CC BY
11
УДК 621.039.9 (571.56)
DOI: 10.33764/2618-981 X-2021 -2-1-329-335
ПЕРВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗУЧЕНИЯ ИЗОТОПНОГО СОСТАВА УРАНА В ВОДНЫХ ПРОБАЗ ОБЪЕКТА «КРИСТАЛЛ» В 2019 Г.
Светлана Юрьевна Артамонова
Институт геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, проспект Академика Коптюга, 3, д.г.-м.н., старший научный сотрудник, тел. (383) 333-27-92, e-mail: artam@igm.nsc.ru
Дмитрий Юрьевич Троицкий
Институт неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, проспект Академика Лаврентьева, 3, ведущий инженер, тел. (383) 330-69-65, e-mail: dmitroitsk@ngs.ru
Владислав Егорович Ушницкий
Министерство экологии, природопользования и лесного хозяйства Республики Саха (Якутия), 677000, Россия, г. Якутск, ул. Дзержинского 3/1, главный специалист, e-mail: ushnitski@mail.ru
В работе обсуждаются первые результаты изучения изотопного состав урана в поверхностных водах, отобранных на площадке боевой скважины объекта мирного подземного ядерного взрыва «Кристалл». Изотопный состав урана изучался с применением масс-спектромет-рии на индуктивно-связанной плазме.
Ключевые слова: поверхностные воды, уран, изотопы, геотехногенная система, мирный подземный ядерный взрыв (ПЯВ), Якутия, геоэкологические исследования
FIRST RESULTS OF STUDY OF ISOTOPE COMPOSITION OF URANIUM IN WATER SAMPLES OF THE "CRYSTAL" SITE
Svetlana Yu. Artamonova
V.S. Sobolev Institute of Geology and Mineralogy SB RAS, 3, Akademika Koptyuga Ave., Novosibirsk, 630090, Russia, Dr. Sc., Senior researcher, tel. (383) 333-27-92, e-mail: artam@igm.nsc.ru
Dmitrii Yu. Troitskii
A.V. Nikolaev Institute of Inorganic Chemistry SB RAS, 3 Аkademika Lavrent'ev Ave, Novosibirsk, 630090, Russia, Senior engineer, tel. (383) 330-69-65, e-mail: dmitroitsk@ngs.ru
Vladislav E. Ushnitskii
Ministry of Ecology, Nature management and Forestry of the Sakha Republic (Yakutia), 31/1 Dzer-zhinskogo, 3/1, Yakutsk, 67700, Russia, Senior specialist, e-mail: ushnitski@mail.ru
The first results of isotope composition of uranium of surface water of the peaceful underground nuclear explosion "Crystal" site are discussed. The isotope ratio is determined by the mass-spectrom-etry on the inductively coupled plasma.
Keywords: surface water, uranium, isotope, geotechnogenis system, peaceful underground nuclear explosion (PUNE), Yakutia, geoecological research
Введение
С 1990-х гг. после рассекречивания в бывшем СССР объектов мирных подземных ядерных взрывов (ПЯВ) началось их широкое радиоэкологическое изучение. Актуальность изучения объектов ПЯВ не вызывает сомнений, поскольку с ними связаны риски распространения радионуклидов и специфической группы химических элементов в среде обитания человека. ПЯВ «Кристалл» мощностью 1.7 кт в тротиловом эквиваленте был проведен в 1974 г. в 9 км к северо-востоку от г. Удачный на глубине 98 м для получения навала (рис. 1). В 1992 г. навал над устьем боевой скважины был засыпан обломочным материалом и дополнительно досыпан в 2007 г., тем самым был сформирован так называемый «саркофаг», а вокруг площадки поставлен забор. В 2019 г. на площадке боевой скважины ПЯВ «Кристалл» наряду с выходом подземных рассолов впервые было выявлено просачивание из недр уран-содержащих сульфатных стоков [1]. Концентрация урана в этих стоках до 30-ти раз превышала местный фоновый уровень в речной воде.
