На правах рукописи

Айдарханов Асан Оралханович

ХАРАКТЕРИСТИКА РАДИОАКТИВНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЙМЫ РЕКИ ШАГАН

НА БЫВШЕМ СЕМИПАЛАТИНСКОМ ИСПЫТАТЕЛЬНОМ ПОЛИГОНЕ

Специальность: 03.01.01 – радиобиология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Обнинск, 2013

Работа выполнена в Филиале «Институт радиационной безопасности и экологии» РГП «Национальный ядерный центр Республики Казахстан»

Научный руководитель: кандидат биологических наук Анисимов Вячеслав Сергеевич

Официальные оппоненты:

Линник Виталий Григорьевич, доктор географических наук, ФГБУН Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского Российской академии наук (ГЕОХИ РАН), главный научный сотрудник Кобялко Владимир Олегович, кандидат биологических наук, ГНУ Всероссийский научноисследовательский институт сельскохозяйственной радиологии и агроэкологии, старший научный сотрудник

Ведущая организация: ФГБУ НПО «Тайфун», г. Обнинск

Защита состоится «25» декабря 2013 года в 16 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 006.068.01 при Всероссийском научно-исследовательском институте сельскохозяйственной радиологии и агроэкологии по адресу: 249032, г. Обнинск, Киевское шоссе, 109 км, ГНУ ВНИИСХРАЭ Россельхозакадемии, к. 510.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВНИИСХРАЭ Россельхозакадемии.

Отзывы на автореферат просим отправлять по адресу: 249032, г. Обнинск, Киевское шоссе, 109 км, ГНУ ВНИИСХРАЭ Россельхозакадемии, Диссертационный совет. Факс:

(48439) 6-80-66.

Автореферат разослан «22» ноября 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук Шубина Ольга Андреевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В XX веке человечество перешло на качественно новую ступень развития, связанную с широким использованием атомной энергии. При этом, наряду с явными положительными моментами, возникла новая опасность, заключающаяся в загрязнении окружающей среды опасными поллютантами – техногенными радионуклидами.

Источники радиоактивного загрязнения окружающей среды довольно многочисленны и разнообразны: это испытания ядерного оружия, ядерные взрывы в мирных целях, аварийные выбросы атомных электростанций, ядерные реакторы исследовательского типа, реакторы морских судов, радиоактивные отходы и т.д.

Одним из наиболее существенных источников такого загрязнения, а в недалеком прошлом и самым важным, являются испытания ядерного оружия. В настоящее время официально известны четыре крупнейших ядерных полигона: Невада (США, Великобритания), Новая Земля (Россия), Моруроа (Франция), Лобнор (Китай) (Тлеубергенов С.Т., 1997 г.). Таким образом, на Земле образовались обширные территории, загрязненные техногенными радионуклидами. Сложность ситуации заключается в том, что радиоактивное загрязнение некоторых участков является источником вторичного загрязнения прилегающих территорий с процессами ветровой и водной миграции радионуклидов.

Для Республики Казахстан особое значение имеет Семипалатинский испытательный полигон (СИП), где было произведено 456 ядерных испытаний (включая подземные) в период с 1949 по 1989 гг., как в военных, так и в мирных целях. Все это привело к загрязнению окружающей среды, которое, несмотря на прошедшие годы, актуально и по сей день (Михайлов В.Н., Андрюшин И.А., Богдан В.В. и др., 1996 г.).

В пределах бывшего Семипалатинского испытательного полигона река Шаган является единственным поверхностным водотоком. Она течет вдоль восточной границы, пересекает испытательную площадку "Балапан" и является левобережным притоком р. Иртыш. В результате ядерных испытаний на СИП, долина р. Шаган подверглась радиоактивному загрязнению. На некоторых участках р. Шаган радиоактивное загрязнение техногенным радионуклидом 3Н более чем в 40 раз превышает уровень, установленный санитарными правилами. В целом по реке концентрация трития превышает допустимые уровни на протяжении около 20 км вниз по течению реки от установленной границы СИП. При этом существует вероятность возможного переноса радионуклидов водами р. Шаган в р. Иртыш.

Таким образом, процессы миграции радионуклидов в долине р. Шаган требуют тщательного изучения.

Поскольку вода р. Шаган используется в хозяйственных целях населением, проживающим вблизи реки, создавшаяся ситуация требует самого тщательного изучения и оценки воздействия на биологические объекты (растения, животные, человек). Изучение механизмов формирования радиационной обстановки в долине р. Шаган позволит сделать прогноз ее развития и установить вероятность долговременных последствий, выходящих далеко за пределы территории СИП. Благодаря подобным исследованиям станет возможным принятие необходимых мер по обеспечению радиационной безопасности населения, проживающего и ведущего хозяйственную деятельность в зоне влияния р.

Шаган.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы являлось изучение закономерностей формирования радиоактивного загрязнения компонентов экосистемы р.

Шаган.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Установить механизмы формирования радионуклидного загрязнения почвогрунтов и донных отложений.

2. Оценить степень радионуклидного загрязнения подземных и поверхностных вод р.

Шаган.

3. Определить характер радионуклидного загрязнения растений на исследуемой территории.

4. Определить степень и характер радиоактивного загрязнения воздушного бассейна исследуемой территории.

Предмет и объект исследования. Объектом исследования являлась экосистема р.

Шаган бывшего Семипалатинского испытательного полигона (СИП), в частности ее компоненты: донные отложения, береговые грунты, почвогрунты, растения, водная и воздушные среды. Предметом исследования являлись механизмы формирования радиоактивного загрязнения и радионуклидные характеристики компонентов экосистемы р.

Шаган.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Уровни загрязнения компонентов экосистем в пойме р. Шаган.

2. Радиоактивное загрязнение почвогрунтов и донных отложений в пойме р. Шаган сформировано несколькими источниками, включая: экскавационный взрыв в 1004, наземные и воздушные испытания на площадке "Опытное поле".

3. Основное радиоактивное загрязнение поверхностных вод р. Шаган обусловлено разгрузкой подземных вод испытательной площадки "Балапан".

4. Радиоактивное загрязнение береговой растительности в целом соответствует характеру загрязнения поверхностных и подрусловых вод.

Научная новизна результатов исследования. Полученные результаты расширяют научные представления о закономерностях формирования радиоэкологической обстановки в сложных геохимически-сопряженных ландшафтах. Впервые получены данные о содержании техногенных радионуклидов 241Am, 137Cs, 239+240, 238Pu, 90Sr, 152,154Eu, 3H в компонентах экосистем поймы р. Шаган: почвогрунтах, донных отложениях, природных водах, растительности, воздухе. Установлено, что радиоактивное загрязнение почвогрунтов и донных отложений экосистемы р. Шаган 241Am, 137Cs, 239+240, 238Pu, 152,154Eu обусловлено не только экскавационным взрывом в скважине 1004, но и выпадениями от испытаний на площадке "Опытное" поле. Впервые установлено, что основным радиоактивным загрязнителем поверхностных и подрусловых вод реки является тритий, поступление которого в р. Шаган происходит с грунтовыми водами из мест проведения ПЯВ на площадке "Балапан" по системе тектонических нарушений (трещины и разломы). Показано, что стабильность перераспределения 3Н между водой и растениями (гигрофиты, мезофиты, фреатофиты) сохраняется в условиях различной концентрации 3Н в поверхностных и подрусловых водах. Впервые в результате оценки содержания 3Н в атмосферном воздухе в пойме р. Шаган были выделены три зоны по уровню ожидаемой годовой эффективной дозы от поступления радионуклида в организм человека.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическую значимость работы представляют выявленные закономерности миграции техногенных радионуклидов, образовавшихся в результате ядерных испытаний, в сложных геохимически-сопряженных ландшафтах. Полученные в диссертационной работе данные расширяют научные представления о механизмах миграции трития в системе грунтовые воды – почвы – растения – атмосфера.

Практическая значимость работы заключается в том, что полученные результаты позволяют выделить наиболее загрязненные искусственными радионуклидами участки р.

Шаган, а также способствуют проведению работ по восстановлению радиоактивнозагрязненных земель и введению их в хозяйственный оборот. Результаты диссертационной работы могут быть использованы для прогноза долгосрочного поведения радионуклидов в окружающей среде и позволяют уточнить статус и обосновать вывод из хозяйственного использования части земель, прилегающих к бассейну реки Шаган.

