CC BY
12
МОДЕЛЮВАННЯ IУПРАВЛ1ННЯ
УДК 532.517 Р.В. БЕЖЕНАР*
МОДЕЛЮВАННЯ НАКОПИЧЕННЯ РАД1ОАКТИВНОГО 90Sr У МОРСЬКИХ ОРГАН1ЗМАХ
1нститут проблем математичних машин i систем НАНУ, Кшв, Украша
Анотаця. Камерна модель Poseidon була застосована до твтчно-захгдно! частини Тихого океану для оценки забруднення морських оргамзмгв радгоактивним 90Sr, що потрапив у морське середови-ще в результатi аварИ' на АЕС Фукуама 11 березня 2011 року. При оцтщ впливу витоку рад1онук-л1ду було порiвняно значення активностi у водi, донних вiдкладеннях i морських оргатзмах з вiдпо-вiдними фоновими значеннями, як сформувалися в регiонi протягом минулого столття в резуль-татi випробувань атомног зброг. Динамiчна модель переносу радiонуклiдiв по ланцюжку живлен-ня, що включае фтопланктон, зоопланктон, нехижу та хижу рибу, молюски, ракоподiбнi i водо-ростi, була використана для розрахунку концентрацп 90Sr у морських оргатзмах. Розроблений но-вий пiдхiд до моделювання накопичення радiонуклiдiв у рибi, який враховуе внески рiзних тканин у загальну концентрацт. Показано, що при розрахунку накопичення 90Sr потрiбно розглядати двi основт тканини риби: юстки i м 'язи. Результати моделювання показали добре ствпадтня з вимi-рами в областi розмiром 4х4 км навколо АЕС Фукуама для концентрацп 90Sr у водi, донних вiдкла-деннях i хижiй рибi при величин витоку на рiвнi 4% вiд витоку 137Cs. Ключовi слова: камерна модель, морськ оргатзми, накопичення 90Sr.
Аннотация. Камерная модель Poseidon была применена к северо-западной части Тихого океана для оценки загрязнения морских организмов радиоактивним 90Sr, попавшим в морскую среду в результате аварии на АЭС Фукусима 11 марта 2011 года. При оценке влияния вытока радионуклида были сравнены значения активности в воде, донных отложениях и морских организмах с соответствующими фоновыми значениями, которые сформировались в регионе на протяжении прошлого века в результате испытаний ядерного оружия. Динамическая модель переноса радионуклидов по цепочке питания, включающая фитопланктон, зоопланктон, нехищную и хищную рыбу, моллюски, ракообразные и водоросли, была использована для расчета концентрации 90Sr в морских организмах. Разработан новый подход к моделированию накопления радионуклидов в рыбе, который учитывает вклад разных тканей в общую концентрацию. Показано, что при расчете накопления 90Sr нужно рассматривать две основные ткани рыбы: кости и мышцы. Результаты моделирования показали хорошее совпадение с измерениями в области размером 4х4 км вокруг АЭС Фу-кусима для концентрации 90Sr в воде, донных отложениях и хищной рыбе при величине вытока на уровне 4% от вытока 137Cs.
Ключевые слова: камерная модель, морские организмы, накопление 90Sr.
Abstract. The box model Poseidon was applied to the Northwestern Pacific to estimate the contamination of marine organisms by radioactive 90Sr, which enters the marine environment due to the Fukushima Dai-ichi nuclear accident on the 11th of March 2011. The estimation of the impact of discharged radionuclide was done for activity concentration in the water, bottom sediments and marine organisms in comparison with background values, which were formed in the region during past century as a result of nuclear weapon tests. A dynamical model for transfer of radionuclides through the food-chain that includes phytoplank-ton, zooplankton, non-piscivorous (forage) and piscivorous (predatory) fish, mollusks, crustaceans and macro-algae was used for calculation of 90Sr concentration in marine organisms. A new approach for prediction of radionuclide accumulation in fish taking into account the contribution of different tissues in the total concentration was developed. It is shown that two tissues: bone and flesh, are the most important when accumulation of 90Sr in fish is considered. Results of the simulations for water, bottom sediments and piscivorous fish are in good agreement with measurements in the area 4x4 km around Fukushima Dai-ichi NPP in the case when the discharge of 90Sr equal to 4% from the 137Cs discharge. Keywords: box model, marine organisms, accumulation of 90Sr.
© Беженар Р.В., 2017
ISSN 1028-9763. Математичш машини i системи, 2017, № 1
1. Вступ
З радюлопчно!' точки зору найбшьш важливими антропогенними радiонуклiдами, що ха-рактеризуються порiвняно довгим перюдом напiврозпаду Т1/2, е 137Cs (Т1/2=30,2 роки) i 90Sr (Т1/2=28,8 роюв). Обидва радiонуклiди е основними продуктами розщеплення в ядерних реакцiях, вони добре розчинш у водi i легко засвоюються морськими органiзмами завдяки схожосп хiмiчних властивостей мiж стронщем i кальцiем (накопичуються у скелет риб), а також мiж цезiем i калiем (накопичуються в основному в м'язовш тканинi).
