Цезий-137 (137
55Cs
), цезий-137 (США), [7] или радиоцезий , представляет собой радиоактивный изотоп цезия , который образуется как один из наиболее распространенных продуктов деления в результате ядерного деления урана -235 и других расщепляющихся изотопов в ядерных реакторах и ядерном оружии. . Следовые количества также возникают в результате спонтанного деления урана -238 . Это один из наиболее проблемных продуктов деления с коротким и средним сроком жизни. Цезий-137 имеет относительно низкую температуру кипения 671 °C (1240 °F) и легко становится летучим при внезапном высвобождении при высокой температуре, как в случае Чернобыльской ядерной аварии и атомных взрывов , и может перемещаться на очень большие расстояния в воздух. Попадая на почву в виде радиоактивных осадков , они легко перемещаются и распространяются в окружающей среде из-за высокой растворимости в воде наиболее распространенных химических соединений цезия , то есть солей . Цезий-137 был открыт Гленном Т. Сиборгом и Маргарет Мелхейз .
Цезий-137 имеет период полураспада около 30,05 лет. [1] Около 94,6% распадается путем бета-излучения до метастабильного ядерного изомера бария: бария-137m ( 137m Ba, Ba-137m). Оставшаяся часть непосредственно заселяет основное состояние 137 Ba, которое стабильно. Барий-137m имеет период полураспада около 153 секунд и отвечает за все выбросы гамма-лучей в образцах 137 Cs. Барий-137m распадается в основное состояние с испусканием фотонов с энергией 0,6617 МэВ. [8] Таким образом, в общей сложности 85,1% распада 137 Cs генерирует гамма-излучение. Один грамм 137 Cs имеет активность 3,215 терабеккереля (ТБк). [9]
Цезий-137 имеет ряд практических применений. В небольших количествах он используется для калибровки оборудования для обнаружения радиации. [10] В медицине его используют в лучевой терапии . [10] В промышленности он используется в расходомерах , толщиномерах, [10] влагомерах (для измерения плотности, америций-241 /бериллий обеспечивает измерение влажности), [11] и в устройствах гамма-каротажа скважин. . [11]
Цезий-137 не широко используется в промышленной радиографии , поскольку трудно получить материал с очень высокой удельной активностью и четко определенной (и небольшой) формой, поскольку цезий из отработанного ядерного топлива содержит стабильный цезий-133, а также долгоживущий цезий-135. . Разделение изотопов слишком дорого по сравнению с более дешевыми альтернативами. Кроме того, источники цезия с более высокой удельной активностью, как правило, изготавливаются из хорошо растворимого хлорида цезия (CsCl), в результате чего повреждение источника радиографии приведет к увеличению распространения загрязнения. Можно сделать водонерастворимые источники цезия (с различными ферроцианидными соединениями, такими как Ni
2Fe(CN)
6, и гексацианоферрат аммония и железа (AFCF), соль Гизе, ферроцианид железа и аммония, но их удельная активность будет значительно ниже. К другим химически инертным соединениям цезия относятся цезиалюмосиликатные стекла , родственные природному минералу поллуциту . Последний использовался при демонстрации химически стабильных водонерастворимых форм ядерных отходов для захоронения в глубоких геологических хранилищах . Большой объем излучения ухудшит качество изображения при рентгенографии.192
Ир и60Co предпочтительнее для радиографии, поскольку это химически нереакционноспособные металлы, и их можно получить с гораздо более высокой удельной активностью путем активации стабильного кобальта или иридия в реакторах с высоким потоком . Однако в то время как137
Cs — это отход, производимый в больших количествах в ядерных реакторах деления.192
Ир и60
Co специально производится в коммерческих и исследовательских реакторах , и их жизненный цикл влечет за собой разрушение задействованных ценных элементов. Кобальт-60 распадается на стабильный никель , тогда как иридий-192 может распадаться либо на стабильный осмий, либо на платину. Из-за остаточной радиоактивности и юридических препятствий полученный материал обычно не извлекается даже из «отработанных» радиоактивных источников, что, по сути, означает, что вся масса «теряется» для нерадиоактивного использования.
