Дозы облучения работников при проведении сельскохозяйственных операций на загрязнённой радионуклидами (137Cs, 241Am и 238, 239 + 240Pu) территории

На современном этапе при снижении уровня загрязнения почв основными чернобыльскими радионуклидами 137Cs и 90Sr примерно на 50% (убыль за счёт радиоактивного распада 90Sr составляет 2,35% в год, 137Cs – 2,27%), встаёт вопрос об использовании в сельскохозяйственном производстве земель, ранее выведенных из хозяйственного оборота [1]. На территории радиоактивного загрязнения, отдельные участки которых могут быть в ближайшее время рекомендованы для ввода в сельскохозяйственный оборот, РНИУП «Институт радиологии» апробирует технологии возделывания сельскохозяйственных культур в севообороте. Присутствие в составе загрязнения этих земель долгоживущих и альфа-излучающих трансурановых элементов (ТУЭ) – 241Am и 238,239+240Pu, ставит также дополнительные вопросы об уточнении ожидаемых эффективных доз внутреннего облучения, обусловленных ингаляционным поступлением радиоактивных аэрозолей в организм работников при выполнении различных сельскохозяйственных операций. Закреплённые в почве радионуклиды при проведении сельскохозяйственных работ под действием ветра и механических факторов с частицами пыли могут подниматься в воздух и, тем самым обуславливать формирование дозы внутреннего облучения за счёт ингаляционного поступления.

Материалы и методы

Полевые эксперименты заложены на участках земель общей площадью 4 га, принадле- жащих территории Полесского государственного радиационно-экологического заповедника (ПГРЭЗ) возле бывшего населённого пункта (б.н.п.) Рафалов Брагинского района Гомельской области, находящегося в 42 км от ЧАЭС (рис. 1).

Рис. 1. Расположение экспериментального участка на космическом снимке.

Эти земли расположены на дерново-подзолистых супесчаных почвах, которые характеризуются высоким почвенным плодородием (согласно данным последнего тура агрохимического и радиологического обследования основные агрохимические показатели выше, чем среднестатистические по Брагинскому району в целом (табл. 1)). Мощность эквивалентной дозы (МЭД) на высоте 1 м от поверхности почвы и плотность загрязнения радионуклидами пахотного горизонта почвы приведена по замерам 2013 г.

Таблица 1

Агрохимические и радиологические характеристики экспериментального участка возле б.н.п. Рафалов Брагинского района Гомельской области

Агрохимические показатели						Радиологические показатели
рH КCl , ед.	СаO, мг/кг	МgO, мг/кг	K 2 O, мг/кг	P 2 O 5 , мг/кг	Гумус, %	МЭД (1м) мкЗв/ч	137Cs, кБк/м2	90Sr, кБк/м2	241Am, кБк/м2	239+240 Pu, кБк/м2	238 Pu, кБк/м2
5,5-5,7	1000-1300	90-110	210-230	140-200	3,1-3,7	0,4-0,5	840-990	75-90	2,2-8,9	2,2-3,2	0,8-1,2

Отбор проб воздуха при выполнении основных пылеобразующих сельскохозяйственных операций осуществлялся с использованием одновременно 4-х аспирационных фильтровентиляционных установок (ФВУ Model H-810) для отбора воздуха на поле и переносного пробоотборника (ПВП-04А) для отбора воздуха в кабине механизатора. В качестве фильтрующего материала использовали ультратонкое синтетическое полотно на основе перхлорвинила со средним диаметром волокон 1,5 мкм – ткань Петрянова (ФПП 15-1,5) толщиной 0,2 мм на марлевой подложке.

Погода в дни укоса трав и уборки зерна была сухая и жаркая, температура воздуха находилась в пределах 25-28 ° С. Операции вспашки, дискования и сева проводились в более прохладную погоду при температуре воздуха 10-15 ° С.

