CC BY
254
УДК 623.454.836
А.А. Живов
РАДИОНУКЛИДНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПРЕСНЫХ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ВСЛЕДСТВИЕ СБРОСОВ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ И РАДИАЦИОННЫХ АВАРИЙ
На основании анализа радионуклидного загрязнения пресных водных объектов доказывается актуальность радиоэкологических последствий аварии на Чернобыльской АЭС. Полученные ранее научные представления о последствиях радиационных аварий получают развитие в вопросах исследования вторичных радиоэкологических последствий Чернобыльской катастрофы.
Ключевые слова: 90Sr, 137Cs, активность, водоём-охладитель, донные отложения, радиационная авария, радионуклидное загрязнение, Чернобыльская катастрофа.
A. Zhivov
RADIONUCLIDE CONTAMINATION OF FRESH WATER OBJECTS OF THE DUMPING OF RADIOACTIVE WASTES AND RADIATION ACCIDENTS
Based on the analysis of radionuclide contamination offresh water bodies proved the relevance of radioecological consequences of the Chernobyl accident. Previously obtained scientific understanding of the consequences of radiation accidents are developed in the investigation of secondary radio-ecological consequences of the Chernobyl disaster.
Keywords: 90Sr, 137Cs, activity, cooling pond, sediments, radiological accident, radionuclide contamination, the Chernobyl disaster.
Функционирование предприятий ядерного топливного цикла (ЯТЦ), атомного флота и предприятий военно-промышленного комплекса привело к появлению большого количества РОО на территории бывшего Советского Союза. К таким объектам, прежде всего, следует отнести радиохимические заводы (РХЗ) и атомные электростанции (АЭС), в результате деятельности которых осуществляются сбросы и выбросы радионуклидов в пресноводные экосистемы.
При проектной работе предприятий ЯТЦ сбросы радиоактивных веществ (РВ) жестко нормируются и, как правило, не представляют угрозы для населения и окружающей природной среды. Наибольшую опасность представляют радиационные аварии и инциденты, которые классифицируются в соответствии с рекомендациями МАГАТЭ по Международной шкале ядерных событий - INES (International Nuclear Events Scale).
Первый в мире ядерный реактор (Chicago Pile-1, CP-1) был создан и запущен в 1942 г. группой физиков Чикагского университета (США), возглавляемой Э. Ферми. Пуск первого в СССР ядерного реактора (Ф-1) состоялся в 1946 г. коллективом учёных под руководством И.В. Курчатова. После появления первых реакторов и до наших дней в мире произошло около 300 радиационных аварий [10].
Впервые масштабному радионуклидному загрязнению на территории Советского Союза подверглась открытая речная система Теча - Исеть. Загрязнение было вызвано сбросами жидких радиоактивных отходов (ЖРО), образующихся при радиохимическом выделении плутония, производственным объединением "Маяк" (ПО "Маяк"; Челябинск-65, Челябинск-40, ныне г. Озёрск Челябинской области) на протяжении 1949-1956 гг. Всего за указанный период в р. Теча было сброшено около 76 млн. м3 ЖРО суммарной активностью только Р-излучателей - 110 ПБк (2,8 МКи). Радионуклидный состав сбросов, обусловивших долговременное загрязнение речной системы, был представлен 90Sr, 137Cs, а также Pu и его изотопами [9].
Интенсивность поступления радионуклидов в р. Теча в 1949-1951 гг. по ß-излучению достигала 0,2 ПБк*сут-1 (5 кКи*сут -1), что соизмеримо со сбросами аналогичных предприятий: Хэнфордского ядерного центра (США), который сбрасывал в р. Колумбия 0,4-1 ПБкхсут1 (11-27 кКи*сут-1) [19] и РХЗ в Селлафилде (Великобритания), который на протяжении 19521992 гг. сбросил в Ирландское море 130 ПБк (3,5 МКи) [20].
Сбросы ЖРО в р. Теча являлись вынужденной технологической мерой и были продиктованы необходимостью получения 239Pu для испытаний первой советской атомной бомбы, которые были назначены и успешно прошли в 1949 г., а, в впоследствии, для создания и наращивания ядерного потенциала СССР.
