CC BY
128
Поступление радионуклидов из почвы в растения в зоне радиоактивных выпадений на территории бывшего Семипалатинского испытательного полигона
Ларионова Н.В., Лукашенко С.Н.
Институт радиационной безопасности и экологии Национального ядерного центра Республики Казахстан, Курчатов
В статье представлены результаты изучения особенностей поступления радионуклидов из почвы в растения, произрастающие в зоне радиоактивных выпадений («следа»), образовавшихся при прохождении радиоактивного облака от взрыва 1953 г. Приведены количественные данные параметров накопления радионуклидов растениями (коэффициенты накопления (Кн)) и характер их изменения по оси «следа» по мере удаления от эпицентра наземного ядерного взрыва.
Ключевые слова: Семипалатинский испытательный полигон (СИП), радионуклиды, коэффициенты накопления (Кн), «следы» радиоактивных выпадений.
Введение
Семипалатинский испытательный полигон (СИП) - один из крупнейших полигонов для проведения ядерных испытаний, его площадь составляет около 18500 км2. Всего за период функционирования на территории СИП проведено 340 подземных испытаний (площадки «Деге-лен», «Балапан», «Сары-Узень»), 30 наземных и 86 воздушных (площадка «Опытное поле») [9].
Каждый вид испытаний характеризовался определённым количеством и составом радионуклидов, образованных в процессе ядерного взрыва, площадью их распространения и локализацией на территории его проведения. В дальнейшем отличия в специфике испытаний привели к различным формам нахождения радионуклидов в почвах отдельных участков СИП.
Наибольший вклад в загрязнение территории СИП внесли (в хронологическом порядке) наземные ядерные взрывы, произведённые 29.08.1949 г., 24.09.1951 г., 12.08.1953 г.,
24.08.1956 г., 07.08.1962 г., а также самый крупный воздушный взрыв мегатонного класса, осуществлённый 22.11.1955 г. и подземный экскавационный взрыв 15.01.1965 г. [9]. Проведение каждого наземного испытания сопровождалось подъёмом в воздух гриба (столба почвы и пород) и образованием радиоактивного облака, при прохождении которого наблюдались радиоактивные выпадения, образующие, в свою очередь, так называемые «следы». Одно из самых масштабных радиоактивных загрязнений наблюдалось после наземного термоядерного взрыва мощностью 400 кт 12 августа 1953 г., сформировавшего один из наиболее широких и протяжённых «следов» площадью около 700 км2. По данным ранее проведённых в рамках проекта МНТЦ К-053 исследований [4], максимальные отмеченные концентрации радионуклидов в грунтах соответствующей данному взрыву зоны влияния юго-восточного следа составляют: 137Cs - 580 Бк/кг, 90Sr - 390 Бк/кг, 239+240Pu - 270 Бк/кг.
Целью работы является изучение особенностей поступления радионуклидов из почвы в растения на различных участках «следа» наземного термоядерного взрыва в настоящее время.
Ларионова Н.В.* - нач. лаб.; Лукашенко С.Н. - зам. ген. директора НЯЦ РК. ИРБЭ НЯЦ РК.
‘Контакты: 071100, Республика Казахстан, Курчатов, ул. Красноармейская, 2. Тел.: (72251) 2-34-13; e-mail: larionova@nnc.kz.
Материалы и методы
Проведение полевых работ
Исследовательские площадки (всего 12) заложены на территории СИП в границах «следа» от взрыва 1953 г. (рис. 1). Участки для проведения исследований выбраны на основании данных о площадном распределении 137Cs [5] и результатов измерений радиационных параметров (плотности потока р-частиц и МЭД) во время проведения экспедиционных работ [7]. На каждой площадке произведён отбор смешанной пробы почвы (методом «конверта» на глубину 5 см) и надземной части растений (площадь отбора ~ 2 м2). Травостой представлен степным разнотравьем с доминированием ковыля (Stipa capillata, S. sareptana, S. lessingiana), типчака (Festuca valesiaca) и полыни (Artemisia gracileccens, A. frigida).
Рис. 1. Схема расположения исследовательских площадок.
