Eins og áður hefur komið fram hafa geislavirk efni verið hluti af náttúrulegu umhverfi á jörðinni frá upphafi, en auk þessarar náttúrulegu geislunar er nú að finna í umhverfinu geislavirk efni sem tilkomin eru vegna athafna manna. Þar er einkum um að ræða mengun vegna kjarnorkuvera, geislavirks úrgangs og kjarnorkuvopna. Einnig eru geislavirk efni notuð í læknisfræðilegum tilgangi. Þá hafa orðið nokkur alvarleg kjarnorkuslys í gegnum tíðina. Afdrifaríkust þeirra eru slysið í Chernobyl-kjarnorkuverinu í Úkraínu árið 1986 og slysið í Fukushima í Japan árið 2011.

6.3.1. Kjarnorkuiðnaðurinn

Áður en hægt er að framleiða raforku í kjarnorkuveri (eða geislavirk efni til vopnagerðar í kjarnaofni, ef það er ætlunin) þarf að vinna úraníum úr bergi með námuvinnslu, auðga það, meðhöndla og koma fyrir í eldsneytisstöngum. Mynd 6.3 sýnir helstu ferla í kjarnorkuiðnaði, frá námuvinnslu og eldsneytisgerð yfir í raforkuframleiðslu í kjarnorkuveri og förgun og/eða endurvinnslu kjarnorkuúrgangs. Sjá má að geislavirkur úrgangur fellur til á ýmsum stöðum í ferlinu.

6.3.2. Kjarnorkuver

Í kjarnorkuverum er framleidd raforka (mynd 6.4). Með keðjuverkandi kjarnasundrun úraníums (U-235) myndast orka sem nýtt er til að hita vatn. Vatnið verður að gufu sem knýr gufuhverfla og til verður rafmagn. Í kjarnorkuveri er nægjanlegu magni af U-235 komið fyrir í eldsneytisstöngum og þeim komið fyrir í vatnsbaði í kjarnaofninum innan í þrýstihylki. Þegar nifteindir lenda á úraníumkjarna klofnar hann og við það myndast léttari geislavirkar afurðir kjarnasundrunarinnar auk 2-3 nifteinda. Þær nifteindir sem myndast rekast svo á aðra úraníumkjarna og keðjuverkandi kjarnasundrun á sér stað. Nifteindirnar rekast einnig á afurðir kjarnasundrunarinnar og til verða enn aðrar sundrunarafurðir. Við kjarnasundranirnar myndast mikil orka sem hitar vatnið og myndar gufu sem knýr gufuhverfla. Til að stýra ferlinu eru notaðar stýristangir og er hægt að færa þær til í kjarnaofni til að hraða og hægja á ferlinu. Til að stöðva ferlið eru stýristangirnar settar alla leið niður í kjarnaofninum og gleypa þær þá allar nifteindirnar svo að keðjuverkunin rofnar. Þetta er til dæmis gert þegar slökkva þarf á ofnunum. Þrýstihylkið og steinsteypt mannvirkið utan um kjarnaofninn sem og vatnskerfið þjóna þeim tilgangi að koma í veg fyrir losun geislavirkra efna út í umhverfið. Þegar slökkt er á kjarnaofnum þarf að dæla vatni um kerfið til að kæla eldsneytisstangirnar, því að þrátt fyrir að slökkt sé á ofnunum halda niðurbrotshvörfin áfram með tilheyrandi hitamyndun. Ef vatninu er ekki haldið í hringrás ofhitnar það umhverfis eldsneytisstangirnar og sýður burt. Þá er engin kæling virk lengur og eldsneytisstangirnar geta bráðnað og orðið að eins konar geislavirkri kviku (e. meltdown) sem getur brætt sig í gegnum bæði þrýstihylkið og hlífðarhylkið og átt þannig greiða leið út í umhverfið. Flest kjarnorkuver nýta raforku til að halda kælivatninu í hringrás – og það getur leitt til vandræða eins og kom á daginn í Fukushima árið 2011.