Загрязнённые водные объекты речной системы Теча - Исеть со временем стали объектом исследований учёных, которые выявили закономерности миграции радионуклидов в водной среде. Так, было установлено, что миграционная способность 90Sr в воде значительно выше по
137^1 90с
отношению к Cs, Sr гораздо интенсивнее вымывается из пойменных грунтов, загрязняя реку в период весеннего половодья и сильных дождей, а пойма рек депонирует радионуклиды, тем самым "выполняет барьерную функцию по отношению к их рассеянию в окружающей среде" [15]. Кроме того, 90Sr переносится течением на значительные расстояния.
1-, 90о 137^1 239,240т,
Важным выводом также стало доказательство того, что концентрация Sr, Cs и Pu в воде реки уменьшается с удалением от места сброса радионуклидов. Данная закономерность получена А.В. Трапезниковым [15] для реки Теча и описывается экспоненциальной зависимостью.
Причинами радионуклидного загрязнения водных объектов кроме сбросов радиоактивных отходов могут быть радиационные аварии. Серьёзная радиационная авария (6 уровень по INES) произошла 29 сентября 1957 г. на ПО "Маяк" ("Кыштымская авария") из-за взрыва ёмкости с высокоактивными ЖРО радиохимического производства. Суммарная активность выброса продуктов деления в окружающую среду составила 0,7 ЭБк (19 МКи). "Образовавшийся радиоактивный след протянулся через Челябинскую, Свердловскую и Курганскую области, вызвав загрязнение целого ряда рек и озер смесью радионуклидов, включавшей долгоживущий 90Sr" [10]. Через несколько часов после взрыва на территории перечисленных областей сформировалась зона радиоактивного загрязнения, которую впоследствии стали называть Восточно-Уральским радиоактивным следом (ВУРС).
В зону ВУРС попали водные объекты речной системы Теча - Исеть, что вызвало заметный вклад в суммарную активность данной экосистемы. Основным защитным водоохранным мероприятием стало сооружение в верховье р. Теча каскада промышленных водоёмов-накопителей радионуклидов, что позволило существенно снизить поступление радионуклидов в водные объекты.
"Радиационная авария 1957 г. инициировала в СССР появление новой научной дисциплины - радиоэкологии, способствовала развитию радиационной безопасности и радиационной медицины" [9]. Впоследствии территория ВУРС стала уникальной экспериментальной базой для исследователей, благодаря которой были выявлены востребованные впоследствии важные закономерности.
Весной 1967 г. в результате пылевого переноса радионуклидов с обсохшей береговой полосы открытого хранилища ЖРО на ПО "Маяк" вновь возникла аварийная ситуация. РВ, состоящие преимущественно из высохших частиц донных отложений рассеялись на расстояние 50-75 км. Пылевые массы, радионуклидный состав которых определялся 90Sr и 137Cs, имеющие
_ 55
Научные и образовательные проблемы гражданской защиты - 2014'1
активность около 22,2 ТБк (600 Ки) [18], усилили радионуклидное загрязнение местности, а также дозовые нагрузки персонала предприятия и населения от предыдущих аварий.
Сегодня на промплощадке ПО "Маяк" сосредоточено колоссальное количество ЖРО и твёрдых радиоактивных отходов (ТРО), суммарная активность которых превышает 37 ЭБк (1 ГКи) [6; 18], что определяет потенциальную угрозу крупномасштабной радиационной катастрофы.
Накопленный при ликвидации последствий радиационных аварий опыт оказался чрезвычайно полезным для разработки и реализации комплекса мероприятий по защите населения и территорий при радиационной аварии на Чернобыльской АЭС (ЧАЭС; г. Припять, Киевская область, Украина). Авария на ЧАЭС (Чернобыльская катастрофа) произошла 26 апреля 1986 г. По количеству выброшенных радиоактивных веществ и по площади загрязнённых территорий авария на ЧАЭС является наиболее тяжёлой в истории ядерной энергетики - 7 (максимальный) уровень по INES (крупная авария).
