НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
ІНСТИТУТ ГЕОХІМІЇ, МІНЕРАЛОГІЇ ТА РУДОУТВОРЕННЯ
Чебаненко Сергій Іванович
УДК 550.42:546.799:631.41+631.42
УРАН І ПЛУТОНІЙ У ҐРУНТАХ БЛИЖНЬОЇ ЗОНИ ЧОРНОБИЛЬСЬКОЇ АЕС
Спеціальність 04.00.02 – геохімія
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата геологічних наук
Київ – 2006
Дисертацією є рукопис
Роботу виконано в Інституті геохімії, мінералогії та рудоутворення
Національної академії наук України
Науковий керівник: | академік НАН України, доктор геолого-мінералогічних наук, професор Соботович Емлен Володимирович, директор Інститу геохімії навколишнього середовища НАН та МНС України, м. Київ
Офіційні опоненти: | доктор геолого-мінералогічних наук Бухарєв Володимир Павлович, завідуючий відділом екологічної геохімії, Інститут геохімії навколишнього середовища НАН та МНС України, м. Київ
доктор хімічних наук Самчук Анатолій Іванович, головний науковий співробітник відділу геохімії техногенних металів та аналітичної хімії, Інститут геохімії, мінералогії та рудоутворення НАН України, м. Київ
Провідна установа: | Інститут геології та геохімії горючих копалин НАН України та НАК “Нафтогаз України”, м. Львів
Захист відбудеться “15“ червня 2006 р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.203.01 при Інституті геохімії, мінералогії та рудоутворення НАН України за адресою: 03680, Київ-142, пр. Палладіна, 34.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту геохімії, мінералогії та рудоутворення НАН України, м. Київ, пр. Палладіна, 34.
Автореферат розісланий “ “ 2006 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради
кандидат геол. наук Д. С. Черниш
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми дисертації. Катастрофа на Чорнобильській АЕС поставила перед сучасною наукою взагалі і геохімією зокрема цілу низку глобальних екологічних проблем. Для геохімії одна з таких проблем полягає у вивченні поведінки трансуранових елементів у природних геологічних утвореннях, зокрема в ґрунтах, які є основною ланкою усіх ландшафтів на Землі.
Елементу плутонію тут надається особлива увага. Це пояснюється тим, що плутоній (Pu-239 і Pu-240) належить до найбільш небезпечних для органічної матерії довгоіснуючих техногенних -випромінювальних радіонуклідів. У зв’язку з тим, що геохімія плутонію вивчена недостатньо через майже повну відсутність у сучасних гірських породах його природних ізотопів, просторово-часове прогнозування поведінки у зоні гіпергенезу цього актиноїдного елемента може здійснюватися на основі вивчення його штучних ізотопів, що надійшли в навколишнє середовище внаслідок випробувань ядерної зброї (глобальні випадіння) і позаштатних викидів підприємств ядерно-промислового комплексу, серед яких чорнобильський є наймасштабнішим.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Усі дослідження, представлені в дисертаційній роботі, проведені в Інституті геохімії, мінералогії і рудоутворення НАН України (раніше – Інститут геохімії і фізики мінералів АН УРСР) і в Інституті геохімії навколишнього середовища НАН України (раніше – Відділення радіогеохімії навколишнього середовища АН УРСР) у рамках наукових, раніше закритих, державних програм і тем, пов’язаних з ліквідацією наслідків аварії на ЧАЕС: “Балаклава” (1986), “Омега” (1987–1988), “Букет” (1989) та ін. А також за темами “Розробка геохімічних засад екологічно безпечного довготермінового зберігання і поховання радіоактивних відходів в Україні” (2001–2005, № держреєстрації 0102U000293) та “Геохімічні основи розбракування техногенних і природних аномалій” (2003–2007, № держреєстрації 0103U000246).
Мета і задачі дослідження. Мета даної роботи полягала у встановленні основних закономірностей міграції техногенних ізотопів урану і плутонію в різних типах ґрунтів Українського Полісся та оцінці рівня забруднення ґрунтів ближньої зони ЧАЕС.
Для досягнення мети були вирішені наступні задачі:
·
Визначити кількісний вміст урану і плутонію та їхній ізотопний склад у ґрунтах ближньої зони ЧАЕС.
·
Вивчити особливості розподілу та ступеню окиснення твердофазних форм уранового палива, що потрапили до ґрунтів ближньої зони ЧАЕС.
·
Порівняти міграційну здатність техногенного урану та плутонію з рухомістю природного урану в системі ґрунт – водний розчин.
·
Визначити склад водорозчинних форм міграції урану і плутонію в ґрунтових розчинах.
·
Встановити співвідношення основних форм плутонію в різних типах ґрунтів.
·
Розробити методику радіохімічного виділення урану і плутонію із однієї загальної наважки проби для мас- і -спектрометричного аналізів.
Об'єкт дослідження – ізотопи природного і техногенного урану та плутонію.
Предмет дослідження – особливості розподілу і міграції ізотопів урану і плутонію в ґрунтах ближньої зони ЧАЕС.
Фактичний матеріал і методи дослідження. Дисертаційна робота була виконана в ІГМР НАН України і ІГНС НАН України під керівництвом академіка Е. В. Соботовича.
Основою для аналітичних і експериментальних робіт слугували матеріали випробування, проведеного автором у період польових робіт починаючи з лютого 1987 року в зоні відчуження Чорнобильської АЕС. За цей період було відібрано і проаналізовано 377 проб ґрунтів різного ступеня забруднення. Первинна підготовка проб проводилася в містах Чорнобиль і Прип’ять.
Були проведені експериментальні дослідження з вивчення: ізотопного складу і ступеня окиснення акумульованого ґрунтами уранового ядерного палива; особливостей первинного розподілу ізотопів урану і плутонію в ґрунтах і їхньої вертикальної міграції; порівняльного вилуговування і кінетики вторинного міжфазного перерозподілу техногенного урану і плутонію в системі ґрунт – розчин; форм хімічної міграції плутонію (катіонні, аніонні, псевдоколоїдні форми).
