Америций - след цивилизации Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Америций -след

цивилизации

Америций (Ат) является трансурановым элементом с зарядом ядра, равным 95. В системе химических элементов Д.И. Менделеева он располагается в ряду актинидов. Данный элемент был открыт осенью 1944 г. группой ученых под руководством Гленна Д. Сиборга в Университете штата Калифорния (Беркли), однако это открытие держалось в секрете. И только в 1951 г. начали получать сколь-нибудь заметные количества элемента (0,04—0,2 мг). Основная масса выделяемого америция применяется для изготовления датчиков дыма. При производстве одного датчика используется около 0,3 мкг оксида америция-241, что эквивалентно 37 кБк.

Наиболее долгоживущими изотопами америция являются 241Ат и 243Ат. Период их полураспада составляет 432,2 и 7370 лет соответственно. Таким образом, весь америций, который находился в земной коре при формировании нашей планеты, подвергся радиоактивному распаду и исчез. Своим появлением в современной окружающей среде данный элемент обязан человеку. Основным способом его образования является бомбардировка нейтронами плутония в ядерных реакторах. В 1 тотработанного топлива

Александр Никитин,

заведующий лабораторией радиоэкологии Института радиобиологии НАН Беларуси, кандидат сельскохозяйственных наук

Светлана Гриневич,

научный сотрудник

лаборатории

радиоэкологии

Института

радиобиологии

НАН Беларуси

Раиса Король,

старший

научный сотрудник

лаборатории

радиоэкологии

Института

радиобиологии

НАН Беларуси

содержится приблизительно 100 г америция. Также он образуется при распаде плутония-241 (период полураспада - 14,2 года).

Отсчет времени начала накопления америция в окружающей среде необходимо вести от первых ядерных испытаний, но на территории зоны отчуждения Чернобыльской АЭС загрязнение америцием-241 сформировано преимущественно за счет чернобыльского выброса. Знание точного времени появления данного элемента в экосистемах позволяет использовать его в качестве «маркера» биогеохимических процессов.

Преобладающая часть попадающего в окружающую среду америция изначально находится в форме тугоплавких частиц («горячих частиц»), основным компонентом которых является диоксид урана. Несколько иная ситуация складывается в том случае, если загрязнение происходит вследствие нарушения правил утилизации датчиков дыма. В почвенной среде горячие частицы медленно разрушаются, освобождая америций. Радионуклид переходит преимущественно в формы, адсорбированные на минеральной части почвы, в по-ровом растворе содержится лишь незначительная его часть.

В большинстве химических соединений степень окисления америция равняется +3, но известны вещества, где его степень окисления принимает значения от +2 до +7. Наиболее устойчивым соединением данного элемента является оксид америция (III).

Поскольку практически весь америций распался еще до зарождения жизни, то данный элемент не может выполнять никаких биологических функций, а организмы не должны обладать механизмами, регулирующими его поступление. Однако известны бактерии (род С'йоЬайег), аккумулирующие америций из раствора и использующие его для синтеза металлофосфат-ных комплексов, служащих для формирования клеточной стенки. Имеются и другие наблюдения,

Рис. 1.

Распределение радионуклидов по профилю дерново-подзолистой почвы н.п. Масаны, в процентах от общего содержания

о х

X

3!

X

указывающие, что ряд видов грибов и бактерий способны к биоаккумуляции америция.

Необходимость изучения поведения альфа-излучающих нуклидов, к которым относится и америций-241, в окружающей среде обусловлена их высочайшей радиотоксичностью. Большинство из них относится к группе «А» радиационной опасности (особо высокорадиотоксич-ные) и отличаются максимально жесткими величинами предельно допустимых активностей в воде и пищевых продуктах. Высокая энергия и малый пробег альфа-частиц создают в микрообъемах клеток и тканей высокую плотность ионизации, поэтому процессы восстановления в них при воздействии альфа-излучения практически отсутствуют, вследствие чего повреждения, вызываемые трансурановыми элементами, суммируются во времени.