Подготовка проб растений и почв
Пробы растительности подвергали грубому измельчению (длиной 1-3 см) при помощи секатора, промывали и ополаскивали дистиллированной водой 2-3 раза, просушивали в сушильном шкафу при температуре 80-100 °С. Более тонкое измельчение проводили при помощи лабораторной мельницы. Далее производили термическое концентрирование (обугливание, озо-ление) проб. Сухой остаток обугливали в муфельной печи или путём прокаливания на электроплитах, не допуская воспламенения образца, до получения остатка чёрного цвета. Далее пробы охлаждали, растирали и переносили в фарфоровые чашки или тигли для последующего озоле-ния. Первоначально температуру повышали до 200 °С в течение 50-60 минут, после чего устанавливали предельную температуру в муфельной печи: температура озоления для дальнейшего определения 137Сз составляла 400 °С, 90Бг - 550 °С, 241Ат и 239+240ри - 650 °С. После получения золы чашки с золой охлаждали в эксикаторе. Готовую золу просеивали через сито для уда-
ее
ления не зольного остатка. Остывший зольный остаток взвешивали и определяли коэффициент озоления.
Пробы почвы высушивали до воздушно-сухого состояния в сушильных шкафах при температуре 6G-7G °C. После удаления крупных камней и включений (корней растений) высушенные пробы взвешивали на технических весах. Далее весь объём пробы тщательно перемешивали, постепенно (порционно) растирая в фарфоровой ступке с помощью пестика и просеивая через сито с диаметром отверстий 1 мм. Растирание и просеивание повторялось до тех пор, пока на ситах не оставались только частицы скелета почвы. Полноту просеивания проверяли встряхиванием каждого сита над листом бумаги.
Радионуклидный анализ
Анализы по измерению удельной активности радионуклидов в пробах почвы и растений проводили в соответствии со стандартизованными методическими указаниями [1, б, в] на поверенном оборудовании. Определение удельной активности радионуклидов 137Cs и 241Am проводили на гамма-спектрометре Canberra GX-2G2G, 9GSr и 239+24Gpu - радиохимическим выделением с последующим измерением на бета-спектрометре TRI-CARB 29GG TR и альфа-спектрометре Canberra (мод. 74G1) соответственно. Для определения 9GSr также применяли бета-спектрометр «Прогресс». Концентрацию радионуклидов 137Cs, 241Am, 9GSr и 239+24Gpu в растениях определяли в золе, с последующим пересчётом на сухое вещество. Предел обнаружения по 137Cs составлял 1 Бк/кг (для проб растений) и 4 Бк/кг (для проб почвы), 241Am - G,G2 Бк/кг и 1 Бк/кг, 239+24Gpu -G,1 Бк/кг и 1 Бк/кг, 9GSr - 1 Бк/кг и б Бк/кг соответственно. Погрешность измерений для 137Cs и 241Am не превышала 1G-2G%, 9GSr - 15-25%, 239+24Gpu - 3G%.
Результаты
Полученные значения удельной активности радионуклидов 137Cs, 9GSr, 239+24Gpu и 241Am в пробах почв и растений исследуемых территорий представлены в таблице 1.
Таблица 1
Значения удельной активности радионуклидов 137Cs, 90Sr, 239+240pu и 241Am в пробах почв и растений исследуемых территорий
Удельная активность радионуклидов в почвах и травостое, Бк/кг
точки 137 Cs 9G Sr 241Am 239+24Gpu
растение почва растение почва растение почва растение почва
1 1 ,G±G,1 480±1G <4,б 163G±2G <G,23 24±1 G,27±G,G6 1 9G±6
2 1,5±G,5 1 бб±3 В, 1 ±2,1 бВG±13 G,В9±G,32 9,G3±G,69 G,34±G,G7 12G±4
3 1^,5 37G±1G 1 В±3 116G±2G <G,4В 19±1 G,33±G,G6 21 G±5
4 2,7±G,1 45G±3 4,5±G,4 14GG±2G G,11±G,G4 4,3±G,5 G,69±G,G4 15G±5
б 2,3±G,1 4GG±2 7,G4±G,36 17GG±2G G,G45±G,G26 4,3±G,3 G,35±G,G2 13G±4
б 1 ,G±G,1 57G±4 4,В±G,б 23GG±2G G,G71±G,G26 5,6±G,5 * 1 6G±4
7 2,9±G,1 21 G±1 5,4±G,5 64G±1G G,G63±G,G37 1 ,В±G,2 G,59±G,G3 4б±1
В 2,2±G,1 2G4±2 3,7±G,3 бЮ±Ю <G,G41 1,4±G,4 G,3В±G,G3 44±1
9 1 ,G±G,1G 47±1 3,3±G,2 1б±1 <G,G34 G,В7±G,29 G,1G±G,G1 В,б±G,4
1G 2,G±G,1 13G±2 6,G1±G,35 55±2 <G,G35 2,4±G,4 G,17±G,G2 32±1
11 1,2±G,1 17G±2 4,5±G,3 3б±1 <G,G43 1 ,6±G,4 G,13±G,G2 33±1
12 1,4±G,1 113±2 4,3±G,4 35±1 G,G24±G,G12 G,64±G,33 G,2G±G,G3 2б±1
* - данные отсутствуют.
