CC BY
106
^ А.Е О.В
Воробьев, А.В. Чекуш1
Тушев,
2000
УДК 622.88:622.349.4
А.Е. Воробьев, А.В, Чекушин, О.В. Тушев
ПРОБЛЕМЫ РАДИАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ РЕСПУБЛИКИ КЫРГЫЗСТАН
До настоящего времени проблемам естественного и горно-промыш-ленного загрязнения среды Республики Кыргызстан радиоактивными составляющими руд редкоземельных металлов и золы электростанций не уделялось достаточного внимания, хотя экосистема Республики в течение многих лет формировалась под влиянием технологий добычи и переработки комплексных руд [6]. Урансодержащие отходы были накоплены в различных техногенных минеральных объектах (отвалах и хвостохранилищах) - Кара-Балтинском, Серафимовском и Орловском (Чуйская долина), Минкушском (Нарынская область), Каджи-Сайском, Тамгинском и Тюпском (Иссык-Кульская область).
Например, только в хвостохранилище Ак-тюзской обогатительной фабрики засклади-ровано около 5,4 млн т песков, содержащих редкоземельные металлы (от 0,1 до 0,4 %) с ториевой минерализацией [12]. Хвостохра-нилище радиоактивных руд Туюк-Су (п. Мин-куш) занимает площадь 32,0 тыс. м2, объем заскладированных составляет 430 тыс. м3. Несмотря на то, что оно покрыто слоем суглинков 0,5 м, мощность дозы излучения на его поверхности составляет 25-30 мкР/ч (1,72,0 фона). В хвостохранилище переработки радиоактивных руд на гидрометаллургическом заводе в г. Кара-Балта, имеющем площадь свыше 200 га (рис. 1), заскладировано более 20 млн т песков. Мощность дозы излучения на его поверхности составляет 30-40 мкР/ч (2-3 фона).
С течением времени происходит разрушение, размыв и распыление уран- и торийсодержащей горной массы большинства от-
валов и хвостохранилищ. Продукты выщелачивания через разветленную систему хозяйственных водоводов рек Нарын, Сыр-Дарья и Чу с притоками распределяются по площади региона и загрязняют почвы и воды. Количество металла выносимое реками представляет существенную угрозу для экологии Среднеазиатского региона (части территорий Казахстана, Узбекистана и Таджикистана). При этом, как показывает опыт промышленного выщелачивания на урановых рудниках Казахстана и Киргизии, уран-ториевая составляющая комплексных полиметаллических руд растворяется гораздо интенсивнее, чем сульфидов свинца [2].
В этой связи, для состояния экологии региона хранимая в техногенных минеральных объектах горная масса (рис. 2) является существенным фактором.
Существует радиоактивное загрязнение территории и от природных объектов - урановых месторождений и рудопроявлений, являющихся источниками повышенной радиоактивности.
В результате действия этих факторов происходит техногенное и природное радиоактивное загрязнение земельных и водных ресурсов Республики, а также биосферы региона в целом.
Анализ источников радиоактивного загрязнения окружающей среды на территории Кыргызстана и ее природных условий расположения позволяет наметить несколько основных путей решения проблемы радиационной безопасности Республики.
1. Ландшафтно-геохимическое картирование территории. Для этого всю территорию Республики необходимо подразделить на зоны однородные по условиям миграции и концентрации радиоактивных элементов и токсичных цветных металлов [3, 6]. Такое подразделение базируется на анализе и синтезе таких характеристик изучаемой территории, как климат, рельеф местности, геологические, гидрогеологические и геоморфологические условия, почвенный и рас-
тительный покров и др., определяющих геохимическое поведение элементов при их попадании в существующие в Республике ландшафты.
В результате создания подобной "Прогнозной ландшафтно-геохимической карты" расположения источников радиоактивного загрязнения (природных и техногенных) и выделения однородных по условиям миграции и концентрации элементов зон, появляется возможность комплексной оценки территории Кыргызстана, составления обоснованных прогнозов поведения окружающей природной среды при антропогенной (в том числе и радиоактивной) нагрузке, а также определение ее устойчивости к радиоактивному и токсичному заражению.
