МИНИСТЕРСТВО ИНДУСТРИИ И НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ РК Республиканское государственное предприятие
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЯДЕРНЫЙ ЦЕНТР РК (РГП НЯЦ РК)
Дочернее государственное предприятие
ИНСТИТУТ РАЛИАЦИОННОЙ БЕЗОАСНОСТИ И ЭКОЛОГИИ
(ДГП ИРБЭ РГП НЯЦ РК)
УДК
577.4:504.064:546.02.11
Ляхова Оксана Николаевна
ТРИТИЙ КАК ИНДИКАТОР МЕСТ ПРОВЕДЕНИЯ ЯДЕРНЫХ ИСПЫТНИЙ
Работа, представленная на конференцию - конкурс НИОКР
молодых ученых и специалистов
Национального ядерного центра Республики Казахстан
(прикладная)
Курчатов 2011
Ляхова Оксана Николаевна
Руководитель группы, ИРБЭ НЯЦ РК,
1977 г.р.
образование высшее (2000 г., Восточно-Казахстанский Государственный Университет ),
специальность – физика,
квалификация по диплому – спектрометрия,
работает с 2006 г в Отделе разработки систем мониторинга окружающей среды общий стаж работы – 11 лет.
ЛЯХОВА ОКСАНА НИКОЛАЕВНА
ТРИТИЙ КАК ИНДИКАТОР МЕСТ ПРОВЕДЕНИЯ ЯДЕРНЫХ ИСПЫТНИЙ
Работа, представленная на конференцию - конкурс НИОКР молодых ученых и специалистов Национального ядерного центра Республики Казахстан
Дочернее государственное предприятие «Институт радиационной безопасности и экологии»
Республиканского государственного предприятия «Национальный ядерный центр Республики Казахстан» (ДГП ИРБЭ РГП НЯЦ РК).
071100, г. Курчатов, Красноармейская 2, тел. (722)51-2-34-13,
Факс (722)51-2-28-06, E_mail: Lyahova@nnc.kz
РЕФЕРАТ
Работа содержит 18 страниц, 12 рисунков, 1 таблицу, 12 источников.
Объектами исследования является атмосферный воздух в местах расположения ПЯВ – на территории горного массива Дегелен и испытательной площадки «Балапан».
В настоящее время, учитывая Международный Договор о Нераспространении ядерного оружия, быстрые темпы развития атомной промышленности, стремлением ряда стран к ядерной независимости, весьма актуальными являются работы, направленные на осуществление контроля деятельности ядерных установок, а так же идентификации мест возможного проведения ядерных испытаний.
Цель работы - проведение оценки возможности использования радионуклида тритий в качестве индикатора мест проведения подземных ядерных взрывов.
Для достижения поставленной цели были выполнены следующие задачи:
Исследование уровня и характера распространения трития в воздушной среде на территории горного массива Дегелен в месте расположения штолен, а так же в месте расположения боевых скважин на территории площадки «Балапан».
На площадке «Дегелен» проведено исследование содержания трития на приустьевых участках штолен, проведено исследование характера распределения трития внутри полости штолен, а так же в зоне расположении эпицентра взрыва.
На площадке «Балапан» проведено площадное исследование уровня и характера распределения трития в воздушной среде на приустьевых участках скважин.
Методы исследования. Исследования на территории выбранных площадок осуществлялись путем проведения полевых и лабораторных работ, заключавшихся в отборе проб водяных паров воздуха и исследовании отобранных проб методом жидкосцинтилляционной спектрометрии в соответствии с гостированными методическими указаниями на поверенной лабораторной аппаратуре. Определение концентрации трития проводили по методике [1,2].
Отбор проб водяных паров воздуха проводился в соответствии со стандартными методическими рекомендациями по отбору проб объектов окружающей среды и подробно описаны в одной из предыдущих работ [3].
В ходе выполнения данной работы все поставленные задачи были решены в полном объеме, поставленная цель достигнута.
