Овсянникова

1.

Естественная и техногенная активность
природных объектов.
Радиохимические методы исследования
радионуклидного состава.
Практика радиационного контроля воды
Татьяна Михайловна Овсянникова (ФГБУ «ВИМС»)

2.

Природные радионуклиды
«первичные»
(«primordialis»), образованные
при звездном нуклеосинтезе
«космогенные»
— постоянно образующиеся
радионуклиды (в основном в результате
ядерных реакций под действием
космического излучения)
«вторичные»
(дочерние)
~70% космогенных РН образуется
в верхних слоях атмосферы
~30% — в тропосфере (до ~10 км)
Основные ядерно-физические характеристики:
тип распада, λ (с-1), энергия излучения
> 80 природных радиоактивных изотопов
(остальные — «искусственные»)

3.

Первичные радионуклиды
T1/2, лет
Энергия
частиц*,
кэВ
Доля в
природной
смеси изотопов,
%
Среднее
содержание в
ЗК, % (масс.)
Удельная
активность
(УА) РН, Бк/г
Средняя УА РН
в породах
ЗК(в), Бк/кг
β-
4,97.1010
282
27,83
4,2.10-3 (а) (б)
3061
128
232Th
α
1,40.1010
4012
100
1,3.10-3 (а)
4075
53
144Nd
α
2,29.1015
1830
23,8
8,8.10-4 (а) (б)
0,040
0,004
238U
α
4,468.109
4198
99,2742
2,5.10-4 (а)
12447
31
0,0117
2,93.10-4 (а) (б)
265152
692
РН
Вид ядерных
превращений
87Rb
40K
β- (89,28%)
K (10,72%)
1,248.109
1311
—
147Sm
α
1,060.1011
2248
15,0
1,1.10-4 (а) (б)
849
0,93
115In
β-
4,41.1014
497
95,7
2,5.10-5 (а)
0,26
0,00007
0,0888
2,6.10-6 (а) (б)
931
0,24
138La
β- (34,5%)
K (65,5%)
1,03.1011
264
—
176Lu
β-
3,76.1010
593
2,599
2,1.10-6 (а) (б)
2000
0,42
235U
α
7,04.108
4396
0,7204
1,8.10-6 (а) (б)
80007
1,44
209Bi
α
2,01.1019
3077
100
9.10-7 (а)
0,000003
~10-11
187Re
β-
4,33.1010
2,5
62,6
4,4.10-8 (а) (б)
1635
0,004
(а) по А.П. Виноградову (1962); (б) с учетом доли изотопа в естественной смеси изотопов элемента; (в) в пересчете из средних содержаний в
породах земной коры; *с наибольшим выходом для альфа-частиц, максимальная для бета-частиц

4.

Космогенные радионуклиды (T1/2 > 1 сут.)
РН
Вид ядерных
превращений
Период
полураспада
Максимальная
энергия частиц,
кэВ
ДПР
Концентрация в тропосфере
(6-20 км)(а), мБк/м3
3H
β-
12,33 года
18,6
3He
1,4
7Be
K (100%)
53,29 сут.
-
7Li
12,5
10Be
β-
1,51.106 лет
556
10B
0,15
14C
β-
5730 лет
156,5
14N
56,3
22Na
K (100%)
2,602 года
-
22Ne
26Al
K (100%)
7,4.105 лет
-
26Mg
32Si
β-
172 года
227
32P
32P
β-
14,26 сут.
1711
32S
33P
β-
25,34 сут.
248,5
33S
35S
β-
87,51 сут.
167,3
35Cl
0,0021
1,5.10-8
2,5.10-5
0,27
0,15
0,16
36Cl
K (1,9%);
β- (98,1%)
3,01.105 лет
709,6
37Ar
K (100%)
35,04 сут.
-
37Cl
39Ar
β-
269 лет
565
39K
81Kr
K (100%)
2,29.105 лет
-
81Br
36S;
36Ar
9,3.10-8
0,43
6,5
0,0012
(а) UNSCEAR 2000 Report
Космогенные РН (кроме благородных газов) быстро окисляются, затем сорбируются аэрозольными частицами и
удаляются из атмосферы с осадками или пылью. Тритий (в виде оксида 3Н2НО) поступает из атмосферы с осадками.
Радиоуглерод (в виде 14СО2) покидает атмосферу значительно медленнее (путем молекулярного обмена).

5.

Искусственные радионуклиды
Вид распада
T1/2
Макс. энергия
излучения, кэВ
239Pu
α
24110 лет
5157
240Pu
α
6561 год
5168
238Pu
α
87,7 лет
5499
β-
14,33 года
21
α
432,6 года
5486
α
29,1 года
5785
α
18,11 года
5805
α
8423 года
5361
246Cm
α
4706 лет
5386
248Cm
α
3,48.105 лет
5078
237Np
α
2,1.106 лет
4788
90Sr
β-
28,79 лет
546
137Cs
β-
30,08 лет
514
ТРН
241Pu
241Am
243Cm
244Cm
245Cm
Распространенность
ТУЭ
продукты ядерных реакций, компоненты
ядерных боеприпасов, реакторов,
материалы НИР, ИИИ, распространены в
зонах ядерных испытаний, аварий на АЭС,
сбросов ЯТЦ, складирования РАО,
разрушения компактных энергоустановок,
нейтронных источников
134Cs
ОПД
β- (99,99%)
2,065 года
658
99Tc
долгоживущие продукты деления 235U,
239Pu, ядерных реакций и активации,
материалы НИР, ИИИ, медицинских
препаратов, распространены в зонах
техногенного загрязнения, аварий на АЭС,
сбросов ЯТЦ, складирования РАО,
разрушения компактных энергоустановок,
складирования и хранения РАО
β-
2,11.105 лет
298
β-
1,57.107 лет
149
β-
371,8 сут.
39,4
β-
284,91 лет
318
β-
2,6234 года
225
152Eu
β- (27,9%)
13,517 лет
696
154Eu
β- (99,99%)
8,601 года
576
129I
106Ru
144Ce
147Pm

6.

Радиационный фон
1. Природный
2. Техногенно-измененный
АТМОСФЕРА
ЖИВОТНЫЕ
РАСТЕНИЯ
Внутреннее
ПОЧВЫ
Космическое
излучение
ГОРНЫЕ ПОРОДЫ
Внешнее
терригенное
(11%)
222Rn
(внутреннее)
При естественном (природном)
фоне наибольший вклад во
внешнее облучение вносят
радионуклиды рядов 232Th
(40%) и 238U (25%), а также 40K
(35%)

7.

Горные породы
95% пород литосферы — магматические + метаморфические
75% пород на земной поверхности — осадочные
Элементный состав
Минеральный состав
породообразующие элементы (O, Si,
• породообразующие (полевые
шпаты, пироксены,
амфиболы, кварц и др.);
Al, Fe, Mg, Ca, Na, K, Ti, Mn);
менее распространенные (редкие)
элементы, ≤ 0,1% (масс.)
• редкие (акцессорные)
Калий входит в состав многих породообразующих минералов
(полевых шпатов, слюд и др.).
Многие акцессорные минералы являются главными
концентраторами редких элементов (к ним относится
большинство РН).

8.

Формы нахождения радионуклидов в горных породах
Природные радионуклиды по геохимической распространенности —
это редкие элементы, их распределение в горных породах
преимущественно рассеянное.
За исключением калия, они не являются породообразующими
элементами, за исключением (К), U и Th не образуют собственных
минералов.
рассеянные формы (механический захват атомов при
кристаллизации породообразующих минералов, по плоскостям
спайности);
изоморфные примеси (в кристаллической решетке
акцессориев);
сорбированные формы (при вторичных изменениях
пород, на поверхности зерен минералов, в трещинах и др.);
растворенные формы (в порах, жидких включениях в
минералах);
собственные минералы (K, U, Th)

9.

Для
U, Th типично изоморфное вхождение в кристаллическую
решетку акцессорных минералов, образованных элементами со сходными
физико-химическими свойствами.
Закон диагоналей
Гольдшмидта‐Ферсмана
В высокоактивных
акцессориях U
преимущественно замещает
Zr, Th — Ce, в слабоактивных
— они часто замещают Ca
Микрофотография и f-радиография
шлифа горной породы

10.

Некоторые минералы U, Th
Минерал
Химическая формула
%UO2 (ppm U)
%ThO2
Браннерит
UTiO6
8–41%
—
Коффинит
U(SiO4)1-x(OH)4x
68%
—
Уранинит (настуран)
От UO2 до U3O8
6–74%
—
Торианит, ураноторианит
ThO2, (Th,U)O2
От 5%
До 80%
Хаттонит
ThSiO4
100–20000 ppm
80%
Торит, ураноторит
ThSiO4, (Th,U)SiO4
1–35%
50%, <50%
U, Th в акцессорных минералах
Минерал
Химическая формула
%UO2 (ppm U)
%ThO2
Циркон
ZrSiO4
5%
0,01–1
Ксенотим
YPO4
5%
0,4–1
Монацит
(Ce,La,Nd,Th)PO4
100–20000 ppm
10
Алланит (ортит)
(РЗЭ,Са,Аl,Fе) островной
диортосиликат
10–2000 ppm
0,1–1
Апатит
Ca5(PO4)3(F,Cl,OH)
5–200 ppm
0,001–0,1
Сфен
CaTi[SiO5]
10–500 ppm
0,001–0,1

11.