137 • 90
Переважна бшьшють радiоактивних Cs i Sr потрапила у Св^овий океан у ре-зультатi випробувань атомно!' збро!' в 50-60-х роках ХХ стшття. Близько половини вщ за-гально!' кiлькостi даних радюнуклвдв зосереджено в Тихому океанi [1]. Це пов'язано з йо-го великою площею, на яку осша значна частина глобального випадiння, та високою акти-внiстю випробувань, що мали мюце в екваторiальнiй частиш Тихого океану в серединi ми-
137
нулого стшття. Моделювання розповсюдження Cs в морському середовищi проводило-ся в багатьох роботах як до аварп на АЕС Фукуама [2-4], так i пiсля не! [5-8]. Значно ме-нше робiт присвячено особливостям розповсюдження 90Sr [9-11].
137 90
У результат аварп на АЕС Фукуама в 2011 роцi велика кшькють Cs i Sr витекла безпосередньо в океан, а також випала на його поверхню з атмосфери. При цьому найбшьш забрудненими виявилися прибережш област навколо АЕС. Згщно з загально прийн-
137
ятими ощнками, кшьюсть Cs, що витекла безпосередньо в океан, склала 4-6 ПБк (1 ПБк
15 • 137
=10 Бк), тодi як на поверхню океану випало 5-15 ПБк Cs. З шшого боку, ощнки кшько-стi 90Sr, що потрапила в океан у результат аварп, вiдомi зi значно меншою точнiстю. У кi-
90 • • • 137
лькох роботах прямий витш Sr в океан ощнюеться у промiжку 2-10% вщ витоку Cs
90 137
[10, 12, 13]. Оскшьки здатнiсть Sr до випаровування значно менша, нiж Cs, то атмос-ферним випадiнням 90Sr на поверхню океану можна знехтувати [12].
У робот [11] камерна модель Poseidon була використана для моделювання переносу радюактивного 90Sr в морському середовищi твшчно-захщно!' частини Тихого океану i прилеглих морiв (Жовтого, Схщно-Китайського, Японського). Розглядалося як юторичне забруднення в результатi випробувань атомно!' збро!', так i забруднення в результат аварп на АЕС Фукуама. Було отримане добре спiвпадiння результатв моделювання з даними
90
вимiрювань для концентрацп Sr у водi, донних вщкладеннях i морських органiзмах до аварп 2011 року. Проте тсля аварп результата моделювання були досить суперечливими. Добре ствпадшня з вимiрами для розраховано! концентраци Sr в донних вщкладеннях
90 • • 137
було отримане при прямому витощ Sr в океан на рГвш 2% вщ витоку Cs. Але при цьому концентращя 90Sr в ри6Г була набагато меншою у порГвнянш з вимiрами. Навiть при прямому витоцГ 90Sr в океан на рГвнГ 10% вщ витоку 137Cs розрахована концентращя 90Sr в ри6Г залишалася меншою, шж вимiряна. Це означае, що пщхщ, який використовувався в ро6отГ [11], дае правильну концентрацiю 90Sr в ри6Г у рiвноважних умовах (коли концентращя радюнуклщу повшьно змiнюеться з часом) i суттево занижуе значення концентрацп' в нерiвноважних умовах (у випадку аварп).
Особливютю моделi Poseidon е наявнiсть динамiчноi моделi ланцюжка живлення BURN [14], яка дозволяе описувати засвоення радюнуклвдв морськими оргашзмами в не-рiвноважних умовах. У моделi морськГ оргашзми об'еднуються у групи вГдповГдно до !'х-нього положення в ланцюжку живлення. З шшого боку, радюнуклщи комбшуються у групи, пов'язаш з органами риб, в яких щ радiонуклiди накопичуються. Такий пщхщ дозволяе використовувати обмежену кшькють параметрiв моделi. Але даний пГдхГд добре працюе тодГ, коли радiонуклiд накопичуеться в оргаш, який займае переважну частину маси тша риби. Для прикладу, бшьша частина 137Cs накопичуеться в м'язах, що займають близько 80% маси риби. У цьому випадку можна знехтувати цезiем в шших органах. 1нша ситуащя Гз стронцiем, який накопичуеться в мстках. Масова частка кГсток в органiзмi риби складае в середньому 12%. При цьому незначна концентращя стронщю в м'язовш тканиш у поед-
нанш з 11 великою масовою часткою може давати суттеве доповнення до загального зна-чення концентрацп 9^г в рибi. Тому пiдхiд [14], коли береться до уваги лише орган, де на-копичуеться максимальна концентращя радюнуклщу i iгноруються вс iншi органи, може суттево занижувати розраховану концентращю 90Sr у рибь
У данiй роботi розроблений новий тдхщ для розрахунку накопичення радюактив-ного 90Sr в рибi, який враховуе внески рiзних органiв у загальну концентращю. Проведене моделювання розповсюдження 90Sr в морському середовищi тсля аварп на АЕС Фукусiма. Ефектившсть нового пiдходу оцiнено шляхом порiвняння результатiв моделювання з ви-мiрами.
