Содержание к диссертации
Введение
1 Радионуклиды искусственного происхождения в поверхностных водах суши 10
1.1 Источники поступления радионуклидов в поверхностные воды 10
1.2 О формах миграции микроэлементов и радионуклидов в
поверхностных водах 11
1.3 Некоторые результаты, полученные при исследовании миграции радионуклидов в реках (анализ зарубежных исследований) 14
1.4 Радионуклиды в р.Енисей в 1970-1972 гг 16
Выводы 18
2 Методы, использованные при изучении миграции радионуклидов в р.Енисей 19
2.1 Упаривание как абсолютный метод для обогащения проб воды 19
2.2 Возможности методов обогащения путем применения электрокоагуляции и метода химического осаждения радионуклидов 21
2.3 Фильтрация - основной метод обогащения проб воды 24
2.4 Применение гранульных ионитов для выделения из воды Na, 51Сг, 32Р. Особенности использованной методики определения содержания 32Р в воде 30
2.5 Методики отбора проб почвы и донных отложений 33
2.6 Гамма-спектрометрия с высоким энергетическим разрешением - основной аналитический метод измерения проб 36
Выводы 39
2 Характерные особенности поведения радионуклидов в р.Енисей 41
3.1 Размещение разрезов на реке 41
3.2 Доля активности, связанная со взвесью, как параметр миграции радионуклидов в реке 44
3.3 Миграция радиоактивных отходов вдоль русла р. Енисей 54
3.4 Использование радионуклидов, присутствующих в воде Енисея,
для определения эффективного коэффициента поперечной дисперсии 71
3. 5 Переход радионуклидов из речной воды в лед 80
Выводы
4 Результаты инвентаризации запаса радионуклидов в русле и на берегах Енисея 84
4.1 Запас радионуклидов в донных отложениях 84
4.2 Радионуклиды на берегах Енисея 95
Выводы 109
Заключение 111
Библиографический список
Использованной литературы
- Некоторые результаты, полученные при исследовании миграции радионуклидов в реках (анализ зарубежных исследований)
- Фильтрация - основной метод обогащения проб воды
- Миграция радиоактивных отходов вдоль русла р. Енисей
- Радионуклиды на берегах Енисея
Введение к работе
Актуальность Развитие ядерной энергетики на современной технической основе неизбежно приведет к увеличению объема твердых и жидких радиоактивных отходов, росту масштабов поступления радионуклидов в источники водоснабжения Поэтому задача исследования поведения радионуклидов в водных объектах является одной из актуальных задач в комплексе мероприятий, направленных на охрану окружающей среды
Настоящая работа посвящена изучению миграции радиоактивных веществ в р Енисей от места сброса в реку вод из системы охлаждения промышленных реакторов до п Дудинка Горно-химический комбинат (ГХК), расположенный на берегу р Енисей (г Железногорек Красноярский край), с 1958 г использовал воды этой реки для охлаждения промышленных ядерных реакторов, с помощью которых велась наработка 239Ри Первый прямоточный реактор АД по наработке оружейного плутония был пущен в эксплуатацию в августе 1958 г , второй прямоточный АДЭ-1 - в августе 1960 г, а третий АДЭ-2, работающий в энергетическом режиме, в декабре 1963 г
Прямоточные реакторы АД и АДЭ-1 остановлены и выведены из эксплуатации в 1992 г, реактор АДЭ-2 продолжает работать, вырабатывая тепло и электроэнергию для нужд г Железногорска
Опубликованные к настоящему времени работы по радиоактивному загрязнению р Енисей содержат результаты исследований, выполненных в основном после остановки прямоточных реакторов, и не дают целостной картины загрязнения реки
Актуальность темы обусловлена тем, что для разработки методики прогноза радиоактивного загрязнения речных систем необходимо знание закономерностей миграции радионуклидов в поверхностных водах, понимание механизмов миграции Характер поведения радионуклидов в поверхностных водах необходимо учитывать при разработке норм сброса радиоактивных веществ в реки, при разработке методик контроля за радиоактивным загрязнением водоемов охладителей АЭС Кроме того, в настоящее время отсутствуют комплексные исследования поведения радионуклидов в реках страны, загрязняемых промышленными предприятиями
Цель исследований получение фактических данных о содержании радионуклидов в воде, донных отложениях и береговом грунте р Енисей на различных расстояниях от места сброса в реку вод, загрязненных радионуклидами, и характера изменения радиоактивного загрязнения реки с течением времени
Оценка запаса долгоживущих радионуклидов на берегах и на пойме Енисея
Исследование особенностей миграции радионуклидов в русле Енисея, в частности изучение их распределения между твердой и жидкой фазой в водном потоке Определение численных значений параметров, характеризующих процессы перемешивания техногенной примеси в русле реки, и скорость самоочищения русла Енисея Для достижения цели решались следующие основные задачи
-
Обзор отечественных и зарубежных работ, относящихся к поведению радионуклидов искусственного происхождения и микроэлементов в поверхностных водах суши
-
На основе полевых и лабораторных исследований радиоактивности проб воды из р Енисей разрабатывались методики определения содержания радионуклидов в речной воде, обеспечивающие надежное измерение индикаторных концентраций гамма-излучающих радионуклидов
-
Получались фактические данные по распределению радионуклидов вдоль русла на расстояниях порядка 1000 км Оценивался запас радионуклидов в русле и на пойме Енисея и закономерность изменения запаса со временем