У роботі використовувалися наступні методи: гама-спектрометричний; альфа-спектрометричний; мас-спектрометричний; авторадіографічний; радіо-ізотопних індикаторів; комплекс радіохімічних методів виділення урану і плутонію з природних об’єктів (екстракція, паперова розподільна хроматографія, іонообмінна хроматографія, електролітичне осадження та ін.), а також методи діалізу і електродіалізу.
Вірогідність одержаних результатів забезпечується цілковитим узгодженням одержаних даних із контрольними визначеннями, проведеними в різних лабораторіях.
Наукова новизна отриманих результатів.
1.
Вперше експериментально доведено, що у ґрунтах ближньої зони ЧАЕС внаслідок забруднення їх диспергованим ядерним паливом валовий ізотопний склад урану змінився у бік збагачення ізотопами U-234 і U-235. В ґрунтах ближньої зони ЧАЕС вперше визначено кількісний вміст штучного ізотопу U-236.
2.
Вперше показано, що ізотопно-геохімічним методом досліджень можливе кількісне визначення реакторного урану, акумульованого ґрунтами ближньої зони ЧАЕС.
3.
Вперше проведено порівняння інтенсивності водної міграції природного і реакторного урану у ґрунтах ближньої зони ЧАЕС.
4.
Вперше, на основі розробленої радіохімічної методики одночасного виділення урану і плутонію з однієї загальної проби ґрунту, надана порівняльна оцінка поведінки урану і плутонію в системі ґрунт–розчин.
5.
Вперше кількісно визначений склад водорозчинних форм міграції U-236 і Pu-239, 240 у ґрунтах пункту тимчасової локалізації радіоактивних відходів (ПТЛРВ) “Рудий ліс”.
Практичне значення результатів роботи. Отримані здобувачем результати значно розширюють знання про форми та механізми міграції плутонію в зоні гіпергенезу. Ця інформація необхідна для складання надійних довгострокових прогнозів поведінки цього небезпечного радіонукліда в умовах гумідного клімату Українського Полісся, і для конкретних заходів з локалізації радіоактивних відходів у зоні відчуження.
Результати експериментальних досліджень водорозчинних форм міграції плутонію є основою для розробки сучасних технологій очищення природних вод і здійснення заходів, що забезпечують підвищення ступеню надійності пунктів тимчасової локалізації радіоактивних відходів, які розміщені в зоні відчуження.
Дані про ізотопний склад і ступінь окиснення ядерного палива, яке було викинуте під час вибуху, дають дуже важливу додаткову інформацію про стан уранового пального, яке зосереджене в об’єкті “Укриття”.
Особистий внесок здобувача. Основний обсяг досліджень, представлених у роботі, починаючи з відбору проб у ближній зоні ЧАЕС, їхньої аналітичної обробки, проведення лабораторних експериментів і наукова інтерпретація отриманих результатів виконані здобувачем самостійно.
Автором розроблено комплексну радіохімічну методику виділення урану і плутонію з одної загальної наважки проби ґрунту для подальшого кількісного мас- і альфа-спектрометричного аналізу.
Апробація результатів роботи. Основні результати дисертаційної роботи були представлені на п’яти наукових симпозіумах і конференціях: Всесоюзна нарада “Принципы и методы ландшафтно-геохимических исследо-ваний миграции радионуклидов” (м. Суздаль, 1988); 3-й Всесоюзний симпозіум “Изотопы в гидросфере” (г. Каунас, Литва, 1989); Четверта конференція наукової ради при ГЕОХІ АН СССР по програмі “АЭС–ВО” (м. Гомель, 1990); Четвертий міжнародний симпозіум “Изотопы в гидросфере” (м. П’ятигорськ, 1993); 8th International Conference on Chemistry and Migration Behaviour of Actinides and Fission Product in the Geosphere (Bregenz, Austria, 2001).
Публікація результатів роботи. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковані 1 колективна монографія і 8 статей у наукових журналах і збірниках, 7 з яких – у наукових фахових виданнях, а також 5 тез доповідей. З них 3 статті у наукових фахових виданнях і 1 тези доповідей представлені автором одноосібно.
Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота загальним обсягом 160 сторінок складається зі вступу, 4 розділів та висновків. Робота включає 22 рисунки, 32 таблиці, список використаних літературних джерел із 179 найменувань на 18 сторінках.
Автор глибоко вдячний академіку НАН України Емлену Володимировичу Соботовичу за наукову школу і керівництво, члену-кореспонденту НАН України Е. Я. Жовинскому і доктору геол.-мін. наук, проф. Г. М. Бондаренку за наукові консультації, кандидатам геол.-мін. наук Ю. О. Ольховику і Л. В. Кононенко за корисні поради і рекомендації, кандидатам геол. наук А. І. Радченко, Н. О. Крюченко та молодшому науковому співробітнику М. В. Язвинській за допомогу в оформленні роботи.
ЗМІСТ РОБОТИ
УРАН І ПЛУТОНІЙ У НАВКОЛИШНЬОМУ СЕРЕДОВИЩІ
ДО АВАРІЇ НА ЧАЕС
У розділі розглянутий стан проблеми і дана загальна характеристика сучасних уявлень щодо геохімії природних ізотопів урану і плутонію. U-235 і U-238 є родоначальниками двох природних радіоактивних сімейств з атомним відношенням U-238 ,88. Геохімічну поведінку урану в зоні гіпергенезу досить добре вивчено. Ізотопи плутонію практично відсутні в земній корі, оскільки періоди їхнього напіврозпаду значно менше віку Землі. Присутність природного плутонію встановлено лише в уранових мінералах, де він у невеликих кількостях утворюється внаслідок захоплення нейтронів спонтанного розпаду U-235 ядрами U-238 за схемою U-238 (n,) U-239 (–) Np-239 (–) Pu-239. Вміст Pu-239 у смоляних і монацитових рудах коливається в межах: Pu-239 ?U,7 – 2,0)х10-11. У зв’язку з цим геохімічний інтерес до плутонію з’явився тільки в період проведення інтенсивних випробувань ядерної зброї в атмосфері і на поверхні Землі, що тривали з 1945 по 1976 р. За цей час у навколишнє середовище надійшло близько 13х1015 Бк Pu-239, 240.