МЭД гамма-излучения измеряли дозиметром-радиометром МКС-AT 1125. Удельную активность 137Cs, 241Am в пробах почвы и объёмную активность 137Cs в пробах воздуха определяли на гамма-спектрометре расширенного энергетического диапазона с бериллиевым окном «Canberra-GX3020». Определение объёмной активности ТУЭ – 241Am, 238Pu, 239,240Pu в пробах воздуха и удельной активности 238Pu, 239,240Pu в пробах почвы выполнялось радиохимическим методом. Алгоритм радиохимической процедуры включал следующие основные операции: озоление воздушных фильтров; кислотное вскрытие; концентрирование и очистка ТУЭ от радионуклидов щелочных и щелочноземельных металлов; стабилизация Pu в IV-валентном состоянии; очистка Am от Pu (IV) на Anion Exchange Resin; очистка Am от Sr (II) и Fe (II) на TRU-Spec Resin; очистка Am от лантаноидов на TEVA-Spec Resin; электроосаждение Pu и Am [9]. Измерение активности 238,239+240Pu и 241Am выполнялось на альфа-спектрометрическом комплексе Alpha Analyst, Canberra, с кремниевым полупроводниковым детектором типа PIPS с энергетическим разрешением < 15 кэВ, эффективностью регистрации не менее 18% (для расстояния образец-детектор 5 мм), фоном < 1 имп./час для энергий более 3 МэВ. Время измерения счётной мишени составляло 1-4 суток. Химический выход варьировал в пределах 80-95%. Погрешность определения активности не превышала 30%.

Результаты

Механическое воздействие на почву при выполнении сельскохозяйственной обработки сопровождается так называемым процессом ресуспензии – переходом в воздух содержавшихся на поверхности почвы и растительности радиоактивных частиц. Количественно этот процесс описывается коэффициентом ресуспензии (дефляции), численно равным отношению активности радионуклида в объёме воздуха q a (Бк/м³) к плотности загрязнения этим радионуклидом подстилающей поверхности почвы Ā (Бк/м²) в единице поверхности почвы [7, 8]:

Ka = qa/A, где Ka - концентрация примеси в воздухе над поверхностью почвы с единичной плотностью загрязнения, 1/м (Бк/м3)/(Бк/м2).

На интенсивность ресуспензии влияет множество неопределённых и быстро меняющихся во времени и пространстве факторов (время сезона и суток, метео- и почвенно-климатические условия, способ механического воздействия на подстилающую поверхность и т.д.). Поэтому на экспериментальном участке данный параметр рассчитан для конкретных технологических операций при возделывании сельскохозяйственных культур в севообороте.

Объёмы прокаченного воздуха, масса пыли, объёмная активность ТУЭ и коэффициенты ресуспензии, полученные при выполнении основных пылеобразующих сельскохозяйственных операций (дискование, вспашка, сев и уборка сельскохозяйственных культур) в условиях проводимого полевого эксперимента, представлены в табл. 2.

Объёмная активность контролируемых радионуклидов – ¹³⁷Cs, ²⁴¹Am, ²³⁸Pu, ^239+240Pu сопоставлена с допустимой среднегодовой объёмной активностью для населения ДОА нас (табл. 2)

согласно действующим до 1 января 2013 г. гигиеническим нормативам НРБ-2000 [10]. Для некоторых сельскохозяйственных операций (сев «на поле» и уборка зерна «в кабине» комбайна «Полесье») содержание 137Cs и ТУЭ в воздухе рабочей зоны оказалось ниже минимальнодетектируемой активности (МДА) применяемых средств измерений.

Таблица 2

Объёмная активность радионуклидов в воздухе рабочей зоны при выполнении различных сельскохозяйственных работ

