Радиоактивный углерод вблизи ядерных объектов, среда обитания и здоровье человека.

При анализе экологической безопасности атомных электростанций (АЭС) и заводов по переработке отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) зачастую выпадает из анализа фактор образования радиоактивного углерода ¹⁴С на этих объектах и последствия его влияния на живые организмы.

Все современные конструкции АЭС с реакторами на тепловых нейтронах в той или иной степени являются генераторами радиоактивного углерода. Процесс его образования ¹⁴N(n,p) → ¹⁴C происходит благодаря большому сечению взаимодействия тепловых нейтронов с ядрами стабильного изотопа азота из технологических сред и атмосферного воздуха. Далее образовавшийся ¹⁴C, окисляется до ¹⁴СО₂, проникает в тропосферу и включается в природный круговорот углерода.

В процессе фотосинтеза в наземных и водных экосистемах радиоуглерод накапливается в растениях и фитопланктоне, а затем мигрирует по пищевым цепочкам, поступая на другие трофические уровни, в том числе к человеку. Участвуя в обменных процессах вместе со стабильным углеродом, его радиоактивный аналог включается во все молекулярные структуры живых организмов, в органы и ткани. Главная опасность повышения концентрации ¹⁴С связана с накоплением груза генетических повреждений в популяции людей.

Известно [2], что радиоактивный углерод ¹⁴С может быть в 9-25 раз более эффективным с точки зрения вызываемых им хромосомных нарушений, чем это можно спрогнозировать в результате β-облучения, возникающего при его распаде. Это объясняется тем, что кроме чисто радиационного воздействия β-частиц при распаде ¹⁴С, возникают трансмутационные эффекты, обусловленные изменением химического строения молекул ДНК. Ведь речь идет о превращении одного химического элемента (углерода ¹⁴С) в составе молекул ДНК в стабильный изотоп другого элемента - азота ¹⁴N.

Считается [3], что возникновение такого точечного дефекта в цепочке ДНК трудно обнаруживается системой репарации. В результате происходит накопление дефектов в структуре ДНК и, как следствие, потеря (искажение) генетической информации.
Morrison и Hof [4] в результате детальных исследований функционирования головного мозга при старении человека пришли к заключению, что главным проявлением старческих изменений является именно потеря (искажение) информации, а не прекращение работы генов, чьи продукты обеспечивают взаимодействие нейронов в цепи молекул ДНК.
Российские нормы радиационной безопасности (НРБ-99), ограничивают содержание ¹⁴С в природной среде, но допускают его 20-кратное превышение по сравнению с уровнем его естественной концентрации в биосфере.

По-видимому, допустимость столь высоких концентраций обусловлена, главным образом, с недооценкой опасности трансмутационного воздействия этого радионуклида. Есть основания полагать, что при таком нормировании неадекватно оценивается особая значимость углерода, как основного биогенного элемента, являющегося частью молекул ДНК, где записана генетическая информация.

Казалось бы, концентрация атмосферного ¹⁴С настолько мала (порядка 1-го атома радиоактивного на 10¹² атомов стабильного изотопа углерода), что не может играть какую-либо роль в процессах старения и смертности живых организмов. В то же время длительный период полураспада ¹⁴С (T_1/2=5730 лет), а также гигантское число атомов углерода, входящих в состав молекул ДНК человека (N₀=5·10²⁵), приводит к тому, что число трансмутационных эффектов весьма значительно. Например, число превращений ¹⁴C →¹⁴N(n,p) в ДНК человека, за 1 год может быть рассчитано по формуле:

N_t=1=10^-12 · N₀ · (1-2^-1/T); где Т- период полураспада.

