К вопросу о путях миграции трития за пределы бывшей испытательной площадки «Дегелен»

К вопросу о путях миграции трития за пределы бывшей испытательной

площадки «Дегелен»

Ляхова О.Н.1, Ларионова Н.В.1, Лукашенко С.Н.1, Айдарханов А.О.1, Спирин Е.В.2

1 Институт радиационной безопасности и экологии Национального ядерного

центра Республики Казахстан, Курчатов;

2 ВНИИ сельскохозяйственной радиологии и агроэкологии РАСХН, Обнинск

В статье рассмотрен характер распространения радионуклида трития (3Н) в воздушном бассейне и растительном покрове за пределами бывшей испытательной площадки «Дегелен». Приведены данные по содержанию 3Н в почвенном воздухе и свободной воде растений вдоль основных ручьёв (Узынбулак, Карабулак, Байтлес, Токтакушык, Актыбай и Безымянный) по мере удаления от границы площадки и в сторону от русел. Показано, что места загрязнения радионуклидом 3Н исследуемых компонентов приурочены к зонам выхода и влияния русел основных ручьёв, которые, в свою очередь, и являются основными путями миграции Н за пределы площадки «Дегелен».

Ключевые слова: Семипалатинский испытательный полигон (СИП), радиоэкология, радиоактивное загрязнение, радионуклид, тритий (3Н).

Введение

Испытательная площадка «Дегелен» являлась одной из технических площадок бывшего Семипалатинского испытательного полигона (СИП), на которой проводились испытания ядерных устройств в горизонтальных горных выработках - штольнях. Среднее сечение штольни составляло порядка 9 м , высота от эпицентральной поверхности до поверхности горного массива

- 200-500 м, расстояние вглубь штольни - от 500 до 1000 м. Каждая штольня оканчивалась концевым боксом, в котором устанавливали подрываемый заряд. Для исключения выбросов продуктов взрыва в атмосферу в штольнях создавали забивочный комплекс из железобетонных прутьев, цемента и щебня между ними. Всего на площадке «Дегелен» была сооружена 181 штольня (рис. 1), где произведено более 200 подземных ядерных испытаний (ПЯВ) с 1961 по 1989 гг. Максимальная мощность взрывов составляла 20 кт [1].

Территориально площадка «Дегелен» расположена в границах одноимённого горного массива, который представляет собой горные хребты с отдельными пиками. Максимальная высота горных вершин немного превышает 1000 м, площадь массива порядка 300 км . Горный массив Дегелен входит в состав региональной гидрогеологической системы левобережья реки Иртыш и является областью питания и транзита подземных вод за счёт инфильтрации атмосферных осадков, кроме этого, через родники, здесь происходит частичная разгрузка водоносных горизонтов. В пределах массива выделяются следующие типы подземных вод - поровые воды и трещинные воды. Уровень подземных вод находится на глубинах от 0 до 2-6 метров в межгорных долинах, 100-200 и более метров в водораздельных частях, 10-12 метров за пределами горной местности. Поровые воды аллювиально-пролювиальных отложений залегают среди валунно-галечников и песков, заполняющих хорошо выработанные речные долины Узынбулак, Карабулак, Байтлес, Тохтакушык и др. Нередко эти подземные воды выходят на поверхность и дают начало одноимённым ручьям. Наиболее крупную площадь водосбора имеет доли-

Ляхова О.Н.* - нач. лаб.; Ларионова Н.В. - нач. лаб.; Лукашенко С.Н. - директор; Айдарханов А.О. - нач. отдела. ИРБЭ НЯЦ РК. Спирин Е.В. - зав. лаб., д.б.н. ВНИИСХРАЭ РАСХН.

*Контакты: 071100, Республика Казахстан, Курчатов, ул. Красноармейская, 2. Тел.: (72251) 2-34-13; e-mail: lyahova@nnc.kz.

на р. Узынбулак, текущего в юго-восточном направлении. В горах Дегелен также берут начало поверхностные водные системы р. Карабулак, имеющего сток преимущественно в северном направлении, в южном направлении - р. Байтлес и р. Токтакушык (рис. 1). Трещинные воды горного массива Дегелен являются источником пополнения окружающих водоносных систем. Состояние поверхностных, грунтовых и трещинных вод во многом зависит от экологической обстановки на горном массиве Дегелен [9].

Рис. 1. Расположение штолен на площадке «Дегелен».