В данной работе проведена оценка уровня и характера содержания трития в воздушной среде в местах проведения подземных ядерных взрывов, представлен принципиально новый, ранее не рассматриваемый метод индикации мест проведения ядерных испытаний используя в качестве индикатора радионуклид тритий.
Личный вклад автора: непосредственное участие во всех этапах эксперимента – отбор проб воздуха, проведение измерений, обработка и анализ полученных данных, разработка методологии исследования концентрации трития в атмосферном воздухе.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ_ 5
1 ПУТИ НАРАБОТКИ ТРИТИЯ В РЕЗУЛЬТАТЕ ПРОВЕДЕНИЯ ЯДЕРНЫХ ВЗРЫВОВ 6
2. ИССЛЕДОВАНИЕ СОДЕРЖАНИЯ УРОВНЯ И ХАРАКТЕРА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТРИТИЯ В ВОЗДУШНОЙ СРЕДЕ В МЕСТАХ ПРОВЕДЕНИЯ ПЯВ НА ТЕРРИТОРИИ ПЛОЩАДКИ «ДЕГЕЛЕН». 9
2.1 Исследование уровня и характера распределения трития в воздушной среде внутри полости штолен __________________________________________________________________________________11
2.2 Исследование уровня содержания трития в месте расположения вертикальных геологических скважин_ 12
2.3 Исследование уровня содержания трития в эпицентральной зоне ПЯВ_ 12
2.4 Исследование уровня содержания трития в воздушной среде на приустьевых участках штолен 13
3. ИССЛЕДОВАНИЕ СОДЕРЖАНИЯ УРОВНЯ И ХАРАКТЕРА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТРИТИЯ В ВОЗДУШНОЙ СРЕДЕ В МЕСТАХ ПРОВЕДЕНИЯ ПЯВ НА ТЕРРИТОРИИ ПЛОЩАДКИ «БАЛАПАН». 13
3.1 Исследование уровня содержания трития в месте расположения скважин_ 16
3.2 Изучение уровня и характера распределения трития в воздушной среде на приустьевых участках скважин_ 16
ВЫВОДЫ_ 19
ЛИТЕРАТУРА_ 19
ВВЕДЕНИЕ
Ядерный Договор о нераспространении ядерного оружия
(NPT)
является соглашением, c целью ограничения распространения ядерного оружия. 5 марта 1970 соглашение вступало в силу. В связи с настоящим Договором, вопрос о достоверной верификации мест проведения ядерных взрывов является чрезвычайно важным.
В настоящее время существует ряд различных направлений и методик, применяемых для индикации мест проведения ядерных взрывов - геологические, гидрогеологические, радиационные, в основу которых положены такие основные методы исследования как термометрия, тектоника, гамма-каротаж, исследование концентрации Xe131
(и ряда других благородных газов). Другими словами, с целью определения места проведения ядерного взрыва, проводится исследование всевозможных видимых и не видимых последствий.
В данной работе предлагается рассмотреть принципиально новый метод верификации мест проведения подземных ядерных взрывов – использование трития в качестве индикатора.
Тритий по ряду причин занимает особое место при использовании его в качестве индикатора.
Во-первых, исследования концентрации трития в воздушной среде в местах проведения подземных ядерных взрывов показали, что содержание трития в штольневом воздухе в местах расположения штолен на площадке «Дегелен» в настоящее время достигает сотен Бк/м3
[[1]
].
Во-вторых, в отличие от химически инертных РБГ, тритий как изотоп водорода эффективно включается в состав атмосферного воздуха и при создании определенных условий отбора проб может быть зафиксирован даже в достаточно малых количествах порядка 1 Бк/м3
.
В-третьих, тритий обладает периодом полураспада равным 12,4 года, что позволяет идентифицировать его в воздушной среде не только в момент проведения взрыва, но спустя достаточно большой промежуток времени.
В ходе проведения испытаний ядерного оружия на территории СИП сформировались локальные участки тритиевого загрязнения. В основном это касается двух испытательных площадок – «Балапан» и «Дегелен»– где было проведено более 300 ядерных испытаний в вертикальных скважинах и горизонтальных горных туннелях. Не смотря на то, что практически все испытания на исследуемой территории являлись подземными, вблизи расположения мест проведения ПЯВ зафиксированы численные значения трития в атмосферном воздухе, и это, учитывая, что с момента последнего взрыва прошло не одно десятилетие.
Тритий появляется в атмосфере двумя основными путями. Первый путь - это космогенный тритий, или природный, образующийся в атмосфере. Вторым источником поступления трития в атмосферу являются испытания ядерного оружия.
В настоящий момент существует и третий источник поступления трития в окружающую среду, которым являются предприятия атомной промышленности. Но учитывая специфические особенности Семипалатинского полигона, такой источник поступления трития в атмосферу, как работа предприятий атомной промышленности, в данной работе рассматривать не актуально.
Существует три основных реакции образования космогенного трития, которые представлены в таблице в соответствии со скоростью образования (Таблица 1).
Таблица
1
Реакции образования космогенного трития
| Реакция образования |
Скорость образования, атомов/см2
|
| 14
|
0,1 – 0,2 |
| 16
|
0,08 |
| 14
|
0,05 |
Равновесное количество трития на Земле, генерируемое космическими лучами, составляет от 3 до 10 кг. Основная часть всего образовавшегося таким путем трития (~ 93%) содержится в гидросфере и лишь 7% в атмосфере. Ввиду очень малого количества природного трития его концентрацию в объектах окружающей среды принято выражать в тритиевых единицах (ТЕ). Тритиевая единица соответствует содержанию одного атома трития на 1018
атомов протия [4]. Согласно оценкам фонового содержания трития в 1 л воды в среднем содержится 1,1·10–1
Бк трития, в 1 л воздуха – 5,7·10–4
Бк. Количество космогенного трития во внешней среде, гидросфере и атмосфере, составляет порядка 3,0-3,5 кг, что соответствует равновесно объемной активности порядка (1,11-1,30)·109
ГБк.
Принимая во внимание, что после проведения испытаний ядерного оружия содержание трития в атмосфере увеличились в сотни и тысячи раз, этот источник поступления трития так же можно считать не значительным применительно к исследованиям, проводимым в местах проведения ПЯВ.
1 ПУТИ НАРАБОТКИ ТРИТИЯ В РЕЗУЛЬТАТЕ ПРОВЕДЕНИЯ ЯДЕРНЫХ ВЗРЫВОВ
Изменения концентрации трития зависят от времени ядерных испытаний, их типа и места проведения, а также от особенностей отдельных ливней, характера местных ветров и количества осадков.
В общей сложности, взрыв водородной бомбы мощностью 1 мегатонна (Мт) приводит к выделению от 0,7 до 2 кг трития. При проведении взрывов реакция синтеза дает ~7*1014
Бк/кт, реакция деления ~4*1010
Бк/кт. Подземные взрывы увеличивают эти цифры за счет ядерных реакций на боре и литии, находящихся в скальных породах.
Базовой величиной для долговременного прогноза выхода трития (Т) из полости, образованной подземным ядерным взрывом является начальное количество остаточного
и наработанного
в ядерных реакциях трития – NT
(t = 0). Величина NT
(t = 0) зависит от типа взрыва (одно, двух и трехфазный), его мощности, конструктивных особенностей устройства и химического состава породы в месте проведения взрыва. Для однотипных зарядов и одинакового химического состава породы наработка трития будет приблизительно прямо пропорциональна мощности взрыва. Поэтому, при проведении численных расчетов наработки трития обычно используется величина наработки во взрыве мощностью 1 килотонна тротилового эквивалента.
Начальным общим этапом любого ядерного взрыва является цепная ядерная реакция деления ядер 235
U или 239
Pu нейтронами из осколков деления. Поэтому, целесообразно сначала рассмотреть наработку в «чистом» взрыве деления. В таком взрыве тритий нарабатывается в результате следующих процессов:
1. При распаде делящегося ядра на 3 фрагмента (тройного деления), одним из которых (самым легким) является тритий.
2. Образование трития в результате взаимодействия избыточных нейтронов из осколков деления с ядрами легких элементов окружающей среды, т.е. ядерных реакций типа 6
Li(n,T).
3. Наработка трития при взаимодействии высокоэнергетических γ-квантов из осколков с ядрами легких элементов окружающей среды, т.е. фотоядерных реакций типа 7
Li(γ ,T).
Оценим наработку Т для взрыва мощностью 1 кТ по этим 3 каналам. Взрыв ядерного заряда в 1кТ обеспечивается числом актов деления Nf
, которое составляет Nf
»1.42*1023
для 235
U или Nf
»1.38*1023
для 239
Pu [5]. Так как эти значения близки, для дальнейших оценок полагаем, что взрыв 1кТ соответствует 1.4*1023
актам деления.
В первом случае, (процессе тройного деления) атомы трития вылетают из шейки делящегося ядра. Вероятность таких актов деления очень мала и составляет порядка 1/6000 ядер 3
H на 1 акт двойного деления [5]. Исходя из этого, для взрыва в 1 кТ имеем: NT
= Nf
*(1/6000) ≈ 2.3*1019
ядер трития или активность по тритию AT
= NT
*[ln2/T1/2
(c)] = 2.3*1019
*1.7813*10-9
= 4.1*1010
Бк.
Во втором случае (наработки Т в горной породе нейтронами из осколков деления) для оценки наработки Т необходимо знать полное число нейтронов поглощенных породой и относительную вероятность поглощения нейтрона с образованием трития. Для взрывов, при делении ядер 235
U или 239
Pu образуется ~ 2,6 нейтрона, со средней энергией En
≈ 2 МэВ [5]. Из них, 1 нейтрон инициирует деление другого ядра, порядка 0,6 нейтрона поглощается в конструкционных материалах ядерного устройства, и ~1 нейтрон остается «свободным». Т.о. при взрыве 1 кТ в окружающую среду уходит ~1.4*1023
нейтрона.
При прохождении этих нейтронов через вещество окружающей среды происходит упругое и неупругое рассеяние нейтронов с потерей кинетической энергии нейтронов, т.е. процесс замедления. Одновременно с этим идут и ядерные реакции с поглощением нейтронов, вероятность которых быстро растет с уменьшением En
. В результате этих процессов быстро формируется равновесный энергетический спектр нейтронов. В конечном итоге, эти нейтроны полностью поглощаются ядрами среды, образуя новые стабильные и радиоактивные изотопы.
Часть из этих нейтронов может быть поглощена ядрами легких элементов, содержащимися в породе и образовать тритий. В принципе, Т может нарабатываться в малых количествах на всех ядрах с массовым числом А< 20, однако, заметный вклад в наработку Т дают только несколько реакций.
Основными каналами наработки трития являются реакции:
6
Li3
+ n
→ 4
He2
+ Т
10
B
5
+n
→ 24
He2
+ Т
14
N+n→12
C+T
Сечение реакции на тепловых нейтронах для 6
Li составляет порядка 940 барн или 70,7 барн для естественного лития [6], на 10
В – порядка 5*10-3
барн [7]. Реакция 14
N(n,T) пороговая (Qr
» 4 МэВ) и при En
=5-7 МэВ её сечение ~2*10-2
барна [7]. Отсюда видно, что (при сопоставимых концентрациях) основным каналом наработки трития является реакция 6
Li(n,T).
Для оценки наработки Т в этой реакции для взрыва 1 кТ можно использовать приближенное соотношение NT
= NF
* hLi
*soLi
/ Si
hi
*soi
, где hI
,soi
- атомные концентрации в % и сечения поглощения тепловых нейтронов i – го химического элемента в породе.
Типичный состав гранита (SiO2
= 70,18; TiO2
= 0,34; Al2
O3
= 14,98; MgO = 1,08; Fe2
O3
= 1,62; FeO = 1,66; CaO = 2,20; Na2
O = 3,28; K2
O = 3,95; H2
O = 0,78; Р2
О5
= 0,27) можно взять из работы [8], а сечения soi
из работы [6]. Исходя из этих данных (при относительно малых концентрациях лития hLi
< 0.1%) наработка трития будет равна NT
= NF
* 5.15* hLi
%. Так например, для кларкового содержания Li в граните (~10г/т или hLi
% ≈ 0,003 атомных процентов ) имеем NT
= 2.16*1021
ядер Т или активность по Т на 1кТ взрыва АТ
≈ 3.8*1012
Бк.
Третий механизм - наработка трития высокоэнергетическими γ-квантами деления на ядрах легких элементов имеет высокий энергетический порог (обычно Еγ >10 МэВ) и даже для наиболее выгодной реакции 7
Li(γ ,T) при Еγ > 6 МэВ сечение составляет ~ 10-4
барна [7]. Так как, в спектре деления доля γ – квантов с Еγ > 6 МэВ составляет только ~ 10-2
γ – квантов на акт деления [5] и типичное содержание лития в породе мало (~10г/т), то наработкой Т в фотоядерных реакция можно пренебречь.
Существует мнение, что тритий до сих пор нарабатывается в полостях штолен. В принципе, после взрыва тритий может нарабатываться в результате спонтанного деления и альфа распада. Однако, легко показать, что поствзрывной наработкой можно пренебречь. Период полураспада 239
Pu по спонтанному делению равен Т1/2
= 8*1015
лет [6], что на 1кг 239
Pu за 1 секунду дает 7 актов деления или ~ 20 нейтронов, т.е. (см. наработку Т нейтронами) ~ 10-9
Бк трития. Период полураспада 239
Pu по α-распаду равен Т1/2
= 2,411*104
лет /2/, что на 1кг 239
Pu за 1 секунду дает 2,3*1012
α-частиц. На этих α-частицах, в реакциях типа (α
,Be)n на микропримесях самых легких элементах горной породы (Li,Be,B) образуются нейтроны, которые, опять-таки, при взаимодействии с микропримесями 6
Li, могут производить тритий. Для чистого Be выход нейтронов на 1 α-частицу максимален и равен 10-5
нейтрона [7], поэтому при кларковом содержании Be (4г/т) альфа распад дает ~100n/c на 1кг 239
Pu или наработку Т на Li ~ 5*10-9
Бк.
Из вышеизложенного следует, что в подземном «чистом» взрыве деления основной вклад в наработку трития вносит реакция 6
Li(n,T), которая дает активность по Т ~3.8*1012
Бк для взрыва 1кт. На конечной стадии взрыва эта активность сосредоточена в сравнительно тонком приповерхностном слое ядерной полости. Распределение трития по глубине этого слоя –h можно описать выражением: NT
(h) = NT
(h=0)*exp[-(ρ*h)/λ] /5/, где NT
(h=0) – число атомов Т на 1см2
при h=0; ρ, λ – плотность породы в (г/см3
) и длина релаксации нейтронов (г/см2
) в ней. Для гранитов можно использовать значения ρ = 2,6 (г/см3
) и λ ≈ 30 (г/см2
), полученное в работе [9]. Исходя из этих данных получается, что, сразу после взрыва 95% активности Т сосредоточено в 35см приповерхностном слое полости. Далее, учитывая эффекты плавления и стекания стенок, эта активность сосредотачивается в наплывах на дне ядерной полости. Дальнейшее поведение трития определяется геохимическими процессами в окрестности полости.
Следует подчеркнуть, что для корректной оценки начального количества Т в полости следует учитывать не только вышеописанные процессы, но и количество так называемого остаточного трития. Это связано с тем, что для обеспечения высокой эффективности взрыва в конструкции большинства типов ядерных (не термоядерных
) зарядов используются дополнительные мощные источники высокоэнергетических нейтронов, основанные на термоядерной реакции Т+D → α + n . Такими источниками являются:
а) нейтронная трубка (малогабаритный, импульсный ускоритель ионов трития и дейтериевая мишень), обеспечивающий интенсивный запуск цепной реакции деления;
б) бустер (контейнер со смесью дейтерия и трития в центре ядерного заряда), в котором при развитии взрыва начинается термоядерная реакция и создается дополнительный поток нейтронов, что обеспечивает большее выгорание 235
U или 239
Pu и увеличивает мощность взрыва.
Количество дейтерия и трития в этих устройствах при сгорании должно обеспечивать число дополнительных нейтронов сравнимое с числом нейтронов от реакции деления, т.е ~ 1023
нейтрона на 1кт взрыва. Это означает, что, даже при очень высокой эффективность выгорания смеси (Т+D) - порядка 90%, после взрыва в 1 кт в полости остается ~ 1022
атомов неиспользованного трития. Это соответствует активность остаточного трития на 1кТ взрыва АТ
≈ 1.8*1013
Бк, что в 5 раз больше чем наработка в «чистом» взрыве деления.
Кроме того, как и в делении, около 50% нейтронов от термоядерной реакции уходит на активацию окружающей породы с наработкой трития в реакции 6
Li(n,T). Количество трития наработанного на термоядерных нейтронах можно оценить по аналогии с нейтронами делении, что дает ~2*1012
Бк по Т на 1кт взрыва.
С точки зрения наработки Т, особый интерес представляют подземные испытания нейтронных бомб. В этих устройствах многократное увеличение выхода нейтронов достигается за счет добавления к ядерному заряду избыточного количества смеси (Т+D) и это может дать до 1014
Бк остаточного Т на 1кт взрыва, т.е. примерно такую же величину как и при двухфазном термоядерном взрыве.
Напрашивается вывод – для образования большого количества трития в процессе взрыва необходимо, либо что бы тритий был внесен заранее в ядерное устройство для усиления эффективности взрыва (псевдо термоядерный взрыв), либо тритий использовался в заряде как основной компонент горючего. В таком случае речь уже идет не о взрыве деления, а о термоядерном взрыве.
Исходя из того, что концентрация трития в штольневых ручьях остается практически постоянной во времени величиной, можно предположить, что внутри котловой полости штольни происходит процесс постепенного вымывания трития (Т), наработанного во время проведения взрывов, из кристаллической структуры оплавленной поверхности внутренних стенок. Но оценить данный процесс достаточно сложно.
В данной работе представлены данные по исследованию содержания трития в воздушной среде в местах проведения подземных ядерных взрывов, с целью проведения оценки принципиальной возможности использования трития в качестве индикатора мест проведения ядерных испытаний.
Учитывая особенности проведения взрывов на территории Семипалатинского полигона, в качестве объектов исследования были выбраны площадки, где проводились подземные ядерные взрывы. Это испытательная площадка «Балапан» и площадка Дегелен.
Исследования уровня и характера распределения трития на территории выбранных площадок осуществлялись путем проведения полевых и лабораторных работ, заключавшихся в отборе проб водяных паров воздуха и исследовании отобранных проб методом жидкосцинтилляционной спектрометрии. Используемые методы отбора проб и проведения измерений неоднократно использовались ранее и детально описаны [3].
2. ИССЛЕДОВАНИЕ СОДЕРЖАНИЯ УРОВНЯ И ХАРАКТЕРА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТРИТИЯ В ВОЗДУШНОЙ СРЕДЕ В МЕСТАХ ПРОВЕДЕНИЯ ПЯВ НА ТЕРРИТОРИИ ПЛОЩАