Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Ядерно-геофизические измерения параметров ботанической реабилитации радиоактивно-загрязненных площадей

ВАК РФ 04.00.24, Экологическая геология

Автореферат диссертации по теме "Ядерно-геофизические измерения параметров ботанической реабилитации радиоактивно-загрязненных площадей"

РГб 03

од

ФЕ11М»

На правах рукописи

Александрова Жанна Николаевна

ЯДЕРНО-ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ БОТАНИЧЕСКОЙ РЕАБИЛИТАЦИИ РАДИОАКТИВНО-ЗАГРЯЗНЕННЫХ ПЛОЩАДЕЙ

Специальность: 04.00.24 - Экологическая геология, 04.00.12 - Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Екатеринбург - 1998

Работа выполнена на кафедре прикладной геофизики Уральской государственной горно-геологической академии

Научный руководитель:

доктор геолого-минералогических наук, профессор Возжеников Г.С

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Уткин В.И. (Институт геофизики УрО РАН,

доктор геолого-минералогических наук, профессор Вершинин А.С. (УГГГА)

Ведущая организация:

Институт экологии растений и животных УрО РАН

Защита диссертации состоится 1998 Г. В 'г ЧЭ1

на заседании диссертационного совета Д 003.31.01 при Институте геоф] зики УрО РАН по адресу: 620216, г. Екатеринбург, ул. Амундсена, 100.

С диссертацией можно ознакомится в научной библиотеке Института ге физики УрО РАН

Автореферат разослан "/У" 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физ.-мат. наук, профессо'

Хачай Ю.Е

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Проблема радиоактивного загрязнения ¡иосферы привлекает внимание широкого круга специалистов: медиков, иофизиков, геофизиков, радиоэкологов, из-за последствий воздействия на <ивые организмы ионизирующих излучений, источником которых являются ассеиваемые в природе радиоактивные изотопы.

Особую актуальность проблемы радиоэкологии приобретают в слу-ае аварийных ситуаций, связанных с выбросами радиоактивных веществ в тмосферу, как это имело место при ядерной аварии на Южном Урале в 957 году, при радиационной аварии на промышленном ядерном реакторе в йндскейле (Великобритания) в 1957 году и при аварии на Чернобыльской ЭС в 1986 году. По оценкам специалистов при катастрофе на 4 блоке ернобыльской АЭС было выброшено на окружающие территории не менее 30 млн. Ки радиоактивных веществ (без учета активности нескольких тонн 1ерного горючего, выброшенного вблизи АЭС). В результате площадь тер-4тории Беларуссии, Украины и России с плотностью загрязнения радиоак-1вным цезием более 1480 кБк/м2 составила 3.1 тыс. км2, а с уровнем за-»язнения свыше 185 кБк/м2 - 24.5 тыс. км2. Из сельскохозяйственного 5орота выведены большие площади, где в настоящее время невозможно юживание населения и получение продукции, отвечающей нормативным »ебованиям.

Из большого количества радиоактивных веществ, образующихся в :зультате деления тяжелых ядер, наиболее важную роль в биотическом [кле играют долгоживущие радиоактивные изотопы Sr90 и Cs137 с перио-ми полураспада соответственно 28 и 30 лет. Цезий и стронций растворил в воде и могут участвовать в пищевой цепочке человека.

В настоящее время в качестве способов дезактивации загрязненных дионуклидами почв используются механические и химические способы, а кже естественное остывание радионуклидов. Указанные способы дезакти-ции обладают серьезными недостатками.

Так, механическая дезактивации почвы осуществляется путем уда-ния верхнего слоя почвы с последующим его захоронением на специально веденных территориях, либо путем глубокой вспашки, в результате кото-й верхний горизонт сбрасывается ниже границы корнеобитаемого слоя, а лее глубокие горизонты переносятся на дневную поверхность. Указанные немы существенно снижают плодородие почв, так как они связаны с уда-■гаем поверхностного, наиболее плодородного слоя почвы или захороне-

нием этого слоя на глубину. На естественное восстановление изъятого слоя почвы, в зависимости от климатических условий, требуются многие десятки и даже сотни лет. Кроме того, механическая дезактивация абсолютно не пригодна для песчаных почв с тонким плодородным слоем, как, например, в Белоруссии, поскольку ее осуществление может привести к невозможности дальнейшего сельскохозяйственного использования таких территорий. Другим ограничивающим фактором для применения механической дезактивации является трудность, связанная с транспортировкой большой массы снято» почвы и организацией специальных "могильников". Здесь возникают про блемы ветровой эрозии и загрязнения грунтовых и питьевых вод.

При химической дезактивации почв предлагается проводить выще лачивание радиоактивных изотопов Сб137 и Б г90 с помощью химически; агентов. Однако применение этой технологии связано с проблемой выбор, химического агента, так как невозможно подобрать такой агент, которьп действовал бы только на атомы Сз137 и Бг90, поскольку в системе почва почвенный раствор будут всегда находиться различные соединения други: элементов, которые так же, как соединения Се137 и Б г90, будут вступать реакции с этим агентом. Применение химических соединений может уху/ шать физические и химические свойства почв и приводить их в состояние когда нормальная жизнедеятельность растений будет затруднена или и< ключена вовсе. Кроме того, химическое выщелачивание опасно применят на территориях с неглубоким уровнем грунтовых вод, так как это може привести к загрязнению последних.

