CC BY
21
УДК 004:528.91
ГЕОИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИДЕНТИФИКАЦИИ ИСТОЧНИКОВ РАДИОАКТИВНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НА ПРИМЕРЕ СЕМИПАЛАТИНСКОГО ИСПЫТАТЕЛЬНОГО ЯДЕРНОГО ПОЛИГОНА
Юлия Юрьевна Яковенко
Филиал «Институт радиационной безопасности и экологии» РГП НЯЦ РК, 071100, Казахстан, ВКО, г. Курчатов, ул. Красноармейская, 2, начальник лаборатории геоинформационных технологий, тел. (72251)2-58-63, e-mail: [email protected]
Валерий Николаевич Монаенко
Филиал «Институт радиационной безопасности и экологии» РГП НЯЦ РК, 071100, Казахстан, ВКО, г. Курчатов, ул. Красноармейская, 2, начальник группы анализа и моделирования объектов окружающей среды, тел. (72251)2-58-63, e-mail: [email protected]
Мария Толеухановна Абишева
Филиал «Институт радиационной безопасности и экологии» РГП НЯЦ РК, 071100, Казахстан, ВКО, г. Курчатов, ул. Красноармейская, 2, инженер лаборатории геоинформационных технологий, тел. (72251)2-58-63, e-mail: [email protected]
В статье рассмотрен пример решения проблемы идентификации самих источников радиоактивного загрязнения природных экосистем, их эпицентров и направления движения радиоактивных выпадений (следов), а также степень их надежности. Эта задача является одним из актуальных вопросов радиоэкологии и в качестве решения предложена последовательность этапов проведения работ с учетом особенностей объекта исследований.
Ключевые слова: алгоритм, карта-схема, радиоэкология, эпицентр, ядерные испытания.
GEOINFORMATION OF IDENTIFICATION OF SOURCES OF RADIOACTIVE POLLUTION ON THE EXAMPLE OF THE SEMIPALATINSK NUCLEAR TEST SITE
Yuliya Yu. Yakovenko
Branch «Institute of Radiation Safety and Ecology» of the Republican State Enterprise «National Nuclear Center of the Republic of Kazakhstan», 071100, Kazakhstan, East Kazakhstan Oblast, Kur-chatov, 2 Krasnoarmeiskaya St., Head of the Laboratory of Geoinformation Technologies, tel. (72251)2-58-63, e-mail: [email protected]
Valery N. Monayenko
Branch «Institute of Radiation Safety and Ecology» of the Republican State Enterprise «National Nuclear Center of the Republic of Kazakhstan», 071100, Kazakhstan, East Kazakhstan Oblast, Kur-chatov, 2 Krasnoarmeiskaya St., Head of Environmental Analysis and Modeling Group, tel. (72251)2-58-63, e-mail: [email protected]
Mariya T. Abisheva
Branch «Institute of Radiation Safety and Ecology» of the Republican State Enterprise «National Nuclear Center of the Republic of Kazakhstan», 071100, Kazakhstan, East Kazakhstan Oblast, Kur-chatov, 2 Krasnoarmeiskaya St., Engineer of the Laboratory of Geoinformation Technologies, tel. (72251)2-58-63, e-mail: [email protected]
The article considers an example of solving the problem of identifying the sources of radioactive contamination of natural ecosystems, their epicenters and the direction of radioactive fallout (traces) movement, and also the degree of their reliability. This task is one of the topical issues of radioecology, and as a solution, a sequence of work stages is proposed, taking into account the features of the research object.
Key words: algorithm, map-scheme, radioecology, epicenter, nuclear tests.
В настоящее время экосистемы как во всем мире, в целом, так и в Западной Сибири, в частности, подвержены одновременному воздействию разных источников радиоактивного загрязнения (глобальные выпадения, штатные и аварийные выбросы радиоактивных веществ с предприятий ядерного топливного цикла, мирные ядерные взрывы и т. д.). Поэтому, одним из вопросов радиоэкологии является проблема идентификации самих источников радиоактивного загрязнения природных экосистем, их эпицентров и определение направления движения радиоактивных облаков (следов).
В течение многих лет массовым источником радиоактивного загрязнения биосферы были регулярные испытания ядерного оружия в разных регионах земного шара. Только за период с 1945 по 1980 гг. проведено свыше 1200 атомных взрывов, из которых около половины - в атмосфере. В момент ядерного взрыва все радиоактивные продукты находятся в атомном состоянии. По мере охлаждения облака взрыва тугоплавкие материалы оболочки бомбы конденсируются и во взвешенном состоянии переносятся на огромные расстояния [1].
Задачу идентификации источников радиоактивного загрязнения можно решить с помощью метода изотопных соотношений. Такие характеристики, как отношения стронция-90 к цезию-137, плутония-239+240 к америцию-241, плу-тония-240 к плутонию-239 и ряд других являются константами как для глобальных выпадений радиоактивных веществ при испытании ядерного оружия, так и при работе конкретных предприятий ядерного топливного цикла. Сравнительный анализ этих соотношений и позволяет провести идентификацию самих источников радиоактивного загрязнения экосистем.