Будучи почти полностью искусственным изотопом, цезий-137 использовался для датировки вина и обнаружения подделок [12], а также в качестве материала для относительного датирования для оценки возраста отложений, произошедших после 1945 года. [13]
Цезий-137 также используется в качестве радиоактивного индикатора в геологических исследованиях для измерения эрозии и отложений почвы; его сродство к мелким отложениям полезно в этом применении. [14]
Цезий-137 реагирует с водой с образованием водорастворимого соединения ( гидроксида цезия ). Биологическое поведение цезия аналогично поведению калия [15] и рубидия . Попадая в организм, цезий более или менее равномерно распределяется по всему организму, причем наибольшая концентрация наблюдается в мягких тканях . [16] : 114 Однако, в отличие от радионуклидов 2-й группы , таких как радий и стронций-90 , цезий не биоаккумулируется и сравнительно быстро выводится из организма. Биологический период полураспада цезия составляет около 70 дней. [17]
Эксперимент 1961 года показал, что мыши, которым вводили дозу 21,5 мкКи /г, имели 50% смертность в течение 30 дней (что подразумевает LD 50 245 мкг/кг). [18] Аналогичный эксперимент, проведенный в 1972 году, показал, что когда собаки подвергаются воздействию цезия-137 на все тело в дозе 3800 мкКи /кг (140 МБк/кг, или примерно 44 мкг/кг) (и от 950 до 1400 рад ), они умирают в течение 33 дней, тогда как животные, у которых половина этого бремени, выживают в течение года. [19] Важные исследования показали значительную концентрацию 137 Cs в экзокринных клетках поджелудочной железы, которые наиболее подвержены раку. [20] [21] В 2003 году при вскрытиях шести детей, умерших (по причинам, не связанным напрямую с Чернобылем, в основном от сепсиса) в загрязненной зоне вблизи Чернобыля, где также сообщалось о более высокой заболеваемости опухолями поджелудочной железы, Бандажевский обнаружил концентрацию 137 Cs в 3,9 раза выше, чем в их печени (1359 против 347 Бк/кг, что эквивалентно 36 и 9,3 нКи /кг в этих органах, 600 Бк/кг = 16 нКи /кг в организме по измерениям), демонстрируя тем самым, что ткань поджелудочной железы является сильным накопителем и секретором в кишечнике радиоактивного цезия. [22]
Случайное проглатывание цезия-137 можно лечить берлинской лазурью (FeIII
4[ФеII
( Китай )
6]
3), который химически связывается с ним и сокращает биологический период полураспада до 30 дней. [23]
Цезий-137, наряду с другими радиоактивными изотопами цезием-134 , йодом-131 , ксеноном-133 и стронцием-90 , был выброшен в окружающую среду во время почти всех испытаний ядерного оружия и некоторых ядерных аварий , в первую очередь Чернобыльской катастрофы и Фукусимы . Катастрофа Дайичи .
Цезий-137 в окружающей среде в значительной степени является антропогенным (созданным человеком). Цезий-137 образуется в результате ядерного деления плутония и урана и распадается на барий-137 . [24] Наблюдая характерные гамма-лучи, испускаемые этим изотопом, можно определить, было ли содержимое данного запечатанного контейнера создано до или после первого взрыва атомной бомбы ( испытание Тринити , 16 июля 1945 г.), в результате которого часть его распространилась в атмосферу, быстро распределяя его следовые количества по всему земному шару. Эта процедура использовалась исследователями для проверки подлинности некоторых редких вин, в первую очередь так называемых « бутылок Джефферсона ». [25] Поверхностные почвы и отложения также датируются путем измерения активности 137 Cs.