Соответствие паспорту специальности. Диссертация выполнена в соответствии с п. «Последствия ядерных катастроф. Синдром Чернобыля. Радиоэкология» Паспорта специальности 03.01.01 – Радиобиология.

Личный вклад диссертанта в получение научных результатов, выносимых на защиту. Автором поставлена цель исследования, разработаны технические задания на проведение экспедиционных и лабораторных работ. При личном участии проводился отбор и лабораторный анализ проб окружающей среды (почвогрунты, донные отложения, вода, водяные пары). Выполнена статистическая обработка полученных данных и проведен их анализ. Разработан и апробирован системный подход для изучения радиоэкологической обстановки в сложных геохимически сопряженных ландшафтах. Самостоятельно сформулированы основные положения работы и выводы.

Апробация и реализация результатов диссертации. Полученные в ходе выполнения данной работы результаты послужили основой для предложений поданных в Министерство охраны окружающей среды Республики Казахстан с целью придания соответствующего статуса землям, прилегающим к пойме р. Шаган, и разработке проектов по нейтрализации поступления радионуклидов в русло реки.

Основные положения работы и результаты исследований докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции "Радиоактивность окружающей среды" (25-27 октября 2010 г., г. Рим, Италия), на IX Всероссийской (с международным участием) научно-практической конференции (Тобольск, Россия, 9- ноября 2012 г.), на IV Международной научной конференции (Москва, МГУ им. М.В.

Ломоносова, 27-31 мая 2013 г.), на IX международной конференции "Радиационная физика и экология" (г.Алматы, ИЯФ, 23-27 сентября 2013 г.), на V Международной научнопрактической конференции "Семипалатинский полигон. Радиационное наследие и проблемы нераспространения" (12-14 сентября 2010 г., г. Курчатов, ИРБЭ НЯЦ РК).

Публикации По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 2 статьи в рецензируемых журналах из списка изданий, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, 6 разделов, заключения и списка использованных источников, который состоит из 67 наименований. Работа изложена на 116 страницах текста, включает 59 рисунков и 15 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

В настоящем разделе на основании обзора сведений, имеющихся в мировой литературе, приведен детальный анализ радиоэкологических ситуаций, сложившихся после крупнейших радиационных аварий и ядерных испытаний. Показано, что во всех рассмотренных случаях радиоактивное загрязнение экосистем водных объектов имеет свои особенности, обусловленное различными источниками загрязнения, механизмами формирования, гидрологическим режимом (Под рук. Логачева В.А., 2002 г, Дубасов В.Ю., 1994 г., Горин В.В. Матущенко А.М. и др., 1993 г. Израэль Ю.А., 1996 г., Толстиков В.Г., г., Ключников А.А., Пазухин Э.М. и др., 2005 г.).

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Предложена специальная методология проведения исследований, заключающаяся в многоэтапном комплексном подходе при оценке радиоэкологического состояния экосистем р. Шаган. На первом этапе разрабатывалось техническое задание на отбор проб окружающей среды и вид проводимых лабораторных анализов. Местоположение точек обследования определялось с помощью ГИС-технологий в геодезической системе координат. В ходе экспедиционных выездов координатная привязка точек пробоотбора осуществлялась с использованием спутникового прибора глобального позиционирования (GPS-приемник). В ходе полевого этапа исследований предварительно проводились радиометрические измерения мощности экспозиционной дозы (МЭД) и плотность поверхностного загрязнения - и -излучающими радионуклидами в фиксированных точках.

Далее производился отбор проб как с помощью общепринятых методов (для почвогрунтов, донных отложений, воды, растительности), так и с использованием оригинальных методик (отбор водяных паров атмосферного и почвенного воздуха). Лабораторный анализ проб грунта, донных отложений, воды, водяных паров, растений с целью определения содержания техногенных радионуклидов проводился с использованием методов гамма-, бета-, альфа-спектрометрии и жидкостной сцинтилляции либо после предварительного концентрирования образцов, либо после радиохимического выделения из них изучаемых радионуклидов. Микро- и макроэлементы определялись масс-спектрометрическим методом.

Для проведения лабораторных исследований использовалось следующее оборудование: жидкосцинтилляционный счетчик "TRI-CARB-2900 TR"; альфа-спектрометр "CANBERRA"; гамма-спектрометр "ОRTEC"; радиометры МКС-РМ1402М и МКС-АТ6130;

масс-спектрометр с индуктивно связанной плазмой "ICP MASS Spectrometer ELAN 9000".