Авария произошла во время плановой остановки реактора IV энергоблока (РБМК-1000 -реактор большой мощности канальный) при проведении проверки возможностей турбогенератора в условиях обесточивания. При этом программа испытаний не была должным образом согласована, не предусматривала дополнительных мер безопасности, а главное, проводилась при отключенной системе аварийного охлаждения реактора [2; 9].
Тепловой взрыв привёл к разрушению РБМК-1000 и вызвал выброс диспергированного (раздробленного) ядерного топлива в окружающую среду. Практически до конца мая из разрушенного реактора продолжался выход газообразных и аэрозольных продуктов деления. Суммарный выброс радиоактивности без учёта инертных радиоактивных газов по оценкам экспертов ИБРАЭ РАН составил 2 ЭБк (54 МКи) [10]. В соответствии с выводами МАГАТЭ основной дозообразующий радионуклидный состав представлен рядом: 137Cs, 90Sr и изотопами Pu [17].
Запасы основных радиологически значимых радионуклидов в компонентах наземных экосистем на территории Зоны отчуждения ЧАЭС оценены в Национальном докладе Украины [1]: Я 5,6 ПБк (150 кКи) по 137Cs, я 2,6 ПБк (70 кКи) по 90Sr, я 0,7 ПБк (0,2 кКи) по Pu и его изотопам. В пунктах захоронения и временной локализации радиоактивных отходов сосредоточено Я 4,4 ПБк (120 кКи) 137Cs, я 3,3 ПБк (90 кКи) 90Sr, я 0,1 ПБк (3 кКи) Pu и его изотопов. На промышленной площадке ЧАЭС расположен разрушенный запроектной аварией IV энергоблок (объект "Укрытие"), который по своему статусу является ядерно-опасным объектом и временным хранилищем неорганизованных радиоактивных отходов, общая активность которых составляет 0,41 ЭБк (11 МКи) [5]. Всего в Зоне отчуждения ЧАЭС локализованы радионуклиды с суммарной активностью я 0,7 ЭБк (я 20 МКи). При этом, только водный вынос за пределы Зоны отчуждения ЧАЭС составляет 4,4-17,7 ТБк/год (1,2-4,8 ГКи/год) [1].
Вследствие Чернобыльской катастрофы первичному радионуклидному загрязнению подверглись Киевское водохранилище, бассейны Днепра и Припяти, закрытые водоёмы Украины, России и Белоруссии. Поступление радионуклидов в данные водные объекты могло осуществляться в результате непосредственного выпадения на поверхность водоемов радиоактивных частиц, смыва с загрязненных территорий водосборов и десорбции (выщелачивания) отдельных радионуклидов с поверхности радиоактивных частиц выпадений [16]. При этом на первом этапе загрязнения водных объектов преобладали выпадения радиоактивных частиц, а впоследствии загрязнение было обусловлено смывом долгоживущих радионуклидов дождевыми осадками и половодьями на загрязнённых территориях [10].
56 -
Научные и образовательные проблемы гражданской защиты - 2014'1
Основными водными объектами, загрязнёнными радионуклидами, стали водоём-охладитель ЧАЭС, р. Припять и водохранилища Днепровского каскада. Максимальные концентрации радионуклидов в воде загрязнённых объектов отмечались в 1986 г., а затем они снижались за счёт депонирования радионуклидов в донных отложениях (до 95-99 % РВ, содержащихся в водоёмах) [9], радиоактивного распада короткоживущих РВ и диффузии (разбавления). Максимальные значения суммарной удельной активности, наблюдавшиеся в донных отложениях водоёма-охладителя ЧАЭС, составляли 8-10 МБк/кг (~ 0,2-0,3 мКи/кг), объёмной активности радионуклидов в водах р. Припять - 10 кБк/л (~ 27 мКи/л) и водах Киевского водохранилища - до 4 кБк/л (я 11 мКи/л) [9].
