Характер перераспределения радионуклидов в системе вода-почва в экосистемах, сопряжённых с радиоактивно-загрязнёнными водотоками из штолен, на испытательной площадке «Дегелен» Семипалатинского испытательного полигона

Характер перераспределения радионуклидов в системе вода-почва в экосистемах, сопряжённых с радиоактивно-загрязнёнными водотоками из штолен, на испытательной площадке «Дегелен» Семипалатинского испытательного полигона

Паницкий А.В., Лукашенко С.Н.

Институт радиационной безопасности и экологии Национального ядерного центра Республики Казахстан, Курчатов

В статье представлены результаты исследования характера перераспределения радионуклидов в системе вода-почва в экосистемах, сопряжённых с радиоактивно-загрязнёнными водотоками (watercourse) из штолен (tunnel), на площадке «Дегелен» Семипалатинского испытательного полигона. В ходе изучения образцов получены отношения удельных активностей радионуклидов 137Cs, 90Sr, 239+24 Pu и 241Am в воде к удельным активностям радионуклидов в почве, которые свидетельствуют о неравновесности их состояния в системе. Полученные отношения говорят о том, что, несмотря на постоянный вынос радионуклидов с водой на дневную поверхность, экстремально высоких концентраций в компонентах окружающей среды не наблюдается.

Ключевые слова: Семипалатинский испытательный полигон (СИП), радионуклиды, цезий-137 (137Cs), стронций-90 (90Sr), плутоний-239+240 (239+240Pu), америций-241 (24 Am).

Введение

Проведение подземных ядерных взрывов в период с 1961 по 1989 гг. в штольнях на горном массиве Дегелен обусловило радиоактивное загрязнение не только полостей штолен, но и дневной поверхности. Несмотря на демилитаризационные мероприятия, проведённые на данной территории, вынос радиоактивных веществ с водотоками из полостей штолен продолжается. В результате в природную среду поступило и продолжает поступать большое количество радиоактивных веществ, которые аккумулируются в почвенном покрове, включаясь в геохимические процессы.

На основании исследований, проводимых на территории площадки «Дегелен» в рамках международных проектов (DSWA, МНТЦ, ИНТАС, ИйТВА и др.) и государственных программ (НТП 01.01, РБП 011 и др.), выявлены наиболее загрязнённые участки с удельной активностью радионуклидов в почве, достигающей для 239+240Ри, 9^г и 137Св порядка 9х106, 4,5x105 и 6,9х106 Бк/кг, соответственно. Выявлено наличие миграционных процессов техногенных радионуклидов в почвах русел водопроявлений из штолен, и далее по миграционным способностям построен следующий убывающий ряд: 9^г>239+240Ри>137Св. Был сделан вывод о целесообразности закрытия штолен бетонными пробками, которые в какой-то степени могли бы удержать выход радионуклидов из котловых полостей штолен в долины ручьёв массива Дегелен. Однако, по нашим наблюдениям, вынос радионуклидов не прекратился, и возникает определённый вопрос о перераспределении радионуклидов в системе вода-почва в экосистемах, сопряжённых с радиоактивно-загрязнёнными водотоками из штолен.

Паницкий А.В.* - нач. лаб.; Лукашенко С.Н. - директор. ИРБЭ НЯЦ РК.

‘Контакты: 071100, Республика Казахстан, Курчатов, ул. Красноармейская, 2. Тел.: (72251) 2-27-20; e-mail: Panitskiy@nnc.kz.