Розподіл кумулятивних випадінь плутонію внаслідок випробувань ядерної зброї має нерівномірний планетарний характер. Найбільш інтенсивні випадіння спостерігаються в помірних широтах Північної півкулі, а мінімальні припадають на екваторіальні зони. При цьому відносна активність Pu-238 / Pu-239, 240 у Північній півкулі в середньому дорівнює ~ 0,032, а в Південній відповідно ~ 0,229.
До аварії на Чорнобильській АЕС поведінку плутонію в навколишньому середовищі більш-менш задовільно було вивчено тільки для аридних районів Невадського дослідного ядерного полігона, де його міграція здійснюється головним чином за рахунок вітрового переносу. Відомості про геохімію цього елемента в гумідних кліматичних зонах до останнього часу були обмежені.
Забруднення навколишнього середовища плутонієм підприємствами ядерно-промислового комплексу носили локальний характер і були, як правило, украй засекречені через велику стратегічну значущість ізотопів цього трансуранового елемента.
Істотно ускладнюють можливість прогнозувати поведінку плутонію в екосистемах його хімічні властивості. Досить сказати, що в природних водах плутоній може одночасно бути присутнім у різних ступенях окиснення: III, IV, V, VI, відзначені також його II- і VII-валентні форми існування. Крім того, на поведінку плутонію впливають неспецифічні носії, роль яких практично невивчена, а також процеси комплексоутворення (Pu4+ > Pu3+ > Pu6+ > Pu5+), гідролізу (Pu4+ > Pu6+ > Pu3+ > Pu5+), диспропорціонування (Pu4+ і Pu5+) і колоїдоутворення (псевдоколоїди).
УРАНОВЕ ЯДЕРНЕ ПАЛИВО,
ДИСПЕРГОВАНЕ ПІД ЧАС АВАРІЇ В БЛИЖНІЙ ЗОНІ ЧАЕС.
ПАЛИВНІ "ГАРЯЧІ" ЧАСТИНКИ
Реактор типу РВПК–1000 (реактор великої потужності канальний) являє собою двофункціональну ядерну установку, призначену, з одного боку, для вироблення електроенергії, а з іншого – для одержання штучних ізотопів трансуранових елементів. Саме друга обставина, мабуть, і є причиною відсутності у науковій літературі експериментальних відомостей щодо уранового палива для реактора РВПК–1000. Опубліковані лише розрахунково-теоретичні дані. Тут цікаво відзначити, що для “чисто” енергетичних реакторів типу ВВЕР (водо-водяний енергетичний реактор) експериментальної інформації цілком достатньо.
Оскільки ізотопно-кількісні дослідження урану і плутонію як у диспергованому під час аварії урановому паливі (паливні “гарячі” частки), так і в забруднених твердофазними паливними випадіннями ґрунтах (ізотопні суміші природного і техногенного урану) проводилися мас- і альфа-спектро-метричними методами, – усі зібрані автором літературні дані щодо палива реактора РВПК–1000 були переведені у відповідні цим методам одиниці вимірів (атомні співвідношення та співвідношення активностей) і представлені в даному розділі у вигляді таблиць і графічно.
Так, на рисунку наведена зміна атомних співвідношень U-238/U-235 залежно від часу вигоряння в РВПК–1000 2 % збагаченого уранового палива. Експериментально підтверджений високий ступінь нерівномірності первинного розподілу Pu-239, у поверхневих ґрунтових шарах ближньої зони ЧАЕС. Оцінка особливостей розподілу ізотопів плутонію в ґрунтах проводилася за Се-144 експресним гама-спектрометричним методом і ґрунтувалася на кореляційній залежності для опроміненого палива, у якому відношення активностей Се-144, на момент аварії в середньому складало 1,8х103.
Рисунок. Вигоряння уранового ядерного палива в реакторі РВПК–1000. Атомне співвідношення U-238/U-235 в: 1 – природному урані, 2 – 2 % збагаченому ядерному паливі, 3 – опроміненому ядерному паливі.
Таблиця 1
Коефіцієнт рівномірності розподілу (КРР)*
твердофазних паливних випадінь у ґрунтах
Місце відбору ґрунту | КРР | Ступінь рівномірності розподілу
ст. Янів | 0,38 | Нерівномірний
“Рудий ліс” | 0,51 | Досить нерівномірний
с. Копачі | 0,65 | Досить нерівномірний
с. Лельов | 0,76 | Рівномірний
м. Чорнобиль | 0,81 | Рівномірний
с. Черевач | 0,83 | Рівномірний
*КРР визначений для проб масою 0,08 кг
Нерівномірність розподілу Се-144 була виявлена й у ретельно відквартованих для аналізу пробах ґрунтів. Це пояснюється тим, що первинною формою існування як для Се-144, так і для ізотопів плутонію в об’єктах навколишнього середовища ближньої зони ЧАЕС є паливні “гарячі” частки, що відрізняються за ізотопним складом, дисперсністю і питомою активністю плутонію. Факт нерівномірного розподілу радіовипромінювачів у ґрунтах підтверджується також і авторадіографічними даними. Про гетерогенність ізотопного складу урану в диспергованому паливі свідчить те, що у 1987 р. з однієї квартованої ґрунтової проби були вилучені дві індивідуальні паливні “гарячі” частинки, атомне відношення U-238 / U-235 яких склало 79,6 і 161,5.