разработаны высокоэффективные способы предотвращающие распространение радиоактивных веществ в окружающей среде за счет возникновения труднорастворимого техногенного минерального новообразования захватывающего радионуклид [4]. Для получения труднорастворимого осадка, состав композитов (исходных растворов) создают с учетом того обстоятельства, что элементы с резкоразличной электроотрицательностью образуют ионную (легкорастворимую, примером чего служат хорошо растворимые галогениды щелочных металлов, обладающие высокой миграционной способностью) связь, а элементы с близкой электроотрицательностью - ковалентную (например, труднорастворимые
Ландшафтно-геохимическая карта такого типа в масштабе 1:500000 будет служить теоретической базой для разработки и последующего использования высокоэффективных технологических мероприятий по защите территории Кыргызстана от радиоактивного загрязнения.
2. Техногенная локализация рассеяния радионуклидов. В настоящее время
минералы тяжелых металлов, некоторые сульфиды и др.). Равная и значительная величина электроотрицательности атомов (Ы+ 504, Na+ 502, ^ 419, Rb+ 398, Cs+ 377, Zn2+ 858, Cd2+ 816, Hg2+ 900, ^2+ 984, Ag2+ 733, Au+ 879, Fe2+ 774, Pb2+ 733) определяет ковалентный неполярный характер связи, а близкие, но малые ее величины приводят к
вами металлов.
Таким образом, после определения местонахождения водного потока несущего радионуклиды, бурят ряд скважин и обсаживают их перфорированными трубами. Затем в них отдельно подают растворы содержащие вещества, которые при смешивании образуют техногенные минеральные новообразования, захватывающие радиоактивные нуклиды. При чем, для создания устойчивого минерала эти вещества подбирают так, чтобы помимо осуществления возможности захвата радионуклидов, исходные элементы обладали близкой величиной электроотрицательности, определенной из соотношения: |Х - У| < 9 % (1)
где Х - электроотрицательность осаждаемого элемента; У - электроотрицательность изоморфной примеси.
В результате чего, при смешивании таких элементов в составе потока происходит образование труднорастворимого минерала, надежно захватывающего радионуклиды и тем самым предотвращающего рас-
пространение загрязнения и долговременно локализующего радиоактивные нуклиды.
3. Захоронение радионуклидов в углеметановых пластах, через скважины пробуренные с поверхности. Для этого, согласно разработанной авторами технологии (рис. 3) метаносодержащий угольный пласт вскрывают скважиной (рядом скважин). После чего последовательно тампонируют затрубное пространство и производят перфорацию обсадной колонны. Затем подачей под давлением воды осуществляют гидрорасчленение пласта и после образования системы трещин обеспечивают инициирование метана, содержащегося в угольном пласте. Для чего, в пласт через скважину подают техническую воду, выпускаемую через определенное время. Давление нагнетания рабочей жидкости (воды) в пласт, объем и темп закачки определяют по общепринятой методики. Нагнетание воды производят насосными агрегатами 4АН-700.
В других случаях инициирование может быть достигнуто подачей и выпуском сжатого воздуха. Например, после нагнетания расчетного объема рабочей жидкости скважину на 2-3 месяца закрывают. После чего к скважине подключают четыре компрессора КПУ-16/250, которые закачивают воздух в
пласт с общим темпом 64 м3/мин, обеспечивающим его поступление в пласт под давлением 12 МПа. После закачки расчетного объема воздуха скважину закрывают на 1015 суток.
После завершения всех циклов инициирования производят съем метана, который постепенно, в режиме самоистечения, через скважину выходит на дневную поверхность и собирается в аккумулирующих емкостях.