2. Модель переносу рад1онукл1д1в у морському середовищ1 Poseidon
Модель Poseidon описуе морське середовище як систему камер, що включають товщу води, донш вiдкладення i морсью органiзми [15]. Кожна з камер у моделi може мiстити будь -яку кшьюсть шарiв води, забезпечуючи, таким чином, тривимiрнiсть системи. Також каме-ри мiстять зважеш намули, що рiвномiрно осiдають на дно. В моделi вважаеться, що ра-дiонуклiди, адсорбованi зваженими частинками, знаходяться в рiвновазi з розчиненими радюнуклщами. Перенос розчинених радiонуклiдiв мiж камерами описуеться процесами адвекци i дифузп. Перемiщення осаджених радiонуклiдiв у дш описуеться за допомогою тришарово! системи, в якiй верхнiй шар взаемодiе з водою, мiж верхшм i середнiм шаром вiдбуваеться дифузiя радiонуклiдiв, а все, що потрапило в нижнш шар в результат осщан-ня, вже нiколи не повертаеться наверх. Схематично даш процеси зображеш на рис. 1, а основы рiвняння моделi представлеш в роботах [4, 8].
Засвоення радюнуклвдв морськими органiзмами вiдбуваеться безпосередньо з води, а також у результат по!дання забруднено! 1ж1 у ланцюжку живлення (рис. 1). В робот мо-делюеться ланцюжок живлення поверхневих органiзмiв, що включае ф^опланктон, зоопланктон, нехижу i хижу рибу, молюски та ракоподiбнi. Також розглядаються водоростi, якi засвоюють радюнуклщи виключно з води. В робот [8] показана необхщнють включення в
• 137
модель донного ланцюжка живлення для врахування переносу радюактивного Cs з за-бруднених донних вiдкладень у доннi безхребетнi оргашзми, а потiм i в рибу по ланцюжку живлення. Але 90Sr набагато менше адсорбуеться зваженими у водi частинками, якi при
137
осщанш формують донне забруднення, нiж Cs. Коефщент розподiлу мiж адсорбованою
90 • „ . 137 •"
i розчиненою фракцiями Kd для Sr в 10 разiв менший, нiж для Cs [16]. Тому в данш ро бот донний ланцюжок живлення не розглядаеться.
Рис. 1. Схематичне зображення процешв у кожнш камер1 модел1 Poseidon
Через швидкий метаболiзм фiтопланктону концентрацiя радюнуклвдв в ньому С к
розраховуеться з використанням концентрацшного фактора [16], що передбачае момента-льне засвоення радюнуклщу фiтопланктоном i встановлення рiвноважноi концентрацп з певним коефiцiентом вiдносно води, який залежить вщ радiонуклiду:
(1)
де С^ - концентращя радiонуклiду в водi, СЕрк - концентрацшний фактор фiтопланктону. При розрахунку концентрацп активносп в водоростях Са1 часом затримки радюну-
клiду в рослинi вже не можна ^норувати. Тому для водоростей використовуеться рiвнян-ня, що описуе засвоення радюнуклщу з води i виведення його за рахунок бюлопчного оновлення кл^ин рослини:
1п2
dC
a lg
dt
С/'', -С -с.
т
(2)
0.5(a lg)
де С¥лв - концентрацiйний фактор водоростей, ( - час, - бюлопчний час нашв-
життя радюнуклвдв у водоростях.
Концентрацiя активностi в шших органiзмах (зоопланктонi, молюсках, ракоподiб-них, нехижiй i хижiй риб^ також описуеться диференцiйними рiвняннями
dC dt
= aKfCf+bKwC„
In 2
С.