Пассивное ожидание снижения уровня радиоактивности за счет е-тественного распада изотопов Сб137 и Бг90 предусматривает исключение з грязненных территорий из сельскохозяйственного использования и мож< растянуться, в зависимости от степени загрязнения, на сотни лет, так кг указанные радионуклиды имеют большие периоды полураспада.

Таким образом, возникает необходимость в разработ: ^ такой техн логии дезактивации, которая была бы лишена отмеченных недостатков - 1 наносила бы экологического ущерба почвам и другим экосистемам и позв ляла бы сократить сроки их реабилитации.

Настоящая работа посвящена изучению возможности использован! растений, аккумулирующих радионуклиды для дезактивации загрязненш территорий путем отчуждения растительной массы и дальнейшей ее утил зации.

Работа связана с планом НИР кафедры ядерной (с 1996 г. - пр кладной) геофизики УГГГА 1992 - 1997 г.г. и выполнялась в рамках п

бюджетных и хоздоговорных работ.

Целью настоящего исследования является теоретическое и экспериментальное обоснование использования ботанического фактора для :окращения сроков реабилитации радиоактивно-загрязненных площадей.

В соответствии с намеченной целью в диссертационной работе ре-лены следующие основные задачи :

- с помощью гамма-спектрометрического анализа парных проб 'растение-почва" получены данные о факторах перехода радионуклида Cs137 1ля нескольких десятков дикорастущих видов растений применительно к юкальному участку Чернобыльского следа.

- в рамках исследованной выборки растения ранжированы по их :пособности к эвакуации радиоактивной компоненты из среды загрязнения, фи этом выявлены растения с аномальными значениями факторов перехода так называемые гипо- и гипераккумуляторы радиоактивного цезия.

- оценена возможность интегральных гамма-измерений для экс-ipeccHoro определения удельной активности Cs137 и комбинированных гам-[а-бэта измерений на Sr90 в условиях in situ на локальных участках Черно-ыльского и Восточно-Уральского радиоактивных следов.

Защищаемые научные положения-.

1. Диапазон изменения факторов перехода радионуклида Cs137 из очв в зеленую массу растений для различных видов составляет около трех орядков - от десятых долей процента (гипоаккумуляторы) до нескольких есятков процентов (гипераккумуляторы).

2. Использование растений-гипераккумуляторов радиоактивного целя в качестве средств дезактивации почв значительно сокращает время, еобходимое на реабилитацию радиоактивно-загрязненных площадей.

3. Интегральные гамма-измерения в условиях in situ позволяют денивать удельную активность радионуклида Cs137 в почвах Чернобыльско-> следа, а комбинированные гамма-бэта измерения в условиях in situ -хельную активность радионуклида Sr90 в почвах Восточно-Уральского ра-юактивного следа.

Достоверность научных положений и выводоя подтверждена шзостью результатов внутреннего контроля гамма-спектрометрических 1ализов большого количества почвенных и растительных проб, выполнений в ядерно-геофизической лаборатории кафедры прикладной геофизики ГГГА, а также внешнего контроля, который выполнялся рядом независи-jx подразделений, включая отдел радиационной гигиены института Пауля [еррера (Швейцария).

Научная новизна работы:

- На основе гамма-спектрометрического анализа парных проб "растение-почва" получены значения факторов перехода радионуклида Cs137 для нескольких десятков дикорастущих видов растений, характерных для локального участка Чернобыльского следа.

- Получен ряд ранжирования исследованных видов растений по их способности накапливать радиоактивный цезий из почв, выявлены растения с аномальными значениями факторов перехода Cs137.

- Предложена приближенная теория ботанической реабилитации радиоактивно-загрязненных почв.

- Результатами опытных полевых измерений на территории Восточно-Уральского радиоактивного следа подтверждена эффективность технологии ботанической реабилитации радиоактивно-загрязненных почв.

- Обоснована возможность экспрессного определения удельной активности радионуклида Cs137 в почвах Чернобыльского следа на основе измерений интегрального гамма-излучения в условиях in situ.

- Обоснована возможность экспрессного определения удельной активности радионуклида Sr90 в почвах Восточно-Уральского радиоактивного следа на основе комбинированных измерений в условиях in situ интенсивности бэта- и гамма-излучения.

- Получены патент на изобретение "Способ дезактивации почв" и положительные решения о выдаче патентов на изобретения по трем заявкам.

Практическая значимость работы заключается в возможности значительно сократить сроки реабилитации радиоактивно-загрязненньи площадей за счет использования растений-гипераккумуляторов радиоактив ной компоненты.

Предложенная методика экспрессной оценки удельных активносте{ радионуклидов Cs137 и Sr90 в почвах на основе измерений в условиях in siti упрощает задачу мониторинга радиоактивно-загрязненных площадей.

Результаты работы использованы автором в учебном процессе н; кафедре прикладной геофизики Уральской государственной горно-геоло гической академии при подготовке курса "Радиоэкология".

Методы выполнения работы. Ядерно-геофизические измерена выполнялись на серийно выпускаемой аппаратуре. Спектрометрически! гамма-измерения на Cs137 проводились в лаборатории кафедры прикладно] геофизики УГГГА, радиометрическое определение Sr90 - в специализирован ной лаборатории ПО "Агрохимзащита" по аттестованной методике.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на межвузовской НПК "Конверсия ВУЗов - защите окружающей среды" (Екатеринбург, 1994), международных научно-практических семинарах "Уралэкология-95" (Екатеринбург, 1995) и "Уралэкология-96" (Екатеринбург, 1996), а так же на научных семинарах кафедры прикладной геофизики УГГГА.

Отдельные положения работы обсуждались в рабочем порядке с участием руководства Департамента сельского хозяйства и продовольствия Правительства Свердловской области.

Публикации. Содержание диссертации изложено в семи опубликованных работах.

Стриктура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех основных разделов, заключения.

Работа содержит 105 стр. машинописного текста, 52 рисунка, 11 таблиц, 127 библиографических ссылок и представленных в виде отдельного тома 71 приложения объемом 140 стр.

Автор выражает особую благодарность своему научному руководителю - профессору Возженикову Г.С. за постановку задачи, постоянное внимание и помощь в работе, коллективу кафедры прикладной геофизики УГГГА за созданные благоприятные условия для выполнения исследований, друзьям и близким за понимание и поддержку.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Состояние вопроса и постановка задачи

Способность растений по разному аккумулировать радионуклиды аде недостаточно используется в практических целях для очищения загрязненных территорий от радиоактивных продуктов деления с помощью отчуждения выращенной растительной массы и последующей ее утилизации.

Эффективность технологии ботанической реабилитации загрязнен-1ых территорий зависит от ряда факторов: используемых видов раститель-юсти, их морфофизиологических особенностей, длительности вегетацион-юго периода, а также от свойств дезактивируемых почв и использующихся 1грохимичеких и агротехнических приемов, которые позволяют усиливать юступление радионуклидов из почв в растения, то есть управлять выносом >адиоактивных элементов. .

Возможности управления переходом раиоизотопов из почв в растения заключаются в следующем:

- использование растений-гипераккумуляторов радиоактивных эле ментов,

- стимуляция роста растений-гипераккумуляторов для получения наи большей биомассы,

- улучшение доступности радионуклидов для корневого питания рас

тений.

Таким образом, исследование всех этих факторов в частности или i комплексе, возможно лишь на основе разработки методической базы фито дезактивации.

Особо важное значение для разработки технологии ботанической реабилитации загрязненных радионуклидами почв имеет исследование фак торов перехода радиоактивных элементов для широкого спектра растений i выявление среди них гипераккумуляторов.

Работы в области сельскохозяйственной радиоэкологии, занимающей ся проблемами миграции радионуклидов в сфере сельскохозяйственной производства, были начаты практически одновременно и в нашей стране i за рубежом (Menzel R.G., 1954; Сошаг C.L., Whitneu I.B., Lengemann F.W. 1955; Гулякин И.В., Юдинцева Е.В., 1957; Herbst W., 1958; Поляков. Ю.А. 1959; Sittkus A., Welte Е., 1959; Cline J.F., Hungate F.P., 1960; Тимофеев Ресовский Н.В., 1961; Scheffer F., Ludwieg F., 1961; Nishita H., Romne; E.M., Larson K.H., 1961; Ширшова P.A., 1962; и др.).

Общее научное руководство исследованиями по радиоэкологии i СССР осуществлял академик ВАСХНИЛ Клечковский В.М. Биофизическа: лаборатория, созданная им в 1948 году в Тимирязевской сельскохозяйст венной академии, первая в стране начала работу по изучению закономерно стей поведения радиоактивных продуктов деления в звене миграции почва растения. Под руководством Клечковского В.М. сотрудник!" лаборатори] (Гулякин И.В., Юдинцева Е.В., Егоров A.B. и др.) выполнили фундамек тальные исследования по выяснению процессов сорбции различными nov вами продуктов деления, изучению закономерностей поступления радис нуклидов в сельскохозяйственные растения, разработке основных агроте> нических и агрохимических мероприятий по снижению перехода радиону* лидов из почвы в растения.

Впервые идея о ботанической рекультивации почв высказан Гулякиным И В. и Юдинцевой Е.В. в 1957 году: "Растения, особенно бобе вые, могут очищать почву от радиостронция".

В 1963 году Алексахин Р.М., исследуя накопительную способность )астений, предложил считать отчуждение фитомассы с накопившимися в 1ей радиоактивными продуктами деления как отдельный прием дезактивации почв. Однако, прежде всего он относил это к радиоизотопу Бг90. Для >чистки почв от этого осколка деления Алексахин Р.М. предложил исполь-ювать представителей кальцефильной многолетней растительности и преж-¡е всего бобовых, известных накопителей кальция. Так, по степени накоп-[ения растениями Бг90 установлен следующий ряд (в порядке убывания): •орох, вика, клевер, свекла, картофель, пшеница, лен, тимофеевка Гулякин И.В., Юдинцева Е.В., 1960).