Бывший Семипалатинский испытательный ядерный полигон (СИЯП) являлся одним из крупнейших полигонов мира для испытания ядерного оружия. Первой испытательной площадкой СИЯП была площадка «Опытное поле», которая предназначалась для проведения атмосферных (наземных и воздушных) ядерных испытаний (ЯИ). По литературным источникам известно, что на испытательной площадке «Опытное поле» было проведено 31 наземных испытаний, из них в 5 случаях ядерное устройство не сработало, и 86 воздушных ядерных испытаний [2]. Важным обстоятельством является то, что даже в непосредственно прилегающих к СИЯП районах радиационная обстановка от наземных ядерных взрывов определилась 11 из них, поскольку остальные 15 были проведены в режиме максимального осаждения продуктов ядерного взрыва в пределах территории полигона.
Для оценки доз облучения населения важно правильно определить испытания, после проведения которых радиоактивные облака могли достичь, напри-
мер, территории Западной Сибири. Поскольку распространение облаков ядерных взрывов подчиняется законам перемещения воздушных масс в атмосфере, то решение данной задачи сводится к определению ядерных испытаний, при проведении которых траектории перемещения радиоактивных частиц в воздухе могли проходить через данную территорию. Для установления направлений следов ядерных испытаний и, как следствие, установления даты проведения ядерных испытаний было решено рассчитать координаты эпицентров ядерных испытаний.
В районе эпицентров наземных ядерных испытаний, в основном, образовались воронки диаметром десятки метров с выраженным навалом грунта и шлака. В некоторых местах проведения наземных испытаний воронки и другие следы ядерного взрыва отсутствуют, это возможно обусловлено испытанием зарядов малой мощности на высоких башнях, а также в случае проведения ре-медиации (рекультивационных работ), когда выброшенный грунт был сдвинут обратно в воронку и эпицентральный участок отсыпан чистым грунтом.
Помимо воронки, основным подтверждением обнаружения эпицентра является наличие радиоактивного загрязнения, в нашем случае, продуктами нейтронной активации, по которым можно определить точные координаты эпицентра ЯИ. Для этих целей было предложено вычислить его математическим способом, для чего необходимо знать текущую радиационную обстановку на обследуемой территории.
Соответственно, для оценки радиоактивного загрязнения местности и оценки радиационной обстановки на СИЯП в целом, на площадке «Опытное поле» была проведена крупномасштабная пешеходная гамма-спектрометрическая съемка, которая дает возможность без отбора большого количества проб и их анализа дать общую оценку площадного распределения радионуклидов на обследуемой территории.
Алгоритм расчета географических координат эпицентра радиоактивного загрязнения. При анализе результатов крупномасштабной пешеходной гамма-спектрометрической съемки (Цезий-137, Америций-241, Европий-152) для расчетов выбран Европий-152 как наиболее долгоживущий радионуклид, образованный вследствие нейтронной активации, и образует четкий контур загрязнения, переносу подвержены лишь мелкие частицы (< 0,1 мм), что будет ярко выражено лишь в случаях с выбросом грунта.
Для реализации алгоритма вычисления географических координат эпицентра испытаний в районе обследуемого участка предварительно делается выборка точек пешеходной гамма-спектрометрической съемки на основе которой будет вычисляться эпицентр (основная выборка). При формировании выборки необходимо учесть тот фактор, что в районе предполагаемого эпицентра, обычно имеется явно выраженная техногенная нарушенность почвенного покрова, соответственно точки пешеходной гамма-съемки, попадающие на эту территорию необходимо исключить из выборки, т. к. конечный результат расчета географических координат эпицентра будет искажен. В качестве выборки эпицен-тральной зоны (вспомогательная выборка), где будет определяться эпицентр
ЯИ, а также для удобства обработки делается выборка точек пешеходной гамма-спектрометрической съемки в 1/3 радиуса от всего «очага» активности ев-ропия-152 (рис. 1).
Вспомогательная выборка
Рис. 1. Общая схема выборки точек пешеходной гамма-съемки
Для вычисления эпицентра испытаний предварительно указывается ограничивающий диапазон активности радионуклида (изолиния). Изолиния -условное обозначение на карте, представляющее собой линию, в каждой точке которой измеряемая величина сохраняет одинаковое значение. Для удобства в получении диапазонов изолиний, можно значение от минимума до максимума разделить на 10 равных частей, получим 10 ограничивающих диапазонов изолиний [3].
Операции по расчету эпицентра выполняются для каждой предварительно указанной изолинии, соответственно для каждой из них будет получена своя точка предполагаемого эпицентра. Математический расчет включает в себя несколько этапов:
- определение среднего расстояния между всеми точками из основной выборки относительно выбранной точки из вспомогательной выборки (выполняется для всех точек из вспомогательной выборки);
- определение разницы со средним расстоянием всех точек относительно каждой точки из вспомогательной выборки;
- определение средней разницы. Точка с минимальной разницей будет является точкой предполагаемого эпицентра выбранной изолинии.
По результатам вычисленных центров всех указанных изолиний определяется среднее арифметическое, и в итоге будет получена одна точка, которая будет является предполагаемым эпицентром.
Для программной реализации метода поиска эпицентра ЯИ, была разработана блок-схема, которая отражает все основные блоки (операции), которые будут выполняются в ходе выполнения алгоритма поиска эпицентра (рис. 2).
Рис. 2. Блок-схема алгоритма поиска эпицентра
Для визуализации результатов поиска эпицентра был использован программный комплексе ArcGis for Desktop (платформа ГИС), в котором результат был совмещен с космическим снимком и картой-схемой площадного распределения радионуклида с 70% прозрачностью, где четко видно, что результат работы алгоритма совпал с расположением воронки с минимальной погрешностью (~ 2 метра), соответственно это доказывает, что алгоритм поиска эпицентра работает верно (рис. 3).
Рис. 3. Результат работы поиска эпицентра
Алгоритм расчета направления следов наземных ядерных испытаний. Для нанесения азимутов направления движения радиоактивных облаков используем направление магнитного меридиана на момент проведения первого ядерного испытания. На момент подготовки площадки «Опытное поле» к первому испытанию отклонение магнитной меридиана от линии сетки составляло 6°46'. Поэтому направления всех следов будут повернуты по часовой стрелке на указанный угол. Это позволит внести коррективы только в направления следов испытаний, проведенных на площадке П-1.
Для того чтобы внести поправки во все остальные направления, необходимо определить места пересечения азимутов направлений движения радиоактивных облаков, исходящих из эпицентра первого ядерного испытания на площадке П-1, указанных в таблице, с границей Опытного поля. Затем соединить местоположение эпицентров ядерных испытаний, вычисленных с помощью описанного ранее алгоритма, а также результатов гамма-спектрометрической съемки с местами выхода радиоактивных облаков за переделы Опытного поля [4].
Рис. 4. Следы ядерных испытаний
Из полученных результатов, следует, что над территорией Западной Сибири могли пройти радиоактивные облака 7 взрывов (рис. 4). Однако, такие взрывы на больших расстояниях (400 км и более) от Опытного поля не могут привести к образованию локальных следов радиоактивного загрязнения, а значит, к облучению населения в дозах, приводящих к появлению каких-либо детерминистских биологических эффектов [5].
Выводы
Используя такой подход удалось с высокой степени надежности установить местоположение большинства эпицентров наземных ядерных испытаний, а также идентифицировать следы радиоактивных выпадений.
Тестирование данного подхода было выполнено на объекте с заранее известным эпицентром ЯИ, результат расчета эпицентра совпал с расположением воронки и направлением следа, соответственно, алгоритм имеет высокую точность и эффективность в вычислении эпицентров, зная радиационную обстановку на местности, например, полученную при проведении пешеходной гамма-спектрометрической съемки.
Таким образом, алгоритм поиска эпицентра применим не только для поиска эпицентра ЯИ, но и для вычисления эпицентра любых других источников радиоактивного загрязнения, а значит имеет большие перспективы возможностей в использование.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Орлов Д. С., Садовникова Л. К., Лазановская И. Н. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении : учеб. пособие для вузов. - М. : Высшая школа, 2002. - 334 с.
2. Актуальные вопросы радиоэкологии Казахстана. Вып. 5. Оптимизация исследований территорий Семипалатинского испытательного полигона с целью их передачи в хозяйственный оборот / под рук. С.Н. Лукашенко. - Павлодар : Дом печати, 2015. - С. 11-31.
3. Применение геоинформационных технологий при составлении карт-схем для мониторинга и оценки радиационной обстановки на Семипалатинском испытательном ядерном полигоне / Г. А. Уставич, Л. К. Зятькова, Я. Г. Пошивайло, Ю. Ю. Яковенко // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2014. - № 4/С. - С. 200-207.
4. Стрильчук Ю. Г. Идентификация эпицентров и следов наземных ядерных испытаний на опытном поле // VII Междунар. научно-практическая конф. «Семипалатинский испытательный полигон. Радиационное наследие и перспективы развития» : сб. тезисов докладов, Курчатов, 21-23 сентября 2016 г. - Курчатов, 2016. - Т. 1. - С. 88-90.
5. Логачев В. А. Влияния ядерных испытаний на Семипалатинском полигоне на состояние здоровья населения Кемеровской и Новосибирской областей // Бюллетень центра общественной информации по атомной энергии. - 1996. - Спецвып. (март). - С. 10-12.
© Ю. Ю. Яковенко, В. Н. Монаенко, М. Т. Абишева, 2017
