Цезий. 
Радиоэкология и экологическая радиохимия

Цезий (Z=55) — щёлочной металл. Природный цезий состоит из одного природного изотопа — ¹³³Cs. С экологической точки зрения наибольшее значение имеют изотопы ¹³4Cs и ¹³⁷Cs. ‘^Cs (2,0652 л) р-распадом превращается в стабильный ¹³«Ва. Максимальные энергии электронов (МэВ): 0,078(27,4%), 0,210(2,47%), 0,665 (70,1%), энергии у-квантов от 0,605 (97,6%) до 1,362 МэВ. Полная энергия распада на 1 Бк 1,72 МэВ.

Важным изотопом является ¹³⁷Cs (30,1671 л). Энергия распада 1Д7563 МэВ, продукт распада — стабильный ^{, 37}Ва. В 94,4% случаев распад происходит с промежуточным образованием ядерного изомера бария ^137тВа (2,55 мин), который в свою очередь переходит в основное состояние с испусканием у-кванта с энергией 661,7 кэВ (или конверсионного электрона с энергией 661,7 кэВ). При распаде ¹³?Cs испускается также рентгеновское излучение с энергией 32 кэВ. Максимальные энергии электронов (МэВ): 0,52(94,6%) и 1,2(5,4%), энергия у-квантов 0,6616 МэВ (94,6%), полная энергия распада на 1 Бк 0,8486 МэВ. Активность 1 г wCs =3,2−1012 Бк.

*34Cs образуется в ядерном реакторе, однако он не является прямым продуктом деления. В реакторах на тепловых нейтронах он возникает в результате нейтронной активации (реакция ¹33Cs (n, y)^,MCs). стабильного изотопа 'ззСв, который получается с большим выходом как конечный продукт цепочки распада продуктов деления с А = 133.

Рис. 5. Схема распада ^{, 37}Cs.

Изотоп ¹³⁷Cs образуется при делении ядер U в *35U и ²39Ри тепловыми нейтронами в ядерных реакторах и при ядерном взрыве. Выход деления относительно высок: ~6 атомов на юо делений. Непосредственно он возникает при (3-распаде *37Хе (3,818 м):

Содержание и отношение активностей радионуклидов *34Cs и *37Cs в топливе зависят от времени работы реактора и его мощности.

«37Cs в почвах и донных осадках определяют иногда возможно без предварительного концентрирования у-спектрометрически по линии 661,8 кэВ. Из кислых растворов *37Cs селективно извлекают с помощью фосфомолибдата аммония в динамических условиях. В природных водах требуется предварительное концентрирование — сорбция материалами на основе смешанных ферроцианидов калия и переходных металлов (Fe, Си, Ti, Zr и др.). Часто определение wCs проводят осаждением Cs₃SbJ₉ после предварительного концентрирования радионуклида на ферроцианиде никеля. В пищевых продуктах и растительности осуществляют концентрированием *37Cs на осадке ферроцианида никеля и последующим выделением его в виде сурьмянисто-йодидной или гексахлортеллуритной соли. *34Cs определяют у-спектрометрически по линиям 604,6 кэВ и 795,9 кэВ.

Рис. 6. Спектр от образцового спектрометрического источника у-излучения ¹³⁷Cs (хорошо видна линия 664 кэВ (распад *37'"Ва 13%), присутствует также линия рентгеновского излучения с энергией 32 кэВ).

Атмосферные испытания ядерного оружия привели к широкому распространению в среде радиоактивных продуктов деления. При ядерных взрывах образуется только изотоп^Cs. К 1963 г., когда закончились испытания ядерного оружия в атмосфере, суммарная активность *37Cs, выброшенная к в атмосферу, составляла 9,62-ю¹⁷ Бк. Глобальная плотность загрязнения почв на 1983 г. по wCs составила 3,3−109 Бк/км².

