид
Период полураспада
Молярная масса
238U
4,2·108 лет
238 г/моль
226Ra
1600 лет
226 г/моль
Конец таблицы 1.
Получим соотношение для количества радия, которое, в рамках наших предположений, может определять вклад в невозмущенный естественный радиационный фон 1,6 мЗв в год:
mRa = mU /2,8·106 = 9·108 т /2,8·106 ≈ 300 т (Радия-226)
Полученное нами значения mU, mRa отражают количества соответствующих радионуклидов, которые могут принимать участие в формировании дозы для человека.
Так, например, за всё время человек добыл из недр земли около 2·106 т урана [4]. Т.е. это естественная добавка (в плане воздействия на человека) к 9·108 т урана, которые и так уже действуют.
Человек добывает и много других полезных ископаемых. А так как уран рассеянный элемент в земной коре, то вместе с рудой и сопутствующей ей пустой породой, на поверхность Земли поднимается какое-то количество 238U. Поэтому наша цель оценить изменение вклада продуктов распада 226Ra в естественный радиационный фон за счёт добычи фосфатов и железной руды.
Если мы определим, как меняется (возрастает) содержание 226Ra, 222Rn и продуктов его распада, то сможем определить, сколько человек добавляет своей горнодобывающей деятельностью к вкладу в естественный радиационный фон от этих радионуклидов.
Цель исследования: оценить изменение вклада 222Rn и продуктов его распада в естественный радиационный фон за счёт добычи фосфатов и железной руды.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Проанализировать литературу по теме исследования.
2. Оценить количество урана, которое поднято на поверхность в результате добычи железной руды и фосфатов.
3. Оценить изменение количества радия, а затем и радона в среде обитания человека.
Средняя доза от облучения человека естественным радиационным фоном составляет 2,4 мЗв/год [35]. Будем считать, что ~2/3 этого значения обусловлено семейством 238U, то есть примерно 1,6 мЗв в год.
Зададимся вопросом, какое же количество урана принимает участие в формировании этой части дозы? Вкладом членов семейства 238U до 226Ra в величину 1,6 мЗв/год пренебрежём. Основной вклад вносят 226Ra, 222Rn и продукты его распада. Ядра 222Rn, образующиеся при распаде 226Ra вылетают в произвольном направлении. Только ограниченная их часть может достигнуть поверхности земли. Чем глубже находится атомы 238U(226Ra), тем меньше вероятность вклада одного из них в 1,6 мЗв/год. Нам нужно рассматривать эффективный приповерхностный слой, атомы которого, прямо или косвенно, вносят вклад в естественно радиационный фон. Кроме того, испускание радона как в результате распада радия, так и вследствие отдачи при распаде изотропно.
О количестве 226Ra будем судить по количеству 238U (зная его содержание из таблиц [7]), считая, что имеет место вековое равновесие. T1>>T2, λ1<<λ2. В течение времени, равного многим периодам полураспада дочернего вещества, активность материнского вещества заметно не уменьшается при рассмотрении в пределах земной коры [3].
Возьмём площадь континентальной части земной коры за вычетом Антарктиды (135 млн. км2) [8] и слой земли толщиной всего 1 м, примем что плотность рассматриваемого слоя земли составляет 2,5 т/м3.
Найдём объём — V и массу — M, выбранного нами участка земной коры:
V ≈ 1,35·1014 м2·0,5 м ≈ 14·1013 м3
M ≈ 14·1013 м3·2,5 т/м3 ≈ 3,5·1014 т.
Теперь, когда мы знаем массу, определим, сколько в этом слое содержится урана.
При содержании урана в верхней части земной коры 2,5 г/т в выбранном нами слое находится количество урана mU, равное
mU ≈ 3,5·1014 т·2,5 г/т ≈ 9·108 т
Количество 226Ra, находящегося в равновесии с таким количеством урана рассчитаем из соотношения [4] : N1/N2 = λ2/λ1, где N1, N2 - число атомов, λ2, λ1 - постоянная распада, которая равна ln2/. Нам нужно связать количество атомов с количеством вещества, поэтому воспользуемся формулой N = Na , где Na – постоянная Авогадро, m – количество вещества, M – молярная масса вещества. Воспользуемся некоторыми константами, представленными в таблице 1.
Таблица 1 – Периоды полураспада и молярные массы 238U и 226Ra
Радионуклид
Период полураспада
Молярная масса
238U
4,2·108 лет
238 г/моль
226Ra
1600 лет
226 г/моль
Конец таблицы 1.