Через 5-10 лет дегазации угольного пласта основное количество метана извлекается на поверхность и тогда приступают к операции захоронения коротко живущих радионуклидов (время стабилизации Sr80 составляет 28,5 лет и Cs137 - 30,1 лет), образуемых в ядерно-энергетическом комплексе. Для чего первоначально экранируют дегазированный участок углеметанового пласта анти-фильтрационными экранами (напри-мер, подачей жидкого глиняного или цементного раствора через дополнительные скважины). Затем осуществляют закачку растворов коротко живущих радионуклидов, с общим объемом соответствующим возможности дегазированного участка, а объемом непосредственно радионуклидов - объему возможной их сорбции углем. При этом необходимо обеспечение контрастных кислотнощелочных свойств у рабочей (например, щелочных) и захораниваемой (кислых) жидкости. Затем, при необходимости, обеспечивают консервацию участка (заглушку всех скважин).
После протекания времени достаточного для стабилизации коротко живущих радио-
нуклидов (с превышением на 10 % периода их стабилизации) - 50 лет, производят пласта промывку технической водой через скважину участка захоронения. Затем, при необходимости, приступают к выемке угля из месторождения.
4. Дезактивация радиоактивно загрязненных территорий. Постоянство периода полураспада радиоактивных изотопов обеспечивается нормальными условиями их существования. При изменении которых (например, при достижении критической массы и т.д.) возникает резкое сокращение этого периода (реакция ядерного деления и др.). Это обстоятельство необходимо учитывать при рекультивации и переработке радиоактивных отходов и радиоактивно загрязненных территорий, эффективность которых можно повысить путем снижения уровня радиоактивности за счет изменения числа элементарных частиц в радиоактивных веществах [8].
Это обеспечивается тем, что период полураспада при самопроизвольном делении радиоактивных веществ зависит не только от Z2/A (где Z - атомный номер, A - массовое число), но и от соотношения между числом протонов и нейтронов в ядре. При этом период полураспада будет варьироваться от нескольких минут до десятков тысяч лет (характерным примером является распад калифорния С)
В подобной наукоемкой технологии важна величина энергии связи: например, энергия связи нейтрона в средних и тяжелых ядрах больше энергии связи протонов. При этом изменяется соотношение Z2/A, а с ростом Z2/A энергия активации E уменьшается и при Z2/A=(Z2/A)o становится равной нулю, т.е. отсутствует потенциальный барьер, затрудняющий распад ядра. Высота этого барьера зависит от безразмерного параметра Х = (Z2/A):(Z2/A)o< 1.
Такой процесс характеризует бомбардировка азота а-частицами, во время которой наблюдается испускание протонов:
7^4 + He4 6 “8017+Н^ (2)
В результате, при обработке радиоактивных веществ загрязненного слоя может происходить изменение числа протонов, а это, в свою очередь, обуславливает изменение продолжительности активности веществ в
сторону его уменьшения (или переход из активного в устойчивое состояние). Для этого горную массу слоя, содержащую радионуклиды подвергают обработке, например, воздействием элементарных частиц из радиоактивных источников или ускорителей электронов промышленного типа ИЛУ-6 или ЭЛВ-6.
Повышение эффективности рекультивации и переработки радиоактивных отходов и радиоактивно загрязненных территорий путем снижения уровня радиоактивности за счет изменения числа протонов в радиоактивных веществах возможно и при испускании а-частиц [5], т.к. испускание а-частиц уменьшает атомный номер (число протонов) на две единицы и массовое число на 4 единицы. Причем, работа, необходимая для отрыва альфа-частиц от ядра, значительно меньше работы удаления из среднего или тяжелого ядра одного нейтрона или протона.
Для определения энергии Еа связи а-частицы с ядром, следует учесть, что образование альфа-частицы из двух протонов и двух нейтронов сопровождается выделением энергии Еа, и если считать Р - непрерывной дифференциируемой функцией А (массовое число) и пренебрегать слабой зависимостью Р от атомного номера 7, то:
СІР
Еа=931,141 4Р - 3,61 + 931,141 4А —(3)
СА
А это означает, что испускание а-частицы в определенных условиях более вероятно, чем протона или нейтрона.