Þegar eldsneytisstangir hafa verið í notkun í 1-2 ár er magn úraníums orðið það lítið að það viðheldur ekki lengur keðjuverkandi kjarnasundrun. Eldsneytisstöngunum er þá skipt út fyrir nýjar. Notuðu eldsneytisstangirnar innihalda geislavirkar afurðir kjarnasundrunarinnar þ.á m. plútóníum, sesíum, strontíum og margt fleira. Þær eru enn mjög geislavirkar og þarf því að geyma þær í vatni til kælingar við kjarnorkuverið í marga mánuði. Á þeim tíma minnkar geislavirknin talsvert. Eftir stendur geislavirkur úrgangur sem er hættulegur í langan tíma, jafnvel árþúsundir. Ekki hefur enn tekist að leysa það vandamál sem þessi úrgangur skapar og oftast er hann geymdur við kjarnorkuverið á meðan verið er að leita að varanlegri lausn. Áður fyrr var geislavirkum úrgangi sökkt í hafið en slík meðferð hefur verið bönnuð frá því að Samingur um varnir gegn mengun hafsins vegna losunar úrgangsefna og annarra efna í það (Lundúnarsamningurinn, sjá kafla 8.3) tók gildi árið 1975. Stundum er kjarnorkuúrgangur endurunninn og er hann þá sendur í kjarnorkuendurvinnslustöð. Ein slík var t.d. rekin í Sellafield á Englandi.

6.3.3. Kjarnorkuslysin í Chernobyl og Fukushima

Slysið í Chernobyl

Aðfararnótt laugardagsins 26. apríl 1986 varð sprenging í kjarnaofni nr. 4 í kjarnorkuverinu við Chernobyl í Úkraínu. Kjarnaofnarnir í Chernobyl voru af gerðinni RBKM (r. Reaktor Bolshoy Moshchnosty Kanalny) sem nota grafít til að hægja á nifteindum og hafa þann galla að vera óstöðugir í rekstri þegar þeir eru keyrðir á litlu afli. Verið var að prófa hvort hægt væri að kæla ofn 4 ef kjarnorkuverið yrði rafmagnslaust. Röð mistaka og rangra ákvarðana við prófunina, ásamt hönnunargalla í RBKM-kjarnaofninum, leiddi til sprengingarinnar. Ákveðið var t.a.m. að halda prófuninni áfram þrátt fyrir að álagið á ofninum væri skv. öryggisreglum orðið of lítið til að prófunin mætti fara fram, auk þess sem slökkt hafði verið á neyðarkerfinu. Þegar starfsmenn urðu þess varir að álagið var orðið of lítið var brugðist við með því að hífa stýristangirnar alla leið upp í kjarnaofninum. Við það jókst álagið hins vegar alltof hratt og ofninn ofhitnaði. Starfsmenn reyndu að slökkva á ofninum með neyðarrofa en það var orðið of seint. Mikið magn gufu myndaðist og níðþungur hlemmur, sem lokaði ofninum, lyftist þannig að geislavirk efni komust út í umhverfið. Þá komst súrefni í ofninn og við það kviknaði í grafítinu. Þegar gufan komst í snertingu við zirkóníum í eldsneytisstöngunum myndaðist vetni sem olli geysilegri sprengingu. Gríðarlegt magn geislavirkra efna komst þar með óhindrað út í andrúmsloftið. Eldar brunnu og tók marga daga að ráða niðurlögum þeirra. Einn starfsmaður versins dó samstundis og fleiri fundu fyrir mikilli geislaveiki á næstu dögum. Það sama má segja um fólkið í Pripyat þar sem margir starfsmenn kjarnorkuversins bjuggu ásamt fjölskyldum sínum. Slökkviliðsmenn sem kallaðir voru út komu án hlífðarfatnaðar á staðinn. Þeir létust allir á næstu dögum eða vikum, ásamt nokkrum starfsmönnum versins, en samtals létust 30 á þessum fyrstu vikum. Við tóku björgunarstörf við stórhættulegar aðstæður. Í ofninum héldu um 1.200 tonn af geislavirkri kviku áfram að brenna við meira en 5.000°C og senda geislavirk efni út í andrúmsloftið. Kvikan hafði myndast því að kælivatnið hafði allt gufað upp og sloppið út – þar með var engin kæling og eldsneytið bráðnaði. Flogið var á þyrlum yfir gapandi kjarnaofninn og ýmsum efnum s.s. sandi og bórsýru varpað niður til að reyna að kæfa eldinn og stöðva – eða alla vega draga úr – losun geislavirkra efna. Þá var blýi varpað niður til að reyna að draga úr hitanum. Þyrluflugmenn voru kallaðir heim frá vígstöðvunum í Afganistan til að taka þátt í þessu hættulega verkefni. Geislunin fyrir ofan kjarnaofninn var svo mikil að flugmennirnir fundu fyrir einkennum geislaveiki (ógleði, uppköst, niðurgangur).

