Радиоэкология строительных материалов

Независимо от химической формы  соединения радий при поступлении  в организм депонируется в костной  ткани (80-90 %). Радий выводится из скелета  человека с периодом полувыведения, равным 17 лет, из легких – 180 суток. Выведение преимущественно происходит через желудочно-кишечный тракт.

Одним из признаков радиевой интоксикации является лучевое поражение костной ткани – ее деструкция, развитие радиационного остеита, который приводит к повышенной хрупкости и патологическим переломам кости. Характерным для поражения радием является патология костного мозга. В отдаленные сроки после поражения радием развиваются злокачественные образорвания, наиболее часты остеосаркомы.

Торий. Атомный номер – 90, средняя атомная масса – 232. В основном торий — моноизотопный материал . Другие изотопы встречаются только как продукты распада предшественников в соответствующем радиоактивном ряду: радиоторий  является дочерним продуктом ²²⁸Ac из собственного ториевого ряда (4n); в рудах, содержащих уран, присутствуют следовые количества  (уран Y) и  (радиоактиний) — продукты распада ряда (4n + 3), заметные количества  (ионий) и незначительные количества  (уран Х1), образующихся при распаде ряда (4n + 2). Урановые руды с небольшим содержанием тория можно использовать для получения граммовых количеств тория со значительным содержанием. Остальные изотопы тория получены с помощью различных ядерных реакций искусственным путем. Стабильных изотопов не имеет. Известно 24 изотопа с массовыми числами 213-236. Наиболее долгоживущие изотопы 230Th ( - 7,5*10⁴ лет, α-излучатель) и 232Th ( 1,4·1010 лет, α-излучатель), являющийся родоначальником радиоактивного ряда ²³²Th.

В природе распространен изотоп ²³²Th; содержание в земной коре 8*10^-4% по массе, в морях и океанах 10^-9 г/л, в каменных метеоритах 40 %. Известно около 120 минералов, из которых основные  - торит ThSiO₄, торианит (Th,U)O₂; главный промышленный источник - монацит (Се,La,Th)PO₄ (до 12 % ThO₂). Торий содержится также в ильменитовых, рутиловых, касситеритовых рудах. В природе встречается и ²³⁰Тh - один из продуктов распада U. Основные месторождения расположены в Индии, Канаде, США, Норвегии, Бразилии.

Торий постоянно присутствует в тканях растений и животных. Коэффициент накопления тория в морском планктоне — 1250, в донных водорослях — 10, в мягких тканях беспозвоночных — 50—300, рыб — 100. В пресноводных моллюсках его концентрация колеблется от 3*10⁻⁷ до 1*10⁻⁵ %, в морских животных от 3*10⁻⁷ до 3*10⁻⁶ %.

При работе с металлическим  торием и его соединениями возможно поступление в организм как тория, так и его дочерних продуктов распада. Торий может попадать в организм человека через органы дыхания, желудочно0кишечный тракт и кожу. Попадая в организм, соли тория гидролизуются с образованием труднорастворимого выпадающего в осадок гидроксида. Торий в большинстве случаев встречается в виде агрегатов молекул (коллоидов). С белками, аминокислотами и органическими кислотами торий образует прочные комплексы.

Распределение тория  в организме зависит от пути введения. При внутривенном введении содержание радионуклида в почках, печени, селезенке и крови относительно больше, чем при подкожном или внутриартериальном введении. В случаях попадания в организм небольших количеств тория он в основном откладывается в костях. Торий поглощается главным образом печенью и селезёнкой, а также костным мозгом, лимфатическими узлами и надпочечниками; плохо всасывается из желудочно-кишечного тракта. У человека среднесуточное поступление тория с продуктами питания и водой составляет 3 мкг; выводится из организма с мочой и калом (0,1 и 2,9 мкг соответственно) [14-19].

 

 

 

 Природные  строительные материалы как источники  ионизирующего излучения

 

 

Так как человек большую  часть своей жизни проводит в здании, то помимо природного радиоактивного излучения он испытывает и нагрузки от техногенно измененной среды обитания и, в первую очередь, от строительных материалов, которые использованы при строительстве зданий.