З віддаленням від епіцентру аварії коефіцієнт рівномірності розподілу твердофазних паливних випадінь збільшується (табл. 1).
Нерівномірність розподілу у пробі ґрунту паливних “гарячих” часток, а як наслідок цього – нерівномірність вмісту в них техногенних актиноїдних елементів вкрай ускладнює можливість порівняльного вивчення поведінки в ґрунтах природного урану з поведінкою у них реакторного урану і плутонію. Для вирішення цієї проблеми автором розроблено радіохімічну методику одночасного виділення в аналітичну форму урану і плутонію з одної загальної наважки ґрунту (донного відкладу) для їх мас- й альфа-спектрометричного аналізу. Під час розробки даної методики особливу увагу було приділено доступності необхідних хімічних реактивів і препаратів, а також забезпеченню задовільних показників радіохімічного виходу, що склав для урану ~ %, для плутонію ~ %. Методика пройшла успішну апробацію в лабораторіях ІГНС і ІГМР НАН України і в повному обсязі наведена в цьому розділі дисертації. Усі представлені в роботі експериментальні дані отримані автором з її використанням.
ТЕХНОГЕННІ ІЗОТОПИ УРАНУ І ПЛУТОНІЮ,
АКУМУЛЬОВАНІ В ҐРУНТАХ БЛИЖНЬОЇ ЗОНИ ЧАЕС
У цьому розділі наведені результати експериментальних досліджень вмісту й ізотопного складу урану і плутонію в ґрунтах ближньої зони відчуження. Установлено, що в ґрунтах цього району валовий ізотопний склад урану (суміш природного і реакторного урану) зміщений відносно природної константи убік збагачення ізотопами U-234 і U-235. Так, атомне відношення U-238становить 77,7–124,3 а відношення активностей парних ізотопів U-234U-238 змінюється від 1,5 до 3,7, що значно перевищує вікове рівноважне значення, яке дорівнює 1. У цих ґрунтах виявлено присутність штучного ізотопу U-236 і кількісно визначений його вміст (табл. 2).
У проаналізованих пробах ґрунтів ізотопний склад плутонію відповідає паливу середньої глибини вигоряння, а загальний вміст ізотопів Pu-239, коливається в широкому інтервалі значень – від nх102 до nх105 Бк/кг (табл. 3).
Питома активність Pu-239, в ґрунтах зростає з наближенням їх до 4-го аварійного енергоблоку. Відношення активностей Pu-238, у ґрунтах зони ЧАЕС змінюється від 0,35 до 0,52, що значно більше, ніж зазначена характеристика для кумулятивного плутонію. Цей факт дозволяє використовувати даний показник для визначення ізотопно-геохімічним методом генезису техногенного плутонію, що потрапив до природних обєктів.
Всі наведені експериментальні дані щодо вмісту й ізотопного складу урану і плутонію у ґрунтах ближньої зони ЧАЕС (див. табл. 2 і 3) отримані під час аналізу цих актиноїдних елементів з однієї загальної квартованої проби ґрунту за допомогою розробленої автором методики.
Методом послідовного вилуговування урану з ґрунтів солянокислими розчинами (7 М HCl) з наступним розділом 4-х і 6-ти валентних форм на аніоннообмінній смолі встановлено ступінь окиснення реакторного урану, диспергованого в ближній зоні ЧАЕС (табл. 4). Це підтвердило факт фазового перетворення у процесі аварії: UO2>UO2+Х, де 1Х>0.
Одночасно зі ступенем окиснення ядерного палива (реакторного урану) методом послідовного вилуговування було виявлено ступінь його вигоряння в реакторі, тобто було встановлено атомне відношення U-238для реакторного палива, що надійшло у ґрунти зони ЧАЕС. Це надало можливість кількісно визначати баланс ізотопів урану в суміші, що утворилась у ґрунтах з урану природного і техногенного генезису (табл. 5).
Для цього використовувались такі дані: валовий вміст U-238 і U-235 у ґрунті; валове атомне відношення U-238в ґрунті; атомне відношення U-238в урановому ядерному паливі, що потрапило у ґрунт; атомне відношення U-238у природному урані.
Таким чином, було доведено, що ізотопно-геохімічним методом досліджень можливо кількісно та якісно оцінювати ступінь забруднення ґрунтів ближньої зони ЧАЕС опроміненим ядерним паливом (див. табл. 5).