-
По результатам наблюдений за уровнем загрязнения воды и донных отложений радионуклидами в течение ряда лет определялись численные значения параметров, характеризующих процессы перемешивания техногенной примеси в речном потоке и скорость самоочищения русла Енисея от загрязнителей
Объект исследования-р Енисей от п Атамановодоп Дудинка
Предмет исследования - особенности миграции радионуклидов, поступавших в Енисей из системы охлаждения промышленных ядерных реакторов Горно-химического комбината Материалы, положенные в основу работы. Исследования проводились в рамках Федеральной целевой программы (ФЦП) «Экология и природные ресурсы России» (подпрограмма «Гидрометеорологическое обеспечение безопасной жизнедеятельности и рационального природопользования») и по ФЦП «Ядерная и радиационная безопасность России» Для достижения поставленной цели и решения сформулированных задач автором использованы, проанализированы и обобщены собственные данные и данные экспедиционных работ, проведенных совместно со службами ГХК в 1973 - 1981 гг, а также результаты, полученные при работе по проекту МНТЦ № 1404 в 2000-2001 гг Использовались данные ГХК по темпам сброса радионуклидов в р Енисей и методические подходы, разработанные в США (Nelson J L, Perkins R W, Nielsen J M, Haushild W L, 1966) при исследованиях транспорта радионуклидов в р Колумбия
Научная новизна заключается в комплексном исследовании баланса радионуклидов на участке русла Енисея протяженностью около 600 км Установлено, что транспорт
радионуклидов через разрез, расположенный ниже по течению реки места сброса сточных вод ГХК на 180 км, примерно равен сбросу, а выведение из потока 54Мп, 58Со, б0Со и 46Sc на исследованным участке русла (протяженностью 600 км) в период наблюдений составляло в среднем 10%
Установлено, что большинство радионуклидов присутствуют в воде Енисея преимущественно в твердой фазе (связаны со взвесями) Исключением являются 24Na, 5ICr и 32Р
Впервые для 10 радионуклидов определены численные значения доли, фиксированной на взвеси (f) Показано преимущество использования параметра f (доли, связанной со взвесью) для характеристики фазового состояния радионуклидов в природных водах по сравнению с традиционно используемым коэффициентом распределения взвесь/вода
Получены данные по распределению радиоігуклидов вдоль русла Енисея на расстоянии до 1900 км от места сброса радиоактивных отходов, а также - данные, характеризующие профили концентрации радиоактивности на ряде поперечных разрезов
Определен запас 137Cs, 65Zn, б0Со, 54Мп и I52Eu в русле от места сброса радиоактивных отходов (87 км) до п Дудинка (2000 км) Запас 137Cs в русле в 1972 г составил 5300 ГБк, запас 65Zn - 4800 и запас 60Со - 1800 ГБк
Впервые установлено, что на исследованном участке русла Енисея длиной около 600 км в донных отложениях находилось примерно 1% 137Cs и ^Со от активности этих радионуклидов, поступившей в реку (к 1973 г), а доля 137Cs запасенного на всем протяжении загрязненного радионуклидами русла (1900 км) составила 5 % активности этого радионуклида, сброшенной в реку ГХК
Впервые проведена оценка доли радионуклидов, которая может переходить из речной воды в лед Установлено, что в р Енисй примерно 3 - 4 % 51Cr, 46Sc, 60Со и 137Cs может переходить из воды в ледяной покров Для 65Zn эта доля по нашим оценкам превышает 10 %
Достоверность результатов Достигается использованием для калибровки измерительной аппаратуры Образцовых радиоактивных растворов и аттестованных имитантов почвы, отбором представительных проб, усреднением результатов многократных наблюдений Измерительная аппаратура обеспечивала успешное участие лаборатории в межлабораторных сличениях и международных интеркалибровках
Практическая значимость Разработанные высокопроизводительные методики концентрирования радионуклидов из рек и пресноводных водоемов, а также методики гамма-спектрального анализа проб почвы использовались автором и другими сотрудішками при определении содержания радионуклидов на загрязненных территориях и в реках Украины и России после аварии на Чернобыльской АЭС
На основании изменения транспорта Cs со временем (для нескольких предложенных сценариев сброса 137Cs в период с 1960 до 1975 гт) были рассчитаны пределы, в которых изменяется постоянная самоочищения от 137Cs (ц) изучаемого участка русла (длиной около 600 км) ц. = 0,2 - 0,14 лет "' (соответствующее время полуочищения 3,5 - 4,8 лет)
Выполнена оценка запаса I37Cs, обусловленного работой ГХК, на пойме Енисея (18 ТБк), показано, что уменьшение этого запаса происходит только за счет радиоактивного распада
Установлено что, в Енисейский залив к 1975 г могло поступить примерно 80 % Cs, сброшенного с ГХК (с учетом того, что 5 % этого радионуклида находилось в донных отложениях и 18 % - на пойме)
Посредством измерения распределения радионуклидов по поперечному сечению реки в п Енисейск определено численное значение коэффициента поперечной дисперсии (Є = 0,29 м^с) для участка русла от места слияния Ангары и Енисея до п Енисейск
Защищаемые положения Предметом защиты являются
методики концентрирования радионуклидов из проб речной воды большого объема (порядка сотен литров),