Проблема радиоактивности сравнительно нова для строительной индустрии. В течение долгих столетий сведения о дополнительном облучении естественными радионуклидами через строительные материалы отсутствовали. В конце 70-х годов строения, внутри которых концентрация радона в 5000 раз превышала среднюю ее концентрацию в наружном воздухе были обнаружены в Швеции и Финляндии. В 1982 году ко времени выхода последнего доклада НКДАР, строения с уровнями радиации, в 500 раз превышающими типичные значения в наружном воздухе, были выявлены в Великобритании и США. С тех пор в обеих странах были обнаружены жилища с концентрацией радона, примерно равной ее максимальной концентрации в жилых домах в скандинавских странах. Самые распространенные строительные материалы - дерево, кирпич и бетон выделяют относительно немного радона. Гораздо большей удельной радиоактивностью обладают гранит и пемза, используемые в качестве строительных материалов, например, в Советском Союзе и Западной Германии. В течение нескольких десятков лет, радиоактивные глиноземы использовались в Швеции при производстве бетона, с применением которого было построено 350700 тысяч домов. В середине 70-х годов их применение было резко сокращено, а затем они вовсе перестали использоваться в строительстве. Кальций-силикатный шлак побочный продукт, получаемый при переработке фосфорных руд и обладающий, как выяснилось, довольно высокой удельной радиоактивностью, применялся в качестве компонента бетона и других строительных материалов в Северной Америке (шт. Айдахо и Флорида) и в Канаде. [20]. Фосфогипс - еще один побочный продукт, образующийся при другой технологии переработки фосфорных руд., широко применялся при изготовлении строительных блоков, сухой штукатурки, перегородок и цемента. Он дешевле природного гипса и его применение приветствовалось защитниками окружающей среды, поскольку фосфогипс относится к разряду промышленных отходов и, таким образом, его использование помогает сохранить природные ресурсы и уменьшить загрязнение окружающей среды. В одной только Японии в 1974 году строительная промышленность израсходовала 3 млн. тонн этого материала. Однако фосфогипс обладает гораздо большей удельной радиоактивностью, чем природный гипс, который он призван был заменить, и, по-видимому, люди, живущие в домах, построенных с его применением, подвергаются облучению, на 30% более интенсивному, чем жильцы других домов. Согласно полученным оценкам, ожидаемая коллективная эффективная эквивалентная доза облучения в результате применения этого материала составляет около 300000 чел-Зв.

В последнее десятилетие было обращено внимание на природные источники ионизирующего излучения как на радиационно опасный фактор производственной деятельности.

Источниками радиационного  излучения на строительных объектах могут служить:

- изверженные горные  породы;

- отходы промышленного производства (золы, шлаки и др.);

- грунты из мест  несанкционированных захоронений  радиоактивных отходов;

- грунты территорий, подвергшихся  выпадению радиоактивных осадков  в результате радиационных аварий;

- различные химические  вещества, используемые как добавки в технологии производства строительных материалов.

Большинство строительных материалов непосредственно являются природными компонентами экосистемы и поэтому имеют свои специфические радиационные свойства.

Например, все строительные материалы минерального состава содержат в различном количестве химические элементы, изотопы которых радиоактивны (таблица 3). Радиационную активность строительных материалов можно прогнозировать по их химическому составу и содержанию в них так называемых элементов тяжелых металлов, изотопы которых наиболее радиационно активны [21-23]. Радиоактивность всех горных пород обусловлена присутствием в них долгоживущих (т.е. имеющих очень большие периоды полураспада) радионуклидов, принадлежащих семействам урана-238, тория-232 и калия-40. Среднее содержание (кларки) в земной коре этих радионуклидов составляет: ²³⁸U - 2,1*10^-4%, ²³²Th - 7,0*10^-4%, ⁴⁰К - 1,8%.

 

Таблица 3

Изотопы и их период полураспада для радионуклидов, входящих в состав строительных материалов (Лукутцова Н.П., 2001)

