Сравнительная оценка основных источников поступления трития в воздушную среду на территории Семипалатинского испытательного полигона

На территории Семипалатинского испытательного полигона (СИП) за время его существования было проведено 450 различных ядерных испытаний (ЯИ). Вследствие проведения ЯИ, наряду с наиболее известными техногенными радионуклидами – ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr, ²⁴¹Am, ^239+240 Pu – образовалось большое количество трития (³Н), который является одним из основных дозообразующих радионуклидов.

Все испытания, проводившиеся на основных испытательных площадках СИП, сравнимы между собой по количеству взрывов, но виды взрывов были различными. В связи с этим количество образовавшегося 3Н, а также пути его поступления в окружающую среду в каждом случае существенно отличались. Общее количество 3Н зависит от типа и мощности взрыва, конструктивных особенностей устройства и химического состава породы в месте проведения испытаний [1].

Подробно процессы образования 3Н, а также уровни его содержания в объектах окружающей среды в местах проведения воздушных, наземных и подземных ядерных испытаний на СИП были рассмотрены в ряде работ, основанных на результатах исследований [2].

Роль основных источников 3Н в загрязнении воздушной среды на территории СИП, каковыми являются поверхностные воды и подземные воды, почвенная влага, растения и полости штолен, также были изучены в процессе проведения радиоэкологических исследований полигона [3, 4]. Таким образом, на данный момент возникают иные вопросы: каково общее количе-

Ляхова О.Н.* – нач. лаб., к.б.н.; Лукашенко С.Н. – дир. ин-та, зам. дир. Центра; Ларионова Н.В. – нач. лаб., к.б.н.; Яковенко Ю.Ю. – нач. группы; Тур Е.С. – вед. инж. Институт радиационной безопасности и экологии; Нац. ядерн. центр Республики Казахстан.

ство 3Н, поступающего в атмосферу, и какой из основных источников является наиболее значимым с точки зрения тритиевого загрязнения воздушной среды.

Цель данной работы – проведение расчётных оценок общего количества 3Н, поступающего в воздушную среду с участков СИП, наиболее загрязнённых 3Н. Все расчёты выполнены на основе экспериментальных данных. При проведении расчётов было принято, что основной вклад в тритиевое загрязнение атмосферы вносит 3Н, находящийся в окружающей среде в виде тритированной воды [5, 6].

Материалы и методы

Общая методология получения экспериментальных данных

Расчёты, представленные в работе, основаны на данных о концентрации 3Н в воде, растительности, атмосферном и почвенном воздухе, которые были получены вследствие проведения экспериментальных работ на участках исследования.

Содержание 3Н определяли в свободной воде растений, полученной из испаряемого ими конденсата. Определение продуктивности растительного покрова методом укосов: срезанные растения раскладывали для просушивания до воздушно-сухого (ломкого) состояния и взвешивали.

Исследование уровня концентрации 3Н в воздушной среде проводили посредством отбора проб водяных паров методом криогенного вымораживания.

Отбор проб поверхностных вод осуществляли с помощью пробоотборника – батометра, который погружали в источник воды на заданную глубину. Пробы отбирали в пластиковые ёмкости, объёмом 0,5 л каждая. Пластиковые ёмкости герметично закрывали (закручивали) пластиковыми крышками и транспортировали в лабораторию.

Определение удельной активности 3Н во всех анализируемых образцах проводили методом жидкосцинтилляционного анализа при помощи спектрометра TRICARB 2900 TR.

Подробно все использованные в работе методы и методики представлены в [3, 7-10].

Методология проведения расчётов

Оценку поступления 3Н в воздушную среду СИП проводили для двух радиационно опасных объектов полигона: площадка «Дегелен» и русло р. Шаган. Выбор методологии проведения расчётов базировался на основных механизмах поступления 3Н в атмосферу, присущих территории СИП, которые подробно описаны в работе [7]:

• -    испарение с поверхности открытого водного источника;

• -    транспирация растениями;

• - испарение с поверхности почвы;

• - эманация из полостей штолен.