При бета-распаде радиоизотопы, обладающие избытком нейтронов относительно стабильного отношения переходят в стабильное состояние путем превращения избыточного нейтрона в протон с испусканием электрона (бета-частицы) и антинейтрино. При этом образуется новое ядро с тем же массовым числом и порядковым номером на единицу больше.
Радионуклиды, обладающие избыточным числом протонов, при бета-распаде переходят в стабильное состояние при превращении одного протона в нейтрон. Существует два типа такого превращения:
а) ядро испускает позитрон е+ и нейтрино;
б) ядро поглощает один из электронов атомной оболочки, испуская нейтрино (К-захват).
В обоих случаях образующееся ядро не отличается от предшествующего по величине А (массовое число - число нуклонов в ядре), но имеет порядковый номер на единицу ниже.
Необходимым, но не всегда достаточным условием радиоактивности ядра является энергетическая выгодность превращения: масса исходного ядра должна превышать сумму масс конечного ядра и всех частиц, образующихся при распаде.
Таким образом, при энергетическом воздействии на радионуклиды происходит сокращение времени радиационного излучения веществами, за счет их перевода в агрегатное состояние с более коротким периодом полураспада или перехода из радиоактивного в стабильное состояние. В результате обеспечивается быстрейшее вовлечение зараженных территорий в народнохозяйственный (сельскохозяйственный) оборот и эффективная охрана окружающей среды.
5. Улучшение исходного качества горной массы при хранении в техногенных минеральных объектах под действием радиации. Перспективным направлением улучшения исходного качества техногенного сырья представляется целенаправленное использование энергии радиационного распада радиоактивных минералов при осуществлении процесса внутриотвального обогащения [9].
Воздействие ионизирующей радиации на твердый скелет горных пород не является единственным в процессе их радиационнохимического разрушения и растворения. При этом имеет место радиолиз жидкой фазы системы "вода - металлосодержащие минералы", ведущий к появлению в ней кислорода (в виде гидроксильных групп, гидропере-кисных радикалов, перекиси водорода), углекислоты, азотной, серной и органических кислот, атомарного хлора, что обуславливает выщелачивание из минералов обычно труднорастворимых металлов.
Влияние радиации (радиоактивного излучения, осколков деления и ядер отдачи) заключается в механическом разрушении вмещающих минералов (обра-зование треков, концентраторов напряжения и других
радиационных дефектов), изменении первоначальной окраски пород, осуществлении их физико-химических превращений (катализ химических реакций, изменение агрегатного состояния и др.). Горные породы под воздействием радиационных эффектов часто изменяют свое первоначальное состояние, переходя в метакмитные (аморфизованные) состояния. Так же изменяется валентность слагающих их атомов, что приводит к последующему разделению и миграции как радиоизотопов, так и стабильных элементов, образующих данный минерал.
В радиоактивных рядах 238и 206РЬ,
->235и — 207РЬ, -►232ТИ -- 208РЬ при распаде одного атома исходного радиоизотопа до стабильного элемента выделяется и соответственно поглощается окружающими породами до 40-50 МэВ энергии [1]. Необходимо также учитывать, что на один акт деления образуется 3-4 нейтрона и 6-7 гамма-квантов, оказывающих дополнительное радиационно-химическое воздействие на вмещающие породы. Под влиянием радиоактивного излучения происходит также возбуждение или ионизация молекул воды (содержащихся в массиве горных пород), с последующей их диссоциацией на свободные радикалы. Например, на одну альфа-частицу при разложении воды образуется 1-37105 пар ионов.