Цезий-137 образуется при делении U в топливе ядерных реакторов. Его количество зависит от степени выгорания и типа топлива, и от энергетического спектра нейтронов в реакторе. Небольшие количества продуктов деления, произведенные в топливе, попадает в охлаждающую жидкость через дефекты в оболочках ТВЭЛов. После прохождения системы очистки жидких стоков, небольшое количество *37Cs поступает в окружающую среду. В газовых выбросах этот изотоп практически не попадает.

Ядерная энергетика является источником поступления ^{, 37}Cs в окружающую среду. В 2000 реакторами АЭС всех стран мира в атмосферу было выброшено 22,2-ю¹⁹ Бк ¹³⁷Cs. Выброс ¹³⁷Cs осуществляется не только в атмосферу, но и в океаны с атомных подводных лодок, танкеров, ледоколов, оснащенных ядерно-энергетическими установками. Суммарная активность продуктов деления, образовавшихся в ядерном реакторе АПЛ мощностью 6о МВт при его непрерывной работе в течение одного года, достигает з, 7-ю¹⁷ Бк, в том числе ¹³⁷Cs — 24−10*4 Бк.

На заводах по переработке ОЯТ топливо растворяют. Весь ^{, 37}Cs уходит в потоки отходов, но в окружающую среду его попадает мало.

При глобальных выпадениях, поступление в человека ^{, 37}Cs с пищей осуществляется через зерновые продукты, мясо и молоко. С фруктами и овощами ¹³⁷Cs поступает намного меньше. Морские пищевые цепочки имеют второстепенное значение, даже в тех странах, где рыба широко потребляема. В Японии в период между 1966 и 1971, только 8% ¹³⁷Cs попало в жителей при потреблении рыбной продукции.

¹³⁷Cs в человека может поступать по цепочке лишайник-«северный олень-«человек. Цезий хорошо извлекается из почвы лишайниками, после чего его активность медленно снижается (на 5−3-10% в год). Лишайники обеспечивают кормовую базу для выпаса оленей в зимний период. Коэффициент распределения ^{, 37}Cs между лишайником и олениной зимой 4,9. Летом животные питаются травой, поэтому уровни ¹³⁷Cs в мясе имеют заметные сезонные колебания. Высокие концентрации ¹³⁷Cs возникают в эскимосских группах населения, которые питаются олениной. Уровни 740-М300 Бк на кг массы тела наблюдалось у оленеводов в течение 1964 г. от осадков, что в юо раз больше, чем у лиц из других регионов.

Внутрь живых организмов ¹³⁷Cs проникает через органы дыхания и пищеварения. Хорошей защитной функцией обладает кожа (через неповрежденную поверхность кожи проникает 0,007% нанесённого препарата цезия, через обожжённую — 20%; при нанесении препарата Cs на рану всасывание 50% препарата наблюдается в течение первых ю мин, 90% всасывается только через 3 часа).

Цезий по химическим свойствам близок к калию. В живых организмах он полностью включается в метаболизм, конкурируя с калием. Однако скорость миграции в организме у Cs в 25 раз меньше, чем у калия.

Цезий при поступлении в организм хорошо всасываются. При этом в желудок поступает 7% ¹³⁷Cs, в двенадцатиперстную кишку — 77%, в тонкую — 76%, в подвздошную — 78%, в слепую — 13%. Накапливается в мягких тканях и селезенке. При пероральном введении основная часть активности вначале сосредоточивается в кишечнике, затем реабсорбируется в нисходящих отделах. Попав в кровь, *37Cs довольно равномерно распределяется по органам и тканям; он быстро покидает кровяное русло. В первые 10*30 мин максимальная концентрация наблюдается в почках. Затем происходит перераспределение, и основное количество активности (до 52,2%) задерживается мышечной тканью. Через 5 мин после внутривенной инъекции в крови человека обнаруживается 27 % от введенного количества, через 2 ч — 3,5% и через ю сут. — 2% ‘^Cs. В условиях хронического поступления wcs накапливается в организме до определенной величины. Концентрации Cs и К в жировых тканях низки, поэтому при одинаковых концентрациях^Cs в пище, концентрации *37Cs у мужчин выше, чем у женщин. В мужском организме Cs удерживается дольше, чем в женском.