Вид сельскохозяйственной деятельности	Объём воздуха,	Масса пыли, г/м3	238 Pu		239+ 240 Pu		241 Am		137 Cs
			Бк/м3	Ка, 1/м	Бк/м3	Ка, 1/м	Бк/м3	Ка, 1/м	Бк/м3	Ка, 1/м
Дискование (в поле)	200	н/o*	4x10 —6	4x10 —9	1x10-5	4x10 —9	2x10-5	4x10-9	7x10-3	8x10-9
Вспашка (в поле)	250	н/o*	1x10 —5	1x10-8	3x10-5	1x10-8	5x10 —5	1x10-8	3x10-2	3x10-8
Сев (в поле)	195	н/o*	<1x10 —6		<1x10 —6		<1x10-6		<4x10-2
Уборка зерна тритикале (в поле)	230	н/o*	2x10 —6	2x10 —9	1x10-5	4x10 —9	2x10-5	4x10-9	1x10-2	1x10-8
Уборка зерна тритикале (в кабине комбайна «Лида-1300»)	7,5	н/o*	<1x10 —6		4x10-5	1,5x10-8	8x10-5	2x10-10	6x10-2	6x10-8
Укос трав (в поле)	85,9	0,0024	1x10 —5	1x10-8	2x10-5	7x10 —9	4x10-5	8x10-9	2x10-2	2x10-8
Укос трав (в кабине комплекса для заготовки кормов К-Г-6)	8,0	0,0052	5x10 —5	5x10-8	1,5x10-4	6x10-8	2x10-4	4x10-8	8x10-2	9x10-8
Уборка зерна рапса (в поле)	108,7	0,0012	1x10 —6	1x10 —9	5x10 —6	2x10 —9	1x10-5	3x10-9	4x10-3	4x10-9
Уборка зерна рапса (в кабине комбайна «Полесье»)	3,7	0,0002	<1x10 —6		<1x10 —6		<1x10-6		<4x10-2
Допустимая среднегодовая объёмная активность для населения ДОА нас			2,7x10-3		2,5x10-3		2,9x10-3		27

* – не определялось.

Данные табл. 2 свидетельствуют, что содержание весового количества пыли в кабине комплекса К-Г-6 являлось максимальным и составляло 5,2 мг/м³, а содержание пыли в кабине комбайна «Полесье», которая оборудована кондиционером, наоборот, было минимальным и составляло 0,2 мг/м³. Коэффициент ресуспензии для ¹³⁷Cs и ТУЭ (²⁴¹Am и ^238,239+240Pu), характеризующий сельскохозяйственные операции на залежных землях через 27 лет после аварии на ЧАЭС, варьирует в пределах n x 10^-10-10^-81/м, что соответствует литературным данным для других условий пылеобразования [5-8].

Максимальными значениями объёмной активности радионуклидов в воздухе рабочей зоны характеризуется рабочее место «в кабине механизатора» при укосе трав и уборке зерновых с использованием комплекса К-Г-6 и зерноуборочного комбайна «Лида-1300» ОАО «Лидагро-проммаш». Комплекс К-Г-6 предназначен для скашивания зелёных и подбора из валков подвяленных, сеяных и естественных трав с измельчением и погрузкой в транспортные средства [4]. Комбайн «Лида-1300» при выполнении технологической операции – уборке зерновых – производит срез, обмолот, сепарацию, очистку зерна, накопление зерна в бункере с последующей выгрузкой в транспортные средства [2]. Кабины комбайна «Лида-1300» и комплекса К-Г-6 не оснащены системой кондиционирования, вследствие чего возникает необходимость непрерывного проветривания рабочей зоны механизатора в течение всего рабочего времени через открытые оконные проёмы, куда могут поступать частицы радиоактивного материала, поднятого из почвенных слоев.

Сопоставление полученных результатов показывает, что на экспериментальном участке вблизи б.н.п. Рафалов Брагинского района Гомельской области максимальные показатели объёмной активности радионуклидов установлены при уборке трав «в кабине механизатора» К-Г-6 и составили по 137Cs менее 1%, а по 241Am и 239,240Pu – 7,4 и 5,8% соответственно от допустимой для населения среднегодовой объёмной активности во вдыхаемом воздухе ДОАнас [10]. Следует отметить, что показатель ДОАнас регламентирован в гигиеническом нормативе ГН 2.6.1.8127-2000 (НРБ-2000) [10], который в Республике Беларусь с 01.01.2013 г. был заменён на Санитарные нормы и правила «Требования к радиационной безопасности» [12] и Гигиенический норматив «Критерии оценки радиационного воздействия» [3]. На современном этапе, исходя из основных пределов доз облучения, равных 20 мЗв в год для персонала и 1 мЗв в год для населения, предлагается рассчитывать допустимые среднегодовые объёмные активности и устанавливать их отдельными гигиеническими нормативами Министерства здравоохранения Республики Беларусь. При одновременном воздействии на человека источников внешнего и внутреннего облучения суммарная эффективная доза не должна превышать основных пределов доз облучения [3].

Полученные значения объёмной активности ТУЭ (табл. 2) в воздухе рабочей зоны были использованы для оценки эффективной дозы внутреннего облучения, формируемой за счёт ингаляционного поступления 137Cs, 241Am и 238,239+240Pu в организм сельскохозяйственных работников при выполнении рассмотренных операций. Эффективные дозы внутреннего облучения людей были рассчитаны с учётом рекомендаций МАГАТЭ и международных требований [11, 13]. Из консервативных соображений расчёт ожидаемых эффективных доз внутреннего облучения производился с использованием дозовых коэффициентов для частиц диаметром 1 мкм, исходя из предположения, что вся зарегистрированная объёмная активность (табл. 2) представлена наиболее респирабельными частицами.

Основной вклад в эффективную дозу внутреннего облучения от ТУЭ (241Am и 238,239+240Pu) сельскохозяйственных работников при выполнении рассмотренных пылеобразующих операций на загрязнённых радионуклидами территориях вносит ингаляционное поступление 241Am – 46-65% от суммы всех ТУЭ.

На рис. 2 графически представлена мощность эффективной дозы внутреннего облучения от ингаляционного поступления ТУЭ – 241Am и 238,239+240Pu в организм работников при выполнении отдельных сельскохозяйственных операций «на поле» и «в кабине механизатора».

1 – дискование (в поле); 2 – вспашка (в поле); 3 – уборка зерна тритикале (в поле); 4 – уборка зерна тритикале (в кабине комбайна «Лида-1300»); 5 – укос трав (на поле); 6 – укос трав (в кабине комплекса К-Г-6); 7 – уборка зерна рапса (в поле).

Рис. 2. Мощность эффективной дозы внутреннего облучения от ингаляционного поступления ²⁴¹Am и ^238,239+240Pu в организм работников при выполнении пылеобразующих сельскохозяйственных операций.

Сравнительная оценка мощности эффективной дозы внутреннего (ингаляционное поступление 137Cs и ТУЭ) облучения работников при выполнении различных пылеобразующих сельскохозяйственных операций на территории экспериментального участка представлена в табл. 3.

Таблица 3

Оценка мощности эффективной дозы внутреннего облучения сельскохозяйственных работников для пылеобразующих операций

Вид сельскохозяйственной деятельности	Мощность эффективной дозы внутреннего облучения, мЗв/ч
	238 Pu	239+240 Pu	241 Am	Сумма ТУЭ	137 Cs
Дискование (в поле)	7,8×10-9	3,2×10-8	3,6×10-8	7,6×10-8	1,3×10-8
Вспашка (в поле)	2,4×10-8	7,1×10-8	9,3×10-8	1,9×10-7	4,8×10-8
Уборка зерна тритикале (в поле)	2,4×10-8	1,2×10-7	1,7×10-7	3,1×10-7	1,8×10-8
Уборка зерна тритикале (в кабине комбайна «Лида-1300»)	-	5,3×10-7	8,6×10-7	1,4×10-6	1,0×10-7
Укос трав (в поле)	1,2×10-7	2,6×10-7	4,3×10-7	8,1×10-7	3,2×10-8
Укос трав (в кабине комплекса К-Г-6)	5,9×10-7	1,9×10-6	2,2×10-6	4,7×10-6	1,5×10-7
Уборка зерна рапса (в поле)	1,2×10-8	6,4×10-8	1,4×10-7	2,2×10-7	7,5×10-9

Таким образом, при выполнении различных пылеобразующих сельскохозяйственных операций максимальная мощность эффективной дозы от ингаляционного поступления ¹³⁷Cs и суммы ТУЭ (²⁴¹Am + ^238,239+240Pu) была сформирована на рабочем месте «в кабине механизатора» комплекса К-Г-6 и составила - 1,5 х 10^-7 и 4,7 х 10^-6 мЗв/ч соответственно. Данные табл. 3 свидетельствуют о том, что при выполнении всех рассмотренных сельскохозяйственных операций вклад от ¹³⁷Cs, по сравнению с таковым от суммы ТУЭ, в формирование эффективной дозы внутреннего облучения на один порядок меньше.