Альфа-частицы излучаемые радиоактивными минералами имеют энергию от 4 до 9 МэВ [10], причем минимальной энергией (4 МэВ) обладают альфа-частицы 232ТИ. Энергия образующегося из 232ТИ ядра отдачи 22^а равна 70 КэВ. Ядро отдачи, обладающее минимальной энергией, способно переместится в кристаллической решетке минерала на расстояние около 200А [13]. Это приводит к появлению разупрочненных зон вдоль трека атома отдачи и способствует к селективному растворению отвальными водами и миграции.
Химические изменения обусловлены электронами, в большом количестве образующимися в твердой фазе при всех видах облучения. Поглощенная доза облучения природной смеси 235и и 238и, обусловленная только альфа-частицами, существенно превосходит дозу, при которой происходят
заметные радиационно-химические преобразования вещества.
Хотя проникающая способность в горных породах альфа-частиц невелика и не превышает 30-40 мкм, но в ряду распада урана присутствует радиоактивный газ радон, способный мигрировать в среде горных пород и воздействовать на последних, в качестве радиоактивного агента.
Образующиеся при радиоактивных процессах электроны (самый сильный восстановитель) также оказывают воздействие на мигрирующие ионы, восстанавливая их.
В подобных ситуациях рассматриваемые процессы (обусловленные радиоактивностью пород) могут стать главными, определяющими техногенное минералообразова-ние [11]. Интенсивность радиационнохимического преобразования горных пород и их масштаб определяются местной геологогеохимической ситуацией отвальных массивов (компакт-ностью и минеральным составом руд, пористостью и составом вмещающих пород, гидродинамическими режимами и т.д.). Поставленные вопросы радиолити-ческих изменений имеют большое значение при формировании техногенных месторождений из урансодержащих пород.
При радиационном воздействии и радиолизе воды возможны следующие превращения сульфидов:
RS + 60Н = RSOз + 3Н20; (4)
2RS03+ 14H=RS203 + R(0H)2 + Н20 + 5Н2;
(5)
RS20з + R(0H)2 + 80Н = 2RS04 + 5^0;
(6)
RS20з + R(0H)2 = R + RS02 + Н20, (7)
где R - Нд2, Ад2, Аи2, Си, Zn, РЬ, Нд, Fe, Со, Ni.
При целенаправленном использовании радиационно-химических эффектов для улучшения исходного качества горной массы первоначально производится планирование участка для размещения отвала и его покрытие слоем горных пород с фильтрационными свойствами мощностью 0,5-1 м. Затем формируют обогащаемый слой из смеси горных пород с относительно высоким содержанием золота (1,4-1,9 усл. ед.) в смеси с минералами-осадителями (сульфидов), мощностью 3-5 м. После чего отсыпают выщелачиваемый слой, состоящий
из золотосодержащих горных пород с низким содержанием золота (менее 0,9 усл. ед.), мощностью 8-10 м. На поверхности которого производят формирование слоя из радиоактивных пород, мощностью 1-2 м. Боковые поверхности отвала экранируют покрытием слоем глинистых пород, мощностью 0,5 м. Поверхность отвала обрабатывают водой из источников.
При происходящем в слое урансодержащих пород радиоактивном распаде обеспечивается радиолиз и насыщение отвальных вод радиоактивными веществами. При миграции активные воды попадают в выщелачиваемый слой, где происходит разрушение золотосодержащих пород, вымывание и растворение золота. Так, например, при облучении золотосодержащих руд (содержание 219,6-481,8 мг/т) выщелачивание золота водой в течении 150 суток растворяется 118,7 мкг/л золота, 270 суток - 474,7 мкг/л. Золотоносные растворы попадают в обогащаемый слой, где происходит осаждение золота на сульфидах.
Помимо внутриотвального радиационнохимического обогащения металлических руд при целенаправленном радиационном воздействии возможно улучшение свойств и угольной массы [7]. В этом случае учитывают то, что уран в битумоносных в горных породах оказывает одновременно температурное и радиохимическое воздействие, ускоряющее полимеризацию углеводородов. Под влиянием наложенной урановой минерализации (ускоряющей окисление) цветные битумы полимеризуются и переходят в черные, более твердые и содер-
жащие больше кислорода. Радиация также влияет на повышение степени твердости и отражательной способности углей, т.е. на степень их метаморфизма.