Материалы и методы

Объектом детальных исследований выбраны наземные экосистемы, сопряжённые с водотоками из штольни № 176 в долине ручья Байтлес и из штольни № 177 в притоке долины ручья Узынбулак. Выбор был сделан на основании рекогносцировочных выездов и имеющихся данных о расходах вод из штолен испытательной площадки «Дегелен», их радионуклидной характеристики и загрязнении припортальных площадок штолен. Немаловажный фактор для выбора - различные ландшафтные и радиационные характеристики. Во-первых, штольня № 176 находится в долине ручья Байтлес, сток которого имеет выход за пределы низкогорного массива Дегелен; штольня № 177 расположена в правом притоке ручья Узынбулак и весь сток остается в долине. Во-вторых, вода штольни № 176 выносит много 137Св и 9С^г, тогда как в воде, выходящей из штольни № 177, кроме этих радионуклидов зафиксировано наличие 239+240ри - до 12 Бк/л и 241Ат - до 2,6 Бк/л. На исследуемых территориях выбраны для изучения компоненты экосистем, подверженных влиянию радиационно-загрязнённых водотоков - грунтовые и поверхностные воды и почвы. Особенностью данных экосистем является то, что их расположение исключает влияние других штолен на радиационную ситуацию.

Полевые работы заключались в измерении радиационных параметров, отборе проб воды и почвы, пешеходной радиометрической съёмке, определении географических координат [1-7]. Сопряжённый отбор почвы и воды с поверхностного водотока проводили вдоль русла водотока из штольни № 176 от выхода воды у портала штольни до слияния водотока с ручьём Байтлес. Грунтовую воду (подрусловую) отбирали с этих же точек в период отсутствия поверхностного водотока через проложенные шурфы на глубине 50-80 см. В русле водотока из штольни № 177 пробы воды и почвы отбирали по аналогичной схеме в трёх точках русла. Исследования в районе штольни № 176 проводились в период май-сентябрь 2008 г., в районе штольни № 177 -май-сентябрь 2009 г.

Лабораторные анализы на содержание радионуклидов проводили в соответствии со стандартными методическими указаниями на поверенной лабораторной аппаратуре. Удельную активность 137Св, 241Ат определяли у-спектрометрическим методом [1], содержание 9^г и 239+240Ри - радиохимическим методом [8, 9].

Результаты

Соотношение содержания радионуклидов в различных средах, но в одном месте отбора, показывает, что наименьшие значения радионуклидов отмечаются в поверхностных водах (137Сз - от 0,41 до 68 Бк/кг; 9^г - от 9 до 155 Бк/кг), несколько больше в грунтовых водах (137Сз - от 57 до 480 Бк/кг; 9С^г - от 155 до 270 Бк/кг) и максимальные значения в поверхностных горизонтах почв (137Св - от 5,1 х104 до 1,4х106 Бк/кг; 9^г - от 9х103 до 2,6х104 Бк/кг), что отражено нами на графике (рис. 1).

а) б)

Рис 1. Содержание радионуклидов 137Св и 9^г в почвах, в поверхностных и грунтовых водах

экосистемы русла водотока штольни № 176.

Приведённые данные сопряжённого анализа показывают различные величины содержания радионуклидов в поверхностных, грунтовых водах и почвах, что говорит о сорбции их почвой и о неравновесности их состояния в системе.

На основании полученных данных об удельной активности радионуклидов в компонентах экосистем, сопряжённых с водотоками из штолен, рассчитаны отношения удельной активности радионуклидов в водотоке к удельной активности в почве с этой же точки (рис. 2). Анализ отношений удельных активностей 137Св в этих средах, полученных вдоль водотока штольни № 176 от портала до места слияния с правым притоком р. Байтлес, показал, что большинство значений лежат в пределах 2 порядков - пх10"4 и пх10"5. На рис. 2 показаны полученные значения отношений удельных активностей 9С^г, которые находятся в пределах одного порядка - пх10-3 (8 из 11 случаев).

♦ 137Сэ , УА в воде/ УА в почве  90!-5г , УА в воде/УА в почве

Расстояние от портала, км

Рис. 2. Отношение удельной активности 137Св и 9С^г в воде водотока штольни № 176 к удельной активности этих радионуклидов в почве.

Дополнительно добавленные точки с водотока штольни № 177 и верховьев р. Байтлес картину не изменили (таблица 1).