распределение радионуклидов, фиксированных в донных отложениях, на участке русла р Енисей от места сброса сточных вод ГХК до п Дудинка протяженностью 1900 км в 1973 г и характер уменьшения запаса радионуклидов в донных отложениях до 2000 г ,
оценка запаса 137Cs на пойме Енисея, обусловленного работой ГХК Этот запас 137Cs (18 ТБк на 1975 г) уменьшается только в результате радиоактивного распада 137Cs ,
уменьшение активности большинства радионуклидов, содержащихся в воде Енисея, при движении вдоль русла реки происходит по экспоненциальному закоігу (показатель 0,002 км-1) Падение активности 137Cs происходит значительно медленнее (0,0004 км"1) ,
результаты оценок транспорта радионуклидов между разрезами, отстоящими по руслу на 598 км в 1975, 1979 и 1981 гг ,
численные значения доли радионуклидов, фиксированной на взвеси (f), для каждого разреза, характеризующих миграцию радионуклидов в воде Енисея
Апробация работы Результаты исследований докладывались и обсуждались на Международной конференции в Москве (5-6 декабря 2005 г) «Радиоактивность после ядерных взрывов и аварий», на 6-той Международной конференции по радиоактивности в Арктике и Антарктике (2-6 октября 2005, Nice France), а также на научных семинарах в Институте прикладной геофизики и Институте Биофизики По материалам диссертации
опубликовано 11 работ (из них 4 работы в отечественных реферируемых изданиях, две работы в зарубежных экологических журналах)
Личный вклад автора. Автор проводил отбор и измерение проб воды, донных отложений и берегового грунта при экспедиционных обследованиях р Енисй в 1972, 1975, 1979, 1981 и в 2000-2001 гг Вклад автора в работы, выполненные в соавторстве и включенные в диссертацию, состоял в активном участии на всех этапах исследования планировании, практическом решении конкретных задач, интерпретации и обсуждении результатов
Структура и объем диссертации Работа состоит из введения, 4-х разделов, заключения, библиографического списка из ПО наименований и 4-х приложений Общий объем - 147 страниц текста, включая 29 рисунков, 61 таблицу
Некоторые результаты, полученные при исследовании миграции радионуклидов в реках (анализ зарубежных исследований)
В настоящее время наибольшее количество информации о содержании искусственных радионуклидов в поверхностных водоемах имеется по 90Sr, тритию и в меньшей степени по
Cs и Ри, ИСТОЧНИКОМ поступления этих радионуклидов в водоемы явились испытания ядерного оружия. Некоторое количество радионуклидов от глобальных стратосферных выпадений попало в водоемы путем непосредственного осаждения радиоактивных аэрозолей на поверхность зеркала водоемов, но основное поступление в реки и озера происходит в результате смыва талыми и ливневыми водами радионуклидов, выпавших на поверхность почвы в пределах водосбора [3].
Максимальные концентрации 90Sr в пресноводных водоемах СССР наблюдались в 1964 г и составляли 74 Бк/м3 [4]. В этот период в поверхностных водах также зафиксировано наличие 144Се, 106Ru, I47Nd, l25Sb [5,6]. В последующие годы концентрации радионуклидов в воде и атмосферных выпадениях значительно уменьшились, поскольку запас радионуклидов в стратосферном резервуаре резко упал после подписания Московского договора 1963 г. о прекращении испытаний ядерного оружия в трех сферах. В 1979 г. концентрация Cs в реках СССР составляла от 0,37 до 3,7 Бк/м \ а отношение 137Cs/ 90Sr - 0,04 - 0,01 [7].
Развитие ядерной техники и мировой ядерной энергетики привело к появлению локальных загрязнений поверхностных вод радионуклидами, т.к. практика удаления радиоактивных отходов низкого уровня в реки получила широкое распространение во всем мире. Сообщалось о сбросе радиоактивных отходов в р.Темза (Великобритания), р.Колумбия (США), р.Оттава (Канада) и реки Сена и Рона (Франция) [8-13].
Сброс отходов в реки обычно осуществляется после тщательного аналитического контроля с тем, чтобы содержание радионуклидов в речной воде нигде не превышало норм, установленных для питьевой воды. По классификации, принятой МАГАТЭ, низкоактивными отходами считаются отходы, объемная активность которых не превышает 37 кБк/м [14]. Отходы такого типа образуются при добыче и обработке ядерного топлива, нормальной работе энергетических и исследовательских реакторов, при работе научных ядерных центров и медицинских учреждений, а также в результате деятельности радиохимических производств, осуществляющих регенерацию ядерного топлива [3,15]. При существующем уровне технологии ядерного топливного цикла и переработки радиоактивных отходов радиохимические производства (РХП) дают около 95% общего количества радионуклидов, выбрасываемых в окружающую среду, атомные электростанции (АЭС) - примерно 5%, а добыча и переработка урановой руды - около 0,04% [16]. Основная масса радиоактивных отходов радиохимических производств (РХП) представлена отходами высокого и среднего уровня активности, которые подлежат захоронению [17].
Жидкие радиоактивные отходы урановых рудников и урановых заводов, поступая в поверхностные воды, могут служить источником радиоактивного загрязнения водоемов. Содержание Ra в водах, удаляемых из урановых шахт, достигает 3700 Бк/м [18]. Хотя сточные воды обогатительных фабрик и урановых заводов содержат незначительные количества радия, урана и некоторых других радиоэлементов, основное ограничение на сброс этих вод в водоемы, по-видимому, связано с присутствием в этих водах стабильных химических загрязнителей.