Биологический способ очистки почв от Сбш Алексахин Р.М. не читал пригодным, так как усвоение растительностью этого радиоизотопа фоисходит в гораздо меньших количествах, чем Б г90, что связано с более ильной сорбцией Сэ137 почвами.

Авария на Чернобыльской АЭС обусловила новый всйлеск радио-кологических исследований. В последние годы приоритет в попытке разра-ютки основ методической базы фитодезактивации принадлежит укра-нскому академику Гродзинскому Д.М. С 1986 года он планомерно пыта-тся создать комплекс приемов, обеспечивающих фитодезактивацию как екреационное мероприятие. На основании проведенных исследований родзинский Д.М. указывает на перспективность использования растений-алофитов в практических целях для фитодезактивации и уменьшения за-рязнения почв радиостронцием.

Однако, следует отметить, что радиоактивное загрязнение почв поле аварии на Чернобыльской АЭС в настоящее время в основном связано долгоживущим радионуклидом Сэ137. Поэтому проблемы рекультивации и еабилитации выведенных из сельскохозяйственного оборота радиоактивно-агрязненных угодий, где в настоящее время невозможно проживание насе-ения и получение продукции, отвечающей нормативным требованиям, до их пор решить не удалось.

Таким образом, фитодезактивация как рекреационное мероприятие ще не получила широкого применения ввиду недостаточной разработанно-ги методической базы. Частично это объясняется тем, что не велись целе-аправленные поиски растений-гипераккумуляторов. В основном исследова-ись культурные, идущие в пищу человека и животных растения, характе-изующиеся малой накопительной способностью. А диапазон изученных в гом отношении дикорастущих травянистых растений очень мал, хотя уста-эвлено, что они обладают большей активностью в накоплении радионукли-

дов. Кроме того, недостаточно изучена зависимость накопительной способности растений от большого количества факторов и условий, позволяющих управлять выносом радионуклидов.

Обоснование технологии ботанической реабилитации радиоактивно-загрязненных площадей

Радиоэкологические исследования выполнялись на локальном участке Чернобыльского следа, расположенном на территории Гомельской области (Белоруссия), с плотностью загрязнения радионуклидом Се137 до 15 Ки/км2.

При разработке технологии ботанической реабилитации радиоактивно-загрязненных площадей важно знать характер распределения радионуклидов в почвенном слое и, в связи с этим, степень доступности радио активных элементов корневым системам растений. Изучение вертикальногс распределения Сб137 в почве участка Чернобыльского следа позволило за ключить, что вся радиоактивность сосредоточена в верхнем 20-ти санти метровом слое почвы, а основная ее доля (около 90 %) - в 10-ти сантимет ровом слое. Скорость вертикальной миграции Сб137 невелика и ожидат! значительного "самоочищения" почвы в ближайшие десятилетия не прихо дится. В настоящее время радиоцезий находится в корнеобитаемом почвен ном слое и доступен растениям.

Способность растений накапливать радиоактивную компоненту оце нивалась по фактору перехода ¿-го радионуклида из почвы в зеленую масс; растений /-го вида, который определялся на основе гаммг спектрометрического анализа парных проб "растение-почва":

А.,

«"Т ■ 0

где Л,у - удельная активность ¿-го радионуклида в /-ом растение, А, - удел! ная активность ¿-го радионуклвда в почве.

Экспериментально определены значения факторов перехода радис нуклида Сз137 для 67 видов растений, среди которых были как культурны! так и дикие представители флоры. Растения ранжированы в порядке убь вания их факторов перехода. Установлено, что все растения в той или инс мере накапливают радиоактивный цезий. Диапазон изменения факторов п> реходз для различных видов растений очень велик и достигает трех поря, кое (от тысячных до десятый долей единицы).

По результатам выполненных измерений максимальными факторами 1ерехода характеризуются кипрей болотный (0,671), очиток пурпурный [0,244), осока (0,242), шлемник обыкновенный (0,23), мышиный горошек [0,221), жерушник (0,208) и другие растения, которые отнесены к -ипераккумуляторам радиоактивного цезия.

Минимальными факторами перехода обладают полынь горькая [0,001), пырей ползучий (0,007), спаржа лекарственная (0,007), которые можно назвать гнпоаккумуляторами Cs137.

Исследования показали, что фактор перехода (рц для одного и того

же растения является неустойчивой величиной, относительное стандартное этклонение которой может достигать 30 - 48 %. Автор связывает это с различием физико-химических свойств почвы, которые могут усиливать или, наоборот, ослаблять поступление цезия в растения (Алексахин P.M., Моисеев И.Т., Тихомиров Ф.А., 1987; Караваева E.H., 1975; Ширшова P.A., 1962; Herbst W., 1958; и др.), а также с возможной нелинейностью аккумуляции растениями радионуклидов в зависимости от концентрации последних в почве (Гулякин И.В., Юдинцева Е.В., 1958; Ковалевский А.Л., 1991). Комплексное влияние отмеченных обстоятельств может приводить к значительным колебаниям факторов перехода радионуклида Cs137.