Характерной особенностью чернобыльского выброса является относительно высокое содержание 241Ри — бета-излуча-ющего радионуклида с периодом полураспада 14 лет. Из данного радионуклида и образуется альфа-излучающий 241Ат с периодом полураспада 432,8 года. Америций высокотоксичен. Значение ПДК для америция в воздухе — около 1 • 10-4 Бк/л, в воде водоемов около 70—80 Бк/л. По радиотоксичности 241Ат аналогичен 239Ри, но, в отличие от последнего, имеет достаточно хорошую растворимость и, следовательно, более биологически доступен. Обладая большим

периодом полураспада, трансурановые элементы включаются по трофическим цепям в круговорот веществ и в течение тысячелетий будут представлять радиологическую опасность для человека. Учитывая большой период полураспада америция, проблемы его накопления в биологических цепочках будут актуальными для Украины и Беларуси на протяжении ближайших сотен лет.

Как и другие трансурановые элементы, америций-241 в настоящее время преимущественно находится в верхнем слое почвы. Доля подвижных форм элемента составляет 32% (для плутония — 4—15%). Из-за постоянного образования 241Ат из 241Ри ареал загрязнения поверхностного слоя почвы альфа-излучающими трансурановыми радионуклидами будет расширяться. На этой территории техногенно измененный радиоактивный фон будет сохраняться повышенным в течение тысяч лет.

Искусство обнаружения

Главные трудности при концентрировании и выделении трансурановых элементов в процессе анализа объектов природной среды связаны с их низкой концентрацией, а также сложным составом анализируемых образцов. Из-за сложности выделения америция его вместе с кюрием первооткрыватели называли пандемониумом, что переводится с греческого как «адский», или делиририумом, что на латинском языке означает бредовое состо-

яние с помутнением рассудка и галлюцинациями.

Основными этапами всех радиохимических методов определения трансурановых элементов в природных объектах являются:

■ первичная подготовка проб к анализу;

■ перевод элемента в растворимое состояние;

■ концентрирование, отделение от других радионуклидов и химических элементов;

■ выделение в виде образцов, отвечающих требованиям радиометрических измерений на низкофоновых установках.

Для перевода радионуклидов в растворимую форму используют различные методы полного растворения проб или их частичного выщелачивания. Следует указать, что америций, нептуний и плутоний достаточно легко извлекаются в водную фазу с помощью минеральных кислот. Для плутония и америция лучше всего подходит обработка 7,5-молярной азотной кислотой с добавками фтористоводородной кислоты.

Радиохимическая очистка и выделение америция-241 основаны на использовании ионообменной хроматографии. Комплексная методика выделения америция-241 и отделения от стронция-90 и изотопов плутония состоит в последовательном выделении радионуклидов из раствора азотной кислотой, очистке на трех колонках, заполненных селективными сорбентами (анионитом АВ-17 и катионитом ФИБАН). На первой стадии плутоний, стабилизированный в четырехвалентном состоянии, сорбируется на анионите АВ-17. Элюат, содержащий америций, переводится в С1- форму, подвергается дополнительной очистке на анионите и в дальнейшем сорбируется на катионите ФИБАН. Счетные мишени изготавливаются соосаждением америция-241 с микрограммовыми количествами Се (ОН)4 на ядерных фильтрах с размером пор 0,15 мкм.

Оценить потери 241Ат при радиохимическом выделении позволяет добавление изотопного

5-20

индикатора 252С! с аттестованной удельной активностью.

Измерения активности америция-241 в исследуемых образцах после радиохимического анализа проводится на альфа-спектрометре с полупроводниковым типом детектора. Высокий заряд (+2) и относительно низкая скорость альфа-частиц приводят к значительным потерям энергии даже в тонких слоях вещества, а относительно малое различие в энергии альфа-частиц некоторых альфа-излучателей создает значительные трудности в спектрометрическом разделении пиков, например, в случае таких изотопов, как 241Ат (5,49 МэВ) и 238Ри (5,50 МэВ), 23^р (4,79 МэВ) и 233и (4,82 МэВ), 234и (4,78 МэВ) и 230та (4,69 МэВ). Все это вносит свою специфику в процесс изготовления счетного образца и измерения его активности на альфа-спектрометре.

Америций-241 в окружающей среде

Особую актуальность исследования содержания амери-ция-241 в объектах окружающей среды приобрели после катастрофы на Чернобыльской АЭС.

Атмосфера является первичным резервуаром, откуда радионуклиды, образовавшиеся при ядерных взрывах или выброшенные предприятиями ядерно-энергетического комплекса, поступают на земную поверхность. Поступившие в атмосферу радионуклиды образуют аэрозоли и под воздействием гравитационных сил, а также дождей, тумана, снега и т.п. выпадают на поверхность земли. Попавшие на почву и растительность радиоактивные частицы мог ут вновь перейти в воздух в результате процесса вторичного ветрового подъема (ресуспензии).

В настоящее время загрязнение воздуха трансурановыми элементами (ТУЭ) формируется под воздействием процессов ресуспензии и переноса радиоактивных частиц, которые зависят от

различных факторов природного и антропогенного происхождения.

Изучение радиоактивного загрязнения атмосферы трансурановыми радионуклидами в Республике Беларусь начато с 1980 г. Но особенно активно исследования в этом направлении стали проводиться после аварии на ЧАЭС. Институтом радиобиологии проведена значительная работа по изучению динамики изменения содержания ТУЭ в воздухе по годам на участках, находящихся на различном удалении от реактора. Сезонное изменение содержания трансурановых радионуклидов (как изотопов плутония, так и америция-241) в 10-километровой зоне в исследуемый период изменяется незначительно (табл. 1).

Почва. При изучении поведения 241Ат в естественных условиях следует уделять внимание особенностям почвенно-расти-тельного комплекса. Он определяет поступление радионуклидов в трофические цепи.

По оценкам, сделанным в Институте радиобиологии, в результате выпадений при испытаниях ядерного оружия произошло загрязнение поверхностного слоя почвы Беларуси трансурановыми элементами со средней плотностью по 239,240Ри 53±17 Бк/м2. Катастрофа на Чернобыль-

ской АЭС усугубила ситуацию. Загрязнение поверхностного слоя почвы, вызванное трансурановыми радионуклидами, достигает максимальной величины — 1,1 х 105 Бк/м2 — на юге, постепенно понижаясь до уровня глобальных выпадений на севере республики. Что касается амери-ция-241, то основным фактором появления его на отдельных территориях Беларуси явилась авария на Чернобыльской АЭС, так как в «бомбовых выпадениях» данный радионуклид и его материнский изотоп — плуто-ний-241 — содержатся в минимальных количествах.

Полученные данные о миграции радионуклидов по профилю дерново-подзолистой почвы (рис. 1) показывают, что, несмотря на более чем 20-летний период с момента аварии, свыше 90% америция-241, как и остальных трансурановых элементов, находится в верхнем 5-сантиметровом слое почвы.

Животные.Радионуклиды, поступившие во внешнюю среду, включаются в круговорот межд у компонентами внешней среды. В организм животных они попадают через кожу, органы дыхания и при оральном заглатывании (с водой и пищей).

Роль различных трансурановых элементов в формировании дозовых нагрузок на

дата отбора Содержание ТУЭ, Бк/м3

239+240pu 241Am

Январь 0,42х10-6 0,18х10-6 0,71х10-6

Февраль 0,30х10-6 0,17х10-6 0,51х10-6

Март 0,44х10-6 0,27х10-6 0,75х10-6

Апрель 0,72х10-6 0,37х10-6 1,22х10-6

Май 0,10х10-6 0,57х10-7 0,17х10-6

Июнь 0,68х10-7 0,27х10-7 0,12х10-6

Июль 0,42х10-7 0,26х10-7 0,71х10-7

Август 0,33х10-7 0,17х10-7 0,57х10-7

Сентябрь 0,32х10-6 0,17х10-6 0,54х10-6

Октябрь 0,39х10-6 0,58х10-7 0,66х10-6

Ноябрь 0,18х10-6 0,92х10-7 0,30х10-6

Декабрь 0,29х10-6 0,13х10-6 0,48х10-6

Таблица 1. Содержание ТУЭ в воздухе н.п. Масаны в 2006 г. (10 км от Чернобыльской АЭС)

о

X X

3!

X

Радио- Костная Костная

Легкое Мышцы Печень ткань ткань

(губчатая) (трубчатая)

о

X X

3!

X

2з9,24°ри 0,182-0,332 0,383-0,818 0,275-0,708 0,043-0,486 0,185-1,501 238Ри 0,088-0,154 0,176-0,349 0,142-0,295 0,019-0,216 0,089-0,924

241

Ат 0,056-0,106 0,021-0,179 0,025-0,290 0,072-0,152 0,250-0,333

Таблица 2.