Запас радионуклидов в донных отложениях водоёма-охладителя ЧАЭС составляет 42 ТБк (1,1 кКи) по 9^г и 278 ТБк (7,5 кКи) по [12]. С учётом того, что площадь зеркала водоёма-охладителя составляет 22,7 км2, усреднённая по площади удельная величина радионуклидного загрязнения водоёма-охладителя составляет 1,85 ТБк/км2 (48 Ки/км2) по Sr и 12,2 ТБк/км (330 Ки/км2) по Cs. Современные запасы радионуклидов в донных отложениях Киевского водохранилища составляют 12 ТБк (0,3 кКи) по 9^г и 52,5 ТБк (1,4 кКи) по что на треть
меньше запасов 1995 г. [14]. Усреднённое радионуклидное загрязнение Киевского водохранилище, приведённое к площади зеркала (922 км2) составляет 13 ГБк/км2 (0,3 Ки/км2) по
90 2 2 137
Sr и 56,9 ГБк/км2 (1,5 Ки/км2) по Cs, что не представляет какой-либо опасности. Однако, в соответствии с исследованиями, мощность донных отложений Киевского водохранилища распределена крайне неоднородно, что обеспечивает наличие участков с опасной концентрацией радионуклидов постчернобыльского происхождения [11; 13].
Распространение депонированных в донных отложениях водоёма-охладителя ЧАЭС радионуклидов, уровень воды которого находится на 7 м выше уровня р. Припять [12], возможно при прорыве ограждающей дамбы. Соответственно, вынос радионуклидов из Киевского водохранилища может произойти при разрушении плотины Киевской ГЭС.
В первые дни после аварии на ЧАЭС возникла необходимость разработки и проведения водоохранных защитных мероприятий. Главной целью данных мероприятий было недопущение вторичного радионуклидного загрязнения водохранилищ Днепровского каскада. Комплекс защитных мероприятий включал [9]: сооружение системы дамб для отсечения выноса радионуклидов с промышленной площадки и ближней зоны ЧАЭС, возведение 131 фильтрующей дамбы на загрязнённых водотоках, создание карьеров для перехвата радионуклидов на дне р. Припять. Перечисленные мероприятия, кроме возведения фильтрующих дамб, со временем показали свою эффективность. В силу особенностей миграции радионуклидов в водной среде водоохранный эффект фильтрующих дамб зачастую давал отрицательный результат. Кроме того, для предотвращения миграции радионуклидов с подземными водами между промышленной площадкой ЧАЭС и р. Припять в 1986 г. была сооружена противофильтрационная стена, более известная под названием "стена в грунте". Проектная глубина уникального железобетонного сооружения составляет 30 м, а длина - 2,8 км [3].
В долгосрочном аспекте радиоэкологическая значимость Чернобыльской катастрофы для водных объектов в основном определяется загрязнением долгоживущими нуклидами и 9^г, периоды полураспада которых составляют около 30 и 29 лет соответственно, что означает падение радиоактивности данных нуклидов через 100 лет всего на порядок [7].
Кроме ПО "Маяк" в Советском Союзе функционировали и другие крупнейшие предприятия ЯТЦ, активно загрязняющие водную среду. Среди них Горно-химический комбинат (ГХК,
_ 57
Научные и образовательные проблемы гражданской защиты - 2014'1
Красноярск-26, ныне г. Железногорск Красноярского края), реакторное и радиохимическое производства которого были расположены под землёй в скальных выработках, а для охлаждения использовалась вода из Енисея с последующим её сбросом без очистки. Инженерные решения по размещению в глубине горного массива атомного производства не имеют аналогов в отечественной и мировой практике [8].
После остановки в 1992 г. проточных реакторов ГХК источник поступления радионуклидов как активационного, так и осколочного происхождения, был ликвидирован, однако обнаружены участки русла и поймы р. Енисей на всём её протяжении до Карского моря, загрязнённые радионуклидами техногенного происхождения. При рассмотрении проблем радиационной безопасности Красноярского края раскрываются закономерности формирования радиоэкологической обстановки в пойме р. Енисей: "В период, когда эксплуатировались проточные реакторы, долгоживущие радионуклиды, поступающие в воду р. Енисей с водами охлаждения проточных реакторов, накапливались в донных отложениях, которые во время паводков выносились на прибрежные части крупных островов и вдоль береговой кромки реки в затапливаемых зонах и создавали очаги с повышенным у-фоном" [4].