На основании полученных данных установлено, что в наибольшей степени исследуемая территория загрязнена 90Бг, содержание которого в максимальных случаях достигает в почве 2300 Бк/кг, в меньшей степени - 137Св и 239+240Ри, концентрация которых варьирует от 47 до 570 Бк/кг. Наиболее низкие значения удельной активности были отмечены для 241Ат - от 0,64 до 24 Бк/кг.
Для количественной оценки поступления радионуклидов из почвы в растения использовали один из наиболее широко применяемых показателей - коэффициент накопления (Кн) -отношение содержания радионуклида в единице массы растений и почвы соответственно [2]. Значения Кн 137Св, 90Бг, 239+240Ри и 241Ат приведены в таблице 2.
Таблица 2
Диапазоны значения Кн 137Оз, 90Эг, 239+240ри и 241Ат
Кн
13/Сэ а0Бг 241Ат 239+240ри
0,0092±0,0017 (п=12) 0,0013 - 0,022 0,055±0,021 (п=11) 0,0021 - 0,20 0,037±0,013 (п=6) 0,011 - 0,10 0,0055±0,0011 (п=11) 0,0014 - 0,013
В числителе - среднее арифметическое и его ошибка; в скобках - число случаев; в знаменателе - диапазон значений.
Результаты показывают, что параметры накопления радионуклидов растениями в границах исследуемой территории изменяются в широких пределах. Диапазон значений Кн 137Св, 241Ат и 239+240ри составляет до 1-го порядка, 90Бг достигает 2-х порядков.
Полученные параметры накопления радионуклидов растениями могут быть обусловлены характером радиоактивного загрязнения исследуемой территории, в том числе - потенциальной биологической доступностью радионуклидов в почвах, которая на «следе» в определённой степени зависит от растворимости выпавших продуктов взрыва. Можно предположить, что химические формы нахождения радионуклидов, в том числе и их растворимость, будут зависеть от дисперсности и характеристик выпадающих частиц и, соответственно, от расстояния точки от эпицентра взрыва. Это предположение подтверждается данными о распределении значений Кн 137Сз, 90Бг, 239+240Ри и 241Ат в травостое из почвы в зависимости от расстояния по оси «следа» от эпицентра взрыва 1953 г., произведённого на площадке «Опытное поле» (П-1), рис. 2.
Представленные графики наглядно демонстрируют, что по мере удаления радионуклидов по «следу» от эпицентра проведения ядерного испытания, значения Кн увеличиваются, свидетельствуя о повышении их биологической доступности в почвах. Минимальные значения Кн 90Бг, 137Сз, 239+240Ри и 241Ат наблюдаются в районе непосредственного эпицентра проведения наземного ядерного испытания, а максимальные - на расстоянии более 100 км по «следу» от него.
Подобный эффект отмечали ранее Израэль Ю.А. и соавт. [3], когда сразу после проведения испытания для изучения растворимости выпадений, отобранных на ближнем «следе», пробы обрабатывали дистиллированной водой, далее частицы отделяли путём центрифугирова-
ния. С помощью радиохимических и гамма-спектрометрических методов определяли изотопный состав раствора и твердой фазы. В результате была получена зависимость коэффициентов
растворимости радиоизотопов (в частности 90Бг) от расстояния по оси «следа» (рис. 3).
Рис. 2. Распределение значений Кн радионуклидов137Сэ, 90Эг, 239+240ри и 241Ат по оси «следа»
по мере удаления от эпицентра взрыва.
Рис. 3. Изменение коэффициента растворимости 90Бг с расстоянием по оси «следа»
(Ю.А. Израэль, 1970 [3]).