Согласно такому расчету в организме человека в целом ежегодно происходит около 6×10⁹ необратимых трансмутационных эффектов или сотни ежесекундно.
Если считать, что способность организма к существованию определяется уровнем сохранности неискаженной информации, записанной в коде ДНК, то невосстанавливаемые системой клеточной репарации ядерных превращений ¹⁴С→ ¹⁴N в структуре ДНК человека, могут оказаться ничем иным, как ядерно-биологическими часами, отмеряющими продолжительность жизни организма [5]. Тогда для того, чтобы увеличить скорость хода биологических часов (т.е. привести к более короткой биологической жизни), достаточно допустить повышение уровня содержания ¹⁴СО₂ в биосфере по сравнению с теми его концентрациями, которые установились в процессе эволюции на Земле. Такая логика предположений имеет теоретические [6], а также ряд практических подтверждений при исследовании зависимости смертности населения от концентрации радиоуглерода в атмосфере [7, 8].
Андрей Дмитриевич Сахаров в своей статье [6] в 1958 году показал, что от радиоактивного углерода, образующегося при взрыве только одной водородной бомбы мощностью в одну мегатонну, от рака, генетических нарушений и других болезней пострадает около десяти тысяч человек. Согласно этой оценке, при взрыве в 1961 году советской водородной бомбы мощностью в 58 мегатонн (это около 10% от мощности всех атмосферных ядерных взрывов), прогнозировалась гибель или серьезные заболевания около полумиллиона человек.

В 1991 году журнале «Наука и всеобщая безопасность» [9] приводилось сравнение результатов полученных А.Д. Сахаровым с более поздними прогнозами биологических последствиях воздействии радиоуглерода. Оказалось, что сделанные А.Д. Сахаровым оценки полученной дозы представляются несколько завышенными, но при этом прогноз эффекта биологического воздействия радиоуглерода оказался заниженным (!).
Увеличение концентрации радиоуглерода в продуктах питания после ядерных испытаний 50-х и 60-х годов прошлого века было максимальным в 1965 году и составило не более 1,7 уровня его естественных концентраций до начала атомной эры.

Подробный анализ последствий таких изменений концентрации ¹⁴С в пище на динамику смертности населения Земли, приведенный в http://gealeksandr.narod.ru, показывает высокую степень влияния радиоуглерода на этот показатель. Особенно отчетливо это можно проследить на примере жителей стран с высоким уровнем жизни, где смертность наиболее приближена к естественным причинам, обусловленным фундаментальными биологическими механизмами старения человека.

Историческая динамика смертности датчан 67-летнего возраста (рис. 1) показывает, что повышение смертности людей этой возрастной группы следует с некоторым запаздыванием за подъемом содержания ¹⁴С в биосфере (рис.2). Этот эффект можно проследить в той или иной степени во всех возрастных группах населения Дании, а также у граждан Норвегии, Швеции, ФРГ и в других стран с высоким уровнем жизни.

Рис.1. Динамика естественной смертности населения Дании в возрасте 67 лет Линии 1,2,3 - ♂; линии 4,5,6 - ♀; 1 и 4 – смертность; 2 и 5 - вероятный ход кривых смертности после 2002 года; 3 и 6 – основной тренд исторической динамики смертности.
Рис. 2. Сравнение радиоуглеродного содержания целлюлозы в годичных кольцах деревьев из различных районов с атмосферными радиоуглеродными данными [10].

Показательно, что на это в свое время отреагировали эксперты Всемирной Организации Здравоохранения. В аналитическом комментарии к очередному Ежегоднику (1987) мировой санитарной статистики [11] они отметили следующее необъяснимое с позиций того времени явление: “Еще сравнительно недавно в индустриальных странах не ослабевала эпидемия ишемической болезни сердца, особенно среди мужчин в возрасте наивысшей экономической активности. Однако, начиная с конца 80-х годов, в некоторых странах смертность от этой болезни начала снижаться …”.

Спустя 20 лет этот эффект отчетливо можно проиллюстрировать на примере исторической динамики смертности 40-летних мужчин Норвегии, Дании (рис.3) и Германии (рис.4), полученной автором по материалам http://gealeksandr.narod.ru.

Рис.3. Динамика смертности мужского населения Норвегии и Дании в возрасте 40 лет

Рис.4. Динамика смертности мужского населения Германии в возрасте 40 лет

На основании изложенного, можно утверждать, что теоретически обоснована и практически подтверждена опасность для человека повышения в 1,7 раза концентрации радиоуглерода ¹⁴С (в виде ¹⁴СО₂), которое возникло в результате ядерных испытаний в атмосфере.