Содержание

трансурановых

элементов

в органах

диких животных,

обитающих

на территории

Полесского

государственного

радиационно-

экологического

заповедника,

Бк /кг

2з9,240ри 0,033-0,125 0,044-0,664 0,079-0,256 238Ри 0,014-0,079 0,022-0,339 0,043-0,110

241

Ат 0,209-0,217 0,063-0,128 0,055-0,158

0,238-0,242 0,102-0,125 0,041-1,15

|0Ри 0,13-0,437 0,023-0,161 0,033-0,160 0,162-0,795 0,207-2,22

!8Ри 0,063-0,206 0,014-0,072 0,014-0,074 0,073-0,424 0,118-0,8

41Ат 0,096-0,135 0,104-0,211 0,06-0,23 0,305-1,666 0,422-2,033

организм изменяется с течением времени. Если в первые годы после аварии существенную роль играл 241Ри, то уже через 50 лет его вклад в сумму эффективной дозы внутреннего облучения животных, обитающих в Полесском радиационно-эколо-гическом заповеднике, станет незначительным, а решающее значение приобретет 241Ат.

Поступая в организм с продуктами питания, америций достаточно слабо всасывается в пищеварительном тракте. Коэффициент всасывания зависит от химической формы изотопа, возраста животного и т.д. Для взрослых особей значение этого показателя составляет 0,01 — 0,001%, для молодых оно может быть на 1—2 порядка выше.

Видовые различия в накоплении животными трансурановых элементов связаны с физиологическими и морфологическими особенностями организмов, спецификой питания, поведения, особенностями распределения популяций в биогеоценозах. В итоге эти факторы определяют дозы внутреннего облучения животных от инкорпорированных в их организме радионуклидов.

Институтом радиобиологии проведена работа по оценке накопления изотопов трансурановых элементов в организмах животных, обитающих на радиоактив-

но загрязненных территориях Полесского государственного радиационно-экологического заповедника (табл. 2).

Максимальные уровни удельной активности трансурановых радионуклидов обнаружены в органах и тканях диких кабанов, которые 2/3 всего корма добывают из почвы или лесной подстилки. Наименьшие количества анализируемых радионуклидов выявлены в органах и тканях лосей и косуль, основу кормов которых составляют побеги лиственных и хвойных пород, листья деревьев и кустарников, кора, а также травянистые растения и кустарнички.

Основными органами депонирования 241Ат у животных являются скелет, печень и почки. На уровень накопления радионуклида в этих органах влияют химическая форма поступившего соединения и вид, возраст животных. Формирование дозовых нагрузок на организм животных от америция-241, ввиду его биокинетических особенностей, носит локальный характер. Дозовые нагрузки на отдельные органы и ткани (критические и барьерные) достигают высоких значений, в то время как средняя доза на весь организм незначительна.

Легкие являются первым барьерным и критическим органом для актинидов. Однако

установлено, что при ингаляционном поступлении америция-241 изотоп быстро перемещается из легких в кровь и накапливается в скелете и печени животных. Хотя содержание америция-241 в подстилающей поверхности почвы и приземном воздухе превышает содержание изотопов плутония, подобное соотношение не соблюдается в легких животных. Наблюдается уменьшение относительного содержания америция-241, что говорит о его более интенсивной миграции из легких в другие органы (печень, кость). Это связано с более высокой химической активностью америция.

Таким образом, сложившаяся на территории зоны отчуждения Чернобыльской АЭС радиационно-экологическая обстановка позволяет не только выполнять широкомасштабную оценку воздействия ионизирующих излучений на живые организмы, но и наблюдать за процессами восстановления естественной природной среды на местах, покинутых человеком. Кроме того, радионуклиды, в первую очередь искусственные, являются своеобразными маркерами, дающими возможность проследить динамику почвообразовательных и других биогеохимических процессов в экосистемах различных типов.

Изучение вопросов биологической миграции америция-241, основного дозообразующего элемента экосистем в будущем, представляет особый интерес и научную значимость. К настоящему времени эти вопросы изучены в незначительной степени. Большинство имеющихся данных разрозненны и не поддаются систематизации.