Кроме того, на рабочем месте «в поле» эффективная доза внутреннего облучения от ингаляционного поступления всех рассматриваемых радионуклидов для каждой сельскохозяйственной операции также на один числовой порядок величины меньше соответствующих доз внутреннего облучения на рабочем месте «в кабине», не оснащённой системой кондиционирования.

Показатели дозы внешнего облучения работников, выполняющих операции на экспериментальном участке, характеризуются величиной МЭД, которая составляла: «на поле» – 0,4-0,5 х 10^-3 мЗв/ч, а «в кабинах механизаторов» - 0,15-0,20 х 10^-3 мЗв/ч. Принимая во внимание показатели МЭД и эффективные дозы внутреннего облучения для пылеобразующих операций (табл. 3) можно заключить, что при выполнении сельскохозяйственных работ как «на поле», так и «в кабинах механизаторов», преобладающий вклад в суммарную эффективную дозу вносит доза внешнего облучения работников. Даже при выполнении наиболее пылеобразующей операции – укоса трав на рабочем месте «в кабине механизатора», ожидаемая эффективная доза внутреннего облучения за счёт ингаляционного поступления суммы ¹³⁷Cs и ТУЭ составила 4,9 х 10^-6 мЗв/ч, что на два порядка меньше максимальной эффективной дозы внешнего облучения, которую сельскохозяйственный работник получает «в кабине» - 0,2 х 10^-3 мЗв/ч, или «в поле» - 0,5 х 10^-3 мЗв/ч.

Время, которое сельскохозяйственным работникам (полеводам, механизаторам) необходимо затратить на выполнение операций на экспериментальном участке, зависит от технологи- ческого регламента по возделыванию различных сельскохозяйственных культур. Полный цикл возделывания отдельных культур может достигать 70 часов в год. При этих затратах времени суммарная годовая эффективная доза (сумма эффективной дозы внешнего облучения и ожидаемой эффективной дозы внутреннего облучения) сельскохозяйственных работников, занятых на самых пылеобразующих операциях, будет достигать 3x10-2 мЗв в год. Указанная величина суммарной дозы внешнего и внутреннего облучения сельскохозяйственных работников составляет 3% от основного предела доз облучения – 1 мЗв в год для населения.

Выводы

В результате проведения полевых экспериментов, в рамках которых имели место пылеобразующие сельскохозяйственные операции – вспашка, дискование, сев, уборка зерновых, укос трав на территории радиоактивного загрязнения установлено:

• -    максимальные эффективные дозы внутреннего облучения работников от ингаляционного поступления ¹³⁷Cs и ТУЭ (²⁴¹Am и ^238,239+240Pu) в воздухе рабочей зоны формируются в кабине механизатора, не оснащённой системой кондиционирования;

• -    основной вклад в дозу внутреннего облучения от ТУЭ вносит ²⁴¹Am – более половины от суммы всех ТУЭ;

• -    при выполнении всех рассмотренных сельскохозяйственных операций вклад в эффективную дозу внутреннего облучения от ¹³⁷Cs, по сравнению с таковым от суммы ТУЭ, на один числовой порядок величины меньше;

• -    эффективная доза внутреннего облучения от ингаляционного поступления всех рассматриваемых радионуклидов для каждой сельскохозяйственной операции «на поле» также на один числовой порядок величины меньше соответствующих доз внутреннего облучения на рабочем месте «в кабине механизатора», не оснащённой системой кондиционирования;

• -    при выполнении наиболее пылеобразующих сельскохозяйственных операций ожидаемая эффективная доза внутреннего облучения за счёт ингаляционного поступления ¹³⁷Cs и суммы ТУЭ (²⁴¹Am + ^238+239+240Pu) на два математических порядка величины меньше эффективной дозы внешнего облучения работников;

• -    при затратах времени 70 часов в год на выполнение операций по возделыванию сельскохозяйственных культур суммарная доза внешнего и внутреннего облучения работников составляет 3% от основного предела доз облучения – 1 мЗв в год для населения;

• -    для снижения дозы внутреннего облучения работников рекомендуется использовать сельскохозяйственную технику, кабина которой оснащена системой кондиционирования, а также минимизировать время нахождения на рабочем месте «в поле».