Получим соотношение для количества радия, которое, в рамках наших предположений, может определять вклад в невозмущенный естественный радиационный фон 1,6 мЗв в год:
mRa = mU /2,8·106 = 9·108 т /2,8·106 ≈ 300 т (Радия-226)
Полученное нами значения mU, mRa отражают количества соответствующих радионуклидов, которые могут принимать участие в формировании дозы для человека.
Так, например, за всё время человек добыл из недр земли около 2·106 т урана [4]. Т.е. это естественная добавка (в плане воздействия на человека) к 9·108 т урана, которые и так уже действуют.
Человек добывает и много других полезных ископаемых. А так как уран рассеянный элемент в земной коре, то вместе с рудой и сопутствующей ей пустой породой, на поверхность Земли поднимается какое-то количество 238U. Поэтому наша цель оценить изменение вклада продуктов распада 226Ra в естественный радиационный фон за счёт добычи фосфатов и железной руды.
Если мы определим, как меняется (возрастает) содержание 226Ra, 222Rn и продуктов его распада, то сможем определить, сколько человек добавляет своей горнодобывающей деятельностью к вкладу в естественный радиационный фон от этих радионуклидов.
Цель исследования: оценить изменение вклада 222Rn и продуктов его распада в естественный радиационный фон за счёт добычи фосфатов и железной руды.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Проанализировать литературу по теме исследования.
2. Оценить количество урана, которое поднято на поверхность в результате добычи железной руды и фосфатов.
3. Оценить изменение количества радия, а затем и радона в среде обитания человека.
Перемещение огромных масс веществ на нашей планете не только из одного места в другое, но и из глубины наружу не может не сказываться на экологической обстановке в разных местах континентов. В работе показано, что отрасли промышленности, связанные с добычей и переработкой полезных ископаемых, действительно приводит к заметному возрастанию вклада 222Rn и продуктов его распада в естественный радиационный фон (добыча фосфатов, урана, железной руды…).
На основе анализа литературных и статистических данных оценено количество урана, которое поднято на поверхность в результате добычи железной руды и фосфатов. Это было необходимо, чтобы оценить количество «добавочного» радия в среде обитания человека, оказавшихся там, в результате добычи железной руды и фосфатов. Нами был выделен поверхностный слой толщиной ~10 см, содержащий ~0,6 г урана, который в рамках определенных предположений оказался достаточным, чтобы объяснить наблюдаемый вклад 1,6 мЗв/год в среднюю дозу, получаемую человеком на Земле.
Появление «нового, добавочного» урана и радия в среде обитания увеличивает среднюю дозу. Это увеличение приводит не просто к возрастанию фона за счет суммирования количеств веществ. Происходит значительно более сильное, чем линейное возрастание этого фона.
Определяющими оказываются: во-первых, диспергирование веществ, содержащих радий в результате различных технологических процессов. Во-вторых, то обстоятельство, что возрастание содержания радия происходит не монотонно по всей поверхности земли, а в областях не очень удаленных от места добычи ископаемых и их переработки, т.к. период полураспада радона всего 3,8 дня. Следовательно, в странах, где имеется интенсивная промышленная деятельность, включающая перемещение больших масс вещества этот вклад может составлять десятки процентов по отношению к тому, что было там еще лет 30 – 50 тому назад.
Для получения более уточненных данных необходимо проводить исследования в это направлении, но концентрируясь на районах, наиболее подверженных таким процессам.
На основе анализа литературных и статистических данных оценено количество урана, которое поднято на поверхность в результате добычи железной руды и фосфатов. Это было необходимо, чтобы оценить количество «добавочного» радия в среде обитания человека, оказавшихся там, в результате добычи железной руды и фосфатов. Нами был выделен поверхностный слой толщиной ~10 см, содержащий ~0,6 г урана, который в рамках определенных предположений оказался достаточным, чтобы объяснить наблюдаемый вклад 1,6 мЗв/год в среднюю дозу, получаемую человеком на Земле.
Появление «нового, добавочного» урана и радия в среде обитания увеличивает среднюю дозу. Это увеличение приводит не просто к возрастанию фона за счет суммирования количеств веществ. Происходит значительно более сильное, чем линейное возрастание этого фона.
Определяющими оказываются: во-первых, диспергирование веществ, содержащих радий в результате различных технологических процессов. Во-вторых, то обстоятельство, что возрастание содержания радия происходит не монотонно по всей поверхности земли, а в областях не очень удаленных от места добычи ископаемых и их переработки, т.к. период полураспада радона всего 3,8 дня. Следовательно, в странах, где имеется интенсивная промышленная деятельность, включающая перемещение больших масс вещества этот вклад может составлять десятки процентов по отношению к тому, что было там еще лет 30 – 50 тому назад.
Для получения более уточненных данных необходимо проводить исследования в это направлении, но концентрируясь на районах, наиболее подверженных таким процессам.