Таблиця 2
Ізотопний склад і вміст урану в ґрунтах ближньої зони ЧАЕС
Місце відбору ґрунту | 238/235 атомне | 235/236 атомне | 234/238 активності | УU, мкг/г
ст. Янів | 77,7 | 12,92 | 3,7 | 3,06
“Рудий ліс” | 79,9 | 16,43 | 3,5 | 1,26
г. Прип’ять | 80,3 | 11,81 | 3,2 | 1,17
с. Буряківка | 84,6 | 12,34 | 3,3 | 1,96
с. Копачі | 89,6 | 14,02 | 2,6 | 2,45
с. Лельов | 92,3 | 12,50 | 2,4 | 1,64
с. Чистогалівка | 96,1 | 13,65 | 2,3 | 2,28
с. Паришів | 98,4 | 10,07 | 2,3 | 0,76
с. Чорнобиль | 103,5 | 19,73 | 2,0 | 1,53
с.Черевач | 108,4 | 20,24 | 1,9 | 1,08
с. Дитятки | 124,3 | 29,83 | 1,5 | 1,35
Таблиця 3
Ізотопний склад і вміст плутонію в ґрунтах ближньої зони ЧАЕС
Місце відбору ґрунту | 239/240 атомне | 240/241 атомне | 238/239, 240 активності | 239,240103 Бк/кг
ст. Янів | 4,22 | 3,86 | 0,36 | 22,6
“Рудий ліс” | 4,91 | 4,45 | 0,33 | 7,4
г. Прип’ять | 3,73 | 3,74 | 0,40 | 99,2
с. Буряківка | 3,24 | 3,62 | 0,41 | 13,8
с. Копачі | 3,00 | 3,50 | 0,45 | 14,6
с. Лельов | 2,62 | 3,41 | 0,43 | 6,9
с. Чистогалівка | 2,43 | 3,32 | 0,49 | 11,8
с. Паришів | 2,54 | 3,44 | 0,48 | 5,8
с. Чорнобиль | 2,51 | 3,34 | 0,51 | 5,4
с.Черевач | 2,43 | 3,22 | 0,47 | 4,3
с. Дитятки | 2,30 | 3,31 | 0,52 | 1,7
Таблиця 4
Ступінь окиснення акумульованого в ґрунтах 30-км зони
уранового ядерного палива (реакторного урану)
Місце відбору ґрунту | U-238 / U-235 в розчині
(атом. од.) | Ступінь окиснення диспергованого палива
Вилугат 1 | Вилугат 2 | Вилугат 3 | U(VІ)
U(ІV)
мас. відн. | % окис-нення U(ІV) | Стехіометрична фор-мула
U (ІV) | U (VI) | U (ІV) | U (VI) | U (ІV) | U (VI)
ст. Янів | 59,2 | 87,3 | 52,0 | 54,4 | 52,3 | 52,5 | 0,5 | 33 | UO2,33
Став-охолоджувач | 63,1 | 82,7 | 53,8– | 53,0 | 53,4 | 0,5 | 33 | UO2,33
Паришівська протока | 63,4 | 97,2 | 60,6 | 65,3 | 59,4 | 60,6 | 1,0 | 50 | UO2,50
Селищ. Буряківка | 79,8 | 111,3 | 66,5 | 68,2 | 65,9 | 65,9 | 1,2 | 55 | UO2,55
с. Товстий ліс | 74,6 | 118,9 | 59,6 | 67,8 | 57,8 | 58,8 | 0,7 | 41 | UO2,41
м. Прип’ять | 75,3 | 123,2 | 67,4 | 74,9 | 66,0 | 67,0 | 1,5 | 60 | UO2,60
м. Чорнобиль | 87,6 | 113,9 | 77,6 | 82,0 | 75,2 | 75,2 | 1,4 | 58 | UO2,58
с. Черевач––– | 77,4 | 78,0 | 1,7 | 63 | UO2,63
Таблиця 5
Кількість уранового ядерного палива (реакторного урану)
у ґрунтах зони відчуження
Місце відбору ґрунту | Ґрунт | Ядерне паливо | U природ.
U паливний,
мас. відн. |
U паливний, мг/м2 (кг/км2)
U-238
U-235, атом. од | У U, мг/кг | U-238
U-235,
атом. од
ст. Янів | 77,6 | 1,64 | 52,4 | 1,1 | 23,4
Став-охолоджувач | 86,7 | 1,26 | 53,2 | 1,7 | 14,0
Паришівська протока | 92,1 | 1,30 | 60,0 | 1,6 | 15,0
Селищ. Буряківка | 103,7 | 1,12 | 65,9 | 2,3 | 10,2
с. Товстий ліс | 108,5 | 1,08 | 58,3 | 4,1 | 5,9
м. Прип’ять | 109,9 | 1,21 | 66,5 | 3,2 | 8,6
м. Чорнобиль | 113,1 | 0,98 | 75,2 | 2,8 | 7,7
с. Черевач | 129,8 | 1,04 | 77,7 | 11,6 | 2,5
МІГРАЦІЯ ТЕХНОГЕННИХ ІЗОТОПІВ УРАНУ І ПЛУТОНІЮ
У ҐРУНТАХ БЛИЖНЬОЇ ЗОНИ ЧАЕС
У цьому розділі наведено порівняльні міграційні характеристики техногенних ізотопів урану і плутонію, отримані під час їх вилуговування з ґрунтів різними розчинами. Експериментально визначено: U-236 відрізняється підвищеною, порівняно з ізотопами плутонію, міграційною здатністю. Для урану природного і техногенного генезису, в свою чергу, встановлений наступний ряд за зменшенням міграційної здатності:
рухомий природний уран > техногенний реакторний уран > кристалохімічно зв’язаний природний уран.
Вивчення розподілу урану і плутонію в системі ґрунт – розчин проводилось ізотопно-індикаторним методом. В якості ізотопних індикаторів були застосовані U-232 і Pu-236. Кількісне визначення U-236, U-235 і U-238 проводилося за допомогою мас-спектрометричного методу; а ізотопів U-234, U-232, ізотопів Pu-239, 240 і Pu-236 – альфа-спектрометричним методом з використанням стандартного розчину Pu-242.
Ґрунтуючись на подібності значень “відсотку граничного вилуговування” U-236 і Pu-239, 240 (Р, %), визначених за методом І. Є. Старіка, встановлено, що, надходячи у ґрунтові розчини в ізотопних співвідношеннях, властивих твердофазним паливним випадінням, U-236 і Pu-239, удруге неадекватно перерозподіляються в системі ґрунт – розчин. При цьому плутоній, порівняно з ураном, виявляє більші сорбційні властивості (табл. 6).
В різних типах ґрунтів ближньої зони ЧАЕС методом послідовного вилуговування визначено вміст та співвідношення основних форм існування плутонію:
ВР – водорозчинна форма (водна витяжка); ОБ – обмінна форма (ацетатна витяжка); КР – кислоторозчинна форма (витяжка розчином 1 н HCl); МБ = (ВР + ОБ) – мобільна форма.