Таблица 1

Отношения удельной активности радионуклидов в воде к удельной активности

радионуклидов в почве

Штольня № 176 Штольня № 177

90Бґ (п-11) тіп тах среднее 6,3х10-5 1,6х10-2 6,6х10-3 90Бг (п-3) тіп тах среднее 5,4х10-3 1,8х10-2 8,6х10-3

137Сэ (п-11) тіп тах среднее 1,8х10-5 6,0х10-4 1,5х10-4 137Сэ (п-3) тіп тах среднее 1,1 х10-4 1,3х10-3 7,0х10-4

239+240ри тіп тах среднее - 239+240ри (п-2) тіп тах среднее 1,0х10-4 8.1 х10-3 9.1 х10-4

Также, на основании данных о максимальных удельных активностях в почвах экосистем водотоков из штолен и данных о максимальных удельных активностях радионуклидов в воде водотоков этих штолен построены отношения удельной активности радионуклидов в воде к удельной активности радионуклидов в почве (таблица 2).

Таблица 2

Отношения максимальных удельных активностей радионуклидов в воде к удельной активности радионуклидов в почве припортальных площадок

Штольня Максимальные удельные активности на припортальных площадках в почве, Бк/кг, в воде, Бк/л и отношения удельных активностей

13/Сэ ыиБг

в почве в воде отношение в почве в воде отношение

802 1,0х103 22 2,2х10-2 6,1 х102 71 1,2х10-1

203 1,3х104 5 3,8х10-4 3,3х102 11 3,3х10-2

177 5,2х104 65 1,3х10-3 1,3х105 2,1 х103 1,6х10-2

163 6,5х102 2 3,1 х10-3 1,8х105 9,3х102 5,2х10-3

607 2,2х102 <0,6 <2,8х10-3 - - -

11 6,0х105 26 4,3х10-5 - - -

165 2,0х106 4,9х102 2,5х10-4 1,3х105 1,5х103 1,2х10-2

176 1,7х106 1,1 х102 6,1 х10-5 5,3х104 4,9х102 9,2х10-3

609 6,5х106 3,6х102 5,5х10-5 1,8х104 7,3х102 4,1 х10-2

среднее - - 3,3х10-3 - - 3,4х10-2

239+24ири 241Ат

в почве в воде отношение в почве в воде отношение

802 8,3х102 2,6х10-1 3,1 х10-4 - -

203 3,8х102 <0,02 <5,3х10-5 - -

177 1,7х104 2,5 1,5х10-4 2,4х103 2,6 1,1 х10-3

179 2,0х102 5,0х10-2 2,5х10-4 - - -

607 7,6х103 4,3х10-2 5,6х10-6 - - -

165 79 8,8х10-1 1,1 х10-2 1,2х103 <0,8 <6,7х10-4

176 7,0х102 5,0х10-2 7,1 х10-5 - - -

609 7,3х102 9,0х10-1 1,2х10-3 - - -

среднее - - 1,6х10-3 - - -

Анализ отношений максимально зафиксированных удельных активностей радионуклидов в воде на выходе из порталов штолен к максимальным зафиксированным удельным активностям радионуклидов в почве припортальных площадок этих штолен показал, что значения отношений для радионуклида 137Св изменяются в пределах пх10-2 - пх10-5 при среднем значении

пх10"3 (таблица 1). Значения отношений для радионуклида 239+240ри изменяются в пределах

2 6 3 90

пх10" - пх10" при среднем значении пх10" . Значения отношений для Бг изменяются в пределах пх10-1 - пх10-3 и в среднем составляют пх10-2. Полученное отношение для 241 Ат единично и в среднем составляет пх10 .

В целом, по полученным отношениям (таблицы 1, 2), можно делать оценочные прогнозы максимально возможного содержания радионуклидов в почвах экосистем водотоков по удельной активности радионуклидов в воде этих водотоков. При этом необходимо учитывать, что удельная активность радионуклидов в воде характеризует её радиационное состояние на момент отбора образца, а удельная активность радионуклидов в почве, это значение, отражающее радиоэкологическое состояние почвы за определённый промежуток времени.

