Радиоактивные частицы в почвах Семипалатинского полигона

Радиоактивные частицы в почвах Семипалатинского полигона

Бахур А.Е., Дубинчук В.Т., Березина Л.А., Мануйлова Л.И., Малышев В.И., Берикболов Б.Р.*, Шишков И.А.*, Ермилов А.П.**

Всероссийский научно-исследовательский институт минерального сырья им. Н.М.Федоровского (ВИМС), Москва;

* - АО "Волковгеология", Алма-Ата, Казахстан;

** - ГП ВНИИФТРИ, пос. Менделееве, Московская область

В работе представлены результаты радиоэкологического обследования района Семипалатинского полигона. Исследования включали наряду с поверхностными измерениями спектра гамма-излучающих радионуклидов (137^, 40K, 238и, 232ТИ) оценку уровня активности 238Ри, 239Ри, 240Ри, 90Sr до глубины 20 см. Одной из задач являлось изучение специфики форм нахождения техногенных долгоживущих радионуклидов в почвах Семипалатинского полигона и сопоставление с глобальными выпадениями.

Radioactive particles in the soils of the Semipalatinsk testing site

Bakhur A.E., Dubinchuk V.T., Berezina L.A., Manuilova L.I.,

Malyshev V.I., Berikbolov B.R.*, Shishkov I.A.*, Ermilov A.P.**

N.M.Fedorovsky All-Russian Research Institute of Mineral Resources, Moscow;

* - Joint-Stock Company “Volkovgeology”, Alma-Ata, Kazakhstan;

** - SPA “VNIIFTRI”, Mendeleyevo, Moscow region

The paper presents the results of radioecological examinations in the area of the Semipalatinsk testing site. The studies included measurements of gamma-emitting radionuclides ( Cs, 40K, 238U, 232Th) at the surface of ground as well as in samples of soil up to the depth of 20 cm with the aim of evaluation of 238Pu, 239Pu, 240Pu, 90Sr activities. Another task consisted in analysing of forms of technologically originated long-lived radionuclides in the Semipalatinsk testing site soils and their comparison with the global fallout.

В июле-августе 1994 года одним из подразделений АО "Волковгеология" по заказу Национального ядерного центра Республики Казахстан выполнялись работы по радиоэкологическому обследованию района Семипалатинского полигона. Участки исследований располагались как на незагрязненной территории полигона, так и на следах воздушных ядерных испытаний ("опытное поле"), а также в местах аварийных выбросов при подземных испытаниях.

Наряду с наземными измерениями спектра

,137 ~ 40.x 238. .

гамма-излучающих радионуклидов ( Cs, К, II, 232ТИ) был выполнен отбор проб почв, в том числе послойно с шагом 5 см до глубины 20 см, для

238 239 240 90

оценки уровня активности Ри, Ри, Ри, Бг и проникновения их вглубь почвенного горизонта.

Часть проб была исследована в лаборатории изотопных методов анализа Всероссийского научно-исследовательского института минерального сырья (ВИМС) с использованием комплекса методов альфа-бета-спектрометрии, радиографии, электронной микроскопии.

Одной из задач этих работ являлось изучение специфики форм нахождения техногенных долго-

живущих радионуклидов в почвах Семипалатинского полигона и сопоставление с глобальными выпадениями.

При исследованиях использовались методики количественного анализа и аппаратура, разработанные в ВИМСе [1, 2, 3, 5] и ГП ВНИИФТРИ Госстандарта РФ [4].

Так как форма нахождения плутония и стронция в образцах почв была неизвестна, авторы использовали два варианта извлечения плутония:

- выщелачивание концентрированной азотной кислотой с добавлением пероксида водорода,

- полное вскрытие пробы смесью азотной и фтористоводородной кислот.

После экстракционного выделения, доочистки и электролитического осаждения плутония измеряли спектр альфа-излучения препарата с использованием высокочувствительного альфа-спектрометра на основе импульсной ионизационной камеры (ВИМС) с параметрами:

- эффективность регистрации альфа-частиц в геометрии 2п (по 239Ри): не менее 95%;

- энергетическое разрешение по 210Ро: не хуже 35 кэВ.

Для контроля потерь в процессе радиохимической обработки пробы применяли изотопный индикатор 236Ри (Т = 2,851 лет, Е = 5,77 кэВ) с аттестованной активностью.

Полученные результаты, представленные в таблице 1, свидетельствуют, что упрощенный спо-

Таким образом, было установлено, что плутоний в почвах "опытного поля" находится либо в форме высокотемпературного оксида, либо заключен в структуру труднорастворимой матрицы.

При анализе 90Бг радиохимическим методом (ЦНИЛ АО "Волковгеология") и инструментальной бета-спектрометрией (ВИМС, ГП ВНИИФТРИ) также были получены расхождения по одним и тем же пробам на порядок и более, что обусловлено труднорастворимой формой нахождения 90Бг в почвах полигона. В данной ситуации результаты инструментального бета-спектрометрического анализа более верно отражают истинный уровень активности 90Бг.

Удельная активность естественных радионуклидов (234и, 235и, 238и, 232ТИ, 230ТИ, 228ТИ, 210Ро) в почвах, измеренная альфа-спектрометрическим методом, составила 15-25 Бк/кг, что не отличается от среднефоновых значений для почв.

Для оценки равномерности распределения радионуклидов в пробе были выполнены радиографические (бета-, альфа) исследования [3]. Чувствительный к бета-излучению фотодетектор экспонировали в течение 12 суток на поверхности навески почвы, равномерно распределенной на лавсановой подложке в виде тонкого (менее

0,05 г/см2) слоя.

После визуализации изображения на детекторе отчетливо проявились радиоактивные микрочастицы с различной интенсивностью бета-излучения. При этом основная масса почвы по активности не отличалась от типичного фона. Альфа-радиография, выполненная на этом же препарате с экспозицией 30 суток (использовали диэлектрический трековый детектор на основе нитрата целлюлозы), зафиксировала точечные скопления альфа-тре-

соб выщелачивания плутония азотной кислотой, эффективный при анализе глобальных выпадений, в данном случае непригоден, так как при выщелачивании в раствор переходит не более 1 -2% от общего количества плутония по сравнению с полным вскрытием пробы (таблица 1, рисунок 1).

ков, часто совпадающих с бета-активными частицами. Однако часть альфа-активных точечных источников на бета-радиограмме не были зарегистрированы.

Таким образом, было установлено, что радиоактивность почвы обусловлена микрочастицами, содержащими бета- и (или) альфа-излучающие радионуклиды.

Изучение участков препарата почвы, содержащих радиоактивные частицы (РЧ), показало, что они представляют собой округлые образования темного цвета, окруженные частичками минеральных компонент (рисунок 2).

Наиболее крупные РЧ, выделенные из почвенных проб в лаборатории АО "Волковгеология" (рисунок 3), также были исследованы радиографическим методом. Эти частицы представляют собой сфероидные стекловидные образования диаметром до 0,5 мм с фиолетовой или почти черной окраской, обусловленной тонкой пленкой, которая обволакивает поверхность шарика. На отдельных участках эта пленка нарушена.

На рисунке 4 показан общий вид одной из таких крупных частиц, ее бета- и альфа-радиограммы (экспозиция соответственно 11 и 6 суток).

Плотность альфа-треков на детекторе настолько велика, что при травлении детектора они сливаются, образуя сплошной кратер, что свидетельствует о высокой интенсивности излучения с поверхности частицы.

Однако разрешающая способность альфа-радиографии (и тем более бета-радиографии) не позволила установить, что является излучающей поверхностью: вся площадь частицы или ее локальные участки.

Таблица 1

Сопоставление результатов определения плутония в почве "опытного поля" при выщелачивании и полном вскрытии пробы

Способ радиохимической Количество Измеренные активности, Бк/кг

подготовки пробы определении 239+240Ри 238Ри

Выщелачивание азотной кислотой с пероксидом водорода 5 43

Полное вскрытие пробы смесью кислот 5 3480

С целью более детального изучения морфологии и элементного состава одна из наиболее типичных частиц была исследована электронной микроскопией с использованием растрового электронного микроскопа (РЭМ, вторичные и поглощенные электроны) и микрозондовой приставки с энерго- и волновой дисперсией, а также просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ). Для диагностики извлеченных на реплику частиц применяли микродифракцию и микрозондовый анализ.

На рисунке 5 показан общий вид частицы. Фиксируется гладкая стеклообразная поверхность, покрытая колломорфной пленкой, толщина которой варьирует от долей микрона до десятков микрон. На снимке, полученном в поглощенных электронах, хорошо видно, что корочка и собственно стеклообразный шарик имеют один и тот же контраст, свидетельствующий о близости их элементного состава. Однако отмечаются участки с очень высоким контрастом, что указывает на присутствие тяжелых элементов.

Результаты микрозондового изучения гладкой стеклообразной поверхности в трех произвольных точках показаны на рисунке 6. Присутствуют практически одни и те же элементы - кремний, кальций, сера, хлор.

Колломорфная корочка слабо связана со стеклообразной массой вещества, что хорошо видно на рисунке 7. Прочного контакта этих двух обособлений нет, корочка отслаивается от поверхности стекла. В поглощенных электронах при одинаковом контрасте колломорфной корочки и стекла фиксируются отдельные вкрапленники с очень высоким контрастом (рисунок 7).

С поверхности обволакивающей корочки был получен характеристический рентгеновский спектр (рисунок 8). Количество элементов, присутствующих здесь, существенно больше. Помимо кремния, кальция и серы обнаружены алюминий, калий, железо. При этом отсутствует хлор.

С помощью приставки с волновой дисперсией был исследован микроучасток с высокой степенью контраста (рисунок 9). В результате установлено, что контрастное обособление представлено стронцием. Это видно по распределению элемента на поверхности и при сканировании электронного луча через контрастное обособление.

На многих участках поверхности частицы отмечаются гораздо более мелкие кремниевые шарики с размерами от долей микрона до нескольких микрон (рисунок 10), но чаще они отмечаются в виде капель (рисунок 11).

В основном такие шарики расположены на поверхности колломорфной корочки. Являются ли они более поздними образованиями, чем основная матрица, или "прилипли" из вмещающей среды при формировании корочки, установить не удалось.

Неясен также механизм образования своеобразных пор на поверхности стекла с выбросами вещества вокруг них (рисунок 12). По составу выбросы отличаются от матрицы только большим содержанием кальция, хлора и серы.

Исследования частицы в ПЭМ с микродифракцией показали, что стеклообразная матрица аморфна, корочка содержит небольшое количество слабо раскристаллизованных гидрослюд. Других фаз вещества не установлено.

Таким образом, радиоактивность изученных почв обусловлена наличием в них микрочастиц с размерами от десятков микрон до 500 и более микрон, содержащих значительные количества плутония и стронция.

Максимальная активность плутония была зафиксирована на уровне 3-6 кБк/кг в пределах площадок № 3 и № 6 "опытного поля", а 90Бг - на уровне 5-8 кБк/кг в районе аварийного подземного выброса (площадка № 8, озеро Балапан).

В таблице 2 приведены результаты определения плутония и стронция в послойных пробах почвы, отобранных до глубины 20 см с шагом 5 см. Основная активность плутония отмечается в верхнем горизонте - до 80-90 процентов от общего количества плутония в колонке, поступление 90Бг на глубину носит более ярко выраженный характер -в верхнем горизонте фиксируется только 55-75 процентов его общего количества.

Следует отметить, что даже на глубине 20 см удельные активности плутония и особенно стронция существенно превышают значения фона глобальных выпадений, известные как 1-2 Бк/кг для плутония и 5-15 Бк/кг для 90Бг.

Интересным представляется факт сильного различия в значениях изотопного отношения 238Ри/239+240Ри для "опытного поля", где оно близко к значениям в глобальных выпадениях (0,03-0,05), и на участке аварийного выброса (оз. Балапан), составляющее 0,33-0,38. Одной из возможных причин этого может быть использование в ядерных зарядах плутония с разным временем наработки в реакторе.

Кроме того, в пределах площадки № 8 (оз. Балапан) уровень активности 90Бг и 137С существенно выше, чем на следах воздушных испытаний ("опытное поле").

Импульсы Импульсы

200

150

100

50

О

Проба Гч1 72 (Ри). 1 Г + 0-2 Бк РО - 23© намерения ; 160 минут

1 ри - 236 трассер

1 А

ри - 239+240 1 . -Л ри 1

й й %

£ => а

Шкала определяемых Изотопов и Номера каналов

Проба гд ^2 1г

0.2 &к - 23©

I 11кала олрвдепяемык изотопов ч Номера кеналси

Рис. 1. Альфа-спектры изотопов плутония, выделенных из навески пробы № 72 способом выщелачивания (А) и жесткого кислотного разложения (Б).

Рис. 2. Мелкая радиоактивная частица в пробе почвы (А) и ее альфа-радиограмма (Б).

Увеличение х200.

Рис. 3. Крупные радиоактивные частицы, выделенные из пробы почвы "опытного поля".

Увеличение х8.

Рис. 4. Общий вид радиоактивной частицы (А), ее бета-радиограмма (Б) и альфа-радиограмма (В). Увеличение х91.

Рис. 5. Общий вид радиоактивной частицы в растровом электронном микроскопе (РЭМ), увеличение х170. А - вторичные электроны, Б - поглощенные электроны.

С

а

Кремний / Сера

Рис. 6. Спектрограммы рентгеновского характеристического излучения, полученные в разных точках гладкой стеклообразной поверхности радиоактивной частицы.

Рис. 7. Контакт стеклообразных гладких участков и колломорфных образований на поверхности частицы. РЭМ, увеличение х1500. А - вторичные электроны, Б - поглощенные электроны.

Рис. 8. Спектрограмма рентгеновского характеристического излучения колломорфной пленки, обволакивающей частицу.

А Б В

Рис. 9. А - общий вид стронциевой частицы на поверхности стекла. РЭМ, увеличение х4200, вторичные электроны.

Б - распределение стронция по поверхности стекла.

В - спектрограмма характеристического рентгеновского излучения при сканировании электронного пучка по профилю с пересечением стронциевой частицы.

Рис. 10. Маленькие стеклянные шарики на колломорфной поверхности радиоактивной частицы. РЭМ, увеличение хЭ800, вторичные электроны.

Рис. 11. Каплевидные образования на колломорфной поверхности радиоактивной частицы. РЭМ, увеличение х2000, вторичные электроны.

Рис. 12. Поры на стеклянной гладкой поверхности радиоактивной частицы. РЭМ, увеличение хЭ800, вторичные электроны.

Таблица 2

Типичное распределение плутония и стронция по вертикальному разрезу почвы на участках "опытного поля" и аварийного выброса в районе озера Балапан

Номер пробы Интервал опробования почвы, мм Измеренные значения удельной активности, Бк/кг 238ри/239+240ри

2Э9+240ри 1 2Э8Ри 1 9°вг отн. ед.

ПЛОЩАДКА № 3

39 0-50 2060 68 1325 0,03

40 50-100 180 9 1 80 0,05

41 100-150 120 7 1 75 0,06

42 150-200 10 1 1 25 0,10

ПЛОЩАДК А № 8

109 0-50 340 130 1990 0,38

110 50-100 65 22 1050 0,34

111 100-150 15 5 300 0,33

112 150-200 9 3 1 80 0,33

В целом результаты комплексного исследования почв Семипалатинского полигона позволяют сделать следующие выводы:

1) В приповерхностных горизонтах почв полигона установлены весьма высокие активности тех-

238г-,

ногенных высокотоксичных радионуклидов Ри,

239 ^ 240^ 90 о

Ри, Ри и Бг, которые существенно снижаются с глубиной, но на глубине 20 см еще не достигают фоновых значений.

2) Уровень содержания естественных радионуклидов (изотопы урана, тория, радия) не превышают флюктуаций природного фона.

3) Плутоний и стронций находятся в почве в труднорастворимых формах в виде микроскопических радиоактивных частиц на поверхности более крупных (до 0,5 мм) сферических стеклообразных образований преимущественно силикатного состава.

4) Крупные стеклообразные частицы аморфны, окружены корочкой колломорфной структуры близкого элементного состава и не имеющей прочного контакта с поверхностью стеклянного сфероида.

5) На поверхности колломорфной пленки находится большое количество частиц с высокой плотностью, представляющих собой, видимо, собственно радиоактивные ("горячие") частицы высокотемпературных форм плутония и стронция.

6) Различия в изотопном составе плутония "опытного поля" и участка аварийного подземного выброса могут свидетельствовать об использовании в ядерных зарядах плутония с различным временем реакторной наработки.

Литература

1. Малышев В.И., Бахур А.Е., Мануйлова Л.И. и др.

Альфа-спектрометрическое определение изотопов 238Pu, 239+240Pu, 24 Pu в почвах: Инструкция СНАМ № 406-ЯФ. - Москва, 1993.

2. Малышев В.И., Бахур А.Е., Мануйлова Л.И. и др.

Альфа-спектрометрическое определение 234U и 23 U в почвах: Инструкция СНАМ № 433-ЯФ. - Москва, 1994.

3. Березина Л.А., Бахур А.Е., Малышев В.И. Радиографическое изучение естественных и техногенных радионуклидов в экологических объектах: Методические указания СНАМ № 64. - Москва, 1993.

4. Антропов С.Ю., Ермилов А.П., Комаров H.A. и др. Удельная активность 90Sr. Бета-спектрометрические измерения в объектах окружающей среды. - Москва, 1993.

5. Малышев В.И., Ермилов А.П., Бахур А.Е. и др.

Комплексное исследование радионуклидного состава топливных частиц в почвенном профиле зоны Чернобыльской АЭС//Разведка и охрана недр. -1993. - № 7. - C. 27-30.