Найбільший вміст ВР-форм Pu у ґрунтах встановлено, %: в піщаному дерново-підзолистому (3,2), найменший – в торфяно-луковому супіщаному (0,4). Найбільшу сорбційну спорідненість до плутонію має підзолисто-супіщаний ґрунт (ОБ/ВР = 6,4 ) і слабопідзолистий глейовий ґрунт (ОБ/ВР = 5,9), а найменшу – торфяно-луковий високогумусний ґрунт (ОБ/ВР = 0,97).
Таблиця 6
“Відсоток граничного вилуговування” (Р, %) U-236 и Pu-239, 240
в системі ґрунт – водний розчин (Т : Р = 1 : 5)
Тип ґрунту | Вихідний вміст у ґрунті | Вміст у рівноважному розчині, % | Р, %
U-236, мкг/кг | Pu-239, 240, Бк/кг | U-236 | U-232 | Pu-239, 240 | Pu-236 | U-236 | Pu-239, 240
Піщаний дерново-підзолистий | 0,77 | 5400 | 5,8 | 33,3 | 3,2 | 19,3 | 17,4 | 16,6
Підзолистий супіщаний | 0,78 | 5150 | 5,0 | 26,7 | 2,4 | 11,6 | 18,7 | 20,7
Слабопідзолис-тий супіщаний | 0,79 | 5600 | 2,9 | 33,0 | 1,6 | 17,2 | 8,8 | 9,3
Слабопідзолис-тий глейовий | 1,57 | 11300 | 1,3 | 18,1 | 0,7 | 10,1 | 7,2 | 6,9
Торфяно-піщаний | 0,48 | 3350 | 3,3 | 26,6 | 1,4 | 12,1 | 12,4 | 11,6
Торфяно-луковий високогумусний | 2,59 | 19200 | 0,9 | 30,0 | 0,75 | 23,4 | 3,0 | 3,2
Торфяно-луковий супіщаний | 1,1 | 7600 | 0,8 | 30,7 | 0,40 | 14,3 | 2,6 | 2,8
Для одного й того ж типу ґрунту валовий вертикальний розподіл плутонію практично повністю співпадає з характером вертикального розподілу його МБ-форм. Цей факт свідчить, що МБ-форми плутонію формуються незалежно в кожному окремому вертикальному ґрунтовому профілі внаслідок деструкції паливних частинок, що потрапили в цей шар. Найбільше вертикальне заглиблення плутонію, підраховане за його центром запасу (Ц. З.), виявлено в слабопідзолистому супіщаному ґрунті (Ц. З. = 1,63 см), а найменше – в торфяно-луковому ґрунті (Ц. З. = 0,88 см).
У ґрунтах ПТЛРВ “Рудий ліс” було проведене вивчення вмісту МБ-форм Pu-239, і U-236, а також досліджений компонентний склад водорозчинних форм міграції плутонію. На підставі отриманих методами діалізу і електродіалізу даних зроблений висновок про те, що у ґрунтах ПТЛРВ “Рудий ліс” міграція водорозчинного Pu-239, і U-236 здійснюється за рахунок іонних і псевдоколоїдних його форм. При цьому в істинно розчиненому стані плутоній і уран співіснують одночасно в катіонній і аніонній формах (остання є домінуючою) (табл. 7).
У ПТЛРВ “Рудий ліс” водорозчинні U-236 та Pu-239, мають майже однакове співвідношення колоїдних, катіонних та аніонних форм. Цей факт,з одного боку, пояснює однаковий вміст водорозчин-них форм існування цих радіонуклідів в тілі поховання, з іншого боку є відмін-ною рисою ґрунтів ПТЛРВ “Рудий ліс” від всіх інших ґрунтів, що залягають на поверхні, в яких вміст ВР-форм U-236 завжди вищий, ніж Pu-239, .
Таблиця 7
Вміст і компонентний склад водорозчинного Pu-239, 240
в ґрунтах ПТЛРВ “Рудий ліс”
Точка відбору проби | Pu-239, 240, Бк/кг | Форми, %
В. Р. | Іонна / псевдоколоїдна | Катіонна / аніонна
Т-202 (0,6–0,9)* | 1500 | 0,4 | 33/67 | 18/82
Т-203 (1,5–1,8) | 1100 | 2,2 | 10/90 | 2/98
Т-203 (2,4–2,7) | 30000 | 3,2 | 28/72 | 15/85
Т-204 (2,1–2,4) | 13000 | 1,4 | 17/83 | 7/93
Т-205 (1,5–1,8) | 2300 | 0,7 | 44/56 | 24/76
Т-206 (0,9–1,2) | 10000 | 1,2 | 41/59 | 20/80
Т-208 (1,2–1,5) | 2700 | 0,7 | 16/84 | 8/92
*Глибина залягання в тілі поховання, м.
Таблиця 8
Вміст і компонентний склад водорозчинного U-236
в ґрунтах ПТЛРВ “Рудий ліс”
Точка відбору проби | U-236,
мг/кг | Форми, %
В. Р. | Іонна / псевдоколоїдна | Катіонна / аніонна
Т-202 (0,6–0,9) | 0,17 | 0,6 | 25/75 | 12/88
Т-203 (1,5–1,8) | 0,11 | 2,3 | 6/94 | 3/97
Т-203 (2,4–2,7) | 3,38 | 3,7 | 20/80 | 11/89
Т-204 (2,1–2,4) | 1,49 | 1,7 | 11/39 | 4/96
Т-205 (1,5–1,8) | 0,20 | 0,9 | 32/68 | 18/82
Т-206 (0,9–1,2) | 1,14 | 1,5 | 34/66 | 16/84
Т-208 (1,2–1,5) | 0,19 | 0,7 | 12/88 | 8/92
Однаковий вміст і компонентний склад ВР-форм міграції штучних ізотопів урану і плутонію у ПТЛРВ “Рудий ліс” обумовлені ізовалентним станом їх існування в системі “ґрунт-розчин”: U (IV) і Pu (IV). Причиною цього є те, що ступінь окиснення уранового ядерного палива (UO2), яке зосереджене в цьому похованні, не перевищує 20 % (~2,20).