Вопрос об источнике урана в сульфатных стоках площадки ПЯВ «Кристалл» остается открытым. Изотопные исследования могли бы пролить свет на него. Известно, что природный уран состоит из 3-х изотопов с массовым отношением в земной коре: 238U : 235U : 234U = 99.2745 : 0.72 : 0.0055 [2]. В природных водных системах радиоактивное отношение четных изотопов 234U/238U, как правило, бывает неравновесным (> 1) как следствие эффекта Чердынцева-Чалова [3], и он, главным образом, может свидетельствовать о природных экзогенных процессах [4]. В нашем случае наиболее показательны изотопные отношения 238U/235U, 234U/235U, связанные с U, так называемым, оружейным ураном. В уране, прошедшем через технологические процессы обогащения, 238U/235U будет смещенным, тогда как в современных природных системах земной коры массовое отношение 238U/235U постоянно и равно 137.88 [2], что также справедливо для природных водных систем.
Целью настоящей работы было определить изотопное отношение урана в пробах поверхностных и грунтовых вод площадки боевой скважины ПЯВ «Кристалл».
Методы и материалы
В 2019 г. на площадке ПЯВ «Кристалл» и из местных водотоков отобрана коллекция поверхностных вод (25 проб) и две пробы грунтовых вод из наблюдательных скважин на площадке ПЯВ «Кристалл» (рис. 1). В полевых условиях в день отбора пробы фильтровали через бумажный фильтр «синяя лента», консервировали добавлением концентрированной азотной кислоты из расчета 4 мл на 1 л. В качестве фоновой выбрана точка на р. Далдын в 12 км выше по течению от г. Удачный и участков промышленного освоения недр.
Содержание 238U и изотопное отношение 238U/235U в пробах воды определяли масс-спектрометрическим методом на приборе Agilent 8800 с тройным квадруполем (Agilent Technologies, США). Для устранения интерференций, вызванных полиатомными ионами, применяли реакционно-столкновительную ячейку с гелием в качестве реакционного газа.
Рис. 1. Схема отбора водных проб на площадке ПЯВ «Кристалл» (а) и из местных рек (б) в 2019 г. Условные обозначения:
а) 1 - поверхностные воды, 2 - грунтовые воды из скважин, 3 - проба из р.Улахан-Бысыттах, 4 - ручеек без названия, 5 - забор, 6 - столб -репер над устьем боевой скважины; б) 1 - точка отбора на реке, 2 - фоновая точка, 3 - объект ПЯВ «Кристалл»
Предел обнаружений урана в анализируемом растворе составляет 3 нг/л. Относительное стандартное отклонение определения концентраций урана в пробах не превышает 10 %, что соответствуют требованиям количественного анализа.
По сравнению с элементным анализом время замеров сканирования изотопов было значительно увеличено: раствор вводился в прибор (впрыскивался) в течение 20 мин непрерывно с постоянной скоростью, при этом проводился многократный отсчет масс-спектров на каждой массе в диапазоне 235 - 238 а.е.м. для накопления достаточного количества измеренных данных для их статистической обработки. Измерения в пробах воды проводили напрямую, а для части проб с повышенной минерализацией - в разбавленном в 100 и более раз виде для снижения влияния матрицы. Для большинства проб относительная погрешность измерений 238и была не более 1.5 %, а 235и - не превышала 10 % (табл. 1). Весьма низкие концентрации урана в исходных пробах, наличие в анализируемых растворах водной матрицы (макро- и микроэлементов) не позволили снизить погрешность.
В качестве контроля использовали растворы стандартов магматических горных пород: альбитизированного гранита СГ-1А (ГСО 520-84П) и кварцевого диорита СКД-1 (ГСО 6103-91) с аттестованным содержанием урана 63 мг/кг и ориентировочным содержанием 2 мг/кг соответственно. Растворы получены путем кислотного разложения несколько мг навески стандартных проб. Исходили из того, что этим природным объектам присущи природные отношения изотопов, близкие к 238и/235и = 137.88 [2]. Кроме того, периодические замеры стан-
дартов в начале, в середине и в конце измерений на масс-спектрометре позволяли проводить внутренний приборный контроль.
Результаты
Концентрации урана и изотопные отношения в речной воде и поверх-
ностных и грунтовых водах площадки ПЯВ «Кристалл» приведены в табл. 1. Результаты замеров растворов стандартных образцов приведены в табл. 2.
Таблица 1
Изотопное отношение по результатам
масс-спектрометрических измерений
проба место отбора и, мкг/дм3 235Ц cps 238Ц cps 238и/235и
р . Сытыкан
в 360 м ниже плотины водохрани- 0.27 ~*276 37140+640 ~ 134.56
5а лища
4а в 3 км ниже водохранилища 0.52 614±47 87010+1100 141.81
1а в 500 м выше устья 0.53 861+43 119560+1430 138.86
р. Далдын
в 500 м выше устья 0.15 ~ 255 34970+430 ~ 137.33
3а р. Сытыкан, фон
2а в 1 км ниже т. 3а 0.48 534+43 74000+850 138.47
в 500 м выше устья 0.58 554+40 76900+990 138.89
9а р. Улахан-Бысыттах
10а в 1 км ниже т.9а 0.44 550+45 75270+840 136.82
28а в 2 км выше устья р. Киенг 0.76 398+36 55000+1360 138.13
29а в 300 м ниже т. 28а 0.49 385+38 53030+1730 137.81
31а в 400 м ниже т. 29а 0.67 352+31 49170+670 139.79
р. Улахан-Бысыттах и ее приток
11а в 1.2 км выше объекта «Кристалл» 0.18 434+41 59630+680 137.29
12а левый приток, около т. 11а 0.26 210+20 28870+330 137.59
13а около объекта «Кристалл» 0.14 ~ 107 14900+250 ~ 139.54
8а в 500 м выше устья 0.22 1271+76 177790+1810 139.87
площадка объекта ПЯВ «Кристалл»
14а грунтовая вода 0.58 ~ 82 11050+220 ~ 134.83
15а из наблюдательных скважин 0.48 ~106 15100+250 ~142.81
сток из-под саркофага, 9.01 1538+79 217060+1750 141.16
18а юго-западное подножье
17а верхнее течение ручья 11.56 2761+123 384540+2500 139.27
16а нижнее течение ручья 5.66 1110+56 155690+2310 140.22
19а северо-западное подножье сарко- 4.42 1032+49 142870+1540 138.41
20а фага 4.58 719+48 99180+900 137.88
21а 0.87 246+24 31900+790 129.83
22а северное подножье саркофага 0.70 ~132 18840+1570 ~143.09
23а 1.91 ~251 34410+2030 ~137.34
24а 0.97 ~164 22630+1240 ~138.09
юго-восточное подножье сарко- 0.33 ~41 5780+440 ~139.70
25а фага
26а площадка, лужа 0.94 514+62 71410+2780 138.88
X холостая проба 0.003 - - -
cps - интенсивность сигнала (импульс/сек), * ~ приблизительное значение.
Таблица 2
Изотопное отношение 238и/235и в растворах стандартных образцов
стандарт горная порода и, мг/кг масс-спек-трометриче-ские измерения 235и, ерБ 238и, ерБ 238и/235и
СКД-1 кварцевый диорит 2,0* начало замеров 355+35 49580+580 139.64
СГ-1А альбитизи-рованный гранит 63.0 начало замеров 312+33 42940+720 137.77
середина замеров 358+43 49940+1260 139.62
конец замеров 323+35 44930+660 139.09
ориентировочное содержание
Обсуждение
Изотопное отношение 238и/235и в растворах стандартных образцов соответствует природному значению в пределах погрешности измерений, которая не превышала 12.1 % (табл. 2). Эти данные в течение эксперимента практически не изменялись (в пределах погрешности), что указывают на стабильные условия работы прибора во время замеров.
Анализы показали, что изотопные отношения 238и/235и в водных пробах площадки ПЯВ «Кристалл» не отличаются от местной речной воды и в целом соответствуют природному отношению (табл. 1). При повторном масс-спектрометрическом сканировании 5-ти проб получили практически те же данные 238и/235и отношения (рис. 1).