Бомбы в арктической зоне Новой Земли и бомбы, взорвавшиеся в стратосфере или вблизи нее , выпустили цезий-137, который упал в верхней Лапландии , Финляндия. Сообщается, что измерения цезия-137 в 1960-х годах составляли 45 000 беккерелей. Цифры 2011 года имеют средний диапазон около 1100 беккерелей, но, как ни странно, случаи рака там не более распространены, чем в других местах. [26] [27] [28]
На сегодняшний день и в ближайшие несколько сотен лет цезий-137 и стронций-90 продолжают оставаться основным источником радиации в зоне отчуждения вокруг Чернобыльской АЭС и представляют наибольшую опасность для здоровья из-за их период полураспада и биологическое усвоение составляют примерно 30 лет. Среднее загрязнение цезием-137 в Германии после чернобыльской катастрофы составило от 2000 до 4000 Бк/м 2 . [ нужна цитата ] Это соответствует загрязнению 1 мг/км 2 цезия-137, что в общей сложности составляет около 500 граммов, выпавших на всей территории Германии. В Скандинавии количество оленей и овец превысило норвежский законный предел (3000 Бк/кг) через 26 лет после Чернобыля. [29] По состоянию на 2016 год чернобыльский цезий-137 распался вдвое, но его локальная концентрация могла быть вызвана гораздо более серьезными факторами.
В апреле 2011 года повышенные уровни цезия-137 также были обнаружены в окружающей среде после ядерной катастрофы на Фукусиме-дайити в Японии. В июле 2011 года в мясе 11 коров, отправленных в Токио из префектуры Фукусима, было обнаружено от 1530 до 3200 беккерелей на килограмм 137 Cs, что значительно превышало установленный в то время японский законный предел в 500 беккерелей на килограмм. [30] В марте 2013 года рыба, пойманная возле завода, содержала рекордные 740 000 беккерелей на килограмм радиоактивного цезия, что превышает правительственный лимит в 100 беккерелей на килограмм. [31] В статье, опубликованной в журнале Scientific Reports в 2013 году , было обнаружено, что на лесном участке в 50 км от пострадавшего растения концентрации 137 Cs были высокими в опавших листьях, грибах и детритофагах , но низкими у травоядных. [32] К концу 2014 года «радиоцезий, полученный на Фукусиме, распространился по всей западной части северной части Тихого океана», перенесенный Северо- Тихоокеанским течением из Японии в залив Аляски . Он был измерен в приземном слое до глубины 200 метров и к югу от нынешней территории до глубины 400 метров. [33]
Сообщается, что цезий-137 является основной проблемой здравоохранения на Фукусиме. Рассматривается ряд методов, которые смогут эффективно и без разрушения органических материалов в почве удалить от 80% до 95% цезия из загрязненной почвы и других материалов. К ним относится гидротермическая очистка. Цезий, осажденный ферроцианидом железа ( берлинская лазурь ), будет единственным отходом, требующим специальных мест захоронения. [34] Цель состоит в том, чтобы снизить годовое облучение от загрязненной окружающей среды до уровня, превышающего фон на 1 мЗв . Наиболее загрязненная территория, где дозы радиации превышают 50 мЗв/год, должна оставаться закрытой, но некоторые территории, где в настоящее время уровень радиации менее 5 мЗв/год, могут быть дезактивированы, что позволит 22 000 жителям вернуться. [ нужна цитата ]
Гамма-источники цезия-137 стали причиной нескольких радиологических аварий и инцидентов.