В сбросных водах АЭС присутствуют тритий , 58Со, 60Со, 59Fe, 65Zn, яСг, I24Sb, 137Cs, 13 Cs и некоторые другие радионуклиды [19]. В СССР сброс в водоемы-охладители стоков АЭС допускался только при уровнях их загрязнения, не подпадающих под категорию радиоактивных отходов.
Очень большие объемы радиоактивных отходов низкого уровня образуются при работе прямоточных реакторов, производящих оружейный плутоний. Так, по данным работы [20] (цитируется по [15]), в Хэнфорде (Ричленд шт. Вашингтон) в р.Колумбия ежегодно сбрасывалось свыше 29000 м3 воды из системы охлаждения реакторов. Радиоактивность воды была обусловлена продуктами нейтронной активации Р (период полураспада 14,5 суток), 24Na (период полураспада 15 часов), 64Си (период полураспада 12 часов), 56Мп (период полураспада 2,58 часа). Кроме того, в охлаждающей воде содержались в незначительных количествах продукты деления, которые проникали в воду вследствие повреждения оболочек стержней с ядерным топливом или образовывались при делении под действием нейтронного потока микроколичеств урана, естественно содержащегося в воде. 1.2 О формах миграции микроэлементов и радионуклидов в поверхностных водах
Поведение радионуклидов в водоемах и их санитарная значимость во многом определяется физико-химическими формами, в которых они находятся в воде. Даже в чистых водных растворах в условиях химических лабораторий атомы радионуклидов склонны образовывать моноядерные и полиядерные гидрокомплексы, входят в состав коллоидов и псевдоколлоидов [21,22]. Наличие во всех типах поверхностных пресных вод органических веществ (фульво- и гуминовых кислот) приводит к образованию прочных комплексных соединений радионуклидов с растворимыми органическими веществами, а кремний природных вод формирует коллоидные системы, которые могут сорбировать радионуклиды. На основе многочисленных работ, в которых изучались физико-химические формы миграции стабильных микроэлементов в поверхностных водах, невозможно сделать однозначный вывод о преимущественных формах (состояниях) того или иного элемента в природных водах. По мнению Гиббса [23] основная часть металлов в речной воде находится в донных осадках и связанных формах. Иные результаты были получены при изучении состояний 18 микроэлементов в реках Норвегии [24]. Используя фильтрацию, центрифугирование, ионный обмен, электродиализ, электрофорез в комбинации с нейтронно активационным анализом (НАА), авторы установили, что щелочные и щелочноземельные элементы присутствуют в речной и озерной воде в форме гидратированных ионов. Незначительная часть атомов кальция и бария была связана с органическими веществами. В то же время в работе Варшал Г.М. показано, что в воде р.Москва кальций и магний, образующие прочные комплексные соединения с растворенными в воде органическими веществами, вносят существенный вклад в макрокомпонентный состав вод [25]. В речной и озерной воде Норвегии основная часть алюминия, скандия, лантана, церия, самария, железа, тория была связана с коллоидами или взвесями [24]. Причем наблюдавшаяся сорбция трехвалентных элементов ионообменными смолами, по мнению авторов, скорее происходила за счет сорбции отрицательно и положительно заряженных коллоидов и молекул (частично за счет эффекта фильтрации), чем благодаря механизму ионного обмена свободных ионов. Хром в значительной степени присутствовал в форме простых хроматов. Значительная часть цинка, марганца и кобальта в речной воде была представлена гидратированными катионами.
Анализ фазовых состояний элементов в воде р.Москва с использованием НАА показал, что формы миграции металлов изменяются в зависимости от содержания в воде взвешенных веществ [26]. Для периода, когда содержание взвесей в воде составляло 10 мг/л, главным образом в растворенном состоянии мигрировали цинк, мышьяк, ртуть, уран, бром, барий, стронций. В растворе находилось порядка 60% селена, кобальта, марганца. Примерно поровну на взвеси и в растворе мигрировали сурьма, церий, лантан, самарий, европий, золото, рубидий, железо. Такие элементы, как теллур, хром, цезий, медь, цирконий, литий, гафний, скандий и торий, были обнаружены главным образом на взвесях .
Фильтрация - основной метод обогащения проб воды
В настоящее время наибольшее количество информации о содержании искусственных радионуклидов в поверхностных водоемах имеется по 90Sr, тритию и в меньшей степени по
Cs и Ри, ИСТОЧНИКОМ поступления этих радионуклидов в водоемы явились испытания ядерного оружия. Некоторое количество радионуклидов от глобальных стратосферных выпадений попало в водоемы путем непосредственного осаждения радиоактивных аэрозолей на поверхность зеркала водоемов, но основное поступление в реки и озера происходит в результате смыва талыми и ливневыми водами радионуклидов, выпавших на поверхность почвы в пределах водосбора [3].
Максимальные концентрации 90Sr в пресноводных водоемах СССР наблюдались в 1964 г и составляли 74 Бк/м3 [4]. В этот период в поверхностных водах также зафиксировано наличие 144Се, 106Ru, I47Nd, l25Sb [5,6]. В последующие годы концентрации радионуклидов в воде и атмосферных выпадениях значительно уменьшились, поскольку запас радионуклидов в стратосферном резервуаре резко упал после подписания Московского договора 1963 г. о прекращении испытаний ядерного оружия в трех сферах. В 1979 г. концентрация Cs в реках СССР составляла от 0,37 до 3,7 Бк/м \ а отношение 137Cs/ 90Sr - 0,04 - 0,01 [7].
Развитие ядерной техники и мировой ядерной энергетики привело к появлению локальных загрязнений поверхностных вод радионуклидами, т.к. практика удаления радиоактивных отходов низкого уровня в реки получила широкое распространение во всем мире. Сообщалось о сбросе радиоактивных отходов в р.Темза (Великобритания), р.Колумбия (США), р.Оттава (Канада) и реки Сена и Рона (Франция) [8-13].
Сброс отходов в реки обычно осуществляется после тщательного аналитического контроля с тем, чтобы содержание радионуклидов в речной воде нигде не превышало норм, установленных для питьевой воды. По классификации, принятой МАГАТЭ, низкоактивными отходами считаются отходы, объемная активность которых не превышает 37 кБк/м [14]. Отходы такого типа образуются при добыче и обработке ядерного топлива, нормальной работе энергетических и исследовательских реакторов, при работе научных ядерных центров и медицинских учреждений, а также в результате деятельности радиохимических производств, осуществляющих регенерацию ядерного топлива [3,15]. При существующем уровне технологии ядерного топливного цикла и переработки радиоактивных отходов радиохимические производства (РХП) дают около 95% общего количества радионуклидов, выбрасываемых в окружающую среду, атомные электростанции (АЭС) - примерно 5%, а добыча и переработка урановой руды - около 0,04% [16]. Основная масса радиоактивных отходов радиохимических производств (РХП) представлена отходами высокого и среднего уровня активности, которые подлежат захоронению [17].
Жидкие радиоактивные отходы урановых рудников и урановых заводов, поступая в поверхностные воды, могут служить источником радиоактивного загрязнения водоемов. Содержание Ra в водах, удаляемых из урановых шахт, достигает 3700 Бк/м [18]. Хотя сточные воды обогатительных фабрик и урановых заводов содержат незначительные количества радия, урана и некоторых других радиоэлементов, основное ограничение на сброс этих вод в водоемы, по-видимому, связано с присутствием в этих водах стабильных химических загрязнителей.
В сбросных водах АЭС присутствуют тритий , 58Со, 60Со, 59Fe, 65Zn, яСг, I24Sb, 137Cs, 13 Cs и некоторые другие радионуклиды [19]. В СССР сброс в водоемы-охладители стоков АЭС допускался только при уровнях их загрязнения, не подпадающих под категорию радиоактивных отходов.
Очень большие объемы радиоактивных отходов низкого уровня образуются при работе прямоточных реакторов, производящих оружейный плутоний. Так, по данным работы [20] (цитируется по [15]), в Хэнфорде (Ричленд шт. Вашингтон) в р.Колумбия ежегодно сбрасывалось свыше 29000 м3 воды из системы охлаждения реакторов. Радиоактивность воды была обусловлена продуктами нейтронной активации Р (период полураспада 14,5 суток), 24Na (период полураспада 15 часов), 64Си (период полураспада 12 часов), 56Мп (период полураспада 2,58 часа). Кроме того, в охлаждающей воде содержались в незначительных количествах продукты деления, которые проникали в воду вследствие повреждения оболочек стержней с ядерным топливом или образовывались при делении под действием нейтронного потока микроколичеств урана, естественно содержащегося в воде. 1.2 О формах миграции микроэлементов и радионуклидов в поверхностных водах
Поведение радионуклидов в водоемах и их санитарная значимость во многом определяется физико-химическими формами, в которых они находятся в воде. Даже в чистых водных растворах в условиях химических лабораторий атомы радионуклидов склонны образовывать моноядерные и полиядерные гидрокомплексы, входят в состав коллоидов и псевдоколлоидов [21,22]. Наличие во всех типах поверхностных пресных вод органических веществ (фульво- и гуминовых кислот) приводит к образованию прочных комплексных соединений радионуклидов с растворимыми органическими веществами, а кремний природных вод формирует коллоидные системы, которые могут сорбировать радионуклиды. На основе многочисленных работ, в которых изучались физико-химические формы миграции стабильных микроэлементов в поверхностных водах, невозможно сделать однозначный вывод о преимущественных формах (состояниях) того или иного элемента в природных водах. По мнению Гиббса [23] основная часть металлов в речной воде находится в донных осадках и связанных формах. Иные результаты были получены при изучении состояний 18 микроэлементов в реках Норвегии [24]. Используя фильтрацию, центрифугирование, ионный обмен, электродиализ, электрофорез в комбинации с нейтронно активационным анализом (НАА), авторы установили, что щелочные и щелочноземельные элементы присутствуют в речной и озерной воде в форме гидратированных ионов. Незначительная часть атомов кальция и бария была связана с органическими веществами. В то же время в работе Варшал Г.М. показано, что в воде р.Москва кальций и магний, образующие прочные комплексные соединения с растворенными в воде органическими веществами, вносят существенный вклад в макрокомпонентный состав вод [25]. В речной и озерной воде Норвегии основная часть алюминия, скандия, лантана, церия, самария, железа, тория была связана с коллоидами или взвесями [24]. Причем наблюдавшаяся сорбция трехвалентных элементов ионообменными смолами, по мнению авторов, скорее происходила за счет сорбции отрицательно и положительно заряженных коллоидов и молекул (частично за счет эффекта фильтрации), чем благодаря механизму ионного обмена свободных ионов. Хром в значительной степени присутствовал в форме простых хроматов. Значительная часть цинка, марганца и кобальта в речной воде была представлена гидратированными катионами.
Анализ фазовых состояний элементов в воде р.Москва с использованием НАА показал, что формы миграции металлов изменяются в зависимости от содержания в воде взвешенных веществ [26]. Для периода, когда содержание взвесей в воде составляло 10 мг/л, главным образом в растворенном состоянии мигрировали цинк, мышьяк, ртуть, уран, бром, барий, стронций. В растворе находилось порядка 60% селена, кобальта, марганца. Примерно поровну на взвеси и в растворе мигрировали сурьма, церий, лантан, самарий, европий, золото, рубидий, железо. Такие элементы, как теллур, хром, цезий, медь, цирконий, литий, гафний, скандий и торий, были обнаружены главным образом на взвесях .
Миграция радиоактивных отходов вдоль русла р. Енисей
Для оценки доли радионуклидов, которая в процессе переноса в реке выводится из потока на исследуемом участке реки, рассчитывался транспорт (перенос) радионуклидов через поперечное сечение русла в начале и конце участка. В случае однородного распределения активности по поперечному сечению реки транспорт любого радионуклида равен произведению валового объемного содержания этого радионуклида в речной воде на расход воды через данное сечение. Эта величина характеризует активность радионуклида, переносимую рекой через поперечное сечение русла за 1 с (Бк/с). Полагая, что транспорт в течение года остается постоянным, умножают транспорт за секунду на 3,156-107(число секунд в году) и получают среднегодовой транспорт радионуклида (Бк/год), который можно сопоставить с годовым сбросом этого радионуклида [2]. m ш s
Расходы воды в р.Енисей на разрезах 1 и 2 Д — средний расход на разрезе 1 (разрезе 3) в период отбора проб: июль, август, сентябрь. расход воды на разрезе 1 (разрезе 3) в июне (перед отбором проб) средний расход на разрезе 2 в период отбора проб: июль, август, сентябрь расход воды на разрезе 2 в июне (перед отбором проб). Наши измерения свидетельствуют об однородном распределении радионуклидов на разрезах 1 и 2. На разрезе 3 (п.Широкий Лог) поперечные профили концентраций не снимались, но весьма вероятно, что на этом разрезе загрязнители распределены по сечению равномерно, т.к. между разрезами 1 и 3 нет крупных притоков, которые могли бы создать неоднородность. На разрезе 5 (п.Енисейск), где распределение радионуклидов по сечению русла неоднородно, транспорт рассчитывался для участков сечения, ограниченных соседними вертикалями, путем умножения частичных расходов на среднюю концентрацию радионуклидов между этими вертикалями. Отбор проб воды на разрезе 5 проводился с борта судна, которое последовательно устанавливалось (с помощью якоря) на каждую из 11 вертикалей веерного створа Енисейской гидрологической станции Красноярского управления Госкомгидромета. На вертикалях, где глубина не превышала 3 м, пробы воды отбирали из верхнего слоя (0,5 м от поверхности), при больших глубинах на каждой вертикали отбирали 3-4 пробы (у поверхности, у дна, из средних слоев) и результаты анализа этих проб усредняли. В процессе отбора проб через фильтры и патрон с сорбентом ЦМ-А2 прокачивали 200 - 300 л речной воды.
Значения расходов воды, приведенные в табл. 3.10, характеризуют средние расходы в период отбора проб. Для разреза 1 (п. Казачинское) расходы определяли по кривой, отражающей зависимость расходов от уровней воды (Технический отчет Ленгидропректа). Для остальных разрезов оценки средних расходов выполнены с использованием данных [100]. Уровни воды в 1975 и 1979 гг. на разрезе 1 в период наблюдений менялся мало (преобладала тенденция к медленному снижению уровней и расходов воды). На разрезе 2 расходы воды в период, предшествующий отбору проб (июнь), были повышенными, что могло сказаться на транспорте радионуклидов на этом разрезе (см. рис.3.5, при построении
Вод.пост ПодкаменнаяТунгуска (ниже устьяр.Подкаменная Тунгуска 1760000 11000 8390 8500 этого рисунка использованы данные по расходам воды в Енисее и его притоках из базы данных на веб сайте www.r-arcticnet.sr.unh.edu/Tiles/arctic8.html). Результаты расчета транспорта радионуклидов через разрез 1 в 1975 г. представлены в табл.3.11, а в табл.3.12 даны соответствующие результаты для разреза 2. Валовое объемное
Среднее отношение Т(1)/С(75) для 8 радионуклидов (без 24Na и lj7Cs) 0,95 - для Со при расчетах использовалась активность на средине реки - учитывается распад во время движения радионуклидов от места сброса к разрезу 1(266 км) со средней скоростью 5 км/час . содержание радионуклидов в воде рассчитывали по содержанию на взвесях (кроме Na и 2Р) с учетом доли, переносимой на взвесях, причем для разреза 2 использовали значения f, из табл.3.4 , для разрезов 1,3 и 5 - характерные значения f из табл.3.3. При расчетах транспорта радионуклидов полагали, что в течение года активность радионуклидов, переносимая рекой через данный разрез, остается постоянной (такой же, как в период наблюдений). Из табл.3.11 видно, что годовой транспорт 51Сг через разрез 1 практически равен годовому сбросу этого радионуклида, а среднее отношение транспорта через разрез 1 к сбросу для 8 радионуклидов (без учета 24Na и 137Cs) равно 0,95 при среднеквадратичном отклонении 0,21. Поскольку основная часть 5 Сг переносится речной водой в растворе и этот радионуклид не поглощается планктоном, колебания расхода воды в сезоны года не сказываются на его транспорт. Радионуклиды, основная доля которых фиксирована на взвесях, в период межени оседают со взвесями на дно, в результате транспорт на участке реки значительной протяженности оказывается ниже сброса. При увеличении расходов воды в половодье транспорт может превышать сброс за счет взмыва взвесей, загрязненных радионуклидами. На рис.3.6 приведены результаты еженедельного расчета транспорта радионуклидов в р. Колумбия [34], полученные для трех разрезов, отстоящих от места сброса сточных вод промышленных реакторов на расстоянии 20 (Pasco), 230 (Hood River) и 360 (Vancouver) км. Эти результаты свидетельствуют, что транспорт 51Сг в р. Колумбия в течение года (с января 1964 по январь 1965 г.) оставался практически постоянным, а накопление Сг в русле на участке Паско — Ванкувер, т.е. разность между интегральным транспортом в п.Паско и п.Ванкувер, оказалось незначительным (не более 10% транспорта 5ІСг в Паско). Интегральный транспорт (за весь 1964 г.) для радионуклидов, основная доля которых фиксирована на взвесях: 60Co,58Co,54Mn,46Sc,65Zn и 5 Fe, в п. Ванкувер (замыкающий створ) заметно меньше годового транспорта в п.Паско, о чем свидетельствуют площади под соответствующими кривыми. Из рис.3.6 видно, что транспорт радионуклидов в Ванкувере даже в половодье не превышал транспорта в Паско, следовательно заметного смыва активности, аккумулированной в донных отложениях, не имело места и ежегодно происходило накопление радионуклидов русле р.Колумбия. Накоплению значительных количеств активности в русле способствовали плотины, в верхних бьефах которых аккумулировалось до 65% общего запаса загрязненных донных отложений [34]. Следует отметить наличие пика на кривой транспорта в ноябре 1964 -январе 1965 г. для п.Ванкувер, причем этот пик явно выражен для 65Zn и меньше проявляется на кривых транспорта Sc, 54Мп, 60Со, Со. Вероятно, увеличение транспорта радионуклидов в это время года можно объяснить поступлением в водный поток радионуклидов, ранее связанных с водной биотой, которая отмирает при понижении температуры речной воды зимой.
Радионуклиды на берегах Енисея
С целью оценки суммарного запаса радионуклидов в донных осадках Енисея и характера распределения активности по руслу реки в 1972 и 1973 гг. нами проводился отбор проб донных отложений вдоль русла от г. Красноярска до п. Дудинка [43-45]. Отбирались пробы мягких донных отложений (ил, песок), которые затем анализировались на гамма-спектрометре. В русле Енисея участки дна, покрытые мягкими донными отложениями, встречаются только на отдельных участках, в основном дно выстлано галькой и гравием и отбор проб каменистого дна удавался крайне редко. Поэтому плотность поверхностного загрязнения дна радионуклидами дополнительно оценивалась с помощью сцинтилляционного гамма-спектрометра, датчик которого опускался с борта экспедиционного судна на дно реки. В каждой точке регистрация гамма-излучения дна проводилась в течение 20-30 минут. Пробы донных отложений пригодные для гамма-анализа удавалось отобрать в местах, где течение воды замедлено (за поворотом русла, в углублениях дна вблизи берега, в небольших заливах). Отложения в виде песка или песчанистого ила, заполняющие впадины между камнями, на небольших глубинах отбирались вручную.
Результаты анализа проб донных отложений приведены в таблицах 4.1 и 4.2. Максимальные содержания радионуклидов наблюдались у места сброса промышленных отходов в реку (п. Атаманово) и в районе устья р. Ангара (п. Широкий Лог). Дно Енисея в основном выстлано гравием, галькою, крупным песком, поэтому при подсчете запаса радионуклидов в донных отложениях следует использовать цифры, характеризующие содержание радионуклидов именно таких отложений (твердые донные отложения). Прямые измерения гамма-излучения дна реки показали, что содержание радионуклидов в галечно-песчаных отложениях в среднем примерно в 10 раз ниже содержания в мягких донных отложениях на поблизости расположенных участках. На рис.4.1 приведены зависимости содержания 137Cs и 65Zn в твердых донных отложениях от расстояния. Из рис.4.1 видно, что по сравнению с 1972 г., как содержание 7Cs и 65Zn в донных отложениях Енисея, так и характер распределения этих радионуклидов вдоль русла реки в 1973 г. существенно не изменились. После 1973 г. длительное время (вплоть до 2000 г.) отбор проб донных отложений вдоль всего русла нами не проводился. Отдельные пробы донных отложений в 1975,1979 и в 1981 гг. отбирались на разрезах 1, 3 и 5, где проводились наблюдения за содержанием радионуклидов в воде[48,49]. Анализ этих проб показал, что в 1979 - 1981 гг. содержание 137Cs в донных отложениях на разрезах 1 и 5 заметно не изменилось по сравнению с 1972 г., содержание 65Zn уменьшилось примерно в 3 раза (см. рис.4.2).
Зависимость содержания радионуклидов в донных отложениях Енисея от расстояния по результатам измерений в 1972 и 1973гг. Вверху изменение содержания 137Cs в донных осадках на галечно-песчаных участках дна. Внизу зависимость содержания 65Zn от расстояния для таких же участков дна. Д- и сплошная линия используется для данных 1972 г., х - и штриховая линия для 1973г 500 1000 1500 2000 Расстояние от г. Красноярска, км Рн И Д - данные 1972 г., S - результаты измерений в 1975,1979 и в 1981 гг. Переход от удельной активности радионуклидов в донных отложениях (Бк/кг) к поверхностной плотности загрязнения дна (Бк/м2) выполнен в предположении, что радионуклиды равномерно распределены в верхнем слое толщиной 5 см, а плотность дна составляет 1,2 кг/дм , следовательно содержанию любого радионуклида 1 Бк/кг соответствует поверхностная плотность загрязнения 60 Бк/м2. С учетом этого по экспериментальным данным (табл.4.1 и 4.2) были рассчитаны эмпирические уравнения регрессии, описывающие изменение плотности загрязнения дна а (Бк/м2) с расстоянием L (м) в виде : a = A-LB + C (4.1) Значения коэффициентов уравнения (4.1) для ряда радионуклидов приведены в таблице 4.3.
Коэффициенты эмпирических уравнений регрессии, описывающих зависимость плотности загрязнения (а) дна Енисея радионуклидами от расстояния в 19 г.Радио-нуклид Коэффициенты уравнения (4.1) Модуль коэффициентакорреляции,R(a,L) A В С lj/Cs -0,000745 1,000000 2163,5 0,48 wZn -463003 0,006167 505896 0,96 bUCo -0,001446 1,000463 2232,7 0,95 MMn -136648 0,004681 146240,3 0,92 154Eu -0,009571 0,823652 1281,8 0,93 Запас радионуклидов в донных отложениях Енисея рассчитывали путем интегрирования (4.1) вдоль русла от места сброса сточных вод ГХК (87 км) до п. Дудинка (2000 км). При этом полагали, что ширина загрязненного радионуклидами русла реки на участке от 87 км до 267 км (разрез 1) линейно возрастала от 0 до 600 м , на участке от 267 км до 864 км (разрез 2) ширина русла равномерно увеличивалась от 600 м до 1200 м, а на участке от п. Бор (870 км) до п. Дудинка (2000 км) ширина русла равномерно возрастала от 1200 м до 5000 м . Результаты расчетов приведены в таблице 4.4. Расчеты запаса радионуклидов, выполненные аналогичным образом для проб 1973 г., дали близкие результаты. Таблица 4.4. Результаты расчета запаса радионуклидов в русле Енисея по пробам, отобранным в 1972 г. Радионуклид Запас радионуклида, ГБк Среднийсброс с 1975по 1979 гг.(данные ГХК),ГБк/год Участок русла : расстояние по руслу от г. Красноярска 87-267 км 267 - 864 км 870-2000 км 87-2000 км U/Cs ПО 900 4300 5300 3190 wZn 360 1870 2600 4800 4960 bUCo 100 740 990 1800 1630 ,MEu 55 400 670 1100 Нет данных MMn 180 460 1100 1700 Нет данных - приведены данные сброса Zn в 1979 г., данные до 1979 г. отсутствуют.
Во время обследования русла Енисея в 2000 и 2001 гг. [2] нами вдоль всего русла были отобраны пробы типичных донных отложений (песка и мелкой гальки). Пробы отбирались вблизи кромки воды с помощью кольца диаметром 260 мм, которое фиксировало площадь отбора. Результаты гамма-анализа этих проб представлены в таблице П4.1 приложения 4. В этом же приложении приведено эмпирическое уравнение регрессии, описывающее изменение плотности загрязнения дна 7Cs с расстоянием, и результат расчета запаса этого радионуклида в донных отложениях в 2001 г. Из приведенных данных следует, что в результате снижения сброса, процессов самоочищения русла и радиоактивного распада запас Cs в донных отложениях Енисея в 2001 г. уменьшился по сравнению с 1972 г. более чем в 10 раз.
Сравним результаты инвентаризации запаса Cs в донных отложениях на участке русла от 267 до 864 км с оценками запаса, сделанными в разделе 3 на основании анализа транспорта радиоцезия водным потоком. На рис.4.3 представлены зависимости запаса Cs от времени на участке русла от 267 до 864 км, рассчитанные для варианта 2 и 3 сценария темпа сброса этого радионуклида. Расчет выполнен с использованием (3.3) при параметрах: i(137Cs) = 0,20 лет"1, F(137Cs) = 0,055 (для варианта2) и при (,37Cs) = 0,177 лет-1, F(137Cs) = 0,048 (для варианта 3). Из рис.4.3 видно, что результаты инвентаризации (см. табл.4.4) с 3500