Полученные результаты подвергались статистической обработке с помощью пакета статистической обработки программы Excel. Оперативный контроль точности, воспроизводимости и сходимости результатов проводился в соответствии с ГОСТ Р ИСО 5725-6.

ГЛАВА 3. МЕХАНИЗМЫ ФОРМИРОВАНИЯ РАДИОАКТИВНОГО

ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВОГРУНТОВ И ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ РУСЛА Р. ШАГАН

Представлены результаты измерения уровней содержания техногенных радионуклидов в донных отложениях, береговых грунтах и почвогрунтах долины р. Шаган.

Общая схема отбора проб донных отложений и почвогрунтов показана на рис. 1.

Распределение 241Am, 60Co, 152Eu, 154Eu в донных отложениях. Характер распределения техногенных радионуклидов в донных отложениях русла р. Шаган, показан на рис. 2.

По результатам, представленным на рис.2, видно, что содержание определяемых техногенных радионуклидов максимально в месте выхода из плотины "Атомного" озера, что, обусловлено экскавационным взрывом в скважине 1004. При этом удельная активность радионуклидов спадает неравномерно, а в виде нескольких ярко выраженных пиков, максимальная концентрация в которых уменьшается в зависимости от расстояния до "Атомного" озера. Учитывая различные миграционные способности рассматриваемых радионуклидов такой характер распределения не может быть обусловлен их миграцией с поверхностным водотоком. Такой характер загрязнения можно объяснить разбросом, в процессе взрыва, радиоактивно загрязненной породы. Для подтверждения данного предположения были проанализированы соотношения рассматриваемых радионуклидов в донных отложениях в точках "пиковых" значений (0,2 км; 1,2 км; 3 км; 5,5 км; 6,5 км; 12 км) и на гребне воронки "Атомного" озера (рис. 3).

Рисунок 1. Общая схема отбора проб донных отложений и почвогрунтов Рисунок 2. Характер распределения техногенных радионуклидов в донных отложениях Рисунок 3. Соотношения отдельных изотопов в пробах донных отложений В таблице 1 представлены сравнительные данные по средним соотношениям изотопов в грунтах гребня воронки и донных отложениях.

Таблица1. Средние соотношения изотопов Приведенные на рис. 3 и в табл. 1 данные подтверждают предположение о том, что основное радиоактивное загрязнение донных отложений русла реки образовалось непосредственно в результате взрыва в скважине 1004 и к настоящему моменту является сформировавшимся, практически не изменяющимся со временем.

Распределение 137Cs в донных отложениях. Присутствие 137Cs отмечается на всем протяжении русла водотока (рис.4). Отчетливо выделяются области повышенных концентраций 137Cs на 13-22, 43-46, 68-72 км от "Атомного" озера, при этом на данных участках отсутствуют продукты активации, предел обнаружения для которых составляет около 1 Бк/кг. Наиболее вероятным источником появления зон с повышенными концентрациями 137Cs являются атмосферные выпадения от испытаний на "Опытном поле".

Для подтверждения высказанного предположения, на график распределения 137Cs в донных отложениях нанесены оси следов от ядерных испытаний, произведенных на площадке "Опытное поле".

Согласно данным, представленным на рис.4, можно отметить, что:

- пик, находящийся на 12 км, вероятнее всего, связан с взрывом 25.09.1962 г.

мощностью 7 кт, при этом, ширина следа оставленного данным взрывом находится в области 8-14 км и составляет 6 км;

- ось следа от взрыва произведенного 16.03.1956 г. и отмеченная на 20 км имеет незначительное смещение, относительно пика концентрации 137Cs приходящегося на 18-й км от "Атомного" озера, с шириной следа 10 км;

- пик, расположенный на 44 км связан с взрывом 24.08.1956 г. мощностью 27 кт, ширина данного следа 8 км;

- на участке с 64 по 72 км наблюдается область с несколькими пиками, однако по имеющейся на данный момент архивной информации, следы от атмосферных ядерных испытаний через данный участок не проходили.

Рисунок 4. Характер распределения 137Cs в донных отложениях