Согласно этой технологии на анти-фильтрационном слое осуществляют формирование слоя радиоактивных пород, с оставлением в нем выемок, в которые складируют, заливаемую водой, углесодержащую массу. Затем формируют анти-фильтрационный экран, покрываемый слоем плодородных пород. В период хранения пород под воздействием ионизирующей радиации происходит облучение углесодержащей массы, вызывающее ее углефи-кацию, т.е. перевод в разряд антрацита.
Таким образом, происходит преобразование низкокалорийных углей (органического вещества) под воздействием ионизирующей радиации в высококалорийные угли (антрацит). Затем осуществляют разборку отвала, направление обогащенных углей к потребителю, захоронение и рекультивацию радиоактивных пород.
При использовании подобных (являющихся базовыми) разработанных схем внутриотвального обогащения обеспечивается, с одной стороны, защита окружающей среды от влияния радиоактивного излучения, а с другой - полезное использование этого излучения, позволяющее снизить расход выщелачивающих растворов.
Комплекс рассмотренных выше научных и технологических мероприятий обеспечивает кардинальное решение проблемы радиационной безопасности республики Кыргызстан.
1. Бабешкин А.М. Постэффекты ядерных и радиационно-химических реакций. В сб.: Проблемы радиохимии и космохимии. М., Недра, 1992.
2. Бубнов В.К., Голик В.И., Воробьев А.Е. и др. Актуальные вопросы добычи цветных, редких и благородных металлов. - Акмола : Жана-Арка, 1995.- 398 с.
3. Воробьев А.Е. Радиаци-
онное загрязнение горнопромышленных ландшафтов (на примере предприятий Кыргыз-стана)//Эколо-гичский мониторинг в условиях радиационного и химического загрязнения окружающей среды. - Челя-
бинск, 1993. С.32.
4. Воробьев А.Е. Способ предотвращения загрязнения
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
недр при подземном выщелачивании. Патент РФ N2035591,
1995.
5. Воробьев А.Е. Способ рекультивации радиоактивных промышленных площадок, отвалов и складов. Патент РФ N2057936, 1996.
6. Воробьев А.Е., Чекушин А.В. Радиационная безопасность урановорудных горнопро-
мышленных районов. Горный вестник N2, 1998, с. 61-66.
7. Воробьев А.Е., Чекушина Т.В. Способ складирования углесодержащих и радиоактивных горных пород. Патент РФ N2002956, 1993.
8. Воробьев А.Е., Чекушина Т.В. Способ рекультивации радиоактивных промышленных площадок, отвалов и складов. Патент РФ N2019699. 1994.
9. Воробьев А.Е., Чекушина Т.В. Способы и методы фор-
мирования техногенных минеральных объектов при открытой разработке сложноструктурных месторождений.-
М.:ЦНИИЦВЕТМЕТ экономики и информации, 1990.- 68 с.
10. Титаева Н.А. Геохимия природных радионуклидов в зоне гипергенеза. В сб.: Проблемы радиохимии и космохимии. М., Недра, 1992.
11. Трубецкой К.Н., Воробьев А.Е. Способ создания техногенных месторождений. По-
ложительное решение на выдачу патента РФ N96-107711,
1996.
12. Хабиров В.В., Воробьев
А.Е. Теоретические основы развития горнодобывающих и перерабатывающих произ-
водств Кыргызстана /Под ред. Н.П. Лаверова. - М.: Недра, 1993. - 318 с.
13. Osmond J.K., Cowart J.B, //Nuclear Sci. Applic. 1982. Vol.
8. р. 305-352.
Г
7
Воробьев Александр Егорович - профессор, доктор технических наук, Московский государственный горный университет. Чекушин А.В. - Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН.
Тушев О.В. - кандидат технических наук, горный инженер, РАЕН.
У
