Ю.А. Александров
Основы радиационной экологии
Учебное пособие. – Йошкар-Ола: Мар. гос. ун-т, 2007. – 268 с.

Раздел 2. Источники ионизирующих излучений и загрязнений окружающей среды радиоактивными веществами

2.3. Искусственные источники ионизирующих излучений и их характеристика

2.3.2. Ядерные и термоядерные взрывы

Значительно меньше по сравнению с влиянием естественного фона доза, получаемая от радиоактивных выпадений в результате испытаний ядерного оружия.

2 декабря 1942 года на спортивной площадке Чикагского университета группой физиков-атомщиков под руководством великого итальянского ученого Энрико Ферми был запущен первый атомный котел, в котором происходила самоподдерживающаяся управляемая атомная реакция.

Этому успеху предшествовали почти полувековые исследования в области теоретической и экспериментальной физики, проводимые под руководством П. Кюри, М. Склодовской-Кюри, Э. Резерфорда, Н. Бора, А. Эйнштейна, М. Планка, Ф. Жолио-Кюри, И. Жолио-Кюри, Л. Мейтнер, О. Гана, Д. Чедвика, В. Гейзенберга, И.В. Курчатова и других
выдающихся ученых-атомщиков.

Результаты осуществленной группой Ферми цепной реакции были с самого начала поставлены на военные рельсы, а именно – на срочное создание в США атомного оружия с целью опередить Гитлера, физики которого работали в этом же направлении.

В 1944 году в США под руководством Э. Ферми была создана и испытана атомная бомба, а в августе 1945 г. атомной бомбардировке подверглись японские города Хиросима и Нагасаки. Тогда погибла третья часть населения этих городов. В последующие годы многие умирали от лучевой болезни, лейкозов и других недугов, связанных с радиоактивным облучением.

25 декабря 1946 г. под руководством И.В. Курчатова был осуществлен запуск первого советского управляемого уран-графитового реактора, в котором в дальнейшем производился оружейный плутоний, использующийся в качестве ядерного заряда вместо урана-235 при производстве атомного оружия (рис. 4). Первая советская атомная бомба была испытана 29 августа 1949 года.

При атомном взрыве образуются продукты деления и остается часть неразделившихся атомов урана-235 или плутония-239, которые при наземном взрыве выбрасываются в атмосферу.

Впоследствии в СССР была создана и испытана в 1953 г. водородная бомба, действие которой основано на термоядерной реакции взаимодействия дейтерия и трития:

Эта реакция протекает мгновенно (3´10^-6 секунды), но для ее начала необходима очень высокая температура, которую возможно получить лишь при атомном взрыве. Вследствие этого в водородной бомбе, содержащей смесь дейтерия и трития, в качестве детонатора служит атомный плутониевый заряд.

В атомной бомбе происходит неуправляемый процесс деления ядер. Для мирных же целей важен управляемый процесс цепной реакции. Он осуществляется в ядерных реакторах, подобных тому, который был сооружен в Чикаго в 1942 году Э. Ферми. В 1946 году был запущен первый советский атомный реактор. Впоследствии были построены атомные котлы различных конструкций для выработки электроэнергии, в исследовательских целях, а также для получения плутония-239 из природного урана-238 и урана-233 и из природного тория-232. Деление урана-235, плутония-239 и особенно термоядерная реакция, выделяют большое количество нейтронов. Последние бомбардируют окружающие вещества, превращая их в радиоактивные (наведенная радиоактивность). Кроме того в атмосферу выбрасывается большое количество продуктов деления. Наиболее важные из них – цезий-137 и стронций-90.

Максимум ядерных испытаний пришелся на период с 1954 по 1958 годы, когда взрывы проводили США, СССР и Великобритания. Еще более мощные испытания, в которых участвовали и другие страны (но наиболее сильно США и СССР), проводили в 1961-1962 годах. Всего за период с 1945 по 1998 годы было проведено 2056 ядерных взрывов (табл. 15).

Таблица 15 – Общее количество ядерных взрывов на территории земного шара

В частности, на территории США было проведено 1030 ядерных взрывов, в том числе в Неваде – 935, Нью-Мексико – 3, Миссисипи – 2, Колорадо – 2, на Аляске – 3 взрыва. На территории России состоялось 214 ядерных взрывов (в том числе на Новой Земле – 132), в Казахстане – 496, на Украине – 2, в Узбекистане – 2 и в Туркменистане – 1 взрыв. На полигоне Лобнор в Китае (штат Синьцзян) провели 45 взрывов, в Алжире – 17, в Австралии – 12. Индия испытывала ядерное оружие 6 раз (на площадке Покхаране), а Пакистан – 5 (горный район Чагаи, провинция Белуджистан). Кроме того, ядерные взрывы проводились на атоллах Муруроа (175) и Эниветок (43), на островах Рождества (30), Бикини (23), Джонстон (12), Фангатофа (12), Молден (3), в Тихом океане (4) и Южной Атлантике (3).