Заключение

Соотношение содержания радионуклидов в различных средах, но в одном месте отбора, показывает, что наименьшие значения радионуклидов отмечаются в поверхностных водах, несколько больше в грунтовых водах и максимальные значения отмечаются в поверхностных горизонтах почв. Различные величины содержания радионуклидов в поверхностных, грунтовых водах и почвах говорит о сорбции их почвой с одной стороны и о неравновесности их состояния в системе с другой.

Отношения максимальных удельных активностей радионуклидов в воде к удельным активностям радионуклидов в почве приустьевых площадок штолен на данный момент времени не превышают для 90Бг - 10-3, 137Св - 10-5, 241Ат - 10-4 и 239+240ри - ю-6. Это говорит о том, что, несмотря на постоянный вынос радионуклидов с водой на дневную поверхность, экстремально высоких концентраций в компонентах окружающей среды не наблюдается.

Литература

1. Активность радионуклидов в объёмных образцах: Методика выполнения измерений на гамма-спектрометре. МИ 2143-91, Введ. 1998-06-02, Рег. № 5.06.001.98. М.: НПО ВНИИФТРИ, 1991. 17 с.

2. ГОСТ 17.4.3.01-83. Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб. Введ. 1984-01-07 //Сборник. Охрана природы. Почвы. М.: Изд-во стандартов, 1998. С. 29-31.

3. ГОСТ 17.4.4.02-84. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа. Введ.1986-01-01 //Сборник. Охрана природы. Почвы. М: Изд-во стандартов, 1998. С. 48-54.

4. ГОСТ 24481-80. Вода питьевая. Отбор проб. Утв. 1980-29-12. № 6043. М.: Изд-во стандартов, 1993. С. 5.

5. ГОСТ 27262-87. Корма растительного происхождения. Методы отбора проб. Введ. 1988-01-07. М.: Изд-во стандартов, 1987. С. 9.

6. Методика измерения гамма-фона территорий и помещений. Утв. Санэпидстанцией РК, 1997. 25-08. 4 с.

7. Методика определения почвенного радона с помощью прибора «RAM0N-01» и его модификаций. Утв. Гл. гос. врачом РК, 1998. 27-07. Алматы: СОЛО ЛТД, 1998. 7 с.

8. Методические рекомендации по санитарному контролю за содержанием радиоактивных веществ в объектах внешней среды. Введ. 1999. Рег. № 5. 05.008.99.

9. СТП 17.66-92. Плутоний-238, 239, 240. Радиохимическая методика выделения из проб почвы и приготовления препаратов для альфа-спектрометрических измерений. Стандарт предприятия. Комплексная система управления качеством разработок. Введ. 1993-01-02. Санкт-Петербург: НПО «Радиевый институт им. В.Г. Хлопина», 1993. 10 с.

Features of radionuclides redistribution in water-soil system and in ecosystems associated with radioactively contaminated waterflows from tunnels at the “Degelen” site of the Semipalatinsk test site

Panitskiy A.V., Lukashenko S.N.

Institute of Radiation Safety and Ecology of National Nuclear Center of the Republic of Kazakhstan, Kurchatov

The paper provides results of investigation of features of radionuclides redistribution in water-soil system and in ecosystems associated with radioactively contaminated waterflows from tunnels at the “Degelen” site of the Semipalatinsk test site. Calculated ratios of specific activity of 137Cs, 90Sr, 239+240Pu and 241Am in water and soil demonstrate disbalance in the system. Though the radionuclides present in the waterflows are permanently carried out to the surface terrestrial and aquatic ecosystems no extremely high concentration of the radionuclides in the environment is registered.

Key words: the Semipalatinsk test site (STS), radionuclides, cesium-137 (137Cs), strontium-90 90Sr), plutonium-239+240 (239+240Pu), americium-241 (241Am).

Panitskiy A.V.* - Head of Dep.; Lukashenko S.N. - Director. IRSE NNC RK.

•Contacts: 2 Krasnoarmeyskaya str., Kurchatov, Republic of Kazakhstan, 071 100. Tel.: 8(72251)2-27-20; e-mail: Panitskiy@nnc.kz.