Радиационная авария, получившая по INES третий уровень (серьёзный инцидент), произошла на Сибирском химическом комбинате (СХК, Томск-7, ныне г. Северск) 6 апреля 1993 г. Авария произошла в результате взрыва аппарата цикла экстракции радиохимического производства. На местности образовался радиоактивный след шириной 3-8 км, который протянулся на 30 км от источника выброса. Общая площадь следа, ограниченная линией изодоз 20 мкР/ч, составила 150 км2 [10]. Была загрязнена площадь водосбора р. Самуська (приток р. Томь). При выбросе преобладали радионуклиды с периодами полураспада до года: 95Nb - 42,5% (35 суток), 106Ru - 36,5% (368 суток), 95Zr - 19,2% (64 сутки), 103Ru - 1,3% (39 суток). Доля радионуклидов, период полураспада которых составляет годы, в выбросе менее значительна: 125Sb - 0,5% (2,8 года), 90Sr - 0,045% (28,8 года), 239,240Pu - 0,014% (тысячи лет) [18]. Суммарная активность радионуклидов, загрязнивших площадь водосбора р. Самуська, составила 17,5 ТБк (470 Ки) [9], что приблизительно в десять раз меньше суточного загрязнения р. Теча в период активного производства в СССР ядерного оружия (1949-1951 гг.).
Масштабы и последствия радиационной аварии на СХК несоизмеримо малы в сравнении с авариями на ЧАЭС и Кыштымской аварией, однако авария представляет значительный интерес для исследования, поскольку радионуклидное загрязнение произошло в зимне-весенних условиях, когда слой снежного покрова в Томской области достигал метровой толщины, соответственно радионуклиды попали в реку лишь в период снеготаяния, при этом пройдя некоторую часть периода распада. Смыв радионуклидов паводковыми водами составил всего 70-190 ГБк (2-5 Ки) [9]. При этом лёд, покрывавший дно р. Самуська в период прохождения талых вод, предотвратил загрязнение донных отложений.
Анализ радионуклидного загрязнения пресных водных объектов вследствие сбросов радиоактивных отходов и радиационных аварий даёт основания для следующих выводов:
- по масштабам и характеру загрязнения водных объектов наиболее тяжкие последствия имеет радиационная авария на ЧАЭС, последствия которой будут актуальны, по меньшей мере, на протяжении ближайшего столетия;
- основными водными объектами, загрязнёнными радионуклидами вследствие Чернобыльской катастрофы, стали водоём-охладитель ЧАЭС, р. Припять и водохранилища
Днепровского каскада, при этом определяющими загрязнителями являются долгоживущие 137Cs и 90Sr, активность которых в течение 100 лет снизится только на порядок;
- миграционная способность 90Sr в воде значительно выше по отношению к 137Cs: 90Sr переносится течением на значительные расстояния, в то же время 137Cs преимущественно накапливается в донных отложениях; 95-99% от общего объёма радионуклидов, содержащихся в водоёме, депонируется в донных отложениях, вынос которых способен вызвать вторичное радионуклидное загрязнение;
- загрязнённые радионуклидами обсохшие донные отложения в виде пылевых масс имеют способность рассеиваться по ветру на значительные расстояния, что может вызвать вторичное радионуклидное загрязнение;
- при радиационной аварии в зимних условиях снежный и ледовой покровы могут предотвратить загрязнение донных отложений радионуклидами;
- кроме естественного процесса переноса донных отложений, загрязнённых радионуклидами, в водных объектах под действием сил течения (притяжения, смыва и др.) возможен их вынос при гидродинамических авариях под действием волны прорыва.
Литература
1. 20 лет Чернобыльской катастрофы. Взгляд в будущее: Национальный доклад Украины. - К.: Атика, 2006. - 232 с.
2. Авария на Чернобыльской АЭС и ее последствия (информация, подготовленная для совещания экспертов МАГАТЭ) / Вена, 25-28 августа 1986 г. - М.: ГК ИЭА СССР, 1986. - 152 с.
3. Барьяхтар В.Г. (ред.). Чернобыльская катастрофа. - К.: Наукова думка, 1995. - 559 с.
4. Безопасность России. Правовые, социально-экономические и научно-технические аспекты. Региональные проблемы безопасности. Красноярский край. - М.: МГФ "Знание", 2001. - 576 с.