Все сооружённые на площадке «Дегелен» штольни расположены вблизи уровня подземных вод либо в зоне фильтрации, поэтому ряд штолен имеют водопроявления (рис. 1). Водоносные штольни расположены на высотах 600-700 м над уровнем моря. Расчёты, выполненные на основании измерений дебита, позволили определить вынос радиоактивности из штолен, ко-

137 90 3

торый составил: Cs~5 Ки, $г~20 Ки, Н-12 кКи, что говорит о том, что на сравнительно не-

большой площади сконцентрировано огромное количество радиоактивных продуктов, представляющих большую опасность для окружающей среды.

Радиологические исследования, проведённые на территории площадки «Дегелен» в последние годы (2007-2012 гг.), показали, что основным загрязняющим элементом объектов окружающей среды является радионуклид 3Н. Концентрация 3Н в свободной воде растений, подземных и поверхностных водах вблизи расположения штолен составляет 104-105 Бк/л [6]. Часть штолен имеет сезонные водотоки, которые гидрологически связаны с основными ручьями, расположенными на площадке «Дегелен». Концентрация 3Н в ручьях также составляет десятки и сотни тысяч Бк/л. Данная проблема считалась основной до недавнего времени, пока не были обнаружены десятки кБк/кг радионуклида 3Н в поверхностных и грунтовых водах за пределами горного массива Дегелен.

Необходимо отметить, что русла как основных ручьёв, так и временных водотоков, выходящие за пределы площадки «Дегелен», в абсолютном большинстве случаев являются сезонными, пересыхающими, в том числе зависят от уровня осадков и большую часть времени летнего сезона находятся в пересохшем состоянии. Таким образом, можно предположить, что основной вклад в тритиевое загрязнение территории за границей площадки «Дегелен» дают грунтовые воды, которые согласно гидрогеологическим картам местности протекают на небольшой глубине, порядка 2-5 м, вдоль сухих русел основных ручьёв.

Оценка загрязнения радионуклидом Н грунтовых вод возможна как прямыми (непосредственный отбор проб воды), так и косвенными методами, позволяющими оценивать содержание в них 3Н опосредованно (без дорогостоящего бурения). Косвенными показателями в этом случае могут служить воздушный бассейн и растительный покров исследуемой территории на основании зависимости содержания Н в грунтовых водах от его содержания в почвенном воздухе и свободной воде надземной части растений [7].

В настоящей работе представлены обобщённые результаты исследований воздушного бассейна и растительного покрова, проведённых с 2009 по 2011 гг. в предполагаемых зонах загрязнения радионуклидом Н грунтовых вод за пределами площадки «Дегелен».

Методология проведения исследований

Первоначально было проведено исследование всех возможных зон выноса 3Н за пределы площадки «Дегелен». Для выделения основных потенциально опасных участков предполагаемого выноса на основании карт, космических снимков и топографической основы были выделены русла основных ручьёв - р. Карабулак, р. Узынблак, р. Байтлес, р. Токтакушик, р. Актыбай и ручья без названия (далее р. Безымянный), а также зоны всех возможных мелких сезонных водотоков и стоков с гор. Всего по периметру границы площадки «Дегелен» было заложено 42 исследовательские площадки.

Для оценки площадей выноса 3Н за пределы площадки «Дегелен» было проведено исследование уровня и характера распределения 3Н в растительном покрове и в воздушной среде вдоль основных ручьёв - исследовательские площадки заложены, начиная от выхода и до зоны конечного стока каждого. Зона конечного стока определялась как по картам, так и визуально в натурных условиях. Расстояние между точками отбора проб составляло от 500 м до

2 км. Количество исследовательских площадок в среднем варьировало от 5 до 12 в зависимости от протяжённости русла каждого ручья.

Для изучения характера распределения 3Н в воздушной среде и растительном покрове относительно русел на каждом из основных ручьёв были заложены поперечные профили, равноудалённые в правую и левую сторону от русла. Каждый профиль состоял из нескольких исследовательских площадок - от 3 до 6 в зависимости от ландшафтных условий, расстояние между площадками - от 200 до 500 м. Всего заложено 18 поперечных профилей - р. Карабулак (2 профиля), р. Узынбулак (5 профилей), р. Байтлес (3 профиля), р. Токтакушык (3 профиля), р. Актыбай (3 профиля), р. Безымянный (2 профиля).

Каждая исследовательская площадка представляла собой участок (2-4 м2) пересохшего русла, поймы либо надпойменной террасы (в зависимости от расположения), на котором производился отбор проб почвенного воздуха и надземной части растений. Почвенный воздух отбирался методом криогенного вымораживания водяных паров, испаряемых с поверхности почвы.