Табл. 7. Допустимые уровни содержания ¹3?Cs.

Через дыхательные пути в организм человека поступление wCs составляет 0,25% величины, поступающей с пищей. 8о% попавшего в организм цезия накапливается в мышцах, 8% - в скелете, а 12% распределяются между сердцем и печенью. Накопление Cs в органах и тканях происходит до определенного предела, при этом интенсивная фаза накопления сменяется равновесным состоянием, когда содержание Cs в организме остаётся постоянным. Равновесное состояние у сельскохозяйственных животных наступает через 10*30 дн, у человека через 430 дн.

Цезий-137 легко выводится из организма (через почки и кишечник). Через месяц после прекращения поступления Cs из организма выводится 8о% введенного количества, однако в процессе выведения значительные количества Cs повторно всасываются в кровь в нижних отделах кишечника. Из организма человека wCs выводится с Тб =70 сут., из мышц, легких и скелета — 140 сут. Значения Те коррелируют с возрастом и весом пациентов. Время пребывания ‘37Cs в человеке меньше у женщин, чем у мужчин, а у детей меньше, чем у взрослых. Небольшая часть (10*15%) ¹³⁷Cs выводится с коротким периодом времени (1*1,5 дн), а остальное — медленнее (50*150 дн).

Табл. 8. Гб ¹³⁷Cs для человека._.

Доза от wCs в биологической ткани создается р-частицами ‘37Cs, а также фотонами, рентгеновскими лучами, конверсионными и ожеэлектронами, испускаемыми при распаде дочернего ^137тВа. Часть энергии фотонов выходит из тела; она зависит от размера тела. Средняя мощность дозы в теле для равномерного содержания *37Cs при 1 Бк на кг массы тела составляет -3,5 нГр/дн от р-частиц для взрослых и детей плюс 3,2 нГр/дн от фотонов для взрослых и -1,6 нГр/дн для младенцев. Итого: 6,7 нГр/дн за Бк/кг у взрослых и 5,1 нГр/ дн в Бк/кг у ребёнка.

При равномерном распределении wCs в организме человека с удельной активностью 1 Бк/кг мощность поглощенной дозы варьирует от 2,14 Д° ЗДб мкГр/год. Вследствие равномерного распределения этого нуклида в организме органы и ткани облучаются равномерно. Этому также способствует высокая проникающая способность у-излучения нуклида ¹з7""Ва, образующегося при распаде wCs.

Для *3?Cs группа радиационной опасности В, МЗА=з, 7 Ю⁶ Бк. Допустимое поступление «37Cs в организм человека не должно превышать 7,4-ю² Бк/сутки. Допустимое годовое поступление ¹³⁷Cs через органы дыхания составляет 13,3−104 Бк/год. Допустимая концентрация ¹³?Cs в воздухе рабочих помещений 5,18-кг¹ Бк/л, в воде — 5,5-ю² Бк/л, в атмосферном воздухе 18−10^-3 Бк/л. Минимальные концентрации ^{, 37}Cs в воздухе рабочих помещений для персонала и в атмосферном воздухе для населенияв 1,4 раза меньше, чем для *34Cs, что связано с величиной суммарной энергии распада, выделяющейся на 1 Бк, которая больше при распаде wCs.

Дезактивацию загрязненных рук и лица проводят водой моющими порошками. Полости рта и носоглотки промывают физиологическим раствором. Для ускорения выведения wCs из организма принимают сорбенты: коллоидные растворы ферроцена или бентонита с последующим вызыванием рвоты. Очистку организма проводят растворами берлинской лазури, которая связывает цезий в ЖКТ, предотвращая реабсорбцию.