Таким образом, наличие растений, способных в больших количествах накапливать радиоактивный цезий (более 20 % от содержания последнего в почве) является благоприятной предпосылкой для применения технологии ботанической реабилитации площадей, загрязненных по типу Чернобыльского следа.

Сущность предлагаемой технологии сводится к следующему. На почвах, подлежащих очистке от радиоактивного загрязнения, систематически выращиваются растения, характеризующиеся максимальной способностью к извлечению радиоактивного элемента из питающей среды (почвы), то есть растения-гипераккумуляторы Cs137 (мышиный горошек, шлемник обыкновенный и другие). Урожай, обогащенный частично выведенными из почвы радионуклидами скашивается, озоляется и утилизируется. При этом цикл "выращивание гипераккумуляторов - скашивание - утилизация" повторяется до тех пор, пока уровень радиоактивности почвы не окажется соответствующим нормам радиационной безопасности.

Описанный способ позволит сохранить плодородный почвенно-растительный слой и значительно сократит срок реабилитации загрязненных площадей, если иметь в виду только естественную убыль активности загрязняющего радионуклида за счет его распада.

Результаты экспериментальных определений факторов перехода ра дионуклида Сб137 из почв в различные виды растений представляют интере< не только при разработке технологии ботанической реабилитации загряз ненных территорий. Они могут иметь применение для заблаговременной прогноза содержания радиоактивного цезия в выращиваемых кормовы; культурах при ведении животноводства на зараженных землях, а следова тельно для прогноза радиоактивной загрязненности продуктов питанш (мяса, молочной продукции и т.д.). Среди исследовавшихся были и лекарст венные растения (хвощ, донник желтый, чистотел, зверобой и многи< другие). Поэтому данные по факторам перехода Сэ137 для этих растенш важны при заготовке лекарственного сырья.

Приближенная теория ботанической реабилитации радиоактивно-загрязненных площадей

При оценке времени необходимого для снижения удельной актив ности г'-го радионуклида в почве от начального ао1 до заданного значенш щ(0, предлагается ограничиться только двумя из возможных факторо! реабилитации - естественным остыванием и ботаническим выведением ¿-ог компоненты из среды загрязнения при культивировании растений /-го-вида.

Предполагается, что в процессе "отсасывания" растениями /-го ра дионуклида, его количество, переходящее при прочих равных условиях и; почвы в зеленую массу, подлежащую после созревания обязательной ути лизации, составляет определенную, характерную для данного нуклида 1 I для данного растения / долю от активности ¿-ой компоненты, находящейся I среде загрязнения.

С учетом отмеченного срок ботанической реабилитации будет:

(2;

t=-

T>+T>JJ

где г,- - средняя продолжительность жизни i-ro радионуклида; х1} - средня?

продолжительность пребывания ¿-го радионуклида в загрязненной почве с учетом его выведения (эвакуации) /-ым растением (при заданных парамет pax урожайности).

Для расчета параметра г,у введено понятие периода ботаническогс

полувыведения под которым понимается время, необходимое для выно

са половины t-ой компоненты /-ым растением при некотором уровне уро

жаиности.

Функция выживания 1-го радионуклида в среде культивирования у-го аккумулятора при условии, что фактор перехода фу является константой:

1-я-

т,

М

П

(3)

где ту - урожайность (масса с единицы площади) аккумулирующей зеленой массы; М - масса загрязненного корнеобитаемого почвенного слоя единичной площади; п - кратность утилизации (количество урожаев за сезон); ку -

:рок выращивания у-го растения (промежуток времени ДО в нормировке к 1ериоду полувыведения /-ым растением 1-го радионуклида (Ту ), то есть

ДГ

ки ="

Ч у

(4)

Т = -1ч

дг,

(5)

Учитывая отмеченное, автор получает для периода ботанического юлувыведения:

г \

1п2

1 для средне!! продолжительности пребывания /-го радионуклида в почве с счетом его выведения /-ым растением:

ДГ

-И]<Р,]

де Ц] -пт^ЬА.

Таким образом, соотношение

я,О

(6)

г =

1п-

(7)

г, А/

г, 1п(1 - ¡л; <Ру )- Д/

юзволяет оценивать сроки ботанической реабилитации радиоактивно-агрязненных площадей через факторы перехода /-го радионуклида из почвы ! надземную массу /-го растения.

Выполненные оценки времени t позволили заключить автору, что [спользование растений-гипераккумуляторов радиоактивного цезия в каче-тве средств дезактивации почв заметно сокращает время, необходимое на еабилитацию радиоактивно-загрязненных территорий. Рассчитанные сроки казались значительно меньше сроков реабилитации почвы без ботаниче-кого выведения радиоактивной компоненты. Так, за счет естественного

100

распада Cs137 его активность в почве снижается в 10 раз через 104 года. Это примерно в два раза больше, чем при использовании в качестве средства дезактивации любого из гипераккумуляторов с фактором перехода более 20 %.