Растения отбирали по видовому составу. Выбор видов был основан на их классификации по отношению к влаге (гидрофиты, произрастающие непосредственно в русле, и фреатофиты, использующие в качестве одного из источников влаги грунтовые воды) и способности накопления Н в надземной части, выявленной по результатам предыдущих исследований [4]. Основными объектами исследования стали тростник (Phragmites australis), ива (Salix triandra), чий (Achnaterum splendens), чингил (Halimodendron halodendron), солодка (Glycyrrhiza uralensis) и др. Для получения более точного результата на каждой исследовательской площадке было отобрано по 2-3 вида, относящихся к разным экологическим группам (гидрофиты, фреатофиты). В общей сложности за пределами горного массива Дегелен за 3 года исследований было отобрано 160 проб почвенного воздуха и порядка 250 проб растений.

Измерение удельной активности радионуклида 3Н проводили в подготовленных образцах методом жидкосцинтилляционной спектрометрии на ЖС-спектрометре TRI-CARB 2900 TR [3]. Содержание 3Н определяли в свободной воде надземной части исследуемых видов растений, полученной из конденсата посредством ранее изготовленной специальной установки, представляющей собой герметичную ёмкость для загрузки проб растений, снабжённую охлаждаемой поверхностью и ёмкостью для сбора влаги, испаряемой растениями [8].

Результаты

На основании полученных данных объёмной и удельной активности радионуклида 3Н в почвенном воздухе и в свободной воде растений построены схемы его пространственного распределения в воздушном бассейне и в растительном покрове на границе площадки «Дегелен» и в зоне влияния основных ручьёв, выходящих за её пределы (рис. 2 и 3).

Рис. 2. Карта-схема распределения 3Н в воздушном бассейне (по данным объёмной

активности 3Н в почвенном воздухе).

Рис. 3. Карта-схема распределения Н в растительном покрове (по данным удельной активности 3Н в свободной воде растений).

3

Представленные карты-схемы наглядно показывают, что зоны выхода Н за границы площадки «Дегелен» в большинстве случаев территориально приурочены к зонам расположения основных ручьёв, берущих своё начало на территории горного массива и выходящих далеко за её пределы. Это ручьи Узынбулак, Байтлес, Токтакушык, левый приток ручья Безымянный и Актыбай, ручей Карабулак, а также небольшой сток вод, расположенный на восточной границе площадки, которые собственно и являются основным источником поступления 3Н в объекты окружающей среды на данной территории. При этом основное загрязнение Н как воздушного бассейна, так и растительного покрова исследуемой территории приурочено к руслам ручьёв Узынбулак, Байтлес и Токтакушык.

33

Значения содержания Н в почвенном воздухе находятся в пределах от <0,2 Бк/м до 50 Бк/м и превышают уровень фона на данной территории от 1,5 до 250 раз. В зоне расположения р. Карабулак содержание 3Н не столь значительно, но даже на расстоянии порядка 9 км от границы площадки отмечены детектируемые объёмные активности 3Н в почвенном воздухе. Уро-

33

вень же концентрации Н в воздухе в русле р. Безымянный находится в пределах 0,2 Бк/м , что является фоновой концентрацией Н для данной территории [5].

Содержание 3Н в свободной воде исследуемых растений изменяется от пх101 Бк/кг до 85 кБк/кг, зачастую превышая уровень вмешательства при поступлении данного радионуклида с водой, который, согласно нормативным документам (приложение 3 ГН СЭТОРБ РК), составляет 7,6 кБк/кг [2].

По результатам исследования построены графики распределения 3Н в воздушной среде и растительном покрове вдоль русел основных ручьёв. Для получения общей картины данные

по объёмной и удельной активности Н по каждому ручью нормированы на максимальные значения (рис. 4).

расстояние от границы пл. "Дегелен1

а

расстояние от границы пл. "Дегелен" б

Рис. 4. Характер распределения Н в воздушной среде (а) и растительном покрове (б) по мере удаления от площадки «Дегелен».

Проведённые исследования показали, что изменение объёмной и удельной активности Н в почвенном воздухе и свободной воде растений вдоль русел основных ручьёв в целом происходит по экспоненциальному закону - с увеличением расстояния от границы площадки «Деге-лен» концентрация Н снижается.