Hætta var á að kvikan myndi bræða sig í gegnum þrýsti- og hlífðarhylkin. Fyrir neðan kjarnaofninn hafði safnast saman talsvert vatn (slökkvivatn eftir aðgerðir slökkviliðsins) og ef kvikan hefði náð þangað hefði önnur sprenging getað átt sér stað, jafnvel enn stærri en sú fyrri. Þrír starfsmenn voru því sendir til að hleypa vatninu burt. Þeir urðu að þjóðhetjum fyrir vikið en liðu fyrir áhrif geislunarinnar það sem eftir var ævinnar. Þá voru grafin göng að kvikunni til að kæla hana niður. Að því verki komu um 10.000 námumenn sem unnu við ótrúlega erfiðar aðstæður: hita, raka, lágan súrefnisstyrk og mikla geislavirkni. Einnig var hróflað upp hlífðarbyggingu yfir kjarnaofn 4 til að draga úr geislavirkni á svæðinu svo hægt væri að framleiða áfram rafmagn í hinum þremur ofnunum. Áður en hægt var að reisa hlífðarbygginguna þurfti að fjarlægja hágeislavirkt grafít sem lá á þaki kjarnaofnsins. Eftir að róbótar höfðu brætt úr sér við verkið þurfti að fá menn til að moka grafítinu af þakinu. Þeir voru kallaðir bíóróbótar eða lifandi vélmenni. Geislavirknin var svo mikil að hver maður gat aðeins verið í um 45 sekúndur á þakinu. Þá þurfti viðkomandi að taka sér hlé frá störfum og aðrir tóku við. Hlífðarbyggingin, sem hróflað var upp, átti eftir að tærast á næstu árum og því var hafist handa við að byggja varanlega hlífðarbyggingu fyrir ofninn. Sú risabygging úr stáli og steypu var tilbúin árið 2017.

Að hreinsunar- og björgunarstörfum komu yfir 500.000 manns, mest ungir karlmenn. Þeir fórnuðu lífi sínu og heilsu fyrir almannaheill. Á fyrstu vikunum eftir slysið voru um 116.000 íbúar sem bjuggu innan 30 km frá kjarnorkuverinu fluttir burt af svæðinu. Þetta samsvarar um 2.800 km² bannsvæði. Á næstu árum var bannsvæðið stækkað í 4.300 km² og 200.000 íbúar í viðbót fluttir burt. Eftir slysið fjölgaði m.a. fæðingargöllum og krabbameinstilfellum í Úkraínu og Belarús, einkum í skjaldkirtli.

Slysið í Fukushima

Föstudaginn 11. mars árið 2011 reið öflugur jarðskjálfti yfir Japan. Stærð skjálftans var 9 á Richter og átti hann upptök sín neðansjávar rétt undan austurströnd Honshu. Skjálftinn olli gríðarlegri eyðileggingu í Japan, byggingar hrundu og vegir fóru í sundur. Rafmagnslaust varð víða. Um klukkustund síðar reið yfir Japan allt að 39 metra há flóðbylgja. Eyðileggingin varð enn meiri og fjöldi fólks dó – fjöldi látinna og þeirra sem var saknað var meiri en 20.000.