ВИСНОВКИ
1.
У наслідок радіоактивного забруднення ґрунтів ближньої зони ЧАЕС опроміненим ядерним паливом валовий ізотопний склад урану в них зазнав зміни – відбулось збагачення ізотопами U-234 і U-235. Вперше в ґрунтах ближньої зони ЧАЕС встановлено кількісний вміст штучного ізотопу U-236.
2.
Розподіл реакторного урану, що надійшов у ґрунти ближньої зони ЧАЕС у вигляді паливних “гарячих” часток, носить нерівномірний характер. Розроблена методика виділення урану і плутонію зі спільної наважки, що дозволяє проводити порівняльне вивчення поведінки техногенних актиноїдів у зоні гіпергенезу.
3.
У процесі високотемпературного аварійного викиду у диспергованому паливі відбувалося окиснення вихідного діоксиду урану до його шестивалентного стану. У ґрунтах ближньої зони ЧАЕС виявлена присутність реакторного урану, ступінь окиснення якого досягає 63 % (стехіометрична формула UO2,63). З віддаленням від епіцентру аварії зі зменшенням загального вмісту реакторного урану у ґрунтах ступінь його окиснення та вигоряння зростає.
4.
Реакторне паливо у ґрунтах ближньої зони ЧАЕС зафіксоване у при-поверхневому шарі. Незалежно від типу ґрунту вертикальна міграція урану і плутонію відбувається внаслідок денудації паливних “гарячих” часток.
5.
Ізотопно-геохімічним методом визначено кількість техногенного урану, аку-мульованого ґрунтами ближньої зони ЧАЕС. У ґрунти ближньої зони реак-торний уран надійшов у кількості, сумірній з кількістю природного урану.
6.
Природний і реакторний уран у ґрунтах ближньої зони ЧАЕС відрізняються за своєю стійкістю до впливу водних розчинів. Під час вилуговування інтенсивність водної міграції урану різного генезису зменшується у наступній послідовності: (природний рухомий уран) > (техногенний реакторний уран) > (природний кристалохімічно зв’язаний уран).
7.
У ґрунтах ближньої зони ЧАЕС відносний вміст водорозчинних форм знаходження U-236 вищий, ніж Pu-239, . За допомогою ізотопно-індика-торного методу встановлено, що ця закономірність обумовлена різними коефіцієнтами розподілу цих радіонуклідів у системі ґрунт – розчин.
8.
У ґрунтах ПТЛРВ “Рудий ліс” міграція водорозчинного урану і плутонію відбувається у вигляді псевдоколоїдних, аніонних і катіонних форм. Переважними для цих актиноїдів формами міграції є псевдоколоїдні й аніонні форми. Цей факт треба враховувати під час розробки технологій очищення природних вод і будівництві пунктів локалізації і збереження радіоактивних відходів.
Публікації
1.
Соботович Э. В., Бондаренко Г. Н., Ольховик Ю. А. и др. Радиогеохимия в зоне влияния Чернобыльской АЭС. – К.: Наук. думка, 1992. – 146 с.
2.
Соботович Э. В., Чебаненко С. И. Изотопный состав урана и плутония в почвах ближней зоны ЧАЭС // Доклады АН СССР. – т. 315, № 4. – 1990. – С. 885–888.
3.
Чебаненко С. И. Уран и плутоний в почвах и донных отложениях ближней зоны Чернобыльской АЭС // Радиоизотопы в экологических исследованиях. – К.: Наук. думка, 1992. – С. 61–72.
4.
Соботович Э. В., Бондаренко Г. Н., Чебаненко С. И. Фракционирование изотопов техногенного урана в почвах ближней зоны ЧАЭС // Геол. журн. – 2000. – № 2. – С. 79–84.
5.
Чебаненко С. И. Формы химической миграции плутония–239, 240 в грунтах пункта временной локализации радиоактивных отходов “Рыжий лес” // Минерал. журн. – 2000. – т. 22, № 4. – С. 118–119.
6.
Chebanenko S. I. Dolin V. V. Speciation of U, Pu and fission products in the soils of radioactive waste disposal // Пошукова та екологічна геохімія. – 2003. – № 2/3. – С. 53–57.
7.
Чебаненко С. И. О коэффициенте равномерности распределения химических элементов (радионуклидов) в природных объектах // Пошукова та екологічна геохімія. – 2004. – № 4. – С. 61–64.
8.
Бондаренко Г. Н., Кононенко Л. В., Чебаненко С. И. Динамика мобиль-ных и фиксированных форм трансурановых элементов в почвах Чернобыльской зоны отчуждения // Геохімія та екологія: Зб. наук. праць ІГНС НАН та МНС України. – Вип. 10. – 2004. – С. 14–19.
9.
Соботович Е. В., Ольховик Ю. А., Чебаненко С. І. Трансформація паливних випадінь у ближній зоні ЧАЕС. // Ойкумена (Український екологічний вісник). – 1991. – № 2. – С. 43–48.
10.
Чебаненко С. И. Степень окисления топливного урана, диспергирован-ного в ближней зоне ЧАЭС // Тез. докл. Всесоюзн. совещ. “Принципы и методы ландшафтно-геохимических исследований миграции радионуклидов”, г. Суздаль. – 1988. – С. 71.
11.
Чебаненко С. И., Ковалюх Н. Н. Изучение межфазного распределения урана и плутония в системе природный объект – водный раствор изотопно-индикаторным методом // Тез. докл. 3-го Всесоюзн. симпоз. “Изотопы в гидросфере”, г. Каунас. – 1989. – С. 313–314.
12.
Ольховик Ю. А, Чебаненко С. И, Костюченко Н. Г. Радиолиз воды – вероятный механизм выхода радионуклидов из “горячих” частиц топливного генезиса. // Тез. докл. IV Конференции научного совета при ГЕОХИ АН СССР по программе “АЭС – ВО”, г. Гомель, – 1990. – С. 74.