(3)
де C - концентращя радюнуклвдв у певному видi морських opraHi3MiB, Cf - концентрацiя
радюнуклвдв в 1ж1, a - коефщент засвоення радiонуклiдiв з 1ж1, K^ - piBeHb засвоення
'irn, b - коефiцiент засвоення радiонуклiдiв з води, K - рiвень засвоення води, T0 5 - бюлопчний час нашвжиття радiонуклiдiв в оргашзмь
Рацiон морських органiзмiв може складатися з n рiзних тишв 1ж1. У цьому випадку концентращя в 1ж C f розраховуеться за допомогою сумування
( ' / ^ \ С prey,i Р
drw
pred
prey,i
drw
(4)
prey,i
де C
prey, i
концентращя радюнуклщу в i:i типу i, P^y t - частка i:i типу i в ращош,
drw
'pred - частка сухо-i маси в органiзмi хижака,
drw.
prey
частка сухо1 маси в органiзмi
жертви. В моделi вважаеться, що частка фiтопланктону в ращош зоопланктону складае 1,0; частка зоопланктону в ращош нехижо! риби складае 1,0; частка ф^опланктону i зоопланктону в ращош молюсюв складае 0,8 i 0,2 вщповщно; частка фiтопланктону i зоопланктону в ращош ракоподiбних складае 0,2 i 0,8 вiдповiдно; частка нехижоi риби в ращош хижо! риби складае 1,0. Значення шших параметрiв приведет в табл. 1.
Таблиця 1. Параметри динамiчноi моделi переносу радюнуклвдв по ланцюжку живлення
drw K1 день- a Kw м3(кг день)-1 b T0,5 днi
Ф^опланктон 0,1 - - - - -
Водоростi 0,1 - - 0,6 0,001 60
Зоопланктон 0,1 1,0 0,2 1,5 0,001 5
Молюски 0,1 0,06 0,5 0,15 0,001 50
Ракоподiбнi 0,1 0,015 0,5 0,1 0,001 100
Нехижа риба 0,25 0,030 0,5 0,1 0,001 Табл. 2
Хижа риба 0,3 0,007 0,7 0,075 0,001 Табл. 2
PiB^HHH (3) описуе концентращю активностi в рибi, якщо радiонуклiд piBHOMipHO pозподiлений у всьому оргашзмь Але це справедливо лише для деяких радюнуклвдв типу цез^. Iншi pадiонуклiди, такi як плутонш, стpонцiй, важкi метали, накопичуються в пев-них тканинах. У цьому випадку концентращя в pибi розраховуеться за допомогою суму-вання концентрацш у тканинах з урахуванням 1хньо1 вагово! частки:
in
C fish = fk,
(5)
k=\
де - вагова частка к -то1 тканини, С - концентращя радюнуклщу в к -тiй тканиш.
Основною метою дано1 роботи було розробити нову модель для розрахунку нако-пичення радюнуклвдв окремо в кожнш тканинi. З цiею метою для риби рiвняння (3) роздь ляеться на 3 рiвняння, кожне з яких описуе накопичення радюнуклщу в окремш тканинi:
dC,
dt
Ьопе = abKfCf+bKwCH
In 2
Т
J- г,
С,
bone'
0.5(b )
J- r,
dt
(6)
dC
°-an=aoKfCf+bKwCH
0.5(f )
In 2
dt
C„
rp organ'
T0.5(o)
У рiвняннях (6) невизначеними залишаються лише коефiцiенти засвоення радюнук-лiдiв з 1ж1 рiзними тканинами (кiстками а, м'язами а^ i внутрiшнiми органами а ). Iх
можна визначити при одночасному виконаннi двох умов: використанш експериментально отриманих вiдношень концентрацп радюнуклвдв у рибi до концентрацп в кожному оргаш [17] та досягненш рiвноважного значения концентрацiйного фактора в рибi згiдно з [16]. Значення отриманих параметрiв для рiзних тканин представлеш в табл. 2.
Таблиця 2. Параметри тканин в органiзмi риби, що використовуються в динамiчнiй моделi
Тканина Кiстки (bone) М'язи (flesh) Внутршш органи (organ)
Вагова частка тканини /к 0,12 0,80 0,08
Бюлопчний час
натвжиття радюнуклщiв у тканинах нехижо1 риби 500 75 20
(дн0
Бюлопчний час
натвжиття радюнуклвдв у 1000 150 40
тканинах хижо1 риби (дш)
Коефщент засвоення з 0,2 0,3 0,3
1ж1 для нехижо1 риби
Коефщент засвоення 90Sr з 1ж1 для хижо1 риби 0,3 0,4 0,4
Вщомо, що в морському середовищi засвоення радiонуклiдiв живими органiзмами зменшуеться за рахунок присутносп конкуруючих iонiв у вод^ що призводить до змен-шення засвоення через мембрани рослин i через зябра iнших органiзмiв. Конкуруючим юном для засвоення радюактивного стронцiю е iон кальщю Ca2+. Це було враховано в моде-лi через змiну коефщента засвоення радiонуклiдiв з води b. Для риби цей коефщент е функщею солоносп [18]. Оскшьки в швшчно-захщнш частиш Тихого океану солошсть е практично однаковою, то в модел1 використовувалося значения параметра ¿> = 3 • 10 ~, що вщповщае солоносп 34,5 г/л. Значения параметра b для зоопланктона ф = 1-10 4), молюс-ив (й = 3-10 4) i ракопод1бних ф = 1-10'~4) булп обраш, щоб задовольнити р1вноважш зна-чення концентрацiйних факторiв для стронцiю [16].