Kjarnorkuverið í Fukushima samanstóð af 6 kjarnaofnum. Ofnar 1-3 voru í fullum rekstri þegar skjálftinn reið yfir, ofn 4 var án eldsneytis og slökkt var á ofnum 5-6. Við jarðskjálftann stöðvaðist kjarnorkuverið sjálfkrafa í samræmi við öryggisáætlun. Þegar slökkt er á kjarnaofnum halda niðurbrotshvörfin í eldsneytisstöngunum áfram með tilheyrandi hitamyndun. Eldsneytisstangirnar þarfnast því áframhaldandi kælingar. Flóðbylgjan, sem reið yfir kjarnorkuverið í Fukushima, kaffærði hins vegar dísilvélarnar sem sáu um neyðarkælingu og þar af leiðandi átti engin kæling sér stað. Vegna hitans gufaði kælivatnið upp, eldsneytisstangirnar hitnuðu upp í 2.300°C, bráðnaðu og mynduðu geislavirka kviku sem fann sér leið niður úr þrýstihylkinu og niður á steypt gólf hlífðarhylkisins. Vatnsgufan sem varð til þegar kælivatnið gufaði upp innihélt bæði geislavirk efni (joð, sesíum o.fl) sem láku úr löskuðum eldsneytisstöngunum og vetni sem myndaðist þegar gufan komst í snertingu við zirkóníum. Þegar gufuþrýstingurinn jókst opnuðust öryggislokar og hluti gufunnar streymdi í kælivatnsgeyminn. Smám saman jókst þrýstingurinn í kælivatnsgeyminum og til að forða rofi á hlífðarhylkinu var ákveðið að hleypa gufunni út. Undir venjulegum kringumstæðum hefði öll gufan átt að fara út um neyðarlokann en vetnið náði að smjúga um bygginguna vegna leka á ýmsum stöðum, líklega vegna skemmda sem urðu þegar jarðskjálftinn reið yfir. Vandræðin byrjuðu í ofni 1. Ofarlega í byggingu hans hvarfaðist vetnið við súrefni og úr varð vetnissprenging sem sprengdi upp þak byggingarinnar þann 12. mars. Þar með komust geislavirk efni út í umhverfið. Þann 14. mars varð sambærileg sprenging í ofni 3. Brak úr ofni 3 þeyttist við sprenginguna að ofni 2 og olli skemmdum. Það leiddi til losunar geislavirkra efna þaðan. Geislavirk kvika myndaðist í öllum þremur ofnunum. Mest losun geislavirkra efna út í andrúmsloftið hefur verið frá ofni 2 en einnig hefur talsvert magn af geislavirku vatni frá svæðinu borist til sjávar. Þann 15. mars kviknaði svo í ofni 4 vegna vetnis sem hafði borist þangað í gegnum leiðslu sem var sameiginleg fyrir ofna 3 og 4 (þar var þó ekkert eldsneyti sem gat bráðnað). Þegar kælikerfi ofnanna virkuðu ekki lengur var sú ákvörðun tekin að kæla ofnana með sjó. Slíkt er alls ekki æskilegt þar sem sjórinn er mjög tærandi fyrir allan búnað. Á þessum tíma var þó nauðsynlegt að kæla ofnana hvað sem það kostaði.