160
150
140
130
120
238^/235
г. А
ё\ д А А
Д1
О 2
16а
17а
18а 19а 23а
Пробы воды
Рис. 1. Результаты повторного замера изотопного отношения 238и/235и в водных пробах. По горизонтальной оси - номера проб. Условные обозначения: 1 - результаты 1-го замера; 2 - результаты 2-го замера.
Заключение
Масс-спектрометрическое сканирование водных проб напрямую, без специальной подготовки показало, что изотопное отношение 238U/235U водных проб площадки ПЯВ «Кристалл» не отличается от 238U/235U в местной речной воде и близко к природному отношению 137.88, присущему для земной коры. Относительная погрешность анализов для большинства проб не превышала 10 %. Присутствие матрицы водных проб, исходно низкие концентрации урана (всего от долей до первых мкг/дм3) стали основными факторами, приведшими к значительной относительной погрешности замеров импульсов 235U и, следовательно, определения изотопного отношения 238U/235U. Многократное разбавление солоноватых проб (с высокой минерализацией) для снижения помех матрицы также увеличили погрешность измерений. Для установления более точных вариаций изотопного отношения 238U/235U в пробах воды площадки объекта «Кристалл» необходимо предусмотреть возможность очистки проб от мешающей матрицы или выделения урана из водных проб в виде концентрированного раствора.
Благодарности
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №18-45-140020, по государственному заданию ИГМ СО РАН, по государственному заказу № Ф.2019.473808 в рамках программы «Обеспечение экологической безопасности, рационального природопользования и развитие лесного хозяйства РС (Я) на 2018-2022 годы»
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Артамонова С.Ю., Ушницкий В.Е., Троицкий Д.Ю., Шуваева О.В., Полякова Е.В. Химический состав поверхностных вод объекта «Кристалл» и содержание в них урана в 2019 г. // ИНТЕРЭКСПО ГЕО-Сибирь. Недропользование. Горное дело. Направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Экономика. Геоэкология. Матер. XVI Международной конференции 20-24 апреля 2020 г. - Новосибирск: Изд-во ИНГГ СО РАН, 2020. - С. 298-310. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=44165954.
2. Treatise on Geochemistry/ editors K.K. Turekian, H.D. Holland. Publisher: Elsevier Science. - 2003. - 7800 p. ISBN-10: 0080437516.
3. Рихванов Л.П. Радиоактивные элементы в окружающей среде и проблемы радиоэкологии: учебное пособие. - Томск: STT, 2009. - 430 с.
4. Восель Ю.С., Страховенко В.Д., Макарова И.В. Поведение урана и марганца в процессе диагенеза карбонатных осадков малых озер Байкальского региона // Доклады Академии наук. - 2015. - Т. 462. - № 3. - С. 335.
REFERENCES
1. Artamonova S.Yu., Ushnickij V.E., Troickij D.YU., Shuvaeva O.V., Polyakova E.V. Himicheskij sostav poverhnostnyh vod ob"ekta «Kristall» i soderzhanie v nih urana v 2019 g. // INTEREKSPO GEO-Sibir'. Nedropol'zovanie. Gornoe delo. Napravleniya i tekhnologii poiska, razvedki i razrabotki mestorozhdenij poleznyh iskopaemyh. Ekonomika. Geoekologiya. Mater. XVI Mezhdunarodnoj konferencii 20-24 aprelya 2020 g. - Novosibirsk: Izd-vo INGG SO RAN, 2020. -S. 298-310. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=44165954.
2. Treatise on Geochemistry/ editors K.K. Turekian, H.D. Holland. Publisher: Elsevier Science, 2003. 7800 p. ISBN-10: 0080437516.
3. Rihvanov L.P. Radioaktivnye elementy v okruzhayushchej srede i problemy radioekologii: uchebnoe posobie. - Tomsk: STT, 2009. - 430 s.
4. Vosel' Yu.S., Strahovenko V.D., Makarova I.V. Povedenie urana i marganca v processe di-ageneza karbonatnyh osadkov malyh ozer Bajkal'skogo regiona // Doklady Akademii nauk. -2015. -V. 462. - Issue 3. - P. 335.
© С. Ю. Артамонова, Д. Ю. Троицкий, В. Е. Ушницкий, 2021