3. Моделювання накопичення радюактивного 90Sr в морських оргашзмах шсля аварп на АЕС Фукусiма
При оцiнцi впливу витоку радюнуклвдв у результатi аварп на АЕС Фукуама на морське середовище важливо порiвняти рiст активностi у вод^ донних вiдкладеннях i морських оргашзмах з доаваршними значеннями. Для цього потрiбно отримати фоновi значення кон-центрацп радiонуклiдiв, яю сформувалися в регiонi протягом останшх рокiв. З цiею метою була створена система камер, що охоплюе твшчно-захщну частину Тихого океану i при-леглi моря (Жовте, Схщно-Китайське i Японське). Всього розглядаеться 176 камер, вклю-чаючи 3 основш рiчки регiону (рис. 2). У глибоководних областях товща води була роздь лена на 3 вертикальних шари для кращого описання вертикального i горизонтального переносу активностi у верхньому (вщ поверхнi до глибини 200 м), середньому (200-1000 м) i нижньому (понад 1000 м) шарах. Адвективш i дифузiйнi потоки води мiж камерами були розрахованi усередненням за 10^чний перiод (2000-2009) тривимiрних течiй, отриманих чисельною моделлю термопдродинамши ROMS. Детальнiше пераметри камер описаш в
[4].
120°Е 125'Е 130°Е 135°Е 140°Е 145°Е
Рис. 2. Система камер пiвнiчно-захiдноi частини Тихого океану i прилеглих мор1в. Стршочками позначеш основш р1чки регюну (173 - Хуане, 174 - Янцзи, 175 - Хан). Положення АЕС Фукус1ма позначене л1терою «F»
Основним джерелом радюактивного 90Sr протягом 1945-2010 рр. було глобальне випадшня на поверхню океану в результатi випробувань атомно! збро!. В моделi задавало-ся щорiчне випадiння за даний перюд на поверхню кожно! камери. Потк 90Sr в розрахун-кову область океанськими течiями через ii границi був оцiнений на основi даних вимГрю-вань концентрацп 90Sr в океанi [19]. В моделi цей потiк використовувався як граничш умо-ви для камер на твденнш i схiднiй границях област (рис. 2). Стронцiй е досить мобшьним елементом, який легко сткае з поверхнi землi в рiчки, а з ними в моря. Тому для загально-го балансу 90Sr у Тихому океанi в моделi було враховано стiк стронщю, що випав на поверхню землi в результат глобального випадшня, основними рiчками регiону. Детальний опис уах джерел Sr, якi формують фонову концентрацiю в розрахунковiй обласп, приведений в [11]. Також в робот [11] приведене порiвняння розрахованих значень концентрацп 90Sr у водг в ргзних камерах з вимiрами при даних умовах моделювання. Отриманий коефь цiент кореляцп (92%) тдтверджуе, що модель правильно вщтворюе фоновг концентрацп 90Sr в розрахунковш областi.
Максимальнi концентрацп радiонуклiдiв тсля аварп на АЕС Фукусiма спостерша-лися у прибережнiй областi навколо станцп. Щоб описати цю область за допомогою моделювання, було створено додаткову камеру 176 в середиш камери 90 (рис. 2). розмгри дода-тково! камери 15х30 км, а середня глибина 50 м. Проте бшьша частина вимiрювань 90Sr проводилася в ще меншш прибережнiй областi. Тому було створено прибережну камеру в середиш камери 176 розмгром 4х4 км i глибиною 18 м. оскгльки щ додатковi камери ма-ють значно меншi розмгри, нгж стандартнi камери моделi Poseidon, то для них стае важли-вим процес випадково! мГграцп риби. Риба з областей з високою концентрацiею радюнук-лщу може мiгрувати в областi з низькою концентращею i навпаки, суттево змгнюючи сере-дню концентрацiю радюнуклщу в ри6г. В моделi це враховуеться введенням додаткового дифузшного доданку в ргвняннях (6), який дiе лише в додаткових камерах. Детальшше включення випадково! мГграцп риби в модель описане в роботах [4, 8].