Показано, что по мере удаления по оси «следа» растворимость 90Бг возрастает. Данное обстоятельство подтверждает выдвинутое предположение о том, что по мере увеличения расстояния по «следу» от эпицентра наземного ядерного испытания формы нахождения радионуклидов в почвах меняются, обусловливая тем самым увеличение их биологической доступности.
Таким образом, даже спустя 60 лет с момента проведения ядерного испытания отмечается увеличение биологической доступности радионуклидов по мере удаления от эпицентра взрыва, осуществленного в 1953 г., по оси «следа», образовавшегося при прохождении радиоактивного облака.
Заключение
На основании проведённого исследования нами установлено, что поступление радионуклидов 137Сз, 90Бг, 239+240ри и 241Ат из почвы в растения в пределах границ «следа» носит неравномерный характер.
Количественные показатели накопления радионуклидов (Кн) варьируют для 137Св, 239+240Ри от 0,001 до 0,01, для 241Ат - от 0,01 до 0,1 и для 90Бг - от 0,002 до 0,2.
Выявлено увеличение параметров накопления радионуклидов растениями по оси «следа» по мере удаления от эпицентра проведения ядерного испытания, что может быть обусловлено влиянием форм нахождения радионуклидов в почвах.
Авторы статьи выражают искреннюю благодарность доктору биологических наук, профессору, чл.-корр. РАСХН Наталье Ивановне Санжаровой за критический анализ материала и весьма ценные замечания.
Литература
1. Активность радионуклидов в объёмных образцах. Методика выполнения измерений на гамма-спектрометре МИ 2143-91: МИ 5.06.001.98 РК. Алматы, 1998. 18 с.
2. Анненков Б.Н., Юдинцева Е.В. Основы сельскохозяйственной радиологии. М.: Агропромиздат, 1991. С. 56-83.
3. Израэль Ю.А., Петров В.Н., Прессман А.Я., Ровинский Ф.Я. Радиоактивное загрязнение природных сред при подземных ядерных взрывах и методы его прогнозирования /под ред. Ю.А. Израэля. Ленинград: Гидрометеорологическое издательство, 1970. С. 41-42.
4. Кадыржанов К.К., Хажекбер С., Казачевский И.В., Солодухин В.П., Лукашенко С.Н. Особенности состава, форм нахождения и распределения радионуклидов на различных площадках СИП //Вестник НЯЦ РК. Радиоэкология. Охрана окружающей среды. 2000. Вып. 3. С. 15-22.
5. Лукашенко С.Н., Стрильчук Ю.Г., Субботин С.Б., Осинцев А.Ю. и др. Семипалатинский испытательный полигон. Современное состояние /под ред. С.Н. Лукашенко. Павлодар: Дом печати, 2011. 48 с.
6. Методика измерения активности радионуклидов с использованием сцинтилляционного бета-спектрометра с программным обеспечением «Прогресс». Менделеево, 2004. 20 с.
7. Методика измерения гамма-фона территорий и помещений: утвердил Зам. Главного государственного санитарного врача Республики Казахстан М.Б. Спатаев, 25.08.1997. Алматы, 1997. 1 с.
8. Методика определения содержания искусственных радионуклидов плутония-(239+240), стронция-90 в объектах окружающей среды (почвах, грунтах, донных отложениях и растениях): Алматы, 2010. 25 с.
9. Ядерные испытания СССР. Семипалатинский полигон /под ред. В.А. Логачева. М.: Изд АТ, 1997. 319 с.
Transport of radionuclides from soil to plants in the area of radioactive fallout at the former Semipalatinsk test site
Larionova N.V., Lukashenko S.N.
Institute of Radiation Safety and Ecology of National Nuclear Center of the Republic of Kazakhstan, Kurchatov
Transport of radionuclides from soil to plants in the area affected by the radioactive fallout result from the explosion in 1953 is discussed in the article. Quantitative parameters of accumulating radionuclides in plants and their change with increasing the distance from the epicenter of the ground nuclear explosion are considered.
Keywords: Semipalatinsk Test Site (STS), radionuclides, accumulation factors (AF), "plumes" of radioactive fallout.
Larionova N.V.* - Head of Lab.; Lukashenko S.N. - Deputy Director General of the NNC of the Republic of Kazakhstan. IRSE NNC RK. ‘Contacts: 2 Krasnoarmeyskaya str., Kurchatov, Republic of Kazakhstan, 071 100. Tel.: (72251) 2-34-13; e-mail: larionova@nnc.kz.