Некоторые закономерности
IAEA-TECDOC-1363
С увеличением содержания
SiO2 и щелочности (Na2О +
K2О) магматитов
содержание радионуклидов
увеличивается
(max — в щелочных
гранитах*)
Пегматиты
Гранитоиды
*есть исключения
Гнейсы
Фельзитовые вулканиты
Кварц-фельдшпатоидные порфиры
Средние вулканиты
Андезиты с низким содержанием К
Средние интрузивы
Мафические интрузивы
Мафические вулканиты
Ультрамафические вулканиты
В более поздних магматических комплексах (фазах) содержание РН
обычно выше, чем в ранних — происходит обогащение U и Th
остаточных расплавов, содержащих относительно легкоплавкие
элементы (Si, Na, K и др.)
Отношение Th/U (масс.)
варьирует в диапазоне
2,5–5 (исключение —
ультраосновные породы,
океанические базальты)

12.

Тип пород
K (%)
U (ppm)
Th (ppm)
Средн.
Диапазон
Средн.
Диапазон
Средн.
Диапазон
Кислые экструзивные
3,1
1,0 – 6,2
4,1
0,8 – 16,4
11,9
1,1 – 41
Кислые интрузивные
3,4
0,1 – 7,6
4,5
0,1 – 30
26
0,1 – 253
Средние экструзивные
1,1
0,01 – 2,5
1,1
0,2 – 2,6
2,4
0,4 – 6,4
Средние интрузивные
2,1
0,1 – 6,2
3,2
0,1 – 23
12,2
0,4 – 106
Основные экструзивные
0,7
0,06 – 2,4
0,8
0,03 – 3,3
2,2
0,05 – 8,8
Основные интрузивные
0,8
0,01 – 2,6
0,8
0,01 – 5,7
2,3
0,03 – 15
Ультраосновные
0,3
0 – 0,8
0,3
0 – 1,6
1,4
0 – 7,5
Щелочные полевошпатовые
средние экструзивные
6,5
2,0 – 9,0
30
1,9 – 62
134
9,5 – 265
Щелочные полевошпатовые
средние интрузивные
4,2
1,0 – 9,9
56
0,3 – 720
133
0,4 – 880
Щелочные полевошпатовые
основные экструзивные
1,9
0,2 – 6,9
2,4
0,5 – 12
8,2
2,1 – 60
Щелочные полевошпатовые
основные интрузивные
1,8
0,3 – 4,8
2,3
0,4 – 5,4
8,4
2,8 – 19,6
Осадочные (хемогенные)
0,6
0,02 – 8,4
3,6
0,03 – 26,7
14,9
0,03 – 132
Карбонатные
0,3
0,01 – 3,5
2,0
0,03 – 18
1,3
0,03 – 10,8
Осадочные (биогенные)
1,5
0,01 – 9,7
4,8
0,1 – 80
12,4
0,2 – 362
Метаморфизованные
изверженные
2,5
0,1 – 6,1
4,0
0,1 – 149
14,8
0,1 – 104
Метаморфизованные
осадочные
2,1
0,01 – 5,3
3,0
0,1 – 53
12,0
0,1 – 91,4
IAEA-TECDOC-1363

13.

Активность радионуклидов в горных породах
Разновидности пород
Магматические
Метаморфические
Осадочные
U, Бк/кг
Th, Бк/кг
граниты, гранодиориты,
риолиты
27 – 76
32 – 132
габбро
10
15
базальты
1,2 – 12
0,8 – 20
гранулиты
61
84
гнейсы
25
20 – 108
сланцы
31
30 – 76
глинистые сланцы
37 – 15500
–
бокситы
141
196
фосфориты
620 – 3720
4 – 20
торф
12 – 149
4 – 20
известняки
25
До 10
Р. Vesterbacka, 2005
Фракционирование нуклидов в рядах распада — в пределах 1
математического порядка

14.

Производство на одного человека в течение его жизни
Техногенная эмиссия природных радионуклидов
происходит при добыче и
переработке минерального
сырья с повышенным
содержанием радионуклидов.
При переработке такого сырья за
счет концентрирования
радионуклидов в отдельных
фракциях возможно образование
материалов с
«технологически»
повышенной природной
радиоактивностью.
Степень фракционирования
радионуклидов в
технологических процессах
существенно выше, чем в
природных условиях

15.

Годовая эмиссия радионуклидов в атмосферу и водную среду
(по отраслям промышленности, без учета урановой)
Выбросы в атмосферу, ГБк
Производство
238U
228Th
226Ra
Фосфор
Фосфорная
кислота
0,07
0,002
0,09
Железо и
сталь
Минеральные
удобрения
210Pb
210Po
66
490
0,08
0,14
55
Сбросы, ГБк
40K
238U
228Th
226Ra
210Pb
210Po
40K
-
-
-
24
166
-
336
8
737
654
997
79
90
-
-
-
0,51
8
-
0,044
0,034
-
-
-
0,054
0,057
-
0,008
ТЭС на угле
(600 МВт)
0,16
0,08
0,11
0,4
0,8
0,27
-
-
-
-
-
-
Цемент
0,2
0,05
0,2
0,2
78
0,4
-
-
-
-
-
-
Добыча
нефти
217
174
174
174
174
-
Добыча
газа
2,7
32
32
32
32
-
UNSCEAR 2016 Report

16.

Фосфатное сырье (фосфориты) 1 т
34% P2O5
31% P2O5
Фосфорная кислота
0,32 т
Фосфор
0,13 т
Ca-силикатный
шлак (90% CaSiO3)
0,96 т
Фосфогипс (CaSO4×nH2O)
1,6 т
Фосфатное сырье
Са-силикатный шлак
Осн. РН
УА, Бк/кг
Осн. РН
УА, Бк/кг
238U
70
230Th
2600
232Th
100
226Ra
2100
210Pb + 210Po
50 + 20
226Ra (фосфогипс) — 647 Бк/кг
Quenas et al., 2010
NATURALLY OCCURRING RADIOACTIVE MATERIAL (NORM V), 2008
Гомельский химзавод: за год образуется 650800 тыс. т твердых производственных
отходов, в основном фосфогипса, за 50 лет в
отвалах на территории завода накоплено ~20
млн. т фосфогипса (предлагается
использовать для улучшения почв)
Шершнев О.В., 2016

17.

Руды редких металлов
Отходы добычи циркониевых руд: 2,5.103–4,8.104 Бк/кг
(среднее 3219 Бк/кг).
Титановое сырье: 211 Бк/кг (ильменит FeTiO3) и 729 Бк/кг
(рутил TiO2), отходы добычи: 144–1665 Бк/кг (среднее 444
Бк/кг).
Отходы добычи РЗМ (монацитовые, ксенотимовые и
бастнезитовые руды): 210–1,2.105 Бк/кг
Удельные активности (Бк/кг) РН в в рудах Ta-Nb Зашихинского месторождения
(Иркутская обл.) и продуктах переработки
Фракция
238U
234U
232Th
228Th
230Th
210Po
210Pb
226Ra
40K
Руда
186
179
2592
2166
166
230
247
172
622
Хвосты
сепарации
104
87
1391
1367
288
104
182
105
594
Концентрат
Ta-Nb
4504
4527
86800
41000
4552
2532
2937
3348
<70

18.

U и Th в «рудных песках» и продуктах их переработки
Стадия
Материал
Масса, тыс. т./год
U, Бк/кг
Th, Бк/кг
Добыча
Исходное сырье
—
30–120
20–280
Концентрат тяжелых
минералов
500
<100–800
300–3000
Хвосты
6000
<100
<200
Остатки (крупная
фракция)
700
<100
<200
Ильменит (Ti)
300
<100–400
200–2000
Лейкоксен (Ti)
10
200–600
300–3000
Рутил (Ti)
30
<100–300
<200–1400
Циркон
60
1000–4000
600–1200
Концентрат монацита
10
6000–30000
40000–
250000
Остатки (крупная
фракция)
6
600–2000
300–8000
Хвосты
70
100–12000
800–24000
Глинистый шлам
1
~400
~2400
Пылевая фракция
2
100–6000
1000–20000
Первичная
сепарация
Промышленная
вторичная
сепарация
M.B. Cooper, 2005

19.