Джерело 90Sr в результат аварп складаеться з двох частин: витк води з високою концентращею протягом кшькох тижшв пгсля аварп (прямий витк) та просочування 90Sr через грунтовг води протягом наступного часу до тепершшх днгв (постшний витгк). Ви-значення величини прямого витоку е непростим завданням, оскшьки в першГ днг пгсля аварп прямг вимГри концентрацп 90Sr в забрудненГй водГ не проводилися. Ощнки прямого витоку здшснювалися на основГ припущення, що витк 90Sr був пропорцГйний до витоку
137
Cs, величина якого визначена з набагато кращою точнГстю i в бГльшостГ дослГджень ста-
90 • 137
новить 4 ПБк. У данГй роботГ прямий витк Sr був прийнятий як 4% вщ витоку Cs, що дорГвнюе 160 ТБк (1 ТБк = 1012Бк). Це спГввГдношення лежить у промГжку 2-10%, що вщ-повщае оцГнкам, наведеним у роботах [10, 12, 13]. Також не юнуе даних про величину постшного витоку радГонуклГдГв з емностей, в яких зберГгаеться сильно забруднена вода, ви-лучена з пошкодженого енергоблока АЕС. В робот [11] проведено порГвняння концентра-
137 • 90
цГ! Cs i Sr у водГ поблизу станцп протягом 3 роюв пГсля аварГ! i показано, що в серед-ньому щ концентрацГ! рГвнГ. Це свГдчить про приблизно однакову величину постшного ви-
137 • 90 • • • 137
току Cs i Sr з обласп навколо станцп. Зпдно з [20], величина постшного витоку Cs з обласп навколо станцп становить 3,6 ТБк/рГк. Проте подальшГ вимГри концентрацГ! 90Sr у водГ поблизу станцГ! показали, що з часом вона зменшуеться, а це свГдчить про зменшення величини постшного витоку. В данш робот значення постшного витоку задавалося рГвним 3,6 ТБк/рГк для перГоду з друго! половини 2011 року до кшця 2012 року, 1,0 ТБк/рГк в 2013 роцГ та 0,36 ТБк/рГк, починаючи з 2014 року i до кшця розрахунку.
На рис. 3 показаш результати моделювання концентрацГ! 90Sr у водГ i донних вГдк-ладеннях у порГвнянш з вимГрами до [21] i пГсля [22] аварГ! на АЕС ФукусГма у прибереж-нГй камерГ розмГром 4х4 км навколо станцГ!. Зпдно з результатами моделювання, концент-
90
рацгя Sr у водг досягла максимуму вгдразу пгсля прямого витоку, але дуже швидко опус-
3 • „
тилася до рiвня 650 Бк/м , на якому трималася до кшця 2012 року завдяки постшному ви-току. У 2013 рощ концентращя 90Sr у водi опустилася до 175 Бк/м3, а починаючи з 2014 року - до 65 Бк/м . Варто вщмтити, що результати моделювання показують середне по камерi значення концентрацп. Його можна порiвняти з усередненими за вiдповiднi перюди вим1рами. Отже, зпдно з вим1рюваннями, середне значення концентрацп 90Sr у вод1 в 2012 рощ становило 900±490 Бк/м3, в 2013 рощ - 420+190 Бк/м3, i в 2014-2015 роках - 110+40 Бк/м3. Це свщчить, що модель досить точно вщтворюе забруднення прибережних вод на-вколо АЕС Фукусiма радюактивним 90Sr при заданих значеннях прямого i постiйного ви-токiв. Таким чином, моделювання може допомагати ощнювати величини витоюв забруд-нено'1' води при 1хнш невизначеностi.
Час, роки
a
2010 2014
Час, роки
b
Рис. 3. Пор1вняння результапв моделювання концентрацп Sr у вод1 (a) i донних вщкладеннях (b) з вим1рами у прибережнш камер1 розм1ром 4х4 км навколо станцii
Як i для води, концентрацiя 90Sr у донних вiдкладеннях узгоджуеться з ви-мiрами до аварп на АЕС Фукуама. Пiсля аварп вимiри показують, що забруднення лягло на дно дуже нерiвномiрно. Лише у 2012 рощ вимiрянi концентрацп 90Sr у донних вiдкладеннях змiнюються у про-мiжку вiд 1,9 до 30 Бк/кг. Згiдно з розра-хунком, протягом 3 мiсяцiв шсля аварп
90
концентращя Sr у донних вщкладеннях зростае з фонового значення 0,1 Бк/кг до 20 Бк/кг, а попм повшьно спадае i досяг-не 2 Бк/кг на початку 2018 року, що на порядок вище фонових значень. На рис. 3b видно, що розрахована тенденщя змь ни забруднення донних вщкладень у за-гальному узгоджуеться з вимiрами.
Порiвняння розрахованих i вимi-
90
ряних значень концентрацil Sr у рiзних видах хижо1 риби у прибережнш камерi розмiром 4х4 км навколо станцii зображене на рис. 4. Перед аварiею на АЕС Фукуама ро-зрахунки порiвнювалися з вимiрами в терпузi (Hexagrammos otakii) [21]. Шсля аварп було всього кшька вимiрювань 90Sr [22] у рiзних видах риби, яю можна вiднести до хижо1: мор-
2010 Час, роки
Рис. 4. Пор1вняння результат1в моделювання концентрацИ 90Sr у хиж1й риб1 з вим1рами у ирибережн1й камер1 розм1ром 4х4 км навколо станцИ
ському окуш (Lateolabrax japonicus), йоржi (Sebastes cheni) i плоскотiлiй акулi (Squalus squatina). Розрахунки проводилися для трьох BapiarnÎB моделi накопичення радюнуклщу в рибi: 1) 90Sr накопичуеться лише в KicTKax, де спостершаеться максимальна концентрацiя нуклiду (стандартна модель BURN [14]); 2) 90Sr накопичуеться в уах тканинах (нова модель, розроблена в данш робот); 3) 90Sr накопичуеться в кютках i м'язах (нова спрощена модель).
90
З рис. 4 видно, що у випадку Sr важливим е включення исток i м язiв у модель накопичення радюнуклщу в рибь Розрахунок, коли враховуеться лише накопичення в юст-ках, дае суттево занижену концентращю 90Sr у риб^ як це i було в [11]. Врахування нако-
90
пичення Sr в уах тканинах, включаючи органи, дае практично таю ж результати, як i у спрощеному вaрiaнтi, коли розглядаеться накопичення лише в юстках i м'язах риби. Це означае, що при моделюванш накопичення 90Sr у рибi обов'язково потрiбно розглядати двi оcновнi тканини: юстки i м'язи.
4. Висновки
Камерна модель Poseidon була застосована до твшчно-захщно!' частини Тихого океану для ощнки забруднення морських оргaнiзмiв рaдiоaктивним 90Sr, що потрапив у морське сере-довище в результат аварп на АЕС Фукуама 11 березня 2011 року. Модель описуе перенос радюактивност у водi i донних вщкладеннях, а також м^ащю рaдiонуклiдiв по ланцюжку живлення морських оргaнiзмiв. Для оцiнки забруднення в результат аварп у порiвняннi з фоновими значеннями концентрацп 90Sr, яю сформувалися в регiонi протягом минулого стшття в результaтi випробувань атомно'1 збро'1, розрахунки проводилися з 1945 року.
Динaмiчнa модель переносу радюнуклвдв по ланцюжку живлення, що включае фь топланктон, зоопланктон, нехижу та хижу рибу, молюски, рaкоподiбнi i водорост, була використана для розрахунку концентрацп 90Sr в морських оргашзмах. Розроблений новий пiдxiд для моделювання накопичення радюнуклвдв у рибi, який враховуе внески рiзниx тканин у загальну концентращю. Показано, що при розрахунку накопичення 90Sr потрiбно розглядати двi оcновнi тканини риби: кютки i м'язи.
Щоб детально описати прибережну область, де спостершались максимальш концентрацп 90Sr, були створеш вклaденi одна в одну прибережш камери розмiром 15х30 i 4х4 км навколо АЕС Фукуciмa. В робот величина прямого витоку 90Sr в морське середовище ста-новила 4% вщ витоку 137Cs, що узгоджуеться з бшьшютю оцiнок. Також брався до уваги постшний витк радюнуклщу через грунтовi води, величина якого поступово зменшувала-ся з часом. Результати моделювання показали добре ствпадшня з вимiрaми в малш прибе-режнiй облacтi розмiром 4х4 км для концентрацп 90Sr в вод^ донних вiдклaденняx i хижш рибi при описаних джерелах забруднення.
СПИСОК Л1ТЕРАТУРИ
1. Worldwide Marine Radioactivity Studies (WOMARS). Radionuclide levels in oceans and sea / A. Aarkrog, K.O. Buesseler, R. Delfanti [et al.] // IAEA, International Atomic Energy Agency. IAEA-TECDOC-1429 IAEA. - Vienna, Austria, 2005. - 196 p.
2. Tsumune D. Behavior of 137Cs concentrations in the North Pacific in an ocean general circulation model / D. Tsumune, M. Aoyama, K. Hirose // Journal of Geophysical Research. - 2003. - Vol. 108, N C8. -P. 3262 - 3279.
3. Nakano M. Oceanic general circulation model for the assessment of the distribution of 137Cs in the world ocean / M. Nakano, P. Povinec // Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography. -2003. - Vol. 50. - P. 2803 - 2816.
4. Regional long-term model of radioactivity dispersion and fate in the Northwestern Pacific and adjacent seas: application to the Fukushima Dai-ichi accident / V. Maderich, R. Bezhenar, R. Heling [et al.] // Journal of Environmental Radioactivity. - 2014. - Vol. 131. - P. 4 - 18.