Изотоп	Период  полураспада	Изотоп	Период  полураспада
1	2	3	4
Бериллий-7	53,6 дня	Галлий-67	77,9 часа
Углерод-14	5 700 лет	Германий-68	280 дней
Натрий-22	2,62 года	Селен-75	121 день
Натрий-24	15 часов	Бром-82	35,9 часа
Фосфор-32	14,2 дня	Стронций-85	64 дня
Фосфор-33	25 дней	Рубидий-86	18,7 дня
Сера-35	86,3 дня	Иттрий-88	105 дней
Хлор-36	300 000 лет	Стронций-89	50,5 дня
Калий-42	12,5 часа	Иттрий-90	64 часа
Кальций-45	164 дня	Ниобий-95	35 дней
Скандий-46	83,9 дня	Цирконий-95	65 дней
		Продолжение таблицы 3
1	2	3	4
Ванадий-48	16,1 дня	Рутений-106	1 год
Ванадий-49	330 дней	Кадмий-109	416 дней
Хром-51	27,8 дня	Серебро-110	270 дней
Марганец-52	5,7 дня	Олово-113	118 дней
Марганец-54	313 дней	Индий-114	49 дней
Железо-55	2,6 года	Кадмий-115	43 дня
Железо-59	45,1 дня	Сурьма-124	60 дней
Кобальт-5	77,3 дня	Йод-125	60 дней
Кобальт-57	267 дней	Йод-131	8,08 дня
Кобальт-58	71,3 дня	Цезий-134	2,07 года
Кобальт-60	5,24 года	Церий-139	140 дней
Медь-74	12,8 часа	Церий-141	32,5 дней
Цинк-65	245 дней	Церий-144	28,4 дней
Вольфрам-185	75,8 дня	Золото-198	2,7 дня

 

Примордиальные радионуклиды, представляющие то вещество, из которого образовалась наша планета, находятся в рассеянном состоянии во всех компонентах природной среды, включая биоту. В экологическом плане существенно то, что они в том или ином количестве присутствуют во всех почвах и подстилающих породах. Их содержание в почвах определяется типом почв и породами, на которых эти почвы образовались. Также имеет значение уровень залегания урановых и ториевых пород.

Составить представление  о сравнительной радиационной опасности некоторых строительных материалов из природного камня, которые в последние годы особо популярны и широко используются при новом строительстве и реконструкции старого жилья, можно по сопоставлению данных об их радиационной активности, приведенной в таблицах 4 – 6.

 

Таблица 4

Средние концентрации радиоактивных элементов в метаморфических породах (Лукутцова Н.П., 2001)

Породы	К, %	U*10-4, %	Th*10-4, %	Th/U
мрамор, мраморизованный известняк	0,2	1,1	2,2	2,0
кварцит	0,6	0,8	3,1	3,9
кристаллический сланец	3,1	2,6	10,0	3,8
полевошпатный гнейс	3,4	3,5	15,0	4,0
гранитогнейс	3,6	3,2	16,1	5,0

Таблица 5

Средние концентрации радиоактивных элементов в магматических породах (Лукутцова Н.П., 2001)

Группа  пород	Породы	К,%	U*10-4, %	Th*10-4, %	Th/U
Основные	габро, лабрадорит	1,0	0,6	1,8	3,0
	базальт, диабаз	1,0	0,7	2,3	3,2
Средние	диорит	1,8	1,8	6,0	3,3
	андезит	1,7	1,2	4,0	3,3
Кислые	плагиогранит	2,5	2,7	9,6	4,0
	гранит, гранодиорит	2,3-4,0	2,1-7,0	8,3-40,0	4,0-5,6

 

Таблица 6

Концентрация  калия, урана и тория в осадочных  породах (Лукутцова Н.П., 2001)

Породы	К, %	U*10-4, %	Th*10-4, %	Th/U
известняк	0,3	1,6	1,8	1,1
доломит	0,4	3,7	2,8	0,8
гипс	0,02	1,0	1,0	1,0
песчаник	1,7	2,9	10,4	3,6
кварцевый конгломерат	1,2	6,3	31,0	5 - 10

 

Радиоактивность строительных материалов можно характеризовать по отношению мощности дозы g-излучения в помещениях и вне зданий на открытой местности. В таблице.7 приведены выполненные в ФРГ измерения отношения мощности дозы g -излучения, создаваемого в зданиях, построенных из различных строительных материалов, к мощности дозы вне зданий.

 

Таблица 7

Отношение мощностей  дозы g-излучения в зданиях и  на открытой местности (Смирнов В.П.,  Игнатов С.М, 1999)

Строительный материал	Отношение мощностей дозы g-излучения в зданиях и на открытой местности	Строительный материал	Отношение мощностей дозы g-излучения в зданиях и на открытой местности
Пемза	1,50	Бетон	1,24
Глина	1,35	Кирпич и камень	1,35
Шлак	1,47	Пенобетон	1,18
Известняк	1,24	Дерево	0,95

Среднее значение этого  отношения для жилых зданий составило 1,36. Измерения показали, что среднегодовая  доза g -излучения на открытой местности вблизи бетонных зданий равна 0,370 мЗв/год., в то время как вблизи деревянных зданий она меньше и составляет 0,310 мЗв/год.