Th, U в углях Центральной
Сибири
I – Девонская эпоха угленакопления; II – Карбонпермская эпоха угленакопления; III – Мезозойская
эпоха угленакопления; IV – Кайнозойская эпоха
торфо-угленакопления; V – среднее для эпохи; VI
– среднее для региона; VII – угольный кларк; VIII –
среднее для осадочных пород; IX – среднее для
континентальной земной коры; X – угли США; XI –
угли Китая. Угольные бассейны и месторождения:
1) Барзасское, 2) Убрусское, 3) Горловский, 4)
Кузнецкий, 5) Минусинский, 6) Тунгусский, 7)
Курайское, 8) Пыжинское, 9) Канско-Ачинский, 10)
Иркутский, 11) Улугхемский, 13) ЗападноСибирский, 13) среднее для АССО, 14) ТалдуДюргунское, 15) торф погребенный, 16) торф
современный.
Угли
УА (Бк/кг)
226Ra
232Th
40K
Уголь
21
10
47
Зола
89
70
334
Шлак
90
54
299
Месторождение
Лучегорское
Объект / УА (Бк/кг)
238U
226Ra
232Th
40K
Среднемировое зн.-е
–
17–60
11–64
140–850
Центральная Сибирь
12–340
–
3–21
–
Подмосковье
1200
–
11000
–
UNSEAR, 2000; С.И. Арбузов, 2005, В.А. Гордиенко, 2011, Л.П. Рихванов и др., 2007

20.

Урановое сырье
В СССР в 1923 г. создана первая
технология переработки руд U-Ra-V
месторождения Тюямуюнское
(Ферганская долина).
В 1954 г. (июнь) пуск первой
АЭС (СССР, Обнинск)……..
1 г 238U — A ≈ 1,24.104 Бк
Урановые руды: 1,1.(104–105) Бк/кг
Отходы (до обогащения): ~1 т / 1 т руды
содержат 5–10% U и 85% общей активности (1 г 226Ra ?)
Выбросы в атмосферу при измельчении урановых руд
РН
Эмиссия, Бк/1ГВт
РН
Эмиссия, Бк/1ГВт
210Po
2.107
234U
4.108
210Pb
2.107
238U
4.108
226Ra
2.107
230Th
2.107
UNSCEAR 2016 Report

21.

Расчетные нормированные выбросы АЭС, ТБк на 1 ГВт/год (2010 г.)
Тип
реактора
Выбросы в атмосферу
Сбросы
Благородные
газы
3H
131I
14C
Твердые
частицы
35S
3H
Другие
PWR
5,8
1,5
8,0.10-5
0,083
3,6.10-5
0
18
3,8.10-3
BWR
18
1,3
4,2.10-4
0,13
3,6.10-3
0
0,82
2,1.10-3
HWR
35
200
2,3.10-5
0,60
1,7.10-5
0
170
0,031
LWGR
460
26
9,9.10-3
1,3
2,7.10-3
0
0,78
2,0.10-3
AGR
19
4,0
3,2.10-5
1,4
2,2.10-5
0,066
410
0,81
GCR
1700
5,0
0
1,3
2,7.10-3
0,37
4,7
1,2
FBR
44
49
2,0.10-4
0,12
1,4.10-4
0
1,7
0,023
UNSCEAR 2016 Report
PWR (pressurized water reactor) — реактор с водой под давлением (в т.ч. ВВЭР)
BWR (boiling water reactor) — кипящий реактор с водой под давлением
HWR (heavy water reactor) — реактор с тяжелой водой в качестве замедлителя
LWGR (light water graphite reactor) — графито-водный реактор (в т.ч. РБМК)
AGR (advanced gas-cooled reactor) — улучшенный реактор с газовым охлаждением
GCR (gas-cooled reactor) — газоохлаждаемый реактор (в качестве замедлителя, как правило, графит)
FBR (fast breeder reactor) — реактор-размножитель на быстрых нейтронах (не требует замедлителя)

22.

Переработка
отработанного
ядерного топлива (ОЯТ)
РН
Выбросы в
атмосферу,
ТБк/год
Сбросы,
ТБк/год
3H
3,8.104
6,7.106
La Hague (Франция)
14С
1,1.104
5000
предприятие по переработке ОЯТ
(LWR-топливо) — 1700 тонн/год (~40%
от ΣОЯТ LWR), крупнейший
производитель очищенного плутония.
41Ar
—
—
54Mn
—
1,4
58Co
—
0,07
60Co
4,9.10-3
44
85Kr
1,5.108
—
90Sr
—
91
106Ru
0,048
1400
129I
3,1
930
131I
0,16
7,9
135Xe
—
—
134Cs
3,6.10-3
51
137Cs
3,6.10-3
730
239Pu
1,3.10-3
6,3
241Am
—
13
Данные на 2010 г.
UNSCEAR 2016 Report

23.

Радионуклиды в почвах
«Почвы — верхний горизонт литосферы, вовлеченный в биологический круговорот
при участии растений, животных и микроорганизмов».
А.И. Перельман
преобладание вторичных минералов (в т.ч.
глинистых, оксидов и гидроксидов Fe, Mn);
присутствие органики;
высокая проницаемость;
высокая степень изменчивости и неоднородности
(геохимические ландшафты, горизонты почв и т.п.);
сильно подвержены природным и техногенным
процессам изменения (деградации и др.)
Обычно включают 3 генетических горизонта:
I.
гумусовый («А»),
II. иллювиальный («В»)
III. почвообразующий («С»)
Основные факторы: коренные породы, рельеф, климат

24.

Th в коренных породах (А) и делювиальных почвах (Б)
Б
В.И. Гребенщикова и др., 2010
A
Dickson, Scott, 1997
Радионуклиды в горных породах и почвах (Австралия)
Горные породы
Почвы
Типы горных
пород
K, %
U, ppm
Th, ppm
K, %
U, ppm
Th, ppm
Гранитоиды
0,3–4,5 (2,4)
0,4–7,8 (3,3)
2,3–45 (16)
0,4–3,9 (2,1)
0,5–7,8 (2,7)
2–37 (13)
Гнейсы
2,4–3,8 (2,4)
2,1–3,6 (2,5)
18–55 (15)
0,7–1,9 (1,3)
1,6–3,8 (2,2)
6–19 (12)
Средние
0,7–5,6 (2,7)
0,1–1,2 (0,8)
0,8–6,1 (2,4)
0,7–3,4 (1,6)
1,5–2,3 (1,9)
2,9–8,4 (5,6)
Арениты
0,0–5,5 (1,8)
0,7–5,1 (2,3)
4–22 (12)
0,1–2,4 (1,3)
1,2–4,4 (2,1)
7–18 (11)

25.

Радионуклиды в почвах России и близлежащих стран (Бк/кг)
Страна
40К
238U
226Ra
232Th
Казахстан
100–1200 (300)
12–120 (37)
12–120 (35)
10–220 (60)
Китай
9–1800 (440)
2–690 (33)
2–440 (32)
1–360 (41)
Россия
100–1400 (520)
0–67 (19)
1–76 (27)
2–79 (30)
UNSCEAR 2000 REPORT Vol. I
Активность природных РН в почвах основных типов (Бк/кг)
Тип
40К
238U
232Th
Сероземы
670
31
48
Каштановые
550
27
37
Черноземы
410
22
36
Серые лесные
370
18
27
Дерново-подзолистые
300
15
22
Подзолистые
150
9
12
Торфяные
90
6
6
По А.А. Моисееву, В.И. Иванову, 1990

26.

Почвы накапливают техногенные продукты, в т.ч. РН
(в равновесных условиях для почвы уровень аккумуляции загрязнителей,
поступающих в ОС, оценивается как 90,5%)
Источники «глобального»
техногенного фона
ядерные взрывы в атмосфере;
крупнейшие аварии с выбросом
радионуклидов в атмосферу
Источники «локального»
техногенного фона
добыча и переработка минерального
сырья;
ядерные технологии;
аварийные ситуации

27.

Глобальное загрязнение почв
Наибольшую опасность для глобального
загрязнения ОС представляют взрывы в
атмосфере (в т.ч. на поверхности земли).
С 1945 г. произведено >2400 ядерных взрывов,
из них 502 атмосферных (максимумы испытаний
в 1954–1958, 1961–1962 гг.).
Эмиссия в атмосферу за счет взрывов, Бк
При взрыве возникает ~200 РН,
~90% — короткоживущие.
3H
1,86.1020
125Sb
7,41.1017
14С
2,13.1017
131I
6,75.1020
54Mn
3,98.1018
140Ba
7,59.1020
высокой эмиссией: 3H, 14C, 90Sr,
55Fe
1,53.1018
141Ce
2,63.1020
137Cs, 239Pu, 240Pu, 241Pu.
89Sr
1,17.1020
144Ce
3,07.1019
90Sr
6,22.1017
137Cs
9,48.1017
91Y
1,2.1020
239Pu
6,52.1015
96Zr
1,48.1020
240Pu
4,35.1015
Распределение выпадений
имеет широтный характер.
103Ru
2,47.1020
241Pu
1,42.1017
106Ru
1,22.1019
UNSCEAR 2008 REPORT Vol. I
Долгоживущие радионуклиды с
Время пребывания продуктов взрыва
в тропо- и стратосфере — от
нескольких минут до 1 года и более.
Локальные «пятна» выпадений в
основном обусловлены
атмосферными осадками.

28.

