Естественная и техногенная радиоактивность ос. Радиохимические методы исследования радионуклидного состава

1.

ФГУП “ВИМС”
ФЕДЕРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ ЦЕНТР ЛАБОРАТОРНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ И СЕРТИФИКАЦИИ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ
ЛАБОРАТОРИЯ ИЗОТОПНЫХ МЕТОДОВ АНАЛИЗА
t: (495)–959–34–33;
e: [email protected]
Естественная и техногенная радиоактивность ОС.
Радиохимические методы исследования
радионуклидного состава.
Радиационный контроль воды: нормативные и методические
аспекты

2.

Радиоактивность объектов окружающей среды (ОС) обусловлена присутствием в них
радиоактивных элементов и изотопов
Изучение распределения и содержаний радиоактивных элементов и изотопов в объектах
окружающей среды играет важную роль при решении задач:
прогнозирования и поисков месторождений полезных ископаемых,
определения источников рудного вещества, возраста и стадийности оруденения,
установления проявленности процессов изменения горных пород и руд,
промышленных характеристик руд,
контроля технологических процессов,
радиационного контроля минерального сырья, объектов окружающей среды,
радиационного мониторинга и многих других.
Основные типы р/а превращений: β- (46 %);
электронный захват (25 %); β+ (11 %);
α (10 %); спонтанное деление ядер (8 %)
Все типы естественных ядерных превращений подчиняются одному статистическому закону
– закону радиоактивного распада, основным параметром которого является постоянная
распада (λ) или период полураспада (Т1/2). Среди других важных характеристик
радиоактивного распада надо отметить тип и энергию испускаемых ядром частиц (излучения),
выход излучения с данной энергией на распад и др.

3.

Элементы с атомным номером Z = 84 (Po) и более являются радиоактивными, также
радиоактивны изотопы Tl (Z = 81), 82Pb (Z = 82), 83Bi (Z = 83)
В средней части таблицы Д. И. Менделеева радиоактивные превращения испытывают:
40К (Z = 19; К-захват, β-);
87Rb (Z = 37; β-);
40К + е- → 40Ar + ѵ (≈ 11 %);
19
18
115In (Z = 49; β-);
40К → 40Ca + β- + ѵ’ (≈ 89 %)
144Sn (50; 2β-);
19
20
138La (Z = 57; К-захват, β-);
40К ≈ 0,012 % в природном калии
150Nd (Z = 60; β-);
1 г К → 27,65 β-/c
147Sm (Z = 62; α);
1 г К2SO4 → 12,4 Бк
176Lu (Z = 71; К-захват, β-);
187Re (Z = 75; β-)
и другие изотопы, менее распространенные
Активности 209Bi, 180W, 130Te, 96Zr, 48Ca в земной коре пренебрежимо малы
Все изотопы, встречающиеся в природе, могут быть разделены на первичные (сохранившиеся
от момента образования Земли) и вторичные, которые являются дочерними по отношению к
первичным
В настоящее время в ОС сохранились и могут быть обнаружены современными
методами первичные изотопы с T1/2 > 1,5.108 лет

4.

В природе идет постоянный распад радиоактивных изотопов и замена одних элементов
другими. По некоторым оценкам, за счет радиоактивного распада ежегодно обновляется
около 10 млн. тонн вещества земной коры
235U
← 236Np ← 237Pu ← 238Am ← 239Cm ← 240Bk ← …
Принято разделять радиоактивные элементы по их происхождению:
1. природные (естественные) – изначально присутствующие в окружающей среде
и не связанные с деятельностью человека;
2. техногенные (антропогенные) – радиоактивные элементы, возникшие в результате
деятельности человека
+ no → 1H1 + 14C6;
14N + no → 3H + 12C
7
1
6
В природе: 14N7
В природе: 239Pu / 238U ≈ 7,5.10-12
(в результате нейтронного захвата)
Фон радиоактивный – природный (естественный) и техногенно-измененный

5.

Наиболее распространенные природные радиоизотопы

6.

Наиболее распространенные техногенные радиоизотопы

7.

С точки зрения радиационной безопасности значение имеют:
период полураспада изотопа,
тип и энергия излучения,
способ поступления в организм,
период полувыведения,
наличие последующей цепочки радиоактивных превращений с образованием дочерних продуктов
Относительные коэффициенты радиотоксичности основных ЕРН и ТРН

8.

Ряд распада 238U
= 0,72 % от 238U
(по массе);
234U = 0,0055 % от 238U
235U
Ряд распада 232Th

9.

Природные радионуклиды в горных породах
Горные породы классифицируют главным образом по происхождению,
уровню содержания SiO2 и минеральному составу.
Выделяют магматогенные (кислые, средние, основные, ультраосновные),
метаморфические, осадочные горные породы.
Радиоактивные элементы могут находиться в горных породах, рудах и почвах в
различных формах: концентрированной и рассеянной.
Локализация РН может быть связана с отдельными минералами породы (циркон,
апатит, монацит и др.), а также с собственными минералами урана и тория.
Кроме того, концентрирование РН может происходить в микротрещинах, на глинистых
минералах, оксидах и гидроксидах железа и марганца в процессе сорбции.
Настуран
Отенит
Торианит

10.

Распределение ПРН в шлифах горных пород
по данным трековой радиографии
(слева – фотография шлифа, справа – радиография)

11.