Во время аварии в Гоянии в 1987 году неправильно утилизированная система лучевой терапии из заброшенной клиники в Гоянии , Бразилия, была удалена, а затем взломана для продажи на свалке. Затем светящуюся соль цезия должны были продать любопытным и непредусмотренным покупателям. [35] Это привело к четырем подтвержденным смертельным случаям и нескольким серьезным ранениям в результате радиационного загрязнения. [36] [37]
Краматорская радиологическая авария произошла в 1989 году, когда внутри бетонной стены жилого дома в Краматорске Украинской ССР была обнаружена небольшая капсула размером 8х4 мм с цезием - 137 . Считается, что капсула, изначально являвшаяся частью измерительного прибора, была утеряна в конце 1970-х годов и оказалась смешанной с гравием, использованным при строительстве здания в 1980 году. На протяжении 9 лет в квартире проживали две семьи. К моменту обнаружения капсулы шесть жителей здания умерли: четверо от лейкемии и еще 17, получившие различные дозы радиации. [38]
В 1997 году несколько грузинских солдат получили радиационное отравление и ожоги. В конечном итоге их отследили до источников обучения, оставленных заброшенными, забытыми и немаркированными после распада Советского Союза . Одним из них была таблетка цезия-137 в кармане общей куртки, которая излучала примерно в 130 000 раз больше фонового излучения на расстоянии 1 метра. [39]
Во время аварии Acerinox в 1998 году испанская компания по переработке отходов Acerinox случайно расплавила массу радиоактивного цезия-137, полученную из генератора гамма-излучения. [40]
В 2009 году китайская цементная компания (в Тунчуане , провинция Шэньси ) сносила старый, неиспользуемый цементный завод и не соблюдала стандарты обращения с радиоактивными материалами. Это привело к тому, что некоторое количество цезия-137 из измерительного прибора попало в восемь грузовиков с металлоломом , направлявшимся на сталелитейный завод , где радиоактивный цезий расплавлялся в сталь. [41]
В марте 2015 года Норвежский университет Тромсё потерял 8 радиоактивных образцов, в том числе образцы цезия-137, америция-241 и стронция-90 . Образцы были вывезены из безопасного места и использованы в образовательных целях. Когда образцы должны были быть возвращены, университет не смог их найти. По состоянию на 4 ноября 2015 года [обновлять]образцы все еще отсутствуют. [42] [43]
3 и 4 марта 2016 года необычно высокие уровни цезия-137 были обнаружены в воздухе в Хельсинки , Финляндия. По данным СТУК , ядерного регулятора страны, измерения показали 4000 мкБк/м 3 – примерно в 1000 раз больше обычного уровня. В ходе расследования агентство установило, что источник находится в здании, в котором работают STUK и компания по переработке радиоактивных отходов. [44] [45]
Тринадцать человек подверглись воздействию цезия-137 в мае 2019 года в исследовательском и учебном здании комплекса медицинского центра Харборвью . Контрактная бригада перевозила цезий из лаборатории в грузовик, когда порошок пролился. Пять человек были обеззаражены и освобождены, но восемь человек, подвергшихся более непосредственному воздействию, были доставлены в больницу, а исследовательский корпус был эвакуирован. [46]
Органы здравоохранения Западной Австралии объявили чрезвычайную тревогу на участке дороги длиной около 1400 км после того, как капсула с цезием-137 была потеряна при транспортировке 25 января 2023 года. Капсула диаметром 8 мм содержала небольшое количество радиоактивного материала, когда она исчезла. из грузовика. Правительство штата немедленно начало поиск, а главный санитарный врач Министерства здравоохранения штата Вашингтон Эндрю Робертсон предупредил, что подвергшийся воздействию человек может рассчитывать на получение эквивалента «около 10 рентгеновских снимков в час». Эксперты предупредили, что в случае обнаружения капсулы публика должна держаться на расстоянии не менее 5 метров. [47] Капсула была найдена 1 февраля 2023 года. [48]
Капсула с цезием-137 пропала на паровой электростанции в провинции Прачинбури , Таиланд, 23 февраля 2023 года, что послужило поводом для обыска, проведенного должностными лицами Таиландского Управления атома для мира (OAP) и администрации провинции Прачинбури. Однако тайская общественность была уведомлена только 14 марта. [49]
20 марта генеральный секретарь ОАП и губернатор Прачинбури провели пресс-конференцию, на которой заявили, что они обнаружили загрязненную цезием-137 печную пыль на сталеплавильном заводе в районе Кабинбури . [50]
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )