Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,775

НОВЫЕ ДАННЫЕ О ДОЛГОЖИВУЩИХ ТЕХНОГЕННЫХ И ЕСТЕСТВЕННЫХ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗОТОПАХ В ВЕРХНИХ ГОРИЗОНТАХ ПОЧВЫ В ОКРЕСТНОСТЯХ СЕВЕРОДВИНСКОГО ПРОМЫШЛЕННОГО РАЙОНА

Зыков С.Б. 1 Дружинин С.В. 1 Зыкова Е.Н. 1 Яковлев Е.Ю. 1 Покровский О.С. 1
1 Федеральный исследовательский центр комплексного изучения Арктики им. академика Н.П. Лаверова РАН
Целью исследования являлся актуальный анализ содержания долгоживущих техногенных и природных радиоактивных изотопов в верхних почвенных горизонтах на территории в непосредственной близости к Северодвинскому промышленному району (СПР). В 2017 г. был проведен отбор проб верхних горизонтов двух основных типов почв. Произведен замер и анализ проб на гамма-спектрометрическом комплексе, определена активность техногенных изотопов 134Cs, 137Cs, 60Co, 152Eu,154Eu и изотопов естественного ряда, таких как 40К, 226Ra,232Th. В процессе работы выявлены точки с повышенными значениями техногенных изотопов. Рассчитаны средние значения активностей для торфяно-подзолистых и болотно-торфяных почв. Выявлены точки с повышенными значениями и рассчитана суммарная активность для каждой из них. Кроме того отобранные пробы обрабатывались радиохимическими методами и анализировались на содержание в них изотопов урана 234U, 235U, 238U на альфа-спектрометрическом комплексе. В результате обработки полученных данных были выявлены незначительные превышения активности изотопов урана в некоторых точках отбора проб, однако все эти значения не выходят за пределы фоновых значений. В целом повышенные значения техногенных радионуклидов тяготеют к территории, расположенной к западу от Северодвинского промышленного района. Активность ряда естественных гамма-активных изотопов не имеет на исследованной территории каких либо отличий от активности аналогичных почв. Несбалансированность изотопов 40К, 226Ra,232Th также отсутствует, что указывает на то, что верхние горизонты почв в местах отбора не подвергались техногенному воздействию. Была заложена основа для мониторинговых исследований данной территории в будущем.
радиоактивные изотопы
геоэкология
почвы
экологический мониторинг
спектрометрия
радиохимия
1. Кошелев Ф.П., Силаев М.Е., Селиваникова О.В. Технологии ЯТЦ и экология: Учебное пособие. Томск: Изд-во ТПУ, 2008. 208 с.
Koshelev F.P., Silayev M.E., Selivanikova O.V. NFCs technologies and ecology: Manual. Tomsk: TPU publishing house, 2008. 208 p. (in Russian).
2. Wieser M.E., Holden N., Coplen T.B. [et al.] Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report). Pure and Applied Chemistry. 2013. Vol. 85. Is. 5. P. 1047–1078.
3. Mietelski J.W., Kierepko R., Lokas E., Cwanek A., Kleszcz K., Tomankiewicz E., Mroz T., Anczkiewicz R., Szalkowski M., Was B., Bartyzel M., Misiak R. Combined, sequential procedure for determination of 137Cs, 40K, 63Ni, 90Sr, 230,232Th, 234,238U, 237Np, 238,239+240Pu and 241Am applied for study on contamination of soils near Zarnowiec Lake (northern Poland). Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. 2016. № 310 (2). P. 661–670. DOI: 10.1007/s10967-016-4835-0.
4. Дюльдя С.В., Братченко М.И., Скоробогатов М.А. Радионуклиды европия как источники излучения для гамма-радиационных технологий: моделирование распределений поглощенной дозы в гомогенных средах // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение 2004. № 3 (85). C. 128–14.
Dyuldya S.V., Bratchenko M.I., Skorobogatov M.A. Europium radionuclides as radiation sources for gamma and radiation technologies: modeling of distributions of the absorbed dose in homogeneous environments // Voprosy` atomnoj nauki i texniki. Seriya: Fizika radiacionny`x povrezhdenij i radiacionnoe materialovedenie 2004. № 3 (85). Р. 128–14 (in Russian).
5. Головко В. Проблемы обеднённого урана // Наука и техника. 2015. № 9 (112). С. 20–24.
Golovko V. Problems of the impoverished uranium // Nauka i texnika. 2015. № 9 (112). Р. 20–24 (in Russian).
6. Методика измерений удельной активности изотопов урана в пробах почв, грунтов, донных отложений и горных пород и строительных материалов на их основе альфа-спектрометрическим методом с радиохимической подготовкой // Лаборатория изотопных методов анализа ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт минерального сырья им. Н.М. Федоровского». М., 2013. 18 с.
Measurement technique of specific activity of isotopes of uranium (238U, 234U, 235U) in tests of soils, soil, ground deposits and rocks and construction materials on their basis by an alpha and spectrometer method with radiochemical preparation // Laboratoriya izotopny`x metodov analiza FGUP «Vserossijskij nauchno-issledovatel`skij institut mineral`nogo sy`r`ya im. N.M. Fedorovskogo». M., 2013. 18 р. (in Russian).

Важнейшей задачей изучения окружающей среды является мониторинг радионуклидов в почвах вокруг крупных промышленных центров. Источниками поступления техногенных и естественных радиоактивных изотопов могут быть ядерные энергетические установки, закрытые, точечные источники излучения, химические соединения, применяемые в производстве и аварии. Среднемировое значение эквивалентной дозы для населения составляет порядка 3,5 м3 в год, тогда как вклад фонового гамма-излучения в эту дозу составляет не менее 15 %, не включая радон и космическое излучение [1]. Определение средних фоновых и повышенных значений активности изотопов вокруг промышленных предприятий является весьма нужным и интересным направлением.

Целью исследования являлся актуальный анализ содержания долгоживущих техногенных и природных радиоактивных изотопов в верхних почвенных горизонтах на территории в непосредственной близости к Северодвинскому промышленному району (СПР). Задача заключалась в том, чтобы определить значения активности таких техногенных и естественных радионуклидов, как 134Cs, 137Cs, 60Co, 152Eu, 154Eu, 40K, 226Ra, 232Th, 234U, 235U, 238U, в верхних горизонтах двух основных типов почв, встречающихся на данной территории. Группа таких радионуклидов, как 40K, 226Ra, 232Th, 234U, 235U, 238U, относится к природным и на постоянной основе, в большей или меньшей степени, содержится в почве и определяет естественный радиоактивный фон.

Первые два техногенных изотопа 134Cs, (Т1/2 2,06 лет), 137Cs (Т1/2 30,16 лет) весьма радиотоксичны [2]. Образуются преимущественно при делении ядер в ядерных реакторах, взрывах ядерного оружия, содержатся в радиоактивных выпадениях, радиоактивных отходах, сбросах заводов, перерабатывающих отходы атомных энергетических установок. Эти изотопы цезия одни из главных элементов радиоактивного загрязнения биосферы. Активно поглощаются растениями в обедненных кальцием торфяно-болотных почвах. Несмотря на то, что 134Cs имеет более короткий период полураспада, он обладает более жестким по сравнению с 137Cs излучением и большой активностью (4,7·1013 Бк/г) [3].

Не менее опасны и изотопы 58Co,60Co. В выбросах АЭС, эксплуатирующихся много лет, даже при безаварийной работе, возможно присутствие продуктов активации таких изотопов, как 60Со и других, являющихся следствием коррозии металла и активации растворенных веществ в воде первого контура. Даже при незначительных дефектах оболочек тепловыделяющих элементов продукты деления проникают в теплоноситель. Далее они распространяются по вентиляционным и канализационным системам. Кроме того, 60Co широко применяется в гамма-дефектоскопии для контроля и регулирования уровня расплавленного металла в плавильных печах непрерывной разливки, в гамма-толщиномерах и радиоизотопных электрогенераторах.

Высокотоксичными радионуклидами также являются 152Eu, (Т1/2 13,525 лет) 154Eu (Т1/2 8,601 лет) [4]. Источниками поступления изотопов европия могут быть разгерметизация и разрушение закрытых источников гамма-излучения на производстве, а также отголоски глобальных выпадений от испытаний ядерного оружия в атмосфере в 1960-х гг. Международный стандарт ISO 2919:1999 относит радиотоксичность европия 152Eu и 154Eu к той же группе B1 (высокая токсичность), что и токсичность промышленных радионуклидов 60Co и 137Cs [4]. Кроме того изотопы европия являются перспективными закрытыми источниками гамма-излучения для нужд промышленности, и их постоянный экологический мониторинг также необходим.

Естественные радиоактивные изотопы 40K (Т1/2 1,248·109 лет), 226Ra (Т1/2 1,6·103 лет), 232Th (Т1/2 1,405·1010 лет) вносят существенный вклад в радиационную обстановку местности [5]. Несмотря на то, что генотип человека сформировался на фоне облучения данными радионуклидами их повышенные концентрации в почве и других объектах биосферы оказывают угнетающее и канцерогенное воздействие на организм. Источником избыточного количества 40K в почве могут быть калийные удобрения, соли калия, использующиеся в гальванотехнике и аккумуляторах на предприятиях, при сушке газов в металлургии, варке стекла, ядерных реакторах. Следует отметить, что пероксид калия и супероксид калия используются для регенерации воздуха на подводных лодках. Источником поступления 226Ra в окружающую среду могут быть локальные свалки приборов со светомассой постоянного действия, применявшейся в 1970-х гг. 226Ra также может поступать в окружающую среду в виде продукта распада материнского альфа-активного изотопа 230Th, присутствующего в ядерных энергетических установках. 232Th применяется в атомной энергетике в высокотемпературных жидко-солевых реакторах совместно с ураном, плутонием и используется в металлургии в высокотемпературных печах.

Кроме того большой интерес представляют собой изотопы урана, содержащиеся как в природе, так имеющие и техногенное происхождение. Обогащенный и обедненный уран широко используется в промышленности, военном деле, медицине, науке в качестве радиационной защиты, источника ядерной энергии, ядерного оружия, брони, лучевой терапии и генераторов нейтронов [5]. Разумеется, в любой из этих отраслей возможны его утечки и выбросы, которые могут накапливаться в почвах и оказывать негативное влияние на здоровье человека, благодаря альфа-излучению и химической токсичности.

Материалы и методы исследования

Для решения поставленной задачи была выбрана территория, прилежащая к Северодвинскому промышленному району, на которой содержатся все возможные источники поступления в окружающую среду исследуемых радионуклидов. В ходе экспедиционных работ летом 2017 г. было отобрано 29 проб верхнего почвенного горизонта двух типов почв, которые обозначены как серия образцов SM-XX-17, где ХХ соответствует номеру точки отбора на рис. 1.

zik1.tif

Рис. 1. Схема расположения точек отбора проб почв в районе Северодвинского промышленного района

Для болотно-подзолистого типа почв отбирались горизонты Ат-А1 на глубину 15 см. На местах с торфяно-болотным верховым типом почв отбирался горизонт Т на глубину до 15 см. В том и другом случае перед отбором проб лесная подстилка и сфагновый очес удалялись. Пробы отбирались титановой лопатой, маркировались и упаковывались в полиэтиленовые пакеты. После доставки в лабораторию пробы высушивались в сушильном шкафу при 70 °C и измельчались. Измерение проб производилось на гамма-спектрометре ORTEC с полупроводниковым детектором по геометрии Маринелли. Также был проведен цикл радиохимической подготовки проб для альфа-спектрометрических измерений изотопов урана на спектрометре «Прогресс-альфа». Работы проводились с использованием методики «Определение объемной активности изотопов урана 234 и 238 в пробах почв» [6]. Все результаты измерений подвергались обработке на программном обеспечении спектрометров для расчета результатов и контроля погрешности измерений на необходимом уровне.

Результаты исследования и их обсуждение

В результате проведенных исследований верхних горизонтов двух типов почв были определены значения активности вышеупомянутых радионуклидов. К торфяно-болотному верховому типу почв были отнесены 22 образца, сюда вошли пробы, отобранные в точках 1–8, 10, 12–15, 17–25. К болотно-подзолистому типу почв принадлежат 7 проб, отобранных в точках 9, 11, 16, 26–29.

Средние значения активности техногенных изотопов в торфяно-болотных верховых почвах составляют: 134Cs 2,32 (Бк/кг); 137Cs 21,92 (Бк/кг); 60Co 2,88 (Бк/кг); 152Eu 4,65 (Бк/кг); 154Eu 3,43 (Бк/кг) (рис. 2, а). В верхнем горизонте торфяно-подзолистых почв средняя активность искусственных изотопов варьирует от 2,18 до 29,19 Бк/кг (рис. 2, а). Активность 137Cs, 60Co и 154Eu несколько выше в верхних горизонтах торфяно-болотного верхового типа, чем в болотно-подзолистых почвах. Средние активности естественных радиоизотопов, таких как торий и калий, немного выше в болотно-подзолистом типе почв (рис. 2, б). Средние значения этих изотопов, обнаруженные на данной территории, составляют в болотно-подзолистой почве 5,85 Бк/кг, а в торфяно-болотной 8,70 Бк/кг. Средняя активность тория варьирует от 7,87 Бк/кг в болотно-подзолистой до 5,78 Бк/кг в торфяно-болотной почве. Калий-40 показывает средние значения активности 79,55 Бк/кг в торфяно-болотных верховых почвах, достигая 310,34 Бк/кг в болотно-подзолистом типе почв.

zik2a.tif zik2b.tif

а) б)

Рис. 2. а) средняя активность техногенных гамма-активных изотопов в верхнем почвенном горизонте; б) средняя активность естественных гамма-активных изотопов в верхнем почвенном горизонте

По площади района исследования наиболее загрязненными техногенными радионуклидами являются участки в точках отбора проб 2, 4, 5, 6, 7, 9, 13, 20 в которых суммарная гамма-активность техногенных изотопов превышает 50 Бк/кг (рис. 3). Суммарная активность здесь варьирует от 58,3 Бк/кг (точка 2) до 132,1 Бк/кг (точка 7). Наибольший вклад в активность в этих пробах вносит 137Cs, аккумулируемый в основном в растительности и органическом веществе. Этим объясняется и то, что только одна точка 9 из вышеупомянутых относится к болотно-подзолистому типу почв, в которой зафиксировано значение гамма-активности выше 50 Бк/кг. В то время как остальные пробы (2, 4, 5, 6, 7, 13, 20) это торфяно-болотный тип почв с высоким содержанием органических веществ.

zik3.tif

Рис. 3. Соотношение общей гамма-активности техногенных и естественных изотопов и их вклад в общую суммарную активность проб почв

Гамма-активность ряда естественных радионуклидов 40K, 226Ra и232Th, характеризуется на данной территории типичными фоновыми значениями. Суммарная активность в верхнем горизонте Т торфяно-болотных почв колеблется от 7,81 Бк/кг (точка 12) до 210,57 Бк/кг (точка 25) и соответствует фоновым значениям в данном типе почв. Разумеется, максимальный вклад в активность этой группы радионуклидов вносит 40К. Отобранные пробы, относящиеся к болотно-подзолистому типу почв, имеют активность несколько выше, чем торфяно-болотные в силу иного естественного минерального состава, имеющего больше калия. Максимальные значения суммарной активности достигают в данном типе почв 439,81 Бк/кг (точка 11). Повышенных значений указывающих на техногенное поступление 40K, 226Ra и 232Th в почву, на данной территории не выявлено.

Отсутствует также несбалансированность изотопов, которая указывает на техногенное воздействие на верхние слои почвы. Из рис. 3 видно, что вклад техногенных изотопов в общую активность почв иногда значительно превышает долю естественных изотопов. Например, в точках отбора проб 7, 12, 19 доля техногенных изотопов превышает вклад естественных изотопов в 2,8; 5,4 и 2,8 раза соответственно.

Интересно и то, что все эти точки относятся к торфяно-болотному типу почв. В болотно-подзолистых почвах большую долю гамма-активности вносят калий содержащие минералы и из-за этого вклад в гамма-активность техногенных изотопов нивелируется.

Изотопы урана, исследованные на данной территории, показали следующие значения альфа активности. В верхних горизонтах торфяно-болотного верхового типа почв среднее значение 238U в серии отобранных проб составляло 0,383 Бк/кг. Средняя активность 234U и 235U составляла соответственно 0,466 и 0,098 Бк/кг почвы. Общая суммарная активность урана в торфяно-болотных почвах варьировала от 0,685 Бк/кг (точка 15) до 1,187 и 1,214 Бк/кг в точке 6 и 23 соответственно. В торфяно-подзолистом типе почв средняя альфа-активность 238U в образцах была в пределах 0,427 Бк/кг. Средняя активность 234U, и 235U составляла соответственно 0,535 и 0,079 Бк/кг почвы. Общая активность изотопов урана в болотно-подзолистых почвах имела минимальные значения в точке 16 (0,732 Бк/кг), а относительно высокие уровни активности были обнаружены в точке 27 (1,446 Бк/кг). Низкая активность изотопов урана в торфяно-болотных верховых почвах обуславливается низким содержанием минерального вещества и повышенной кислотностью этого типа почв, что обеспечивает переход соединений урана в подвижную форму с последующим вымыванием его в нижележащие горизонты.

Заключение

В целом можно сказать, что наибольшие значения техногенных радионуклидов в верхних горизонтах почв располагаются к западу от Северодвинского промышленного района. Гамма-активность естественных изотопов соответствует фоновым значениям для данных типов почв. В основном наибольшие активности определяются в верхнем горизонте болотно-подзолистых почв. На исследуемой территории не обнаружено превышения активности изотопов 40K, 226Ra и 232Th, как и их дисбаланса. В процессе исследований не было выявлено какой либо корреляции в распределении техногенных гамма-активных изотопов и изотопов урана. Учитывая распределение среднегодовых потоков воздушных масс можно предположить, что источником техногенных изотопов на западе от Северодвинского промышленного района могли быть отголоски выбросов с локальных объектов (свалки, хранилища радиоактивных отходов и т.п.) западнее СПР в прошлом. Все полученные значения техногенных и природных гамма-активных изотопов ниже предельно допустимых величин, как и активность трех альфа-активных изотопов урана и не могут оказывать негативного влияния на окружающую среду.


Библиографическая ссылка

Зыков С.Б., Дружинин С.В., Зыкова Е.Н., Яковлев Е.Ю., Покровский О.С. НОВЫЕ ДАННЫЕ О ДОЛГОЖИВУЩИХ ТЕХНОГЕННЫХ И ЕСТЕСТВЕННЫХ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗОТОПАХ В ВЕРХНИХ ГОРИЗОНТАХ ПОЧВЫ В ОКРЕСТНОСТЯХ СЕВЕРОДВИНСКОГО ПРОМЫШЛЕННОГО РАЙОНА // Успехи современного естествознания. – 2018. – № 11-2. – С. 328-333;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=36948 (дата обращения: 18.04.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674