В то же время, мирное использование ядерных технологий при производстве электроэнергии на АЭС или переработке ОЯТ, также сопровождается генерацией радиоуглерода.

Экспериментально установлено, что постоянные выбросы ¹⁴С на штатно работающих АЭС приводят к росту его концентраций в растительных и животных организмах вблизи станций.

Так, в растениях, произрастающих на расстоянии 1 – 2 км от места выброса, содержалось на 50% больше ¹⁴С по сравнению с пробами, отобранными на расстоянии 20 – 30 км [12]. То есть, вблизи АЭС концентрации радиоуглерода были в 1,5 раза выше, чем на значительном удалении от них.

Вблизи предприятия по переработке отработавшего ядерного топлива в Челябинской области (Завод РТ-1, ПО «МАЯК») зафиксирована [13] в 3 раза более высокая концентрация радиоуглерода в организме людей по сравнению с аналогичными концентрациями у тех, кто живет в условиях его естественных концентраций.

В полевых исследованиях, проведенных в районе ПО «МАЯК», установлено [14], что в районе этого локального источника выбросов ¹⁴С наблюдаются повышенные концентрации радиоуглерода в различных природных объектах. Так на расстоянии от 9 км до 17 км в направлении преимущественных ветров наблюдалось увеличение в 4 - 7 раз удельной активности радиоуглерода как в атмосферном воздухе, так и в однолетней растительности по сравнению с естественными концентрациями. Даже на расстоянии 140 км от МАЯКА этот показатель в воздухе и растениях превышал 1,7.

Теоретически, зная усредненные величины нормализованных выбросов ¹⁴С энергетических реакторов различного типа [1], возможно моделирование распределения радиоуглерода в природных средах. Однако для локальных объектов такое моделирование может быть затруднено из-за отсутствия входных параметров модели, характеризующих этот объект, а также метеорологических, биологических характеристик в районе его действия.

В тоже время, анализ нормализованных выбросов ¹⁴С у АЭС различного типа, позволяет выявить наиболее опасные станции по этому признаку.
Максимальная величина нормализованного выброса ¹⁴С в виде ¹⁴СО₂ у уран-графитового реактора ЭГП-6 Билибинской АЭС - 14,3 ТБк/ГВт(эл.)×год. Это объясняется продувкой активной зоны чистым азотом.
На втором месте идут энергоблоки с реакторами РБМК, установленные в России на Ленинградской, Курской, Смоленской, а также Игналинской АЭС (Литва). У этих энергоблоков величина выброса ¹⁴С может меняться от 1,4 до 5,2 ТБк/ГВт(эл.)×год в зависимости от количества азота в охлаждающей графитовую кладку гелиево-азотной смеси.

Основываясь на результатах практических исследований районов локальных выбросов ¹⁴С [12, 13, 14] можно ожидать многократное увеличение концентрации ¹⁴С по сравнению с естественной в сельхозрастениях и мясе домашних животных на расстоянии до сотни километров от реакторов РБМК.
Реакторы типа ВВЭР характеризуются на порядок меньшим выбросом ¹⁴СО₂ на единицу вырабатываемой мощности. Соответственно, от них радиус зоны увеличения концентрации в сельхозрастениях и мясе домашних животных будет существенно меньше.

Ретроспективная оценка выбросов радиоуглерода вблизи ядерных объектов, а также прогноз возможных последствий для природных, сельскохозяйственных экосистем и человека, могут быть получены при непосредственном анализе содержания ¹⁴С в годовых кольцах деревьев, произрастающих в районах, прилегающих к АЭС. На основе этих данных возможна и необходима паспортизация сельхозугодий и животноводческих ферм на предмет безопасности их эксплуатации.

Исходя из выше изложенного, можно сделать следующие выводы:

1. Велика вероятность превышения в 1.5 - 2.0 раза фоновых значений концентрации радиоуглерода в сельхозрастениях и мясе животных на расстоянии до 100 км от энергоблоков с реакторами РБМК. Это следует из результатов проведенных исследований [12, 13, 14].
2. Для оценки воздействия на окружающую среду строящейся Ленинградской АЭС-2 с реакторами ВВЭР-1200, а также допустимости (как планируется) ее одновременной работы с реакторами РБМК-1000 старой ЛАЭС, необходимо провести оценки риска для здоровья людей выбросов ¹⁴С обеих АЭС и оценить допустимости их одновременной работы.
3. Необходимо организовать независимый от атомной индустрии, прозрачный для общества мониторинг содержания ¹⁴С в природных средах и сельскохозяйственных экосистемах для оценки последствий работы АЭС заводов по переработке ОЯТ на здоровье природы и человека.
4. Достоверная ретроспективная картина выбросов ¹⁴С и прогнозы рисков от будущих выбросов могут быть получены при непосредственном анализе содержания ¹⁴С в годовых кольцах деревьев, произрастающих в районах, прилегающих к АЭС. На базе этих данных возможна и необходима паспортизация сельхозугодий на предмет безопасности их эксплуатации.

Литература

1. Василенко И.Я. Осипов В.А. Кинетика обмена и биологическое действие радиоактивного углерода.- М.: Медицина, 2002. – 128 с.
2. Кузин А.М. Биологические последствия повышения концентрации ¹⁴С в атмосфере.- В кн.: Радиационная генетика. М. 1962, с. 274-278.
3. Рублевский В.П., Голенецкий С.П., Кирдин Г.С. Радиоактивный углерод в биосфере.- М.: Атомиздат, 1979. – 172 с.
4. Morrison J.H., Hof P.R. Life and death of Neurons in the Aging brain. // Science - 1997. - V. 278 - P. 412-419.
5. Alexander M. Germansky, Anna A. Germanskaia. Radiocarbon Mechanism of Aging. Rejuvenation Research. Jun 2006, Vol. 9, No. 2: 309-317. Abstract | Full Text PDF: For printing or With links | Related.
6. Сахаров А. Д. Радиоактивный углерод ядерных взрывов и непороговые биологические эффекты. Атомная энергия 1958; т. 4; № 6: 576-580.
7. Германский А.М. Атмосферный радиоуглерод и смертность населения в Дании. Интернет-журнал 'Коммерческая биотехнология”, 2005. http://www.cbio.ru/v5/modules/news/article.php?storyid=1527
8. A A. Germanskaia. Natural Background Radioactive Carbon and the Natural Death Rate of People. Rejuvenation Research Jun 2006, Vol. 9, No. 2: 302-308.
9. Сахаров А. Д. Радиоактивный углерод ядерных взрывов и непороговые биологические эффекты./ Наука и всеобщая безопасность. Т.1, №4, 1991, с.3-8.
10. Левченко В. Радиоуглерод и абсолютная хронология: записки на тему.
    http://hbar.phys.msu.ru/gorm/dating/wally-1.htm .
11. Ежегодник мировой санитарной статистики за 1987. ВОЗ, Женева-М., 1989. 720 с.
12. Рублевский В.П. Предельно допустимый выброс углерода-14 в атмосферный воздух// Труды научно-технической конференции по дозиметрии и радиометрии ионизирующих излучений. – М.: Атомиздат. 1972. – С. 15-19.
13. Демин С.Н. Проблема углерода-14 в Районе ПО ”Маяк”. - Вопросы радиационной безопасности, №1, 2000, 61-66 с.
14. Пономарева Р.П. Формирование очага повышенного содержания углерода-14 в природных объектах в условиях длительно действующего локального источника выброса. Онлайн-журнал «Заметки радиоэколога», http://radioecology.net/2008/11/15/formirovanie-ochaga-povyshennogo-soderzhaniya-ugleroda-14-v-prirodnyx-obektax-v-usloviyax-dlitelno-dejstvuyushhego-lokalnogo-istochnika-vybrosa/

А.М. Германский, к.т.н.,
эксперт ЗЕЛЕНОГО МИРА, Санкт-Петербург