Основные источники эмиссии 241Pu и 241Am
Источник
Период
241Am
241Pu
Ядерные взрывы в
атмосфере
1945–1980
13 ПБк
142ПБк
Переработка ОЯТ,
Sellafield
(Великобритания)
1952–1992
542 ТБк
22 ПБк
1967–1995
-
12 ПБк
1995–1999
310 ГБк
21,8 ТБк
Авиакатастрофа,
Palomares (Испания)
1966
0,1 ТБк
-
Авиакатастрофа,
Thule (Гренландия)
1968
0,20 ТБк
4,6 ТБк
Авария на ЧАЭС
(СССР)
1986
0,99 МБк
6 ПБк
Переработка ОЯТ,
La Hague (Франция)
Авария на
реакторах, Фукусима
(Япония)
241Pu
0,0025% α
β 99,998%
237U
241Am
β
α
6,8 сут
89 МБк
14 ГБк
По Haitao Zhang et al., 2022
433 года
237Np 2,1 млн. лет
α
233Pa 27 сут.
β
233U 160 тыс. лет
α
2011
14,3 года

29.

Локальное загрязнение почв
U (г/т) в почвах вблизи г.
Краснокаменск, пос. Октябрьский
(Забайкалье)
1965 г.
238U, 235U и ДПР при добыче и
переработке урана;
238U, 232Th и их ДПР при добыче и
сжигании угля, добыче нефти и газа,
добыче и выплавке металлов, добыче и
переработке минеральных песков (РЗМ,
Ti и Zr), при хранении отходов
производства в отвалах;
238U при внесении фосфорных удобрений
в сельском хозяйстве;
1990 г.
226Ra при использовании фосфогипса
для улучшения почв (рассоление и др.);
комплекс природных и искусственных
радионуклидов (137Cs, 226Ra, 238U,
238-242Pu, 60Co, 232Th, 90Sr)*
на объектах ЯТЦ и др.
*установлены в качестве ключевых на 160 объектах Министерства
энергетики США с радиоактивным загрязнением
И.И. Линге, И.И. Крышев, 2021

30.

Искусственные радионуклиды в ЯТЦ
Продукты коррозии
Продукты деления
89Sr, 90Sr/90Y, 91Sr, 92Sr, 95Zr, 97Zr,
— продукты коррозии стали;
103Ru/103mRh, 105Rh, 132Te, 131–135I,
140Ba/140La, 134Ce, 144Ce/144Pr при
авариях реакторов;
90Sr, 125mTe/129Te, 131I, 134Cs, 137Cs при
переработке ОЯТ;
90Sr, 106Ru, 137Cs и 144Ce/144Pr при
конденсации продуктов деления;
3H, 14C, 152,154Eu — продукты
разрушения графита.
90Sr, 95Zr/95Nb, 106Ru, 131I, 137Cs,
144Ce/144Pr, актиниды при
3H, 14C, 41Ca, 55Fe, 60Co, 152,154Eu —
продукты коррозии железобетона;
транспортировке твэлов;
55Fe, 59Ni, 63Ni, 94Nb, 60Co, 39Ar, 54Mn
90Sr, 137Cs, актиниды при
выщелачивании из мест хранения
(захоронения).
Деконструкция ядерных установок
Фото: IOP Institute of Physics

31.

Локальное загрязнение почв за счет деятельности предприятий ЯТЦ
Предприятие / территория
Площадь,
км2
Площадь, с превышением
поглощенной дозы 2 мкГр/ч, км2
Приаргунское горно-химическое объединение
8,53
—
Забайкальский горно-обогатительный комбинат
0,04
—
Гидрометаллургический завод, г. Лермонтов
1,34
1,03
Машиностроительный завод, г. Электросталь
0,26
0,26
Новосибирский завод химконцентратов
0,15
0,14
Московский завод полиметаллов
0,016
0,001
Чепецкий механический завод, г. Глазов
1,35
0,062
ПО «Маяк», Челябинская обл.
452,2
65,7
Железногорский горно-химический комбинат
4,7
0,20
Сибирский химический комбинат, г. Северск
10,39
4,19
Кирово-Чепецкий химический комбинат
0,7
—
ВНИИ технической физики, г. Снежинск
0,13
0,01
НИИ атомных реакторов, г. Димитровград
0,39
0,08
Институт атомной энергетики, г. Обнинск
—
0,001
Всего
480
71,7
UNSCEAR 2008 REPORT Vol. I

32.

Схема радиоактивного
загрязнения территорий
в результате прошлой
деятельности ПО «Маяк»
(Челябинская обл.)
I.
Восточно-уральский
(«Кыштымский»)
радиоактивный след,
авария в 1957 г. Основные
нуклиды: 144Ce, 95Zr,
90Sr, 137Cs, 95Nb, 106Ru
II.
Карачаевский след,
ветровой унос с оз.
Карачай (водоем В-9) в
1967 г. Основные нуклиды
(в отложениях водоема):
90Sr (40%), 137Cs (70%)
И.И. Линге, И.И. Крышев, 2021

33.

137Cs и 90Sr в почвах зоны загрязнения АПЯВ «Кратон-3» (Якутия)
Место отбора
(гамма-фон, мкР/ч)
Почва (0–50 см)
137Cs, Бк/м2
90Sr, Бк/м2
Пойма р. Марха (11)
Аллювиальная светло-гумусовая
41430
71175
Водораздельный склон (200)
Дерново-карбонатная,
выщелоченная
1025046
781267
Водораздельный склон (40)
Дерново-карбонатная,
неполно развитая
68222
324044
Вершина водораздела (16)
Типичная
34024
57320
Фон (5–8)
Уровни глобальных выпадений
800
600
По А. П. Чевычелову, П. И. Собакину, 2017
«Технический» (глубинное зондирование) ПЯВ
«Кратон-3» (22 кт) проведен 24.09.1978 г. в
скважине на глубине 577 м (в осадочных
породах). При взрыве произошел аварийный
ранний выброс неразделенной смеси продуктов
деления и нейтронной активации, Pu, что
привело к загрязнению промплощадки и
образованию долгосрочного радиоактивного
следа по направлению распространения струи
газо-аэрозольной смеси.
«Мертвый лес» — радиоактивный след «Кратон-3»
https://yakutiamedia.ru

34.

Современные уровни загрязнения искусственными
радионуклидами территории РФ
137Cs
90Sr
239+240Pu
102–105 Бк/кг 102–106 Бк/кг
n.103 Бк/кг
Локальный
5–20 Бк/кг
0,5–1,0
(2,5) Бк/кг
Глобальный
5–30 Бк/кг
Глобальная составляющая техногенного фона снижается,
локальная (в некоторых случаях) растет.
Активности ТРН сопоставимы, а иногда
существенно превышают уровни активностей ПРН

35.

Миграция, распределение в почвенном разрезе
Состав и распространение
загрязнения зависит от источника,
способа поступления (фазы и
формы соединений) нуклида,
сорбционных свойств почвы.
Глубина проникновения
радионуклидов с поверхности почв
достигает 50–100 см.
Основная доля радионуклидов в
составе выпадений остается в
верхнем 10-см слое.
Обычно соблюдается снижение
миграционной способности в ряду:
Sr > Ru > Cs > I > Pu.
«Унаследованные» от
почвообразующих пород
природные радионуклиды
обычно прочно закреплены в
почвах.
Распределение радиоактивных частиц и
активность 137Cs в почвенном разрезе
на КП «Заборье» (Брянская обл.)

36.

Коэффициенты распределения Kd (раствортвердая фаза) для Sr (мл/г)

37.

Растительность
Факторы, определяющие
содержание микроэлементов
в растениях
Содержание
элементов в почве
(питающей среде)
Шкала: lg (x)
Видовая принадлежность
растений
Путь поступления,
временной фактор
По А.Л. Ковалевскому, 2010
Формы нахождения
элементов в почве
(доступность для
поглощения растениями)
Локализация в
частях и органах
растений

38.

КБП
С раст.
В естественных условиях растения
усваивают микроэлементы в прямой
пропорциональности от их содержания в
питающей среде.
Спочв.
В молодых растущих и репродуктивных
органах и частях растений преобладают
короткоживущие РН.
Коэффициент биологического
поглощения (transfer factor).
Во внешних покровных тканях древесных
растений преобладают долгоживущие РН.
Активность U (Бк/кг) в злаковой культуре в
зависимости от содержания в почве (мг/кг)
Фото C. Dunn, 2007
КБП: мхи > лишайники >
кустарники > деревья > травы
Кулиева Г. А., 2004

39.

14C во мхе-сфагнуме
Yankovich T. et al., 2013
Болото Дьюк — зона разгрузки
загрязненных грунтовых вод (Центр
ядерных исследований «Chalk River
Laboratories», Канада).
Большая часть 14С поступает в
растительность из атмосферы при
дегазации изливающихся вод. Корневое
поглощение: <1% запаса 14C.
Чем выше над поверхностью почвы
расположены растения, тем меньше в них
14C (убывание по экспоненте).
Сайт 35: 14C в воде — до 4,9.106 Бк/кг;
в сфагнуме — 46700 Бк/кг; в грибах —
8620 Бк/кг. Почвы (сайт 27) — 38200 Бк/кг

40.