Содержание урана и тория в различных типах горных пород
по Р. Vesterbacka, 2005
ppm = г/т → 12,4 Бк
Активности урана, тория и калия (40) в различных типах горных пород

12.

Нормирование радиоактивности горных пород:
СП 2.6.1.798-99 “Обращение с минеральным сырьем и материалами с
повышенным содержанием природных радионуклидов”
ГОСТ 30108-94 “Материалы и изделия строительные. Определение
удельной эффективной активности ЕРН”
НРБ-99/2009, пункт 5.3.4. – строительные материалы, минеральное
сырье и материалы, продукции на их основе;
п. 5.3.6. – минеральные удобрения
ОСПОРБ 99/2010, п. 5.1.13. – 5.1.17.

13.

Природные и техногенные радионуклиды в почвах
Основные типы почв определяются:
климатическими и ландшафтными зонами, типом подстилающих горных пород
Почвы, как правило, содержат большое количество органического вещества
Наблюдаются региональные и локальные вариации ПРН в почвах
Средние удельные активности основных типов почв
по данным А.А. Моисеева, В.И. Иванова
Для почв нет нормирования по содержанию ЕРН

14.

Почвы – одна из наиболее пострадавших от деятельности человека компонент ОС
Проблема нормирования возникает на территориях с естественно- и техногенно-измененным
фоном:
• в пределах участков рудных залежей в связи с развитием ореолов рассеяния ПРН в
почвах;
• в зоне деятельности предприятий по добыче и переработке минерального сырья
(урановые, редкометалльные и др. руды, нефть и газ, уголь и др.) в связи с техногенным
рассеянием вследствие производственных процессов;
• на сельскохозяйственных территориях вследствие использования минеральных
удобрений;
• на территориях, загрязненных вследствие испытания и применения ядерного оружия, а
также обедненного урана
В Канаде содержания урана в почвах достигают 6000 Бк/кг (урановое месторождение
Bancroft, Онтарио)
В США в 2002 г. потребление удобрений составило 1.238.170 тонн и привело к
поступлению в окружающую среду 120 Ки за счет ДПР урана. По данным Taylor (2007)
активность 238U в почвах за 40 лет использования удобрений выросла на 16 Бк/кг
Изотопный состав природного и обедненного урана, по M.A. Kobeissi

15.

Современный уровень техногенной нагрузки на почвы РФ
По Cs-137:
5 – 30 Бк/кг (фон);
100 – 100000 Бк/кг (загрязненные территории)
По Sr-90:
5 – 20 Бк/кг (фон);
100 – 100000 Бк/кг (загрязненные территории)
По Pu-239+240:
0,5 – 1,0 (до 2,5) Бк/кг (фон);
n.1000 Бк/кг (загрязненные территории)
На территории СИП (Казахстан) локальное радиоактивное загрязнение почвенного покрова
вблизи скважин подземных взрывов с внештатными ситуациями достигает (2011 г.):
241Am – 3.105 Бк/кг;
239+240Pu – 2.106 Бк/кг;
137Cs – 2.106 Бк/кг;
90Sr – 2.105 Бк/кг
На площадке “Опытное поле” (25 наземных взрывов) активности РН в почвах достигают:
241Am – n.105 Бк/кг;
239+240Pu – n.107 Бк/кг;
137Cs – n.105 Бк/кг;
90Sr – n.106 Бк/кг

16.

Радиоактивное загрязнение
Брянской области
Площадки мониторинга:
1- полигон “Деменка”;
2- полигон “Кожаны”;
3- КП “Николаевка”;
4- КП “Заборье”;
5- КП “Увелье-Яловка-Кожаны”;
6- КП “Святск”;
7- КП “Гулёвка”;
8- КП “Вяльки”
< 1 Ки/км2
1 - 5 Ки/км2
5 - 15 Ки/км2
15 - 40 Ки/км2
> 40 Ки/км2

17.

КП “Заборье”
Почвенный разрез и
распределение
активности
Яркие тёмные точки
на радиографиях –
радиоактивные
частицы.
В левом нижнем углу
– значения УА 137Cs
в интервале глубины
10 – 15 % РЧ
идентифицированы
как топливные,
содержат ТУЭ

18.

УА ТУЭ в почвах юго-запада Брянской области и прогнозная оценка относительного
вклада ОПД и ТУЭ в среднегодовую эффективную дозу внутреннего
и внешнего облучения населения
Соотношения 238Pu/239+240Pu: в глобальных выпадениях (фон): 0,02 – 0,04; в чернобыльских: 0,35 – 0,40

19.

Нормирование радиоактивности почв
ФЗ № 52 “О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения”
от 30 марта 1999 г.:
“В почвах городских и сельских поселений и сельскохозяйственных угодий…
уровень радиационного фона не должен превышать предельно допустимые
концентрации (уровни), установленные СП”.
Временные критерии по принятию решений при обращении с почвами,
твердыми строительными, промышленными и другими отходами,
содержащими гамма-излучающие радионуклиды. Утверждены Гл. сан.
врачом РФ Е.Н. Беляевым, 1992 г.
Приведены меры вмешательства при определенных значениях МЭД.
Приказ № 150 от 04 мая 2010 г. “Об утверждении Порядка государственного
учета показателей состояния плодородия земель сельскохозяйственного
назначения”.
Определению подлежат: Cs-137 и Sr-90 (Бк/кг) и плотность загрязнения (Ки/м2),
МЭД (мкР/ч).

20.

МУ 2.6.1.1868-04 определяют основные контролируемые параметры, характеризующие
радиационную безопасность населения и радиоактивное загрязнение объектов
окружающей среды на наблюдаемых территориях
Параметры:
- мощность дозы гамма-излучения в жилых и общественных зданиях;
- содержание радиоактивных веществ в атмосферном воздухе, включая среднегодовые
значения ЭРОА изотопов радона, и радиоактивных выпадений из атмосферы на
территории населенных пунктов;
- плотность радиоактивного загрязнения почв и содержание РН в почве населенных
пунктов и ареалов;
- среднегодовые ЭРОА изотопов радона в воздухе жилых и рабочих помещений;
- суммарная альфа- и бета-активность, содержание природных и техногенных РН в воде
открытых водоемов и питьевой воде;
- содержание цезия и стронция в продовольственном сырье и пищевых продуктах.
П.7.1. Для почв устанавливают активности 137Cs и 90Sr, и “…при необходимости,
других РН…”
Обеспечение радиационной безопасности землепользования / НИИРГ. – М., 2005 г.
Методика оценки земель с повышенным уровнем МЭД, подвергшихся радиоактивному
загрязнению, находящихся рядом с объектами ЯТЦ и др. Приведен перечень
контролируемых РН в почвах, методика расчета эффективных доз, связанных с
вдыханием пыли, потреблением продуктов и др.

21.

Техногенное концентрирование
радионуклидов
- добыча и переработка минерального
сырья, включая урановое;
- энергетика;
- промышленное производство;
- производство, испытание и применение
ядерного оружия; обедненного урана;
- производство и использование
минеральных удобрений и др.
Виды отходов, образующихся при добыче
и переработке урана:
Жидкие радиоактивные отходы (ЖРО): дренажные и
подотвальные воды, фильтрационные потери и водная фаза
хвостохранилищ, аварийные протечки пульповодов, стоки
спецпрачечных
Газопылевые и аэрозольные отходы (ГРО): поток
радона, пылевые частицы различной дисперсности
Твердые радиоактивные отходы (ТРО): отвалы
вмещающих пород и забалансовых руд горной добычи, потери
руд при их транспортировании на фабрику радиометрического
обогащения, отходы фабрики радиометрического обогащения,
хвосты ГМЗ и др.
Урановый топливный цикл

22.

Несколько примеров техногенного концентрирования ЕРН:
Концентрации ЕРН в пробе технологических вод из скважины ВР (Челябинск, 2012):
234Th - 527 Бк/л; 230Th – 1190 Бк/л; 238U – 43 Бк/л; 234U – 53 Бк/л; 232Th – 13 Бк/л.
Содержания ЕРН в пробах технологических отходов (г. Электросталь, 2012):
40К – 50 - 9370 Бк/кг; 226Ra – 10 - 78 Бк/кг; 224Ra – 142 - 5990 Бк/кг; 238U (по 234Th) – 1970 1034000 Бк/кг.
Содержания ЕРН в пробах углей, золы и шлака месторождения Лучегорское (по Гордиенко
и др., 2011):
40К – уголь - 47 Бк/кг; зола - 334 Бк/кг; шлак - 299 Бк/кг;
226Ra – уголь - 21 Бк/кг; зола - 89 Бк/кг; шлак - 90 Бк/кг;
232Th – уголь - 10 Бк/кг; зола - 70 Бк/кг; шлак - 54 Бк/кг.
Концентрации 238U в водных объектах пос. Табошар (по Мирсаидову И.У., 2007):
бывший карьер: 583 – 744 Бк/л;
дренажи старых шахт: 459 – 496 Бк/л;
река Уткен-Суу: 9,1 Бк/л;
ручей Старый Табошар: 23,1 Бк/л.
Концентрации 238U в водах из скважин в пределах уранового месторождения (Prairie Flats,
Канада): до 49 Бк/л, на глубине 1,5 м – до 9 Бк/л.
Концентрации 238U в шахтных водах уранового месторождения (Португалия; Neves and
Matias, 2008): 74 Бк/л; в загрязненных скважинах – 25 Бк/л при фоне 0,48 Бк/л.

23.

Руды
Перераспределение РН
в процессе производства фосфора
по данным J. Hofmann et al., 2000
Шлак
Мировая добыча фосфор-содержащих руд
по данным A. Reichelta, J. Gerlerb, 2008
Удобрения, моющие средства,
пищевые добавки

24.

Распределение РН
в донных
отложениях и керне
коренных пород
оз. Карачай
А – распределение
РН в донных
отложениях;
Б – распределение
РН в керне горной
породы (порфирит);
В – фото образца
порфирита (1) и
распределение
активности до
выщелачивания (2),
после 12-го опыта
выщелачивания (3),
после 42-го опыта
выщелачивания (4)
После 30 - 60 опытов выщелачивания
природной артезианской водой из образцов
керна выщелачивается до 90 % 90Sr

25.

Содержание ПРН и ТРН в пробах пластовых вод на объектах ООО “ЛУКОЙЛ-ПЕРМНЕФТЬ”
Постановление Главного санитарного врача РФ от 16.08.2013 № 43. О внесении изменений в отдельные
санитарные правила, устанавливающие требования в области радиационной безопасности.
Изменения внесены в: СП 2.6.1.2612-10 “Основные санитарные правила обеспечения радиационной
безопасности (ОСПОРБ- 99/2010)”; СП 2.6.6.1168-02 “Санитарные правила обращения с радиоактивными
отходами (СПОРО-2002)”. Изменения касаются определения понятия материалов и изделий, являющихся и
не являющихся радиоактивными отходами и правил обращения с этими материалами и изделиями.
Определены особенности лицензирования предприятий, работающих с ИИИ.
В частности, при невозможности определения индивидуальных активностей ТРН в отходах их причисляют к
РАО, если УА альфа-излучающих ТРН в твердых отходах составляет 1 Бк/г, а в жидких отходах 0,05 Бк/г;
для бета-излучающих РН соответствующие УА составляют 100 и 0,5 Бк/г.
Отходы, с повышенным содержанием ПРН, причисляются к РАО, если выполняется условие:
А(Ra) + 1,3A(Th) + 0,09A(K) > 10 Бк/г (твердые отходы); А(U) + 2,14A(Th) > 0,13 Бк/г (жидкие отходы),
А(U), A(Ra), A(Th), A(K) – УА соответственно 238U, 226Ra, 232Th, 40K (Бк/г)

26.

Изотопный состав U и Th, другие радиоэлементы с малыми периодами полураспада и
массовым содержанием определяются радиоизотопными методами, среди которых наиболее
широко
используются
высокочувствительные
спектрорадиометрический
и
массспектрометрический методы
Определение изотопов U, Th, Ra, Po, Pb, Am, Pu, Cm, 90Sr, 137Cs, 60Co и др. выполняется
радиометрическими и спектрорадиометрическими методами (с предварительной
радиохимической подготовкой проб или и без нее).
Методы основаны на регистрации и анализе спектра излучения (α, β, γ), образующегося
при естественном радиоактивном распаде этих изотопов или, в ряде случаев, их
радиоактивных ДПР, с использованием радиометрической и спектрометрической
аппаратуры (на основе полупроводниковых, сцинтилляционных и жидкостносцинтилляционных, газоразрядных и др. детекторов)
Результаты определения отношения
234U/238U в контрольной пробе
разными изотопными методами при
международных МСИ в 2006 г.

27.

В общем случае можно выделить 3 вида радиоизотопных радиометрических исследований:
инструментальные недеструктивные методы (лабораторный гамма-спектрометрический анализ
проб горных пород, руд, почв, спектрометрические или радиометрические съемки “in situ” и др.);
инструментальные методы с предварительной пробоподготовкой (с высокотемпературной
минерализацией проб, растиркой, концентрированием и др., например, LSC, MS, радиометрические
и спектрометрические исследования с предварительным концентрированием);
радиохимические методы
Сущность РХ: переведение твердой пробы в раствор (или концентрирование из жидкой пробы),
полный сброс неактивной матрицы, селективное выделение анализируемых изотопов, сброс
мешающих излучателей, приготовление счетного образца для измерений
РХ-методы используются в случае, когда необходима точная количественная
характеристика того или иного радионуклида или изотопа в пробе, если это невозможно
инструментальными методами, например, когда у РН и изотопов отсутствуют четко
выраженные γ-линии

28.

Среди преимуществ радиохимических методов:
избирательное выделение радиоэлемента (и группы его изотопов);
чрезвычайно высокий коэффициент концентрирования определяемого радиоэлемента;
высокую чувствительность методов (в рядовых исследованиях до n.10-3 Бк/образец);
прямое определение радиоэлемента (изотопа);
высокую информативность (определение отношений между изотопами)
Качество радиоизотопных измерений (высокая точность) в группе методов с радиохимической подготовкой
обеспечивается применением внутренних стандартов – изотопных индикаторов (232U, 242,236Pu, 243Am, 234Th и
др.), по которым осуществляется как учет потерь на всех стадиях радиохимической подготовки, так и расчет
активностей анализируемых радиоэлементов.
Спектрограмма счетного образца с выделенными изотопами урана, включая трассер – 232U.
Аппаратура: OrtecOctete/Ocpl-U0600-PPS230 с программным обеспечением “Alpha Vision”

29.

В качестве недостатков радиохимических методов можно отметить:
относительную трудоемкость;
высокие требования к качеству счетных образцов (для альфа-спектрометрии);
относительно высокую стоимость анализа при использовании дорогостоящих реактивов и
материалов
В настоящее время активно развиваются MS-методы, особенно ICP-MS, а также
методы с использованием жидкостной сцинтилляции (LSC).
Совершенствуется система пробоподготовки (например, микроволновые системы
разложения проб), новые технологии концентрирования и селективного выделения
анализируемых компонентов (ЖЭ, ЭХ).
Микроволновая система MARS6
компании CEM Corp. (США)
Активности 210Pb в пробах донных осадков,
полученные с использованием ГСМ, LSC,
черенковского счетчика
F. Mosquedaa и др., 2008

30.

Пределы определения и время измерения в различных методах определения изотопов U и Pu
D. Solatie, Финляндия, 2002
В настоящее время методы ICP-MS и LA-ICP-MS являются высокопроизводительными аналитическими
методами для определения долгоживущих радионуклидов с высоким уровнем точности и надежности.
По сравнению с радиохимическими методами ICP-MS и LA-ICP-MS отличаются высокой
избирательностью при высокой производительности, причем пробоподготовка зачастую проще или вовсе
может исключаться, как, например, в методе LA-ICP-MS
Наиболее низкие ПО в методе ICP-SF-MS (sector field ICP-MS) – менее 0,04 пг/л – были получены при
определении 239Pu, 241Am, 237Np без химической концентрации

31.

В лаборатории изотопных методов анализа ФГУП “ВИМС” разработано более 50 методических
руководств (МИ, МУ, МР) по определению РН в различных объектах ОС:
суммарных альфа- и бета-активностей РН в водах (питьевых, технологических, сточных, пластовых
нефтяных месторождений и др.);
активностей ПРН 238U, 234U, 235U, 232Th, 230Th, 228Th, 226Ra, 228Ra, 224Ra, 210Po, 210Pb и др. в различных
типах вод, в почвах, горных породах, донных отложениях, отходах строительных материалов,
растительных пробах, воздухе рабочих помещений и в других объектах окружающей среды;
активностей ТРН 238Pu, 239+240Pu, 241Pu, 241Am, 243+244Cm, 90Sr, 137Cs, 106Ru, 60Co и других в объектах
ОС и др.
Общие отличительные особенности МИ ФГУП “ВИМС”
1.
Использование недефицитных реактивов и материалов, их минимальный расход, сокращение числа
рабочих операций, адаптация к отечественной и импортной аппаратуре.
2.
Избирательное выделение радионуклидов с исключением мешающих излучателей, что позволяет
использовать как классические альфа-спектрометры, так и сцинтилляционные (CsI) или радиометры с
функциями альфа-спектрометра (УМФ-2000 SPDec).
3.
Использование изотопных индикаторов (232U, 242Pu, 236Pu, 243Am, 234Th, Sr, Y, Ba) для точного учета
потерь при радиохимической подготовке проб (или жесткая стабилизация радиохимического выхода).
4.
Наличие в МВИ общих стадий в подготовке проб и счетных образцов, единые подходы к расчету
результатов и неопределенности измерений.
5.
Методики аттестованы
РОССТАНДАРТА
согласно
современным
требованиям,
23
МИ
внесены
в
Реестр

32.

Схема выполнения радиохимического анализа изотопов
U, Th, Po, Pb, Ra, Pu, Am, Sr, Cs в твердых и жидких объектах ОС
разработчик – ФГУП “ВИМС”

33.

Пример. МИ объемной активности изотопов урана (238U, 234U, 235U) в пробах
природных (пресных и минерализованных), сточных и технологических вод альфаспектрометрическим методом с радиохимической подготовкой и спонтанным
бестоковым осаждением. Номер в Реестре РОССТАНДАРТА: ФР.1.40.2013.15400.
Спонтанное осаждение урана на металлическую подложку
В 2006 – 2014 гг. разработаны и утверждены:
МИ изотопов радия в природных водах радиометрическим методом;
МР по определению суммарных активностей РН в водах с высокой минерализацией;
МИ с выделением урана из природных вод с карбонатным переосаждением урана и бестоковым
осаждением на металлические диски стандартной геометрии;
МИ по определению поверхностного загрязнения альфа-излучающими РН и др.
Готовится к внесению в Реестр МИ активности 90Sr в природных водах

34.

Радиационный контроль воды
Природные воды, подземные и поверхностные, являются одним из наиболее ценных природных
ресурсов, качество которого во многом определяет качество жизни человека.
В связи с этим к водам питьевого и хозяйственного назначения предъявляются специальные
требования, нацеленные на обеспечение приемлемого уровня безопасности. Одним из
контролируемых параметров является радиоактивность используемых вод, обусловленная
присутствием природных и антропогенных радионуклидов (РН)
Добыча и использование подземных вод в РФ
97 % (31 млн. м3/сутки) – пресные подземные воды, из них:
64 % – расходуются на хозяйственно-питьевое водоснабжение;
18 % – на технические нужды;
15 % – сбрасываются без использования;
< 1 % – приходится на минеральные лечебные, промышленные и теплоэнергетические воды
Минеральные подземные воды разделяют на минеральные лечебные
и столовые (М < 1 г/л, не содержат техногенной компоненты)
Минеральные лечебные воды:
А. питьевые лечебные (М = 10 – 15 г/л);
Б. питьевые лечебно-столовые (М = 1 – 10 г/л; или содержащие специфические компоненты при М < 1 г/л);
В. бальнеологические (М > 15 г/л)
по Р. И. Плотниковой, 2010

35.

Кроме пресных вод (поверхностные, грунтовые воды, подземные артезианские воды осадочного чехла,
трещинные воды кристаллического фундамента) выделяют также высокоминерализованные (морские и
океанические, глубинные рассолы и пластовые воды нефтяных месторождений)
По данным Научного комитета ООН по воздействию атомного излучения внутреннее облучение населения
за счет потребления пищи и воды в среднем составляет 8 % от суммарной среднемировой годовой
эффективной дозы, обусловленной природными источниками (2,4 мЗв/год). Диапазон вариаций эффективной
дозы за счет продуктов питания и питьевой воды достаточно широк (до 30 % от ССГЭД)
Радиоактивное облучение за счет питьевой воды является результатом:
естественного присутствия в водных источниках ПРН из рядов урана и тория;
концентрирования ПРН в источниках за счет технологических процессов, использующих
природные радиоактивные материалы (горная добыча и переработка, производство
фосфатных удобрений и др.);
присутствия ТРН, которые могут поступать в источники питьевого водоснабжения в случае
аварийных ситуаций на предприятиях ядерно-топливного цикла (ЯТЦ), неправильного
медицинского или производственного использования и хранения радиоактивных материалов,
испытаниях и применении ядерного оружия, обедненного урана и др.

36.

85
100
90
80
70
60
% 50
40
30
20
10
53
26
Доля подземных вод
в хозяйственнопитьевом
водоснабжении
городов Российской
Федерации
0
города более
500 тыс. чел.
города
100-250 тыс.чел.
сельские
населенные
пункты
Средний вклад альфа-излучающих радионуклидов в дозу внутреннего облучения взрослого населения
за счет потребления питьевой воды (Benedik L., Jeran Z. Slovenia)

37.

Среди природных радионуклидов, встречающихся в водах в значимых количествах, следует
выделить: 238U, 234U, 226Ra, 228Ra, 224Ra, 222Rn, 40K, 210Po, 210Pb;
гораздо меньше в водах изотопов тория – 228Th, 230Th, 232Th
Техногенные радионуклиды распространены незначительно, преимущественно в поверхностных
водах, в основном это 90Sr и 137Cs, а также изотопы Pu и Am
Факторы, влияющие на радиоактивность природных вод
химический состав и
физико-химические условия;
состав водовмещающих пород;
принадлежность к определенной климатической и ландшафтной
степень взаимосвязи
тектонический режим;
режим водообмена;
атмосферные осадки;
уровень антропогенного воздействия
минерализация;
зоне;
водоносных горизонтов;
Понятие “фон” радиоактивности природных вод практически отсутствует, так как
размах природных вариаций активности РН в водах чрезвычайно велик (много порядков).
Кроме того, отсутствует радиоактивное равновесие между членами радиоактивных рядов.
Диапазон минерализации и состава солей природных вод чрезвычайно широк.
Таким образом, природные воды являются особо сложным объектом для исследований

38.

Активности радионуклидов в природных водах
Бк/л; в скобках – среднее для центральной европейской части РФ
по литературным материалам и данным ФГУП “ВИМС”

39.

Типичные соотношения активностей радионуклидов в природных водах
по литературным материалам и данным ФГУП “ВИМС”
Для всех типов вод характерно отсутствие равновесия между элементами и
изотопами в природных радиоактивных рядах, связанное с физическими и
химическими процессами и явлениями в жидкой и твердой фазах, а также на границе
вода – горная порода

40.

При мониторинге питьевых вод в странах Европы за основу приняты рекомендации Всемирной
организации здравоохранения (ВОЗ). Разработаны нормативы по питьевым водам:“Guidelines for
Drinking-Water Quality”.
Для массовых исследований рекомендовано проводить “скрининг” – определение суммарных
активностей альфа- и бета-излучающих РН без их идентификации и сопоставление этих активностей с
принятыми контрольными уровнями. В 1993 г. эти уровни были установлены как 0,1 и 1 Бк/л
соответственно для альфа- и бета-активности. В перечень РН не включались 40K, 3Н, Rn и его ДПР. В
2005 г. контрольный уровень альфа-активности повысили до 0,5 Бк/л. При этом из полученного
значения суммарной бета-активности вычитается измеренная активность 40К.
Схема мониторинга источников питьевого водоснабжения Австралии
Контрольные уровни
установлены как 0,5 Бк/л в
предположении,
“наихудшего сценария”, когда
основные дозообразующие
излучатели – 226Ra и 228Ra

41.

Схема мониторинга источников питьевого водоснабжения штата Калифорния (США)
В США настоящее время максимальные уровни загрязнения (Maximum Contaminant Levels –
MCLs) приняты на федеральном уровне. Разработку и применение этих стандартов
осуществляет Агентство по защите окружающей среды США (USEPA), Американская
геологическая служба (USGS) и местные власти.
Администрация штатов может изменять нормативы, руководствуясь данными собственных
исследований и с учетом геологических, гидрогеологических и других особенностей региона.
В отличие от европейской системы скрининг чаще всего подразумевает определение как
суммарных активностей, так и концентрации урана, 226Ra, 228Ra, 222Rn

42.

На основе анализа зарубежного опыта можно сделать следующие выводы:
Практически во всех странах устанавливаются оценочные (скрининговые) уровни
суммарных альфа- и бета-активностей.
Как правило, вклад 40K вычитается из результата измерений суммарной бета-активности до
сопоставления с оценочным (скрининговым) уровнем.
Присутствие 222Rn обычно не учитывается (в обследованных ранее источниках) или
устанавливается отдельно. Например в Европе, если активность радона составляет менее 100
Бк/л, то в дальнейшем мониторинг по радону не производят.
При превышении оценочных (скрининговых) уровней производится определение наиболее
распространенных РН.
Отдельной задачей является предварительная обработка пробы воды, ее консервация и
хранение, что, как правило, регламентируется каждой из рекомендуемых методик (методики,
как и средства измерения обычно рекомендуются нормативными документами).
Например в США (а также в других странах) обычно фильтруют воду до ее подкисления.
Хранят пробу не более 48 часов (иногда 72 ч).

43.

Ограничивающие уровни активности РН в питьевых водах

44.