Для повышения эффективности ботанической pea билитации радиоактивно-за грязненных площадей автор рекомендует мероприятия, на правленные на повышение па раметра фц, урожайности ак

кумулируюших растений m¡ i количества укосов п за вегета ционный период. Расчеты по казывают, что увеличение параметра ¡л} q>,, может приводить к значитель

ному сокращению продолжительности рекультивации почв (рис. 1). Так, по вышение значения Uj<Pij от 0 до 0,05 снижает время восстановления поч!

от 104 до 10 лет при условии, что уровень радиоактивности предполагаете; уменьшить на порядок.

Разложение вида lnfl-*)^ ~ -х упрощает формулу для срока бо танической реабилитации почв:

Mi<Pii

Рис. 1

ta-

г i Ai

¡<PijMj

+ Дt

In

(8

или

t ~ -

1

In

a, (t)

In

«/(О

(9

Произведение О^^ц^ понимается как фактор ботанической реаби литации радиоактивно-загрязненных площадей,

я = (10

определяющий продолжительность снижения почвенной активности от не которого начального до задгжюго а-^О уровня:

j

t sa-

ín

МО

(11)

Ч1+Я)

Более строгое выражение для Я легко получается из формулы (2) в виде следующего отношения:

т,

R = -

(12)

В результате радиоэкологических исследований, выполненных на одном из локальных участков Восточно-Уральского радиоактивного следа с уровнем загрязнения по Бг90 до 1 Ки/км2, получено практическое подтверждение эффективности ботанической реабилитации радиоактивно-загрязненных территорий. Объектом изучения являлась территория, представленная тремя разновидностями почв - рекультивированными в послеаварийный период с помощью глубокой вспашки, ненарушенными дезактивационными мероприятиями и использующимися в течение длительного времени (включая промежуток после 1957 года) как естественный сенокос, а также

ненарушенными и не использующимися для заготовки сена почвами. Измерения выполнялись с помощью модернизированного прибора для измерений ионизирующих излучений типа "Прогноз", приспособленного для регистрации суммарного (Р+у)-отклика и отклика, свободного от Р-излучения (через экранирование). Распределение по площади исследованного участка Р-сос-тавляющей аппаратурного параметра, которая определялась как

200

ж150 а

^100 с

3 50 О

— lili IIII i i 1__1 IIII i i 1 P i

IIII -h у ь -

. ® а. _ i r i i i / T lili i i

0 10 20 30 40 50 SO -У

1: V;

1 - сенокос на рекультивированной почве

2 - сенокос на целинной почве

3 - лес „

Рис. 2

эазность между замерами без экрана (р+у) и с экраном (у), показало, что активность по р-лучам, включающая отклик естественно-радиоактивных р-1злучателей и излучение радионуклида Бг90, в той части участка, где про-1зводилось регулярное с момента загрязнения скашивание растительности, жазалось заметно ниже (в 3-4 раза), чем в точках наблюдений, располо-кенных за пределами этой части - за контактом сенокос-лес. Контраст в шпаратурном отклике по Р-лучам (рис. 2) четко прослеживался по всем гьемочным профилям участка.

Результаты полевых измерений позволили установить, что систематическое выращивание и утилизация растительной смеси, которая по Sr90 и не была гипераккумулирующей, позволило снизить активность указанного радионуклида в почве за 39 лет более, чем в 10 раз, а срок реабилитации t по сравнению с естественным остыванием радиостронция при этом сократился примерно в 2,3 раза.

Исследования накопительной способности растения шлемник обыкновенный, произрастающего на территории ВУРСа, показали, что значение фактора перехода радионуклида Cs137 для названного вида (<Ру =0.28), мало отличается от значения, установленного для этого вида на территории Чернобыльского следа (фу = 0.23 ), хотя возраст, степень цезиевых загрязнений

и физико-химические свойства почв для указанных территорий отличаются. Это еще раз подтвердило тот факт, что в первую очередь биологические особенности растений определяют их способность накапливать радиоактивные элементы. Высоким у исследовавшегося растения оказалось значение

фактора перехода Sr90 (= 0.93 ). Этот результат согласуется с выводами

многих исследователей (Гулякина И.В. и Юдинцевой Е.В., 1958; Тимофеева-Ресовского Н.В., 1961; и др.) о том, что растения могут накапливать некоторые продукты деления в концентрациях, соизмеримых с их концентрациями в почве. Поэтому шлемник обыкновенный можно рассматривать как средство дезактивации почв, загрязненных не только радиоцезием, но и радиостронцием. Расчеты показали, что выращивание и утилизация этого вида вместо имевшейся на исследованном участке растительной смеси привело бы к 10-ти кратному снижению активности Sr90 в почве не за 39 лет, как это было зарегистрировано, а примерно за 15 лет. Двукратного снижения почвенной активности при использовании этого растения можно добиться менее, чем за 5 лет без каких либо дополнительных приемов.

Методика экспрессных измерений удельных активностей радионуклидов Cs137 и Sr90 в условиях in situ

В настоящее время мониторинг цезиевого загрязнения территории Чернобыльского следа, в основном, осуществляется на основе гамма-спектрометрического анализа почвенных проб1, что усложняет технологии:

Международный чернобыльский проект. Оценка радиологических последствий и защитны? мер / Доклад Междун?р<ушпго консультативного комитета. - М.: ИздАТ, 1991. Чернобыльская катасттМпричини и последствия (экспертное заключение). В 4-х ч. Ч. 3 Последствия катастрофы на Чернооыльской АЭС для республики Беларусь / Под ред В.Б.Нестеренко. - Мн.: Скарына, 1992.

акого мониторинга и, как следствие, не обеспечивает должную представи-ельность измерений сельхозугодий и населенных пунктов.

Анализ спектров "гамма-излучения почвенных проб, отобранных на ерриторин Чернобыльского следа, показал, что кроме Cs137, Cs134, К40, [родуктов распада U238 и Th232, в них не содержится других гамма-¡злучателей. Причем контраст между площадью фотопика, соответствующе-о аналитической линии Cs137 (0.662 МэВ) и площадями фотопиков урана, ория, калия и Cs134 оказался очень большим. Исследования распределения дельной активности всех гамма-излучающих радионуклидов в почвенных бразцах показали, что основная доля гамма-излучения почв связана с ра-ионуклидом Cs137.

Сопоставление площади фотопика цезневой линии (0.662 МэВ) с лощадью всего спектра гамма-излучения в диапазоне от 0.03 до 3 МэВ, ыполненное для нескольких десятков почвенных проб, обнаружило четкую орреляцию (г=+0.99), свидетельствующую о тесной связи интегральных змерений с массовой долей Cs137, находящегося в исследуемой пробе.

Отмеченное обстоятельство послужило основанием для проверки озможности экспрессной оценки удельной активности радионуклида Cs137 почвах Чернобыльского следа путем регистрации интенсивности инте-эального гамма-излучения в условиях in situ.

Установленная корреляционная связь между интегральной интенсивностью гамма-излучения, измеренной в условиях in situ серийно выпускаемым радиометром СРП-88, и массовой долей Cs137 в почве оказалась достаточно тесной (рис. 3). Коэффициент корреляции составил +0,94.

Выполненные автором расчеты показали, что точность определения s137 в почве по интегральному гамма-излучению, зарегистрированному в :ловиях in situ, весьма удовлетворительна, относительные ошибки в своем эльшинстве не превышали 10 % и зависели, в основном, от погрешности ггистрации интегрального гамма-излучения.

Точность определения удельной активности радионуклида Cs137 ус-шавливает необходимое соотношение между мешающим (от Cs134, К40,

О ЙЮОО 20000 30000

Удельная активность Cs157 в почве; Бк/кг

Рис. 3

продуктов распада U238 и Th232) и полезным (от Cs137) сигналами в регис рируемом интегральном гамма-отклике. Отмеченное обстоятельство являе' ся ограничивающим условием для применения методики экспрессного onpi деления удельной активности Cs137 по интегральному гамма-излучению, и меренному в условиях in situ. Оценки дополнительной погрешности, cbi занной с суммарным вкладом радионуклидов-помех, показали, что при о ношении стандартных отклонений интенсивности мешающего гамм, излучения и интенсивности гамма-излучения Cs137, равном 0.5, эта погрей ность увеличивается примерно до 15 %.

Анализ существующих условий радиоактивного загрязнения бол шей части территории Чернобыльского следа позволил сделать вывод возможности использования предлагаемой методики цезиевого монитори] га, так как гамма-излучение Cs137 доминирует над гамма-излучением др; гих радионуклидов и тесно коррелирует с интегральным гамма-откликом.

Мониторинг заражения почв Восточно-Уральского радиоактивно! следа радионуклидом Sr90, являющимся на сегодняшний день основным з грязнителем указанной территории, выполняется с помощью радиохимич с кого или бэта-спектрометрического анализа почвенных проб. Эти исслед вания характеризуется значительной трудоемкостью и низкой производ тельностью, что обуславливает их высокую стоимость. Отмеченное обсто тельство, по мнению автора, привело к тому, что до настоящего времен все имеющиеся картографические материалы о загрязнении территор1 Восточно-Уральского радиоактивного следа изотопом Sr90 являются прот: воречивыми, так как сеть выполнявшихся измерений не обеспечивала до таточную представительность.

Результаты определения удельных актирностей радионуклидов почвенных пробах, отобранных на территории ВУРСа, показали; „что соде жания урана, тория и калия в них находятся на уровне кларков. Средн< значение удельной активности Cs137 в 4 раза меньше соответствующей в личины для Sr90. Сравнение стандартных отклонений удельных активност« указанных радионуклидов обнаружило, что для стронция оно в 11,5 р; больше, чем для цезия. Более спокойный, слабопеременный характер ц зиевого загрязнения подтвердили результаты площадной гамма-съемк выполненной на локальном участке ВУРСа.

Установленное соотношение удельных активностей Sr90 и Cs137 почвах ВУРСа автор считает благоприятной предпосылкой для экспрессно определения радио ¿у-' -ида S\ q по измерениям интегрального |3-излучеш в условиях in situ. Как показали расчеты, отличие стандартных отклонен!

ктивностей нуклидов Sr90 и Cs137 более, чем на порядок будет обеспечи-ать за счет мешающего р-излучения цезия дополнительную погрешность пределения стронция, не многим превышающую 1 %.

Сопоставление результатов измерений интенсивности интегрального -излучения в условиях in situ, выполненных на основе комбинированных -, у-измерений с применением модернизированного прибора "Прогноз", и дельной активности радионуклида Sr90 в почвенных образцах; отобранных точках измерений, обнаружило тесную корреляцию между ними. Коэффи-иент корреляции составил +0,99.

Таким образом, установленное преобладание р-излучения Sr90 над -излучением других радионуклидов и его тесная корреляция с интеграль-ым Р-откликом позволили заключить, что определять удельную активность адионуклида Sr90 в почвах ВУРСа можно с помощью комплексных измере-ий интегрального р- и уизлучения в условиях in situ. Это значительно прощает задачу стронциевого мониторинга - делает его более дешевым и кспрессным.

Заключение

Основные результаты выполненной работы сводятся к следующему:

1. Экспериментально определены факторы перехода радионуклида s137 из почв в растения 67 видов локального участка Чернобыльского слез. В рамках исследованной выборки выявлены растения с аномальной спорностью к выведению радиоактивной компоненты из среды загрязнения.

2. Теоретически и экспериментально обоснована применимость ;хнологии ботанической реабилитации территорий, подвергшихся радиоак-1вному загрязнению.

3. Получены основные количественные соотношения, позволяющие ценить сроки ботанической реабилитации радиоактивно-загрязненных тощадей. При этом показано, что использование растений-гиперакку-уляторов Cs137 в качестве средств дезактивации позволяет сократить вре-ч, необходимое для снижения почвенной активности до норм радиацион-)й безопасности. Например, при использовании растения мышиный горо-ек снижение активности радионуклида Cs137 в почве в 10 раз происходит эимерно в 2 раза быстрее по сравнению с естественным остыванием ука-iHHoro радионуклида.

4. В результате опытных полевых измерений, проведенных на од-

ном из локальных участков Восточно-Уральского радиоактивного следг экспериментально доказана эффективность технологии ботанической реаби литации загрязненных почв.

5. Введено понятие о факторе ботанической реабилитации радиоаи тивно-загрязненных почв и предложены способы его количественной оцеп ки. Показано, что с увеличением фактора ботанической реабилитации срок дезактивации почвы уменьшаются.

6. Установлена тесная корреляционная связь между интегрально интенсивностью гамма-излучения Чернобыльских почв и содержанием в ни радиоактивного цезия. На этой основе предложена методика оценки удел! ной. активности радионуклида Cs137 в почвах Чернобыльского следа на ос нове интегральных измерений гамма-излучения в условиях in situ.

7. Обоснована возможность определения удельной активности рг дионуклида Sr90 в почвах Восточно-Уральского радиоактивного следа на ос нове комбинированных Р-, у-измерений в условиях in situ.

8. Получены патент на изобретение "Способ дезактивации почв" положительные решения о выдаче патентов на изобретения по трем заяЕ нам.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Предварительные результаты исследования утилизации радионуклидов в зеленой массе растений загрязненных площадей / / Конверсия Вузов - защите окружающей среды: Тез. докл. Всероссийской НПК. - Екатеринбург, 1994.

2. О возможности ботанической реабилитации загрязненных площадей Восточно-Уральского радиоактивного следа / / Международная выставка-семинар "Уралэкология-95": Тез. докл. - Екатеринбург,* 1995. (Соавтор: Возжеников Г.С.)

3. О сроках реабилитации загрязненных площадей / / Проблемы экологии и охраны окружающей среды: Тез. докл. науч.-практ. семинаров на междунар. выставке "Уралэкология-96". - Екатеринбург, 1996. - С. 190191. (Соавтор: Возжеников Г.С.)

4. Опыт экспрессной оценки удельной активности Cs-137 в почвах Чернобыльского следа на основе интегральных измерений / / Изв: Вузов, Горный журнал. - 1996. - №12. - С. 19-22. (Соавтор: Возжеников Г.С.)

5. О ботанич^ >п реабилитации радиоактивно-загрязненных площадей / / Геофизика. - 1Ы>7. - ."fei. - С. 63-67. (Соавторы: Возжеников Г.С.,

зелышев Ю.В., Возжеников Е.Г.)

6. О ботаническом факторе реабилитации радиоактивно-загрязнен-1ых площадей / / Радиационная безопасность Урала и Сибири: Тез. докл. всероссийской науч.-практ. конф. - Екатеринбург, 1997. - С. 30-31. Соавторы: Возжеников Г.С., Белышев Ю.В., Возжеников Е.Г.)

7. Способ дезактивации почв: Патент РФ № 2077749, кл. й 21 Р >/34, 9/00. - 1997. - 3 е.: ил. (Соавторы: Возжеников Г.С., Возжени-:ов Е.Г.)

Прдписано в печ. 5*. О {. 19$£■» Формат 60 х 84 1/16. Бумага УШОССЫй Объем Тир. /£>£> Зак. № '

Екатеринбург, К-83, пр. Ленина, 51. Типодаборатория УрГУ.