Þar sem kælikerfi ofnanna lágu niðri vantaði einnig kælingu fyrir notað eldsneyti en eldsneytisstangir með notuðu eldsneyti voru í vatnsbaði við ofnana (mikið magn var við ofn 4, talsvert við ofna 2 og 3 en lítið magn við ofn 1). Vatnsböð fyrir notað eldsneyti eru án nokkurrar yfirbyggingar. Vatnið hitnaði fljótt og gufaði upp. Til að kæla notaða eldsneytið var vatni varpað úr þyrlum og sprautað yfir svæðið með brunaslöngum. Vegna mikillar geislavirkni þurftu þyrlurnar reyndar að fljúga í talsverðri hæð yfir ofnana og lítið af vatninu fór á réttan stað. Smám saman komst jafnvægi á aðstæður. Í júlí 2013 var kælikerfið aftur orðið virkt og í desember sama ár lýstu japönsk stjórnvöld því yfir að svokölluð köld stöðvun starfseminnar hafi náðst í öllum ofnum versins. Með kaldri stöðvun starfseminnar er átt við að hitamyndun hafi minnkað nægjanlega til að kælivatnið gufi ekki lengur upp. Þessum árangri náðu starfsmenn Fukushima-versins við ótrúlega erfiðar aðstæður, til að byrja með í myrkri vegna rafmagnsleysis og áttu þeir því m.a. erfitt með að lesa á mæla og opna neyðarloka, auk þess sem sambandsleysi við umheiminn gerði það að verkum að þeir gátu ekki fengið fréttir af því hvernig nánum ættingjum og vinum hafði reitt af við náttúruhamfarirnar. Að auki var geislavirknin á svæðinu hættuleg heilsu. Flestir starfsmenn voru tímabundið sendir heim vegna geislunarinnar, en eftir urðu rúmlega 50 starfsmenn – aðallega þeir sem eldri voru – sem tókust á við björgunarstörf við þessar erfiðu aðstæður. Þegar kapphlaupinu við að ná að koma kælikerfi versins aftur í gagnið var lokið, vann fjöldi fólks að því að styrkja varnargarða, kortleggja mengun, rykbinda geislavirkt ryk, meðhöndla geislavirkt vatn og reyna að koma í veg fyrir frekari losun geislavirkra efna út í umhverfið á komandi árum. Geislavirka vatnið á svæðinu hefur verið sérstaklega umfangsmikið vandamál. Mengað vatn rann til að byrja með óhindrað út í Kyrrahafið, en þetta vatn samanstóð bæði af menguðu kælivatni og grunnvatni sem rann neðanjarðar frá fjöllunum fyrir ofan kjarnorkuverið. Þegar grunnvatnsstraumurinn rennur um lóð kjarnorkuversins mengast hann af geislavirkum samsætum úr geislavirku kvikunni og annarri mengun á svæðinu. Ýmislegt hefur verið reynt til að minnka vatnsflæðið, m.a. var reynt að koma fyrir ísvegg neðanjarðar til að minnka grunnvatnsflæðið á lóðinni. Komið hefur verið upp búnaði sem hreinsar burt þung geislavirk efni, s.s. úraníum, sesíum og strontíum, en þar sem ómögulegt er að hreinsa burt trítíum var menguðu vatninu safnað saman í tönkum sem hrúguðust upp á lóðinni á meðan verið var að reyna að finna lausn á vandanum. Í ágúst 2023 byrjaði TEPCO, eigandi kjarnorkuversins í Fukushima, að losa mengaða vatnið út í Kyrrahafið, í samræmi við áætlun japanskra stjórnvalda þar um. Losuninni hefur verið mótmælt víða. Nefnd á vegum Alþjóðakjarnorkumálastofnunar hefur reglulegt eftirlit með losuninni. Á næstu árum mun þurfa að koma notuðu eldsneyti fyrir á öruggum stað og á endanum þarf að hreinsa upp geislavirku kvikuna og ganga frá á lóðinni. Gert er ráð fyrir að þessi verkefni muni taka marga áratugi. Um 170.000 íbúar sem bjuggu innan 20 km frá kjarnorkuverinu voru fluttir burt af svæðinu.