Повышенные концентрации 3Н распространяются на достаточно большие расстояния от площадки «Дегелен». Зона максимального содержания Н в воздухе расположена в пределах 5 км от границы площадки, далее содержание Н идет на спад по мере увеличения расстояния и на расстоянии 10 км от границы составляет единицы Бк/м . Высокие значения удельной активности 3Н в свободной воде растений по руслам встречаются на значительно большем удалении от её границы - на расстоянии до 10 км. Минимальные концентрации 3Н в обоих случаях отмечены в зонах конечного стока каждого из ручьёв и составляют 0,1-0,2 Бк/м в почвенном воздухе и десятки Бк/кг в свободной воде растений.

Для оценки характера распределения 3Н в воздушном бассейне и в растительном покрове в поперечном направлении относительно русел основных ручьёв проведено обобщение данных объёмной и удельной активности 3Н, полученных для почвенного воздуха и свободной воды растений во всех заложенных профилях. Для этого выполнено нормирование всех полученных результатов на максимум по каждому из 18 поперечных профилей и построена зависимость концентрации Н от расстояния от центра русла ручья (рис. 5).

о ♦ -....І л ♦ у = 0.2741 е-4102х

♦

♦

♦ ♦ ♦

расстояние от центра русла в сторону.

а

расстояние от центра русла в сторону, б

Рис. 5. Характер распределения Н в воздушной среде (а) и растительном покрове (б) по мере удаления в сторону от русел основных ручьёв.

3

Как видно из графика (рис. 5, а), уровень концентрации 3Н в почвенном воздухе уменьшается с расстоянием в сторону от русел ручьёв и так же, как в случае распространения вдоль них, может быть описан экспоненциальным законом. Более сложный характер распределения 3Н отмечается для растительного покрова (рис. 5, б). Хотя в целом здесь также отмечается снижение концентрации 3Н в свободной воде растений по мере удаления в сторону от центра русел, в отдельных случаях картина имеет прямо противоположный вид - в центре отмечается минимум. Столь неоднозначное распределение 3Н в растительном покрове может быть связано с видовым составом растений исследуемой территории. Если в русле в основном произрастают гидрофиты, питающиеся за счёт поверхностных и приповерхностных вод, то на некотором удалении от него представители фреатофитов в качестве источника влаги могут использовать грунтовые, так называемые поровые, воды. И если концентрация 3Н в этих источниках будет различна, то и в свободной воде растений будут фиксироваться соответствующие значения удельной активности данного радионуклида. Другим фактором, объясняющим сложившуюся ситуацию, может являться сам характер распространения подземных вод, не имеющий чёткой привязки к руслу поверхностного водотока. В этом случае сравнительно высокие концентрации 3Н могут отмечаться в растениях на значительном расстоянии от центра русла (в нашем случае

- до 2 км), что говорит о широте потока загрязнённых Н грунтовых вод.

Заключение

Результаты проведённых исследований показали, что места загрязнения радионуклидом 3Н воздушного бассейна и растительного покрова исследуемой территории приурочены к зонам выхода и влияния русел основных ручьёв, которые, в свою очередь, и являются основными путями миграции радионуклида 3Н за пределы бывшей испытательной площадки «Дегелен».

Максимальные значения удельной активности 3Н в почвенном воздухе и в свободной воде растений отмечены в руслах на границе площадки, по мере удаления от неё концентрация 3Н падает, достигая фоновых уровней. Необходимо отметить, что повышенные концентрации 3Н в почвенном воздухе отмечаются в пределах 5 км от площадки «Дегелен», а в свободной воде растений - 10 км. При этом количественные значения зафиксированы на всём протяжении каждого исследованного русла.

Характер распределения Н в воздушной среде в поперечном направлении относительно русла (для основных ручьёв) показал, что максимальные концентрации привязаны к его центру и по мере удаления от него снижаются. В большинстве случаев уровень фона в воздушной среде отмечается на расстоянии порядка 500-600 м русла. Более сложный характер распределения Н отмечается в растительном покрове - максимальные значения здесь встречаются как в русле ручьёв, так и на удалении от него, что может объясняться как видовым составом растительного покрова, так и зонами распространения, загрязнённых Н, грунтовых вод.

Авторы статьи выражают благодарность сотрудникам Института радиационной безопасности и экологии Белоусову Р.В., Коровину В.А, Башлыкову М.Л., Пирязеву Г.В., Потапову Д.А., Евдокимову Б.М. за помощь при выполнении экспедиционных работ, Яковенко Ю.Ю., Еременко Е.А., Абишевой М.Т. за построение картографического материала, Субботиной Л.Ф., Немытовой Л.А., Корастелевой С.В. за пробоподготовку растительных образцов и водяных паров воздуха, Тимоновой Л.В. за качественное проведение анализа по определению удельной активности Н.

Литература

1. Акчурин И.А. Семипалатинский ядерный полигон. Создание. Становление. Деятельность. М.: Гол-ден-Би, 2007. 225 с.

2. Гигиенические нормативы «Санитарно-эпидемиологические требования к обеспечению радиационной безопасности». Утверждены постановлением Правительства Республики Казахстан № 201 от 03.02.2012 г.

3. Качество воды. Определение активности трития, соответствующей данной концентрации - жидкостной метод сцинтилляционного счёта: Международный стандарт ^О 9698/1989. Введ. 1989-12-01. М.: ВЦП НТЛИД, 1990. 17 с.

4. Ларионова Н.В., Лукашенко С.Н., Ляхова О.Н., Субботин С.Б., Айдарханов А.О. Разработка и применение метода оценки загрязнения тритием грунтовых вод по его содержанию в растительном покрове //Актуальные вопросы радиоэкологии Казахстана: сб. трудов Института радиационной безопасности и экологии за 2007-2009 гг. /под рук. Лукашенко С.Н. Вып. 2. Павлодар: Дом печати, 2010. С. 321-330.

5. Ляхова О.Н., Лукашенко С.Н., Ларионова Н.В. Механизмы формирования тритиевого загрязнения воздушного бассейна в пределах горного массива Дегелен: сб. трудов Института радиационной безопасности и экологии за 2007-2009 гг. /под рук. Лукашенко С.Н. Вып. 2. Павлодар: Дом печати, 2010. С. 331-354.

6. Ляхова О.Н., Лукашенко С.Н., Умаров М.А., Айдарханов А.О. Исследование содержания трития в объектах окружающей среды на территории испытательной площадки «Дегелен» //Вестник НЯЦ РК. 2007. Вып. 4. С. 80-86.

7. Обеспечение радиационной безопасности на территории Республики Казахстан. Мероприятие 1. Обеспечение безопасности бывшего Семипалатинского испытательного полигона: отчёт РБП 011 (информационный, годовой), по договору № 17-2009 от 26.06.2009 г. /ИРБЭ НЯЦ РК; рук. Лукашенко С.Н. Курчатов: ИРБЭ НЯЦ РК, 2009. 164 с. Инв. № О-768.

8. Отчёт о научно-технической деятельности Института радиационной безопасности и экологии НЯЦ РК, выполненный в рамках мероприятия 0346 «Развитие атомной энергетики в Республике Казахстан» за 2009 год: отчёт по научно-технической программе (годовой) /ИРБЭ НЯЦ РК; рук. Лукашенко С.Н. Курчатов: ИРБЭ НЯЦ РК, 2009. 82 с.

9. Субботин С.Б., Лукашенко С.Н., Каширский В.В. и др. Подземная миграция искусственных радионуклидов за пределы горного массива Дегелен //Актуальные вопросы радиоэкологии Казахстана: сб. трудов Института радиационной безопасности и экологии за 2007-2009 гг. /под рук. Лукашенко С.Н. Вып. 2. Павлодар: Дом печати, 2010. С. 103-157.

On the tritium migration pathways outside the former "Degelen" site

Lyahova O.N.1, Larionova N.V.1, Lukashenko S.N.1, Aidarhanov A.O.1, Spirin Eu.V.2

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

2 Russian Institute of Agricultural Radiology and Agroecology, Russian Academy of Agricultural Sciences, Obninsk

The paper considers the spread of tritium (3H) in the air basin and vegetation cover outside the former "Degelen" site. Data on the 3H content in the soil air and plants free water along the main streams (Uzynbulak, Karabulak, Baitles, Toktakushyk, Aktybay and Bezymyanny) with distance from the site boundary and away from the river beds are presented in the article. It is shown that 3H contaminated areas of the studied components are confined to zones of output and main streambed influence, which, in turn, are the main migration pathways for 3H beyond "Degelen".

Keywords: Semipalatinsk Test Site (STS), radioecology, radioactive contamination, radionuclide, tritium (3H).

Lyahova O.N.* - Head of Lab.; Larionova N.V. - Head of Lab.; Lukashenko S.N. - Director; Aidarhanov A.O. - Head of Dep. IRSE NNC RK. Spirin Eu.V. - Head of Lab., D. Sc., Biol. RIARAE.

•Contacts: 2 Krasnoarmeyskaya str., Kurchatov, Republic of Kazakhstan, 071100. Tel.: (72251) 2-34-13; e-mail: lyahova@nnc.kz.