В растительности естественных условиях альфа-активность в
основном обусловлена 210Po (до 80–85 %), бета-активность —
40К, 210Pb, 210Bi
Природные радионуклиды в золе растений, Бк/кг
Растения
210Po
210Pb
238U
226Ra
232Th
40K
Высшие
растения
0,5–600
1,5–40
1,5–600
1,5–600
20–200
20–400**
Мхи и
лишайники
150–200*
150–200*
1,5–600
1,5–600
Нет данных
20–400**
* на сухую массу; ** на сырую массу

41.

210Pb, 226Ra в пищевых
210Pb (Бк/кг)
продуктах, производимых в
поселке Октябрьский (до
выселения жителей в 2014 г.)
в 20-км санитарно-
СЗЗ
«фон»
защитной зоне (СЗЗ)
ПАО «ППГХО»
(Приаргунское
производственное горнохимическое объединение), и
поселке Соктуй-Милозан,
расположенном на удалении в
30 км — «фон»
226Ra (Бк/кг)

42.

137Cs и 90Sr в зоне загрязнения АПЯВ «Кратон-3» (Якутия)
Вид и части растений
137Cs
90Sr
Бк/кг
Кн
Бк/кг
Кн
Лиственница Гмелина (хвоя)
541
0,03
1858
0,2
Ива скальная (листья)
43
0,002
3902
0,3
Береза тощая (листья)
250
0,01
1878
0,2
Береза тощая (ветви)
390
0,02
1920
0,2
Курильский чай (надземная часть)
100
0,005
14690
1,2
Арктоус красноплодный (надземная часть)
237
0,007
27296
1,4
Иван-чай (надземная часть)
380
0,01
1811
0,09
Осока (надземная часть)
485
0,05
910
0,08
Мох Tomentypnum nitens
4925
1,5
1901
1,3
Лишайник Cladonia stellaris
4260
1,0
1509
1,0
Лишайник Cladonia arbuscula
3950
1,4
1808
1,2
Фон: высшие растения
1–5
–
1–6
–
Фон: мхи и лишайники
20–50
–
10–20
–
На сухую массу проб
По А. П. Чевычелову, П. И. Собакину, 2017

43.

Природные воды
состав и свойства вмещающих горных пород,
химический состав вод,
Факторы,
определяющие
радиоактивность
минерализация воды,
геохимические условия (Eh, pH, T и др.),
климат, осадки,
тектонический режим,
антропогенное загрязнение и др.
Зависимость Σβ (мБк/л) от
массы сухого остатка (мг)
D. Desideri et al., 2007

44.

U, Rn обычно широко
Ra обычно встречается в
бескислородных и кислых водах.
210Pb чаще всего встречается в
кислых водах магматических
массивов или в щелочной
восстановительной обстановке.
водоносных горизонтов, США
222Rn > 11 Бк/л (%)
распространены в щелочных
(карбонатных) водах с высокими
значениями Eh
(кислородсодержащих),
приуроченных к гранитным
массивам.
222Rn и 210Pb в пробах из основных
210Po обычно встречается в
восстановительной обстановке
закрытых водоносных горизонтов с
pH > 7,5 и высоким соотношением
Na/Cl
210Pb > 0,037 Бк/л (%)
Z. Szabo et al., 2020

45.

Радионуклиды в природных водах (Бк/дм3)
в скобках — среднее для центральной европейской части РФ
Радионуклид
Реки
Озера
Подземные
воды
Атмосферные
осадки
238U
0,005–1,85
(0,005–0,04)
0,003–400
(0,005–0,06)
0,003–120
(0,006–0,50)
0,0003–0,04
234U
0,007–2,0
(0,005–0,04)
0,003–500
(0,01–0,08)
0,004–400
(0,008–0,70)
0,0003–0,04
230Th
n.(10-5–10-4)
—
0,003–0,15
—
232Th
4.(10-5–10-4)
8.10-5–4.10-4
2.10-4–0,n
—
226Ra
0,004–0,16
(0,01–0,03)
0,007–0,30
(0,007–0,04)
0,004–20
(0,01–1,0)
—
228Ra
—
—
0,002–200
(0,02–0,2)
—
210Pb
0,001–0,01
0,002–0,01
0,002–0,30
0,007–0,50
210Po
0,001–0,02
0,002–0,02
0,001–1,0
0,007–0,50
40K
0,04–0,40
0,30–0,50
0,05–4,0
0,04–0,10
90Sr
0,005–0,09
0,02–5,0
0,002–0,50
—
137Cs
0,005–0,10
0,02–5,0
0,002–0,50
—

46.

238U
мБк/л
мкг/л
в питьевых
водах
(по странам
мира)
UNSCEAR 2008 REPORT Vol. I
Вариации концентраций урана в природных водах достигают 6
математических порядков.
Экстремально высокие концентрации U приурочены к урановой
минерализации или щелочным водам закрытых бассейнов с активным
испарением.
Повышенные уровни (>30 мкг/л) U обычно приурочены к водоносным
горизонтам, связанным с гранитоидами и фельзитовыми вулканитами и др.

47.

широкий диапазон вариаций концентраций;
отсутствие радиоактивного равновесия;
«ключевые» радионуклиды (кроме Rn): 40K, 226Ra,
228Ra, 234U, 238U, 210Pb, 210Po
Типичные соотношения ПРН в природных водах
Отношение
активностей
Поверхностные
воды
Воды осадочного
чехла
Воды кристаллического
фундамента
234U/238U
0,99–2,0
0,6–3,0
0,6–5 (до 20)
230Th/238U
0,001–0,6
Нет данных
0,05
от 0,03 до 3–15 (обычно не более 1,0)
226Ra/238U
232Th/238U
0,08–1,0
Нет данных
0,001–0,1 (до 3 в породах с
высоким содержанием Th)
228Th/232Th
0,9–2,5
2,5–5,0
5,0 и более
230Th/232Th
0,37–0,72
1,5
2,0–3,0
226Ra/228Ra
1,25–5
0,01–10,0
0,1–10
224Ra/228Ra
Нет данных
1,0–5,0
210Po/210Pb
0,2–1,0
1,0–10 и более

48.

Подземные воды Московского региона

49.

Месторождение урана Табошар (Таджикистан)
дренажи шахт: 238U – до 500 Бк/л, р. Уткен-Суу: 238U – 9 Бк/л
Мирсаидов И.У., 2007
Объект ЯТЦ
137Cs, Бк/л
90Sr, Бк/л
3H, Бк/л
Нововоронежская АЭС
0,019
0,012
нет данных
Калининская АЭС
<0,004
0,005
13
р. Теча (Муслимово, ПО «Маяк»)
0,63
2,2
27
Красноярский ГХК
0,0028
0,003
нет данных
ФЭИ (г. Обнинск)
0,0008
0,005
10–104
Крышев И.И., Сазыкина Т.Г., 2009
Нефтяное мест.-е Осинское (Пермский край), пластовые воды:
226Ra – 16 Бк/л; 228Ra – 4,3 Бк/л; 232Th, 230Th < 0,01 Бк/л; 228Th – 0,08 Бк/л;
137Cs – 1,5 Бк/л; 90Sr – 0,35 Бк/л

50.

Радиохимические методы анализа

51.

Выбор методов
задача исследования;
минеральный и химический
состав проб;
прогнозируемые содержания
(активности) радионуклидов;
Обычно применяют изотопный
масс-спектральный и спектрорадиометрические методы
(регистрации ядерных излучений —
альфа-, бета-, гамма-)
возможности методов
(физический принцип
измерений, ограничения,
диапазон измерений, ПО,
чувствительность, точность,
экспрессность и др.),
наличие оборудования и
материальные затраты,
трудоемкость, квалификация
персонала
Типичные пределы обнаружения методик
ICP-MS/OES по сравнению с XRF/INAA

52.

Методы с химической подготовкой проб
(и последующими измерениями)
В чем особенность?
Предполагают отделение от матрицы пробы и
концентрирование радионуклидов в препарате малой
массы, изготовленном в подходящей геометрии
Предусматривают специальные приемы выделения (обычно
в химически чистом виде) очень малых количеств
вещества (10-7–10-18 г)
Обычно обеспечивают более низкие пределы
определения, большую точность измерений по
сравнению с прямыми инструментальными методами

53.

Пределы определения (ПО) методов
Радионуклид
Метод
Предел определения (ПО), Бк
Экспозиция, ч
LSC
0,1–1
5
α-СПМ
0,2–0,5
48
TIMS
0,037
0,5
ICP-MS
3,7.10-7
–
α-СПМ
0,0001
83
ICP-MS
0,007
–
α-СПМ
0,0001
83
ICP-MS
19
–
α-СПМ
0,0002
50
LSC
0,001
1
γ-СПМ
46
14
239Pu
ICP-MS
0,07
–
240Pu
ICP-MS
0,26
–
239+240Pu
α-СПМ
0,0002
50
ICP-MS
118
–
LSC
0,008
1
226Ra
238U
234U
238Pu
241Pu

54.

Счетные образцы
образцы для измерений должны соответствовать эталону (образцу
сравнения), через который передается единица измерения, по своим
характеристикам (фаза, состав, геометрия и др.)

55.

Отбор проб
Предварительная
подготовка
Переведение в раствор
Концентрирование/
разделение
Приготовление образца
для измерений
Измерения
существенное влияние
пробоотбора и
предварительной
подготовки на
достоверность результатов;
анализируемые пробы
должны быть
представительными, т.е.
достаточно точно отражать
объект исследований

56.

Предварительная подготовка
сушка,
измельчение,
просеивание,
гомогенизация,
озоление
Твердые
пробы
o удаление механических
примесей (фильтрация),
o консервирование
(подкисление)
Для удаления гигроскопической влаги почву
высушивают в сушильном шкафу при температуре
105 оС до постоянной массы (сухая масса).
Влажность верхового торфа при сушке на воздухе:
сразу после отжима — 85–86%,
через 2 суток — 54–64%,
через 10 суток — 17–24%,
воздушно-сухих образцов — 10–12%
По А.С. Орлову и др., 2018
Температуру озоления ограничивают, чтобы
избежать образования тугоплавких фракций
(450 оC — оптимум), а также потери летучих
радионуклидов
Вода

57.

Введение носителей / трассеров
Основное предназначение носителя (добавляется в пробу в макроколичестве) —
создание условий для осаждения радионуклида при химических реакциях.
Основное предназначение трассера — контроль потерь (радиохимический выход).
стабильные носители (Fe, Al, Ba, Y, Ca,
La, Pb и др.);
изотопные трассеры — обычно
ограниченно распространенные
искусственные изотопы с приемлемыми
характеристиками (232U, 242Pu, 236Pu, 243Am,
133Ba, 209Po, 85Sr, 229Th и др.);
в некоторых случаях
носитель также
выполняет функции
трассера (Ba, Y и др.)

58.

Переведение радионуклидов в раствор
Вскрытие / выщелачивание (экстракция)
«мокрое» (кислоты или их смеси, в открытом или закрытом виде);
«сухое» (сплавление/спекание с оксидами, солями, щелочами и их
смесями).
o Щелочное сплавление обычно более эффективно, чем разложение кислотами,
особенно, если необходимо вскрытие остеклованных частиц,
силикатных (циркон) и фосфатных минералов (монацит, ксенотим) и др.
o При анализе летучих элементов соблюдают особые условия (ограничение
температуры, закрытые системы).
Распространенные экстрагенты
Концентрация
Растворы кислот
HNO3, HCl, CH3COOH, H2SO4
0,01–2 моль/л
Хелатирующие агенты
EDTA, DTPA
0,005–0,01 моль/л
Растворы солей
CaCl2, NaNO3, NH4NO3, AlCl3, BaCl2
0,01–0,1 моль/л
Буферные растворы
солей
NH4CH3COO/CH3COOH (pH = 4,8, pH=7)
1 моль/л

59.

Наиболее эффективный способ
кислотного разложения — в
микроволновых системах (в автоклавах)
Преимущества: ускорение процесса
разложения, минимизация затрат
реактивов, отсутствие потерь и
перекрестного загрязнения проб
Время разложения проб разных типов
Тип проб
Время
термического
разложения
Условия микроволнового
разложения
Время
микроволнового
разложения
Геологические объекты
(микрокомпоненты)
4–16 часов
HF и HCl, HF и HNO3, закрытые
или открытые системы
10–20 минут
Объекты с органической
матрицей (микрокомпоненты)
8–16 часов
HNO3, закрытые системы
10–20 минут
Биологические объекты
(микрокомпоненты)
8 часов
HNO3 или ее смеси с HF и HCl,
закрытые системы
1,5–30 минут
Почвы
8 часов
HF, HNO3, закрытые системы
20 минут
Сточные воды
6 часов
HNO3, закрытые системы
10 минут
По Е.С. Торопченовой, Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН

60.

Концентрирование / разделение
отделение матрицы пробы;
отделение мешающих
микроэлементов
(радионуклидов)
Методы межфазного
распределения
(одна из фаз преимущественно
захватывает аналиты)
o
o
o
осаждение (соосаждение);
ионообменная хроматография;
электролиз с металлическими
электродами, цементация и др.
o
экстракция органическими
растворителями и др.
Жидкость-твердое
вещество
Жидкость-жидкость

61.

Осаждение (cоосаждение)
групповое концентрирование микроэлементов;
отделение мешающих элементов;
приготовление счетных образцов (в т.ч. микроосаждение)
с гидроксидами (Fe, Al, Zr)
аммиаком или щелочью;
с оксалатами (Ca, Y и др.) в
кислой или нейтральной среде;
с фосфатами (Bi и др.);
с сульфатами (Ba, La и др.);
с фторидами (Na, La и др.) и др.

62.

Проба воды (2 л)
Добавка HCl, C₆H₈O₇, BaCl2,
кипячение
Добавка (NH4)2SO4,
осаждение Ba(Ra)SO4,
фильтрование
Растворение в щелочном
растворе трилона Б
Осаждение Ba(Ra)SO4 в
растворе с добавкой
CH₃COOH
Фильтрование, нанесение на
подложку
Альфа-бета-радиометрия
Осаждение RaBaSO4 в уксуснокислом растворе ЭДТА (Na2ЭДТА)
В растворе остаются U, Th, Po, Pb и
др. (коэффициент очистки > 2.104)
Методика определения 226Ra, 228Ra
в воде (ФР1.40.2013.15385)

63.

Электрохимическое осаждение
получение тонких (n мкм)
однородных ровных слоев
радиоактивных веществ
высокой чистоты
с металлическими электродами;
электрохимическое вытеснение
Li → Cs → Rb → K → Ba →Sr → Ca → Na → Mg
→ Al → Ti → Mn → Zn → Cr → Fe → Cd → Co →
Ni → Sn → Pb → H → Sb → Bi → Cu → Hg → Ag
→ Pd → Pt → Au
o возможно разделение элементов методом
цементации: Рo можно отделить от Рb и Bi
осаждением на серебряном диске;
o U выделяется на Ni-содержащем сплаве

64.

Жидкостная экстракция
Метод основан на распределении вещества
между двумя несмешивающимися жидкими
фазами (растворителями).
Условия: 1) растворители не должны смешиваться друг с
другом (или должны иметь минимальную взаимную
растворимость), отличаться друг от друга по плотности,
иметь низкую вязкость; 2) экстрагент должен легко
регенерироваться и обладать селективностью растворения
по отношению к извлекаемому веществу.
Обычно используют систему водный раствор —
органический растворитель (экстрагент).
Экстрагент — органическое вещество, образующее с
извлекаемым металлом соединение, способное
растворяться в органической фазе.
Экстрагенты: нейтральные (спирты, эфиры, фосфорорганические соединения и др.), кислые (органические
кислоты и их соли), основные (органические основания).
Самый распространенный из нейтральных
экстрагентов — трибутиловый эфир фосфорной
кислоты (ТБФ) (С4Н9О)3РО
Эффективное
индивидуальное и
групповое выделение
микрокомпонентов,
сброс матрицы

65.

Проба почвы (5 г)
Обжиг.
Внесение 232U
Разложение
HF+HCl, HF+HNO3
Растворение
в 7М HNO3
Экстракция 30%
ТБФ в толуоле
Промывка 7M
HNO3, 0,25M
HF/0,5M HNO3
Реэкстракция H2O
Определение 234,235,238U в почве
(ФР.1.40.2013.15390)
Жидкостная экстракция,
электролиз/спонтанное
электрохимическое осаждение
Выпаривание.
Обработка HNO3, HCl
Электролиз /
спонтанное осаждение
Альфа-спектрометрия

66.

Ионный обмен
Ионный обмен — процесс стехиометрического обмена ионов одного
знака между ионитом и раствором.
Ионообменные смолы (иониты) — твердые вещества (органические или неорганические),
практически нерастворимые в воде и других растворителях, содержащие активные группы с
подвижными ионами (ионогенные) и способные обменивать их в эквивалентном количестве
на ионы других электролитов (поглощаемые ионы). Представляют собой полиэлектролиты
(кислоты, основания, соли).
Типы:
I. неорганические (цеолиты и др.);
II. органические (синтетические смолы и др.)
Хроматографический метод предусматривает более
эффективное разделение элементов при
условии, что одна из взаимодействующих фаз
перемещается относительно другой (растворнеподвижный сорбент).
Широко используется колоночная элюентная
хроматография, при которой разделение веществ
происходит в колонке, заполненной выбранным сорбентом,
через которую пропускается маточный раствор, а затем
растворители, вымывающие те или иные радионуклиды.

67.

Проба почвы (10 г)
Обжиг (700 oC). Добавка
232U, 236Pu, 234Th, FeCl
3
Разложение HF+HCl, HF+HNO3
4-х кратное осаждение
гидроксидов, растворение
EPA Method EMSL-33
Изотопное определение Pu, U, Th в
воде, почве, воздухе, биологических
объектах
Выпаривание фракции Th,
растворение в 7,2M HNO3
Пропускание через анионит
Пропускание раствора через
анионит (9M HCl + H2O2)
Элюирование Th 9M HCl
Элюирование Pu 49%-ной
HBr, промывка
Выпаривание фракций Th,
Pu, U. Электролиз (1,5–2 ч)
Удаление Fe разбавл. HCl+
50%HI, промывка 9М HCl
Элюирование U 1,2M HCl
Альфа-спектрометрия

68.

Экстракционная (распределительная)
хроматография (ЭХ)
Два растворителя:
один подвижен,
другой закреплен
(экстрагент).
высокие коэффициенты
распределения;
селективность выше, чем
у ЖЖЭ;
возможность выделения
отдельных ОПД,
актинидов или их групп (в
т.ч. без предварительного
концентрирования);
простота операций,
минимальный расход
реактивов.
Пористая
гранула
Закрепленный
экстрагент
Носитель
Раствор

69.

Серия материалов ЭХ разработана для разделения актинидов в Аргоннской
национальной лаборатории в 1990-е гг. Компания «Eichrom Co.» сделала эти материалы
коммерчески доступными.
Наименование
Экстрагент
Носитель
Характеристика
Применение
CMPO-TBP
Amberlite
XAD-7
Am (III) фиксируется на
cмоле, отделяясь от 3-, 4- и
6-валентных актинидов
Определение
Th, U, Np, Pu,
и Am
Amberchrom
CG-7ms
Аналог анионообменной
смолы, сорбирует 4валентные актиниды. Am (III)
слабо сорбируется из среды
HNO3 или HCl; эффективно в
форме Am(SCN)4−
UTEVA
дипентил-пентил
фосфонат
Amberlite
XAD-7
Сорбция 4- и 6-валентных
актинидов. Аm (III) не
сорбируется из азотнокислых
растворов
Отделение
фракции Am-Pu
от U и Th
DGA
N,N,N0,N0
tetraoctyldiglycolamide
Amberchrom
CG-71
Высокий коэффициент
распределения Am (>104) в
HNO3 (≥1M)
Разделение Pu и
Am на одной
колонке
DIPEX
bis(2ethylhexyl)methane
diphosphonic acid
Инертный
полимер
Селективна по отношению к
актинидам, включая
трехвалентные
DIPHONIX
геминально
замененные
дифосфоновые
лиганды
Полимерная
матрица на
основе
стирола
Селективна по отношению к
актинидам
TRU
TEVA
Aliquat 336
Отделение Am от
лантанидов
Предварительное концентрирование Am

70.

A Rapid Method for
Determination of Uranium,
Americium, Plutonium and
Thorium in Soils Samples
N. Serdeiro, S. Marabini
Определение
U, Am, Pu и Th
в почве

71.

Тритиевая колонка Eichrom
Смола Diphonix® обменивает катионы на H+.
Анионообменная смола (1×8, хлоридная форма)
обменивает анионы на Cl-.
Полиметакрилатная смола удаляет органически
связанные 3H и 14C, а также другие органические
вещества, которые могут вызывать гашение смеси
LSC
https://www.eichrom.com/eichrom/products/tritium-column

72.

Радиационный контроль воды

73.

Внутреннее облучение
За счет
инкорп.
40K
За счет
пищи
Эффективная доза облучения человека
за счет потребления пищи и воды (в год):
0,2–1 мЗв (среднее — 0,29 мЗв).
От других природных источников ~2,4 мЗв.
За счет ингаляции
долгоживущих РН
За счет воды
Питьевая вода: вода, за исключением бутилированной питьевой воды,
предназначенная для питья, приготовления пищи и других хозяйственнобытовых нужд населения, а также для производства пищевой продукции
(ГОСТ Р 59024-2020)
0,1 мЗв — условно безопасный уровень воздействия
ионизирующего излучения при потреблении питьевой воды
(МКРЗ, национальные комитеты по радиационной защите, ВОЗ)
Этому значению соответствует удельная активность радионуклида на уровне
вмешательства (УВi) при его изолированном присутствии в потребляемой воде
(норма потребления — 2 кг/сут).

74.

Радиотоксичность
период полураспада;
тип и энергия излучения;
способ поступления в организм;
период полувыведения
(распределение в органах и
тканях);
наличие ДПР
Риск для жизни от раковых
заболеваний (относительно 226Ra)
при потреблении воды
По US EPA
Относительные коэффициенты
радиотоксичности РН
РН
Поступление
с водой
Поступление
с воздухом
238U
1
1
234U
1,1
1,2
226Ra
6,2
1,3
210Pb
15,5
0,4
210Po
25,8
1,2
228Ra
15,5
1,3
3H
0,0004
0,00001
14C
0,01
0,0005
90Sr
0,6
0,02
137Cs
0,3
0,001
239,240Pu
5,5
14,5
238Pu
5,2
12,1
241Am
5,0
10,0

75.

Эквивалентные дозы облучения человека (мбэр)
1 бэр = 0,01 Зв
1 КТ
То же,
Санта Фэ
1 X-ray
За счет
природного
фона (среднее),
в год
За счет инкорпорированного 40K, в год
4-х часовой
полет на
самолете
За счет бетаактивности
питьевой воды на
уровне 1 Бк/л, в год
За счет
глобальных
выпадений
ТРН, в год
K.J. Howe, 2008

76.

НОРМАТИВЫ ВОЗ: «GUIDELINES FOR DRINKINGWATER QUALITY» (4 издание, 2011)
Скрининговые уровни при непревышении которых не требуется проводить
дальнейшие исследования проб: 1 Бк/л для общей бета-активности и 0,5 Бк/л
для общей альфа-активности.
Если уровень 0,5 Бк/л по альфа-активности не превышен, то
эффективная доза 0,1 мЗв/год превышена не будет
(установлено эмпирически).
При превышении какого-либо из скрининговых уровней следует выявить
конкретные радионуклиды и определить уровень их радиоактивности по
отдельности (Ci). Если удовлетворяются условия Ci/GLi ≤ 1, то дальнейших
действий не требуется.
Рекомендовано вычесть бета-активность 40K из скринингового уровня бетаактивности до сопоставления с нормативом 1 Бк/л.
Подход ВОЗ к ограничению активности техногенных и природных радионуклидов в
питьевой воде одинаков.
Необходим учет химической токсичности радионуклидов. При различии
радиологического и химического норматива* должен применяться более
жесткий.
*С учетом медицинских данных уровень химической токсичности урана
(предварительный) принят 30 мкг/л (0,37 Бк/л)

77.

Контрольные и ограничивающие уровни (уровни вмешательства — УВi)
НРБ-76/87
Aα
НРБ-96
НРБ-99/2009
США
Канада
ЕС (ВОЗ)
0,10
0,2
0,555*
0,5
0,5
1,0
1,0
≤4 мбэр/год**
1
1
1,11
Aβ
Другие страны (Бк/л, Бк/дм3)
238U
21,8
5,6
3,0
0,433
—
10
234U
81,4
5,1
2,8
0,433
—
1
226Ra
2
0,89
0,49
0,5
1
228Ra
3,3
0,37
0,20
0,185 в
сумме
0,2
0,1
232Th
0,75
1,1
0,60
0,555
—
1
230Th
0,81
1,2
0,65
0,555
—
1
210Po
14,4
0,21
0,11
0,555
0,10
0,1
210Pb
2,9
0,37
0,20
—
0,20
0,1
137Cs
550
19,2
11
—
10
10
90Sr
14,8
9
4,9
0,296
5
10
239+240Pu
81,4
1
0,55+0,55
1,11
—
1+1
238Pu
92,5
1,1
0,60
0,555
—
1
241Am
70,3
1,3
0,69
0,555
—
1
243+244Cm
92,5
1,3
0,91+1,1
1,11
—
1+1
3H
1,5.105
6.103
7600
740
7000
10000
14C
3.104
440
240
—
—
100
*без учета Rn и U; **без учета фотонного излучения
Показатель
СССР, РФ (Бк/дм3, Бк/кг)

78.

Национальные и международные «нормативы» по содержанию
урана в воде по химической токсичности*
Согласно
нормативам
химическая
токсичность
урана намного
выше, чем
«радиационная»!
Организация
(страна)
U, мкг/л
U**, Бк/л
РФ
100
1,24
Австралия
17
0,21
Болгария
60
0,74
Канада
20
0,25
Финляндия
100
1,24
Германия
10
0,12
Словения
6,8
0,08
США
30
0,37
ВОЗ
30
0,37
*С учетом химической токсичности (отсутствия или минимального уровня
негативного эффекта) для почек, для взрослого населения (масса тела 60
кг —для ВОЗ), с учетом потребления 2 л воды ежедневно;
**Пересчет в объемную активность.

79.

Схема радиационного контроля питьевой воды
Дальнейшие
исследования
не обязательны
Σα < 0,2 Бк/кг
Σβ < 1,0 Бк/кг
Анализ
«ключевых» ПРН
Σβ > 1,0
Меры по снижению
активности
90Sr, 40K
0,2 < Σα ≤ 0,4
Σα > 0,4
210Po, 210Pb,
226Ra, 228Ra,
234U, 238U
210Po, 210Pb,
ТРН
226Ra, 228Ra
Σα - Σ(Кi.Ai) ≤ 0,2
232Th, 228Th, 230Th;
ЯТЦ: 241Am, 238Pu, 239+240Pu
да
137Cs,
222Rn < 60 Бк/кг
нет
Σ(Ai/УВi) ≤ 1
Σ(Ai/УВi) > 10
Контрольные
уровни Σα, Σβ, Rn
В зонах наблюдения РОО I и II кат. обязательно
определение 3H, 14C, 131I, 210Pb, 228Ra, 232Th.
Если AТРНi > УВi, водный источник
исключают из водоснабжения!

80.

Число водозаборов, %
Контрольный уровень Σα = 0,2 Бк/кг установлен эмпирически
Σ(Ai/УВi) ≤ 1
Σ(Ai/УВi) > 1
Σ(Ai/УВi) > 1
Σ(Ai/УВi) ≤ 1
Общая (суммарная) альфа-активность Σα, Бк/кг
Повышение Σα до 0,5 Бк/кг может привести к пропуску
значительного числа потенциально опасных водоисточников.

81.

Примеры «аномальных» подземных вод на территории РФ
Оренбургская обл.
Острогожск,
Воронежская обл.
Белая
Горка,
Воронежская обл.
Кольчугино,
Владимирская обл.
Майкопский
район
Сосновый
Бор,
Ленинградская обл.
Пос.
Шаховская,
Московская обл.
А∑α
6,5
2,9
10,5
1,1
6,5
2,5
1,5
А∑β
1,7
1,6
5,1
0,44
1,4
2,2
1,1
238U
4,1
3,5
0,01
0,002
2,3
0,004
0,04
234U
6,0
2,3
0,01
0,01
2,2
0,004
0,09
226Ra
0,03
0,03
2,3
0,97
3,1
0,96
0,51
228Ra
0,02
0,02
2,9
0,09
0,08
2,3
0,005
210Po
0,01
0,01
0,01
0,02
0,03
0,01
0,47
210Pb
0,01
0,02
0,01
0,02
0,02
0,02
0,03
Доза*,
мЗв/год
0,38
0,21
1,9
0,27
0,84
1,4
0,52
РН или
параметр,
Бк/дм3
*расчетное значение при потреблении воды

82.

СанПиН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к
обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека
факторов среды обитания» (с изменениями на 30.12.2022 г.)
Раздел III. Нормативы качества и безопасности воды.
Показатели радиационной безопасности воды.

83.

НРБ-99/2009, ОСПОРБ 99/2010. Установлены уровни вмешательства
для РН в питьевых водах и основные принципы радиационного контроля воды, в
том числе введены оценочные показатели (суммарные альфа- и бетаактивности).
СанПиН 2.6.1.2800-10 «Гигиенические требования по ограничению облучения
населения за счет источников ионизирующего излучения». Даны требования к
питьевым водам (рекомендовано при превышении бета-активности уровня
1,0 Бк/кг определять и вычитать активность 40K).
МУ 2.6.1.1981-05 (с изменением № 1) «Радиационный контроль и
гигиеническая оценка источников питьевого водоснабжения и питьевой воды по
показателям радиационной безопасности…». Установлена 2-уровневая система
РК, даны приоритетные радионуклиды, предписаны основные защитные
мероприятия, рекомендована методика пробоподготовки и стандарты
сравнения (сульфат К и Сa с введенным 239Pu), даны требования к методикам
и аппаратуре.
ГОСТ Р 51232-98 «Вода питьевая. Общие требования к организации и методам
контроля качества». Приведены ссылки на применяемые методы определения
суммарных показателей, требования к другим применяемым методам (их
применение допускается), в т.ч. по погрешностям (точности).
ГОСТ 27384-2002 «Вода. Нормы погрешности измерений показателей состава
и свойств» (50% для суммарной альфа- и бета-активности).

84.

Минеральные и бутилированные воды
СанПиН 2.1.4.1116-02 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды,
расфасованной в емкости. Контроль качества». (+СанПиН 2.1.4.2653-10, СанПиН 2.1.4.2581-10 –
изменения № 1,2). Применяются «в целях технического регламента». Контрольные уровни
суммарной α- и β-активности: 0,2 и 1,0 Бк/кг.
СанПиН 2.3.2.1078-01 «Гигиенические требования к безопасности и пищевой ценности пищевых
продуктов. Требования к питьевым минеральным природным столовым, лечебно-столовым и
лечебным водам» Контрольные уровни суммарной α- и β-активности: 0,2 и 1,0 Бк/кг.
«Единые санитарно-эпидемиологические и гигиенические требования к товарам, подлежащим
санитарно-эпидемиологическому надзору (контролю)» (утв. Комиссией таможенного союза),
глава II, раздел 9 «Требования к питьевой воде, расфасованной в емкости», раздел 21 «Требования к
минеральным водам».
ГОСТ Р 54316-2020 «Воды минеральные природные питьевые. Общие технические
условия». Рекомендованы методы определения суммарной альфа- и бетаактивности. Нормативы те же. Технический регламент «главнее»!

85.

ТР ЕАЭС 044/2017. Технический регламент Евразийского
экономического союза «О безопасности упакованной питьевой
воды, включая природную минеральную воду»
Допустимые уровни показателей радиационной безопасности, Бк/кг, не более:
Показатель
Столовая
природная
минеральная вода
и купажированная
питьевая вода
Лечебно-столовая
природная
минеральная вода
и лечебная
природная
минеральная вода
Воды: обработанная питьевая,
природная питьевая, питьевая
для детского питания,
искусственно минерализованная
природная, купажированная
питьевая, изготовленная с
использованием природной
питьевой воды
Удельная суммарная
альфа-активность
0,2
0,5
0,2
Удельная суммарная
бета-активность
Р/н анализ при
превышении
показателей
1,0
210Po, 210Pb, 226Ra, 228Ra,
234U, 238U, 232Th
(активности сопоставляют с УВi)
То же + 137Cs, 90Sr

86.

ГОСТ Р 59024-2020 «Вода.
Общие требования к отбору
проб».
Распространяется на любые типы
вод и устанавливает общие
требования к отбору,
транспортированию и подготовке к
хранению проб воды,
предназначенных для определения
показателей ее состава и свойств.
Требования к оборудованию для
отбора.
Предварительная обработка,
транспортирование и подготовка к
хранению. В т.ч. способ
консервации и условия хранения
проб для определения
показателей радиационной
безопасности воды.

87.

Почему часто «не сходятся» общая (суммарная)
активность и сумма активностей радионуклидов?
Факторы, определяющие результат
измерений общей активности
РН
Энергия,
кэВ
Ki*
методика пробоподготовки;
232Th
4012; 3947
0,60
соответствие энергетического
спектра пробы спектру эталона;
238U
4198; 4151
0,65
230Th
4687; 4621
0,85
234U
4775; 4722
226Ra
4784
239Pu
5157; 5144
240Pu
5168; 5124
210Po
5304
228Th
5423; 5340
тип детектора и уровень
энергетической дискриминации
излучения;
временной фактор и др.
Отклонение (отн.)
результатов*
Стандарт 1
(проба)
Стандарт 2 (проба)
238U
230Th
241Am
241Am
5486; 5443
238U
0
-0,13
-0,43
238Pu
5499; 5456
230Th
+0,14
0
-0,35
224Ra
5685; 5449
241Am
+0,76
+0,53
0
223Ra
5716; 5607
*Измерения тонких пленок (Arndt M.F., West L., 2004)
0,90
1,0
1,10
1,15
*По отношению к стандарту со средней
энергией альфа-излучения ≈5,2 МэВ

88.

Результаты МСИ
ФБУЗ ФЦГиЭ Роспотребнадзора,
2021 г.
Определение суммарной альфаактивности в жидком образце
ГОСТ 31864-2012 («Вода
питьевая. Метод определения
суммарной удельной альфаактивности радионуклидов»)
предусматривает эталоны на
основе 241Am или 238Pu
Суммарная альфа-активность, Бк
Число результатов
25
20
15
10
5
0
0,79 Бк 234U

89.

присутствие 224Ra и продуктов его распада
228Ra
5,8 лет
228Ac
Количество образцов
228Th
6ч
1,9 лет
224Ra
α
220Rn
α
3,6 сут.
56 с
216Po
α
0,15 с
4 α-частицы
10,6 ч
2 β-частицы
212Pb
β
212Bi
224Ra/228Ra в водах
шт. Висконсин, США
M.F. Arndt, L. West, 2004
β
212Po
2,9 лет α
В группе 224Ra
α 61 мин
208Tl
β 3 мин
Pbстаб.