Испарение с водной поверхности. Для расчёта испарения с открытой водной поверхности Г. Пенманом в 1948 г. было выведено уравнение для стандартных климатических условий [11, 12]. Позднее формула уравнения Пенмана была адаптирована В. Шаттлуортом к системе СИ и в общепринятой практике применяется для расчёта испарения с поверхности [13]:

E

mass

A-Rn + y • 6,43 • (1 + 0,536 • U 2) • (es - ea) A •(A + у)

где Е mass – испарение, мм/день; R n – радиация нетто на поверхности, МДж/(м²·день); U 2 – скорость ветра на высоте 2 м, м/с; Δ – наклон кривой давления насыщенного пара, кПа/^oC; γ – психометрическая постоянная, кПа/^oC; e s – давление насыщенного пара, кПа; e a – фактическое давление пара, кПа; λ v – удельная теплота парообразования, МДж/кг.

Оценка коэффициентов для уравнения проводилась на базе климатических показателей по метеостанции г. Семей, собранных за последние 14 лет по формулам, подробно описанным в выпуске № 56 «Ирригация и дренаж» Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (ФАО) [12]. Полученные коэффициенты использовались для оценки ежедневных значений испарения с открытой водной поверхности, которые, усреднённые на помесячной основе, приведены в табл. 1.

Таблица 1

Усреднённые помесячные расчётные значения испарения с водной поверхности

Месяц года	Апрель	Май	Июнь	Июль	Август	Сентябрь	Октябрь
Транспирация с нормативной поверхности, мм/день	2,94	4,87	5,71	5,26	4,57	2,78	1,25

Ежегодный выброс 3H, поступающего в атмосферу с открытой водной поверхности, опре- делялся при помощи следующего уравнения:

i =1

где Q о.пов. – ежегодный выброс трития, Бк; S о.пов. – площадь поверхности, м²; ρ – плотности воды, кг/м³; Е mass – величина среднемесячного испарения, мм/день; t – продолжительность месяца, дни; A 3Hвод. – удельная активность ³H в воде.

Транспирация и испарение с поверхности почвы. Оценка общего количества ³H, поступающего в атмосферу посредством процессов транспирации и испарения с поверхности почвы, проводилась методом определения эвапотранспирации (ET) [12].

Основываясь на многолетнем опыте, ФАО рекомендовала для расчёта эвапотранспира-ции метод Пенмана-Монтейта как единственный стандартный метод:

9000,408-A-(Rn -G) + y• -^o^• U2 • (es -ea)

ET =--------------------T + 273------------,             (3)o                 A + у • (1 + 0,34 • U2)

где ЕТ о – нормативная эвапотранспирация (мм/день); R n – радиация нетто на поверхности, МДж/(м²·день); G – плотность почвенного теплового потока, МДж/(м²·день); T – средняя дневная температура на высоте 2 м, ^оС; U 2 – скорость ветра на высоте 2 м, м/с; Δ – наклон кривой давления насыщенного пара, кПа/^oC; γ – психометрическая постоянная, кПа/^oC; e a – фактическое давление пара, кПа; e s – давление насыщенного пара, кПа.

Разделение эвапотранспирации на транспирацию растениями и испарение с почвы осуществляли исходя из соображений, что в вегетационный период порядка 80% влаговыделения приходится на транспирацию [14, 15]. Соответственно испарение с почвы для вегетационного периода определяли из расчёта 20% от эвапотранспирации. Переход от нормативной транспирации к фактической вычисляли путём произведения значения нормативной транспирации и отношения фактической средней продуктивности растений на исследуемом участке к найденной продуктивности.

Ежегодный выброс 3H, поступающего в атмосферу при транспирации, определяли с использованием следующей формулы:

Q =S

транс.     транс.

.Нтранс.'^T„ • IO"3 • t, • i=1

(P pmpaHCL

( 200

,

где Q транс. – ежегодный выброс ³H, Бк; T 0 – величина среднемесячной нормативной транспирации, мм/день; t - продолжительность месяца, дни; S_mpaHC . — площадь поверхности, м²; р - плотность воды, кг/м³; A 3Hтранс. – удельная активность ³H в свободной воде растений, Бк/кг; P транс. – фактическая средняя продуктивность, г/м²; 200 – продуктивность нормативной поверхности, г/м².

Ежегодный выброс трития, поступающего в атмосферу при испарении с почвы, опреде лялся как:

Q

почв.

SnO4B

. • Р • A 3Нпочв.

• £ E 0,-' 10 -3

i =1

Р ртранс^

где Q почв. – ежегодный выброс ³H, Бк; E 0 – величина среднемесячного испарения с почвы, мм/день; t - продолжительность месяца, дни; S_n04B . - площадь поверхности, м²; р - плотность воды, кг/м³; A 3Hпочв. – удельная активность ³H в почвенной влаге, Бк/кг; P транс. – фактическая средняя продуктивность, г/м²; 200 – продуктивность нормативной поверхности, г/м².

В табл. 2 представлены усреднённые помесячные расчётные значения нормативной транспирации и испарения с поверхности почвы, используемые в дальнейших расчётах, согласно формулам (4) и (5).

Таблица 2

Усреднённые помесячные расчётные значения нормативной транспирации и испарения с почвы

Месяц года	Апрель	Май	Июнь	Июль	Август	Сентябрь	Октябрь
Транспирация с нормативной поверхности (T0), мм/день	0,00	3,19	3,83	3,53	2,99	1,73	0,00
Испарение с почвы (E0), мм/день	2,30	0,80	0,96	0,88	0,75	0,43	0,94

Эманация трития из полостей штолен. Поступление ³H в атмосферу из штолен оценивали в условиях большей неопределённости значений параметров, необходимых для расчётов. Так как на исследуемых участках проводились измерения значения активности ³H в приземном слое атмосферы над открытыми водотоками и растительностью, было решено использовать зависимость между содержанием ³H в воздухе и его выходом с поверхности при испарении или эвапотранспирации (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость измеренной активности ³H в атмосфере от расчётного выхода при испарении.

Экспериментальная часть

Количественная оценка трития, поступающего в воздушную среду с территории площадки «Дегелен». Площадка «Дегелен», расположенная на одноимённом горном массиве, была создана в начале 60-х годов для проведения подземных ядерных взрывов (ПЯВ), которые осуществлялись в штольнях [17]. Всего на территории горного массива Дегелен было произведено 209 ядерных испытаний в 181 штольне.

Удельная активность 3H в подземных и поверхностных водах площадки составляет сотни тысяч Бк/кг [8, 16], в растительности – тысячи и десятки тысяч Бк/кг [9], в воздушной среде в местах расположения штолен и внутри них варьирует в широких пределах от сотен до десятков тысяч Бк/м3 [2]. Основными источниками поступления 3H в воздух на площадке «Дегелен» являются поверхностные воды, растительность и почвенная влага. Как отдельный источник поступления 3H в атмосферу были рассмотрены полости штолен [7].

Поверхностные воды, растительность, почвенная влага

Методология проведения расчётов и исходные данные. При проведении оценки общего количества ³H на территории площадки «Дегелен» были выделены основные ручьи, загрязнённые тритием, – Узынбулак, Байтлес, Карабулак, Токтакушык и Актыбай. Расчёты проводились по руслу каждого ручья в отдельности. Для этого изначально был взят дешифрированный космоснимок, на основании которого построен рисунок с линиями, повторяющими траекторию прохождения каждого ручья. Полученные линии были условно разделены на отдельные исследовательские участки, начиная с истока ручья и заканчивая видимой зоной конечного стока. Схематически зоны разделения по каждому ручью представлены на рис. 2.

В табл. 3 приведены исходные данные, используемые при проведении оценки общего количества 3Н.

Рис. 2. Схема разделения ручьёв на исследовательские участки.

Таблица 3

Исходные данные для расчётов поступления трития с площадки «Дегелен»

Ручей	№ уч.	Длина участка, м	Средняя ширина ручья на участке, м	Средняя ширина полосы растений на участке, м	Концентрация 3H в воде, кБк/л	Средняя удельная активность 3H в растениях на участке, Бк/л	Средняя продуктивность, г/м2
	1	700	2	100	500	186700	230
	2	6000	2	1	300	222600	240
Узынбулак	3	6600	5	300	300	22250	120
	4	500	2	250	300	28800	114
	5	1000	0	100	300	26700	250
	6	8000	0	2	300	39750	240
	1	500	1	1	400	165000	400
Байтлес	2	3000	0	20	150	72000	300
	3	1000	50	60	56	56000	280
	4	7600	0	30	0	26300	280
Карабулак	1 2	7300 10000	2 0	50 2	350 50	142000 300	250 400
Токтакушык	1	1000	3	500	70	51500	70
	2	5	0	2	0	40550	280
	1	700	0	200	0	31750	130
Актыбай	2	500	0	220	0	31500	140
	3	4000	0	2	0	300	365

Результаты расчётов и их обсуждение. С учётом значений нормативной транспирации, испарения с почвы и испарения с поверхности воды из табл. 1, 2 и экспериментальных данных из табл. 3 были рассчитаны величины поступления ³H от источников, расположенных на площадке «Дегелен» (табл. 4).