5. Живов А.А. Ядерная и радиационная опасность объекта "Укрытие" / Теоретические и прикладные вопросы науки и образования: сборник научных трудов по материалам Международной научно -практической конференции 31 августа 2013 г.: в 5 частях. Часть 4; Минобрнауки РФ. Тамбов: Изд-во ТРОО "Бизнес-Наука-Общество", 2013. С. 35-36.
6. Зверев В. Основы экологии и проблемы в её развитии (природопользование, среда обитания, краеведение и учебные практикумы) - М.: по заказу Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации, 2010. - 400 с.
7. Институт проблем безопасного развития атомной энергетики Российской академии наук / Наука и образование / Информирование общественности / Чернобыль / Чернобыльский саркофаг / Ядерное топливо в объекте "Укрытие" [Электронный ресурс]. URL: http://www.ibrae.ac.ru/contents/201/ (дата обращения: 12.12.2013 г.).
8. Красноярский горно-химический комбинат / Геологическая среда и объекты ядерно-топливного цикла России: информационная база данных [Электронный ресурс]. URL: http ://wdcb. ru/mining/krasn/krasn 26.html (дата обращения: 29.11.2013 г.).
9. Крупные радиационные аварии: последствия и защитные меры. Р.М. Алексахин, Л.А. Булдаков, В.А. Губанов и др. Под общей ред. Л.А. Ильина и В.А. Губанова / - М., ИздАТ, 2001 - 752 с.
10. Моделирование миграции радионуклидов в поверхностных водах / А.В. Носов, А.Л. Крылов, В.П. Киселев, С.В. Казаков; под ред. Р.В. Арутюняна; Институт проблем безопасного развития атомной энергетики РАН. - М.: Наука, 2010. - 253 с.: ил.
11. Новиков Б.И. Донные отложения днепровских водохранилищ. - Киев: Наук. думка, 1985. - 172 с.
12. Радиационно-экологический паспорт водоёма-охладителя ГСП "Чернобыльская АЭС". -Чернобыль: ГСП "ЧАЭС", 2010. - 127 с.
_ 59
Научные и образовательные проблемы гражданской защиты - 2014'1
13. Радиоактивное и химическое загрязнение Днепра и его водохранилищ после аварии на чернобыльской АЭС / В. Д. Романеко, М. И. Кузьменко, Н. Ю. Евтушенко и др. - К.: Наукова думка, 1992. -194 с.
14. Техшчний звгг "Дослщження замулення Кшвського водосховища" (зпдно з контрактом №UHE/C-SED-21/10 мiж ВАТ "Укргвдроенерго" i Нацюнальним унiверситетом "Львiвська полiтехнiка"). - Львiв: Науково-дослвдна лабораторiя "Геодезичного монiторингу i рефрактометрii" НУ "Львiвська полiтехнiка", 2011. - 108 с.
15. Трапезников А.В., Трапезникова В.Н. Радиоэкология пресноводных экосистем. - Екатеринбург: Изд-во УрГСХА, 2006. - 390 с.
16. Труды Радиевого института им. В.Г. Хлопина, т. XIV, 2009 - 245 с. 2009, т. XIV (ISSN 1996-7748).
17. Экологические последствия аварии на Чернобыльской АЭС и их преодоление: двадцатилетний опыт: Доклад экспертной группы "Экология" Чернобыльского форума. - Вена: МАГАТЭ, 2008. - 199 с.
18. Ядерная энциклопедия: автор проекта, руководитель и главный редактор А.А. Ярошинская. - М.: Благотворительный фонд Ярошинской, 1996. - 656 с.: ил.
19. Environmental Modeling for the Hanford Environmental Dose Reconstruction Project / B.A. Napier, D.B. Shipler, W.T. Farris et. al. // Assessing the Radiological Impact of Past Nuclear Activities and Events. Vienna, IAEA, TECDOC-755, 1994. P.63-77.
20. Review of the discharge history and population doses from the Sellafield reprocessing plant in Cumbria, United Kingdom / S.R. Jones, A.D. Smith, S.M. Williams et. al. // Proceedings of a Symposium, Environmental Impact of Radioactive Releases. Vienna, IAEA-SM-339, 1995. P.165-189.