5. Nakano M. Long-term simulations of the 137Cs dispersion from the Fukushima accident in the world ocean / M. Nakano, P.P. Povinec // Journal of Environmental Radioactivity. - 2012. - Vol. 111. - P. 109 -115.
6. Status of 137Cs contamination in marine biota along the Pacific coast of eastern Japan derived from a dynamic biological model two years simulation following the Fukushima accident / Y. Tateda, D. Tsu-mune, T. Tsubono [et al.] // Journal of Environmental Radioactivity. - 2016. - Vol. 151. - P. 495 - 501.
7. Vives i Batlle J. Dynamic modelling of radionuclide uptake by marine biota: application to the Fukushima nuclear power plant accident / J. Vives i Batlle // Journal of Environmental Radioactivity. - 2016. -Vol. 151. - P. 502 - 511.
8. Transfer of radiocaesium from contaminated bottom sediments to marine organisms through benthic food chain in post-Fukushima and post-Chernobyl periods / R. Bezhenar, K.T. Jung, V. Maderich [et al.] // Biogeosciences. - 2016. - Vol. 13. - P. 3021 - 3034.
9. Numerical experiment for Strontium-90 and Cesium-137 in the Japan Sea / H. Kawamura, T. Ito, T. Kobayashi [et al.] // Journal of Oceanography. - 2010. - Vol. 66. - P. 649 - 662.
10. Numerical modelling of the releases of 90Sr from Fukushima to the ocean: an evaluation of the source term / R. Perianez, K.S. Suh, B.I. Min [et al.] // Environmental Science and Technology. - 2013. -Vol. 47, N 21. - P. 12305 - 12313.
11. Dispersion and fate of 90Sr in the Northwestern Pacific and adjacent seas: global fallout and the Fuku-shima Dai-ichi accident / V. Maderich, K.T. Jung, R. Bezhenar [et al.] // Science of the Total Environment. - 2014. - Vol. 494 - 495. - P. 261 - 271.
12. 90Sr and 89Sr in seawater off Japan as a consequence of the Fukushima Dai-ichi nuclear accident / N. Casacuberta, P. Masqué, J. Garcia-Orellana [et al.] // Biogeosciences. - 2013. - Vol. 10. - P. 3649 -3659.
13. Povinec P.P. Radiostrontium in the western North Pacific: characteristics, behavior, and the Fukushi-ma impact / P.P. Povinec, K. Hirose, M. Aoyama // Environmental Science and Technology. - 2012. -Vol. 46. - P. 10356 - 10363.
14. Heling R. On the dynamical uptake model developed for the uptake of radionuclides in marine organisms for the POSEIDON-R model system / R. Heling, L. Koziy, V. Bulgakov // Radioprotection. - 2002. -Vol. 37, C1. - P. 833 - 838.
15. Lepicard S. POSEIDON-R/RODOS models for radiological assessment of marine environment after accidental releases: application to coastal areas of the Baltic, Black and North Seas / S. Lepicard, R. Hel-ing, V. Maderich // Journal of Environmental Radioactivity. - 2004. - Vol. 72. - P. 153 - 161.
16. Sediment distribution coefficients and concentration factors for biota in the marine environment / T. Cabianca, J. Carrol, N.S. Fisher [et al.] // IAEA, International Atomic Energy Agency. Technical Report Series N 422. - Vienna, Austria, 2004. - 101 p.
17. Yankovich T. Wholebody to tissue-specific concentration ratios for use in biota dose assessments for animals / T. Yankovich, N. Beresford, M. Wood // Radiation Environmental Biophysics. - 2010. -Vol. 49. - P. 549 - 565.
18. Heling R. Modification of the dynamic radionuclide uptake model BURN by salinity driven transfer parameters for the marine foodweb and its integration in POSEIDON-R / R. Heling, R. Bezhenar // Radi-oprotection. - 2009. - Vol. 44. - P. 741 - 746.
19. MARiS (Marine Information System): Radioactivity and stable isotope data in the marine environment [Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://maris.iaea.org, 2015.
20. Kanda J. Continuing 137Cs release to the sea from the Fukushima Dai-ichi Nuclear Power Plant through 2012 / J. Kanda // Biogeosciences. - 2013. - Vol. 10. - P. 6107 - 6113.
21. MEXT (Japanese Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology) Environmental radiation database [Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://search.kankyo-hoshano.go.jp/ servlet/search.top, 2013.
22. TEPCO (Tokyo Electric Power Company): Current situation of Fukushima Daiichi and Daini nuclear power station [Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://www.tepco.co.jp/en/nu/fukushima-np/index-e.html, 2016.
Стаття над1йшла до редакцИ' 28.12.2016