13.
Бондаренко Г. Н., Чебаненко С. И., Кононенко Л. В. Исследование миграционной способности плутония и америция в почвах зоны влияния Чернобыльской АЭС // Тез. докл. 4 Междунар. симпоз. “Изотопы в гидросфере”, г. Пятигорск. – 1993. – С. 32–35.
14.
Chebanenko S., Zorina O., Dolin V. Speciation of U and Pu in the soils of radioactive waste disposal // 8th International Conference on “Chemistry and Migration Behaviour of Actinides and Fission Products in the Geosphere”, Bregenz, Austria. – 2001. – P. 76.
АНОТАЦІЇ
Чебаненко С. І. Уран і плутоній у ґрунтах ближньої зони Чорнобильської АЕС. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата геологічних наук за фахом 04.00.02 – геохімія. – Інститут геохімії, мінералогії і рудоутворення НАН України, Київ, 2006.
Робота присвячена геохімії техногенних радіонуклідів в зоні впливу Чорнобильської АЕС.
Установлено, що в ґрунтах ближньої зони ЧАЕС внаслідок акумуляції диспергованого реакторного палива ізотопний склад U зміщений щодо природної константи убік збагачення ізотопами U-234 і U-235, присутній штучний U-236. Реакторне паливо надійшло в ці ґрунти у кількості, сумірній з кількістю в них природного U.
Заглиблення Pu-239, у ґрунтах відбувається за рахунок механічної міграції паливних “гарячих” часток, стійких до деструкції в зоні гіпергенезу.
Експериментально показано, що U-236 і Pu-239, неадекватно розподіляються в системі ґрунт–розчин; Pu проявляє вищу, ніж U, сорбційну здатність. Для урану різного генезису встановлений ряд за зменшенням міграційної здатності: рухомий природний U > техногенний реакторний Uкристалохімічно зв’язаний U.
Визначено, що у ґрунтах ПТЛРВ “Рудий ліс” міграція водорозчиного Pu реалізується за рахунок одночасного співіснування у ґрунтових розчинах його катіонних, аніонних і псевдоколоїдних форм.
Ключові слова: ґрунт; уран; плутоній; радіонуклід; ізотоп; ядерне паливо; “гаряча” частка; вилуговування; адсорбція; форма міграції.
Чебаненко С. И. Уран и плутоний в почвах ближней зоны Чернобыльской АЭС. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата геологических наук по специальности 04.00.02 – геохимия. – Институт геохимии, минералогии и рудообразования НАН Украины, Киев, 2006.
Работа посвящена рассмотрению геохимии техногенных радионуклидов в зоне влияния Чернобыльской АЭС.
Установлено, что в почвах ближней зоны ЧАЭС вследствие аккумуляции диспергированного реакторного топлива изотопный состав урана смещен отно-сительно природной константы в сторону обогащения изотопами U-234 и U-235. В этих же почвах обнаружено присутствие искусственного изотопа U-236. Реакторное урановое топливо поступило в почвы ближней зоны ЧАЭС в коли-честве, соизмеримом с количеством содержащегося в них природного урана и аккумулированного в приповерхностных слоях. Количественный баланс изото-пов урана природного и реакторного генезиса в почвах определялся на основа-нии валового содержания урана в почвах, атомного отношения U-238 U-235 для изотопной смеси и для уранового топлива, поступившего в конкретную почву.
Распределение твердофазных топливных выпадений в почвах носит неравномерный характер, что обусловлено различной дисперсностью и гетерогенностью изотопного состава топливных “горячих” частиц.
В связи с этим для сравнительного изучения поведения урана и плутония в почвах была разработана радиохимическая методика совместного выделения этих актиноидных элементов из одной общей навески пробы. Изотопный состав урана и плутония, а также их количественное содердание в почвах определялось с помощью альфа- и масс-спектрометрического методов анализа.
Определен изотопный состав поступившего в почвы ядерного топлива, а также степень его окисления. Показано, что по мере удаления от эпицентра аварии в почвы поступало более выгоревшее и более окисленное облученное урановое топливо (до 63 %).
Установлено, что заглубление Pu-239, в почвах происходит за счет механической миграции топливных “горячих” частиц, устойчивых к деструкции в зоне гипергенеза.
Экспериментально показано, что U-236 и Pu-239, неадекватно распределяются в системе почва – раствор. При этом плутоний проявляет более высокую, чем уран, сорбционную способность. Этот факт доказан на основании одинаковых значений “процента предельной выщелачиваемости” U-236 и Pu-239, в системе почва – раствор, которые определялись изотопно-индикаторным методом (способ И. Е. Старика). В качестве изотопных индикаторов использованы стандартные образцы растворов U-232, Pu-236 и Pu-242. Для изотопов урана природного и техногенного генезиса, в свою очередь, установлен следующий ряд по уменьшению миграционной способности: подвижный природный уран > техногенный реакторный уран > кристаллохимически связанный уран.
Обнаружено, что в почвах интенсивность вертикальной миграции мобильных форм плутония совпадает с интенсивностью его механической миграции, что объясняется независимым образованием и сущестованием этих мобильных форм в каждом почвенном слое.
Экспериментально установлено, что в почвогрунтах ПВЛРО “Рыжий лес” водорастворимая миграция урана и плутония реализуется за счет одновременно сосуществующих в почвенных растворах катионных, анионных и псевдоколлоидных форм этих актиноидов, что следует учитывать при разработке технологий очистки воды и строительстве хранилищ для облученного ядерного топлива.
Ключевые слова: почва; уран; плутоний; радионуклид; изотоп; ядерное топливо; “горячая” частица; выщелачивание; адсорбция; форма миграции.
Chebanenko S.I. Uranium and plutonium in soils of near-zone of Chernobyl NPP. – Manuscript.
Candidate degree