6.3.4. Geislavirkt úrfelli

Sem fyrr segir var tveimur kjarnorkusprengjum varpað á Japan í ágúst árið 1945. Í kjölfarið átti sér stað vígbúnaðarkapphlaup og á næstu áratugum voru gerðar kjarnorkutilraunir víða um heim. Fljótlega kom í ljós að geislavirkar agnir gátu flust langar leiðir með loftstraumum og borist til jarðar sem geislavirkt úrfelli langt frá uppruna geislunarinnar. Sprengingarnar urðu sífellt öflugri og með tilkomu vetnissprengjunnar á 7. áratug síðustu aldar gátu geislavirk efni borist hátt í andrúmsloftið og dreifst um alla jörðina. Geislavirkt úrfelli vegna kjarnorkutilrauna og alvarlegra slysa valda mengun í sjó og á yfirborði jarðar í langan tíma.

Geislavirk efni geta borist með loftstraumum jafnvel langar leiðir frá upprunastað sínum. Efnin falla svo út með úrkomu eða þurri ákomu. Með þurri ákomu er átt við að mengunarefni falli úr andrúmslofti og komist í snertingu við jarðveg, vatn, sjó eða gróður við yfirborð jarðar án þess að um úrkomu sé að ræða. Þurr ákoma er einkum mikilvæg þegar um mikla geislavirkni er að ræða. Mun meira af geislavirkum efnum fellur til jarðar með úrkomu en með þurri ákomu. Því skipta veður og vindar miklu máli fyrir dreifingu og ákomu geislavirkra efna á mismunandi svæðum.

Úkraína, Belarús og Rússland urðu fyrir langmestri mengun vegna slyssins í Chernobyl. Áhrifa slyssins gætti hins vegar einnig um alla Evrópu. Fyrstu dagana eftir slysið blésu vindar í norðvestur og geislavirka skýið barst yfir Skandinavíu. Vegna rigninga urðu sum svæði í Noregi og Svíþjóð fyrir talsverðri mengun og enn í dag hefur hún t.a.m. áhrif á bændur í Noregi. Á sumum svæðum þurfa þeir að gefa skepnum sínum fóður af ómenguðum svæðum í ákveðinn tíma áður en dýrunum er slátrað svo að kjötið sé hæft til manneldis. Þann 29. apríl (3 dögum eftir slysið) snerust vindar þannig að geislavirka skýið fór yfir Mið-Evrópu og í byrjun maí barst það til Frakkland og Bretlands.

Myndband 6.1. sýnir mat á dreifingu geislavirks sesíum eftir kjarnorkuslysið í Fukushima í mars 2011. Eins og sjá má barst geislavirka skýið á svipuðum tíma að Norðurskautinu og vesturströnd Bandaríkjanna. Geislavirk efni eftir slysið mældust fyrst á Íslandi af öllum mælistöðvum í Evrópu og höfðu þau einmitt borist yfir norðurskautið. Ekki var þó um mikið magn að ræða þar sem vindar og geislavirkt úrfelli höfðu þynnt mengunina.

Myndband 6.1. Mat á dreifingu Cs-137 sem losnaði frá Fukushima 12.-31. mars 2011 – matið á dreifingunni nær til loka apríl. Litabreytingar í myndbandinu gefa til kynna að geislavirkni hafi dregist saman 10-falt. Samdrátturinn verður eingöngu vegna geislavirks úrfellis þar sem helmingunartími Cs-137 er of langur til að geislavirkt niðurbrot hafi áhrif á svona stuttum tíma.

Ákoma geislavirkra efna eftir alvarleg kjarnorkuslys og kjarnorkutilraunir veldur viðvarandi mengun við yfirborð jarðar. Áhrifin eru tvenns konar. Annars vegar er að um ræða gammageislun sem manneskjur (og dýr) verða útsett fyrir. Hins vegar er um að ræða hættu þegar fólk innbyrðir fæðutegundir sem ræktaðar hafa verið á menguðum svæðum. Þessi hætta er mun alvarlegri en gammageislunin sem virkar útvortis á líkamann. Mest hætta er af laufguðu grænmeti (t.d. grænkál, spínat) og mjólk.