Ограничение радиоактивности природных вод питьевого назначения
НРБ-99/2009, ОСПОРБ 99/2010. Установлены уровни вмешательства для РН в
водах и основные принципы радиационного контроля воды.
МУ 2.6.1.1981-05. – М., 2005;
МУ 2.6.1.2719-10. Установлена схема
радиационного контроля воды (2 уровня контроля), предписаны основные
защитные мероприятия.
МУ № 2000/34. Классификация минеральных вод и лечебных грязей для
целей их сертификации. Минздрав России. – М., 2000 г. Установлены
требования к качеству минеральных вод, в том числе по показателям
радиоактивности. Так, активности РН, с учетом объема на курс лечения, не
должны превышать: 226Ra – 54 Бк/дм3; 238U – 8,8 Бк/дм3; 137Cs – 8,0 Бк/дм3; 90Sr –
8,0 Бк/дм3; суммарная альфа-активность – 0,1 Бк/дм3; суммарная бета-активность –
1,0 Бк/дм3, концентрация 40К не регламентируется.
СП 2.1.5.1059-01. Гигиенические требования к охране подземных вод от
загрязнения. Регламентируется организация производственного контроля при
эксплуатации подземных источников водоснабжения и др.
СанПиН 2.1.5.980-00. Гигиенические требования к охране поверхностных вод.
Установлены радиологические нормативы для поверхностных вод питьевого,
хозяйственно-бытового и рекреационного назначения.

45.

Схема радиационного контроля питьевых вод в РФ

46.

В РФ с учетом распространенности, радиотоксичности и физических свойств
радионуклидов предложена двухуровневая структура системы РК воды. Система
закреплена документами МУ 2.6.1.1981-05 и МУ 2.6.1.2719-10
Уровень 1
На первом уровне РК измеряются контрольные показатели (суммарные альфа- и бетаактивности), вычисляются абсолютные неопределенности результатов измерений и производится
предварительная оценка качества воды по показателям радиационной безопасности. Измеряют
активность 222Rn (обязательно только для подземных источников)
Уровень 2
Если измеренные значения контрольных показателей превышают установленные нормативы,
реализуется второй уровень РК, предполагающий определение активностей РН из приоритетной
группы и сопоставление их с уровнями вмешательства.
К приоритетной группе относят 226Ra, 234U, 238U, 210Po, 228Ra, 210Pb
Активности ненормируемого биотропного 40K, а также 90Sr и 137Cs должны быть установлены, если
измеренная бета-активность пробы превышает 1 Бк/кг.
Изотопы Th контролируются при его высоких содержаниях в водовмещающих породах, вблизи
участков отработки месторождений урана методом ПВ, складирования (захоронения) отходов производства
редких и цветных металлов.
Высокотоксичные 90Sr, 137Cs, 239,240,238Pu и 241Am должны контролироваться в районах техногенного
радиоактивного загрязнения и вблизи предприятий ЯТЦ. В особых случаях требуется определять 3Н, 14С,
газообразные и летучие РН (например, 131I).

47.

Частотное распределение водных проб с превышением эффективной дозы внутреннего
облучения за счет воды 0,1мЗв/год
При суммарной альфа-активности менее 0,20 Бк/кг эффективная доза внутреннего облучения за
счет РН, присутствующих в воде, для исследованных проб не превышает 0,1мЗв/год. Повышение
этого контрольного параметра до 0,5 Бк/кг может привести к пропуску значительного числа
потенциально опасных водоисточников.

48.

Суммарные активности питьевых вод
европейской части РФ варьируют в
пределах:
альфа-активность –
0,04 – 0,25 Бк/л (ФГУП “ВИМС”)
и 0,05 – 0,40 Бк/л (другие данные);
бета-активность – 0,20 – 1,0 Бк/л
и 0,5 – 2,0 Бк/л соответственно.
Без учета 222Rn, его короткоживущих
ДПР, 3H и 14C, основной вклад в
суммарную альфа-активность вносят
изотопы 238U, 234U, 226Ra, 224Ra и 210Po,
а суммарная бета-активность
на 50 – 90 % обусловлена 40K

49.

Значения коэффициента Кi при использовании стандарта сравнения
со средней энергией альфа-излучения ≈ 5,2 МэВ
При составе проб, отличном от состава используемого стандарта, измеренная альфаактивность может быть как занижена, так и завышена.
Занижение результата происходит в случае, если в пробе присутствуют РН с
энергиями излучения, меньшими энергии излучения стандарта.
Завышение результата – в случае, когда в пробе присутствуют РН с энергиями
излучения, превышающими энергию излучения стандарта

50.

Основные методы определения суммарных
активностей питьевых вод
Основные факторы,
влияющие на результаты
измерения суммарных
активностей:
используемая методика
подготовки проб и расчета
результатов;
степень соответствия
калибровочного стандарта
и препарата пробы
(химический и
радионуклидный состав);
интервал времени от отбора
пробы до приготовления
счетного образца и между
приготовлением образца и
его измерением;
наличие идентичности
геометрии измерений;
опыт аналитика;
тип детектора;
модель аппроксимирующей
градуировочной кривой и
др.

51.

Характеристики радиометрической аппаратуры при измерении суммарной альфа-активности
При одинаковом времени измерения фона и счетного образца статистическая ошибка
выражается как:
(%)
100 Y 2Yф
Y t
Из формулы понятно, что для уменьшения ошибки наилучшие результаты дает
увеличение скорости счета от образца (а не снижение фона и увеличение времени
измерения)

52.