Высокодисперсные фракции продуктов ядерных взрывов поднимаются в верхние слои атмосферы и годами и даже десятилетиями циркулируют там, распространяясь вначале над своим полушарием, а зaтeм и над всей территорией земного шара, и лишь постепенно выпадают на поверхность Земли. В течение 10 лет, когда испытания проводились наиболее интенсивно, население Земли получило за счет глобальных выпадений дополнительно 2 мЗв (одна годовая доза от естественного фона).

При атомном взрыве образуются продукты деления ядерного горючего ²³⁵U, ²³⁸U, ²³⁹Pu с образованием сложной смеси из 200 изотопов 36 химических элементов с периодом полураспада от 1 с до млн лет. По характеру излучения все они относятся к бета- и гамма+бета-излучателям, кроме ¹⁴⁷Sm и ¹⁴⁴Nd – альфа-излучатели. Дополнительным источником радиоактивного загрязнения местности служит также наведенная радиоактивность, возникающая в результате воздействия потока нейтронов, образующихся при цепной реакции деления урана или плутония на ядра атомов различных веществ окружающей среды.

Наибольший практический интерес для радиобиологии представляют следующие радионуклиды: ⁸⁹Sr, ⁹⁰Sr, ¹³¹J, ¹³⁷Cs, ¹⁴⁰Ba, ¹⁴⁴Ce.

Активность продуктов ядерного деления быстро снижается в первые часы и сутки, например, в первые сутки наблюдается снижение активности в 50 раз.

Таблица 16 – Снижение активности ПЯД с течением времени

Из закона радиоактивного распада выведено правило: каждое десятикратное снижение активности осколков и мощности дозы гамма-излучения происходит в результате увеличения их возраста в 7 раз.

При термоядерных взрывах в момент реакции синтеза возникает интенсивный поток нейтронов, вызывающих образование значительного количества продуктов активации – наведенную радиоактивность.
Основными источниками загрязнения окружающей среды являются радиоактивные осколки ²³⁸U, ²³⁹Pu, тритий ³Н и радиоуглерод ¹⁴С. В результате проведенных до 1959 года термоядерных взрывов в земной
атмосфере образовалось около 560 кг ¹⁴С.

Загрязнение окружающей среды зависит от характера взрывов, мощности зарядов, атмосферных условий, географических зон и широт.

При воздушном взрыве РВ распыляются на большой площади, но под влиянием атмосферных осадков, выпавших в момент прохождения радиоактивного облака, может повыситься загрязнение в том или ином районе.

Взрывы средней и малой мощности (до нескольких килотонн тротилового эквивалента) загрязняют в основном тропосферу – на высоте 18 км, мелкие и крупные частицы выпадают на расстоянии нескольких сот километров от эпицентра, образуя локальные радиоактивные загрязнения. Крупные взрывы в несколько мегатонн загрязняют, главным образом, стратосферу на высоте 80 км. Воздушными течениями частицы продукты ядерного деления (ПЯД) способны совершать очень большой путь, вплоть до нескольких оборотов вокруг земного шара, образуя в результате выпадения глобальные загрязнения. Следует отметить, что продукты взрывов распределяются следующим образом: при воздушном взрыве 99% задерживается в стратосфере; при наземном взрыве 20% попадает в стратосферу, а 80% выпадает в районе взрыва; при взрывах у поверхности моря 30% остается в стратосфере, а 70% выпадает локально. ПЯД могут находиться в тропосфере 2-3 месяца, в стратосфере – 3-9 лет. По данным исследователей, из имеющихся в стратосфере ПЯД ежегодно осаждается 10%  ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs.

По данным Научного комитета ООН по действию атомной радиации, при испытаниях ядерного оружия, проводимых до 1963 года, суммарная мощность взорванных боеприпасов и устройств составила 510,9 мегатонн по тротиловому эквиваленту, в т.ч.: при воздушных взрывах – 406,2 Мт, при наземных – 104,7 Мт. Выпадение радионуклидов составило в МКи: ³H – 360, ¹⁴C – 6,2; ⁵⁵Fe – 50, ⁸⁹Sr – 2800, ⁹⁰Sr – 12,2, ¹⁰⁶Ru – 330, ¹⁴⁴Ce – 182,4, ¹³⁷Cs – 19,5, ²³⁹Pu – 0,32. Расчеты показали, что ожидаемые дозы от радионуклидов, образовавшихся в результате ядерных испытаний, проведенных до 1976 года, составляют для населения умеренного пояса Северного полушария: от внешнего облучения – 110 мрад, от инкорпорированных радионуклидов: для гонад – 37, костного мозга – 150, клеток, выстилающих костную ткань – 180 и для легких – 150 мрад.