Поступление трития от источников площадки «Дегелен»

Таблица 4

Ручей	Транспирация	Испарение с почвы	Испарение с поверхности воды
Узынбулак	2,2·1013	1,0·1013	1,2·1013
Байтлес	8,6·1012	3,8·1012	2,5·1012
Карабулак	3,3·1013	1,5·1013	4,0·1012
Токтакушык	4,2·1012	2,0·1012	1,8·1011
Актыбай	2,5·1012	1,1·1012	-
Общее количество	7,0·1013	3,2·1013	1,8·1013

Полученные данные показали, что в зависимости от водотока, а именно от его экосистемы в целом, на разных участках площадки «Дегелен» количество поступающего 3H в атмосферу различно от одних и тех же источников. Если рассматривать весь исследуемый участок в целом, значение количества 3H, поступающего от всех трёх рассматриваемых источников, лежит в одном порядке (табл. 4), но отмечено, что транспирация от растений здесь будет играть ключевую роль.

Полости штолен

Методология проведения расчётов и исходные данные. Подземные ядерные взрывы на площадке «Дегелен» проводили в штольнях, каждая из которых представляла собой горизонтальную горную выработку длиной от сотен метров до 2 км, с диаметром ствола выработки около 3 м и протяжённостью до 1 км (рис. 3).

Рис. 3. Схематичное изображение разреза штольни.

1 – концевой бокс; 2 – щебень; 3 – канал вывода излучений; 4 – гермоэлементы.

Несомненно, поступление 3H в атмосферу непосредственно из полостей штолен вносит существенный вклад в тритиевое загрязнение [2, 10], но сделать прямые расчёты для оценки общего количества 3H, поступающего в атмосферу, достаточно сложно из-за множества неопределённостей. Для оценки поступления 3H в атмосферу из штолен был использован подход, описанный выше, в разделе «Эманация трития из полостей штолен», который состоит в замене моделирования процесса прохождения паров насыщенной тритием воды через толщу пород за счёт испарения с открытой поверхности. В рамках этого подхода, для каждого измеренного значения активности 3H над поверхностью штольни из уравнения линии тренда рис. 1 находили соответствующее значение выхода активности с поверхности (табл. 5).

Таблица 5 Исходные данные для расчётов поступления трития со штолен и скважин

Площадка	Средняя активность 3H в приповерхностном слое воздуха, Бк/м3	Количество штолен/скважин, шт.	Средний радиус площади поступления 3H , м	Средний выход активности, Бк/м2 в день
Дегелен	10,0	181	50	1,1·104

Результаты расчётов и их обсуждение. Рассчитав по формуле (1) значение испарения с открытой поверхности на момент измерения активности ³H в воздухе, вычисляли условную удельную активность воды для конкретной площади измерения, а затем, используя эту условную активность и усреднённые помесячные значения испарения из табл. 2, а также данные по количеству штолен и по площадям поверхности, с которой ³H поступает в атмосферу (табл. 5), по формуле (2) были рассчитаны величины годового поступления ³H от штолен (табл. 6).

Оценка поступление трития со штолен

Таблица 6

Площадка	Усреднённое расчётное испарение, г/м2 в день	Усреднённая условная удельная активность 3H в воде, Бк/кг	Суммарное испарение с общей площади што-лен/скважин, г воды/год	Поступление 3H, Бк/год
Дегелен	1,3·103	8800	1,2·1012	1,1·1013

С учётом всех неопределённостей, проведённые расчёты показали, что общее количество 3H, поступающего со штолен, составляет порядка 1∙1013 Бк в год. Полученные значения сравнимы с количеством 3H, поступающего от других рассматриваемых источников поступления 3H в атмосферу. Согласно полученным результатам штольни являются одним из значимых источников при оценке поступления 3H в атмосферу на территории СИП.

Количественная оценка трития, поступающего в воздушную среду в зоне влияния р. Шаган

Река Шаган является притоком р. Иртыш и протекает с восточной стороны территории СИП. С точки зрения радиоэкологических исследований, р. Шаган заслуживает особого внимания – русло реки имеет сообщение с водами «Атомного» озера, а также питается грунтовыми водами, связанными с грунтовыми водами площадки «Балапан», используемой для проведения подземных ядерных испытаний [18]. Исследование р. Шаган проводили по схеме, аналогичной исследованию на площадке «Дегелен». Всего для расчётов было выделено 5 исследовательских участков (табл. 7).

Поверхностные воды, растительность, почвенная влага

Методология проведения расчётов и исходные данные. В табл. 7 приведены исходные данные для оценки поступления ³H с источников, расположенных на территории р. Шаган.

Таблица 7

Исходные данные для расчётов поступления трития с территории р. Шаган

Река	№ уч.	Длина участка, м	Средняя ширина ручья на участке, м	Средняя ширина полосы растений на участке, м	Концентрация 3H в воде, Бк/л	Средняя удельная активность 3H в растениях на участке, Бк/л	Средняя продуктивность, г/м2
	1	4000	5	4	2000	900	380
	2	2000	5	4	300000	135600	380
Шаган	3	6000	2	1	50000	28000	320
	4	14000	2	2	15000	8800	300
	5	70000	2	2	200	60	270

Результаты расчётов и их обсуждение. С учётом значений нормативной транспирации испарения с почвы и с поверхности воды, взятых из табл. 1, и исходных данных из табл. 7, были рассчитаны величины поступление ³H от источников, расположенных на территории р. Шаган (табл. 8).

Таблица 8 Поступление трития с территории р. Шаган

Ручей	Транспирация	Испарение с почвы	Испарение с поверхности воды
Шаган	1,5·1012	6,4·1011	3,4·1012

Полученные данные показали, что на территории р. Шаган основными источниками поступления 3H в атмосферу являются вода и растительность. Количество трития, поступающего с почвенной влагой, меньше на порядок, что являлось вполне ожидаемым.

Сравнительная оценка вклада различных источников в суммарное поступление 3H

В табл. 9 представлены обобщённые данные по оценке общего количества 3H, поступающего в воздушную среду с наиболее загрязнённых тритием участков на территории СИП.

Таблица 9

Сравнительная оценка поступления 3Н

Механизм поступления	Количество 3H, поступающего в атмосферу, Бк/год		Общее количество 3H, поступающего в атмосферу, Бк/год
	Площадка «Дегелен»	Река Шаган
Испарение	1,8·1013	3,4·1012	2,1·1013
Транспирация	7,0·1013	1,5·1012	7,2·1013
Эманация (почвенная влага)	3,2·1013	6,4·1011	3,2·1013
Эманация (штольни)	1,1·1013	-	1,1·1013
Общее количество 3H, поступающего в атмосферу, Бк/год	1,3·1014	5,6·1012	1,3·1014

Согласно результатам, все исследованные механизмы поступления являются сравнимыми по количеству 3H и вносят одинаково существенный вклад в поступление 3H в воздушную среду СИП. Однако необходимо отметить, что при детальном анализе и обобщении полученных данных процесс транспирации растений является наиболее значимым применительно к условиям исследуемых участков. Вероятно, это происходит из-за тесной связи растительности как с водными объектами, так и с почвенным горизонтом, что говорит о том, что растительность, возможно, является своеобразным индикатором тритиевого загрязнения территории.

Заключение

В работе дана оценка общего количества 3H, поступающего в воздушную среду на территории Семипалатинского испытательного полигона. Для этого проведено исследование двух основных площадок, где отмечено максимальное загрязнение 3H – площадка «Дегелен» и русло р. Шаган. Показано, что «Дегелен» вносит больший вклад в тритиевое загрязнение атмосферы: общее количество поступающего с её территории 3H на 2 порядка превышает значения, полученные для русла р. Шаган.

В каждом конкретном случае основную роль в загрязнении воздушной среды может играть любой из представленных механизмов поступления – в одном случае более значимую роль будет играть растительность за счёт механизма транспирации, а в другом – испарение с поверхности воды или почвы.

Анализ полученных данных в целом показал, что общее количество 3H, поступающего в воздушную среду с загрязнённых участков, будет зависеть от многих факторов и параметров, присущих каждой конкретной территории. Это, в первую очередь, виды проведённых на участке испытаний и, как следствие, концентрация 3H в окружающей среде. Не менее важным будет наличие поверхностных и подземных водотоков и их гидрологический режим, которые влияют на распространение определённых видов растительности и продуктивность их произрастания, а также оказывают существенное влияние на влажность почвы.

Расчёты показали, что 3H, поступающий посредством транспирации растений, вдвое превышает тритий, поступающий по другим механизмам. Был сделан вывод, что именно растительность как источник и транспирация как механизм будут играть ключевую роль при будущих исследованиях поступления 3H в воздушную среду СИП.