Методы определения активностей ПРН в природных (питьевых) водах
222Rn:
наиболее часто используется жидкостная сцинтилляция (с 2-фазным коктейлем, когда Rn экстрагируется
из воды в несмешивающийся сцинтилляционный коктейль, или при смешивании водной пробы с
коктейлем – гомогенным гелем);
другие виды жидкостной сцинтилляции;
с использованием коллекторов на основе активированного угля, ионизационных камер, гаммаспектрометров (по дочерним продуктам) и др.
226Rа:
классическим методом подготовки является соосаждение Ra с сульфатом бария;
используются также жидкостная сцинтилляция (по 214Po – ДПР 222Rn, после выдержки 3 – 4 недели);
отделение 226Ra на радий-селективных мембранах; экстракция в сцинтилляционный коктейль;
катионобменная хроматография; ионообменная смола Diphonix и электролитическое осаждение;
измерения проводятся методами ЖС, α-СПМ, пропорциональными счетчиками, сцинтилляционными
детекторами ZnS(Ag), HR-ICP масс-спектрометрами или γ-СПМ в зависимости от химической формы
счетного образца.
238U, 235U, 234U:
методы экстракции и ЖС;
ионный обмен;
экстракционная хроматография или электролитическое осаждение;
ICP-MS – новейшие разработки, простая подготовка, не требующая выделения изотопов;
α-спектрометрия с ППД;
жидкостная сцинтилляционная спектрометрия и технология PERALS (photon electron rejecting alpha liquid
scintillation spectrometry) для определения 234U, 238U и др.

53.

Методы определения активностей ПРН в природных (питьевых) водах
210Pb:
прямой способ γ-СПМ, по фото-пику 46,5 кэВ;
с предварительным концентрированием и отделением мешающих элементов и
последующим измерением с помощью жидкостной сцинтилляционной
спектрометрии, α-спектрометрии по 210Po или γ-СПМ;
классический способ по 210Po (измерение на α-спектрометре или радиометре), НПО
достигает 0,0001 Бк/обр.;
применение экстракционной хроматографии (Eichrom’s Pb resin);
экстракция жидкость-жидкость 210Po и дальнейшее определение 210Pb вместе с 210Bi
или по 210Bi (после накопления) и др. НПО < НПОα-СПМ , но меньше время анализа,
т.к. 210Bi накапливается быстрее.
210Pо:
классический способ спонтанного осаждения 210Po на серебряный или никелевый
диск, измерение на α-спектрометре с ППД или ZnS(Ag) α-детекторе;
экстракционная хроматография, экстракция в сцинтилляционный коктейль,
использование метал-содержащих мембран и анионообменных методов.

54.

Комплекс радиохимических методов определения радионуклидного состава
питьевых вод, разработанный в ФГУП “ВИМС”
Комплекс разработан с учетом
следующих условий:
- минимальный объем
анализируемых проб (5 - 10
кг) при измеряемой
активности РН на уровне 0,2
УВ;
- использование доступных
реактивов, материалов,
оборудования и средств
измерений;
- относительная экспрессность
радиохимических процедур;
- унификация
радиохимических процедур
при разных видах анализа;
- стандартная геометрия
счетных образцов;
- использование прямых
методов определения РН,
изотопных индикаторов и
стабильных носителей для
контроля потерь (232U, 242Pu,
236Pu, 243Am, 234Th, Sr, Y и др.).

55.

Суммарные активности и радионуклидный состав подземных вод Московского региона

56.

Радионуклидный состав подземных вод отдельных районов Европейской части России

57.

Примеры аномальных подземных вод на территории РФ
РН или
параметр,
Бк/дм3
Оренбург
-ская обл.
Острогожск,
Воронежская обл.
Кольчугино,
Владимирская обл.
Майкопский
район
Белая
Горка,
Воронежская обл.
Сосновый
Бор,
Ленинградская обл.
Шаховская,
Московская обл.
Скв. №
33800,
Вологодская обл.
А∑α
6,50
2,85
1,05
6,50
10,5
2,45
1,49
0,21
А∑β
1,70
1,61
0,44
1,35
5,10
2,20
1,05
0,08
238U
4,10
3,46
0,002
2,34
0,011
0,004
0,042
0,020
234U
5,98
2,30
0,006
2,23
0,008
0,004
0,090
0,080
226Ra
0,03
0,027
0,970
3,06
2,30
0,964
0,508
0,030
228Ra
0,02
0, 02
0,093
0,08
2,92
2,280
0,005
0,020
210Po
0,005
0,006
0,016
0,03
0,010
0,005
0,472
0,112
210Pb
0,010
0,020
0,019
0,02
0,005
0,017
0,025
0,020
(≤ 0,1
мЗв/год)
0,38
0,21
0,27
0,84
1,93
1,35
0,52
0,14
Тип воды
U
U
226Ra
226Ra
226Ra
Po -
Po (Ra,U)
Доза
226Ra
-U
228Ra
-
228Ra
226Ra

58.

Реестр РОССТАНДАРТА
http://www.fundmetrology.ru/06_metod/list.aspx
Лаборатория изотопных методов анализа ФГУП “ВИМС”
t: (495)–959–34–33;
e: [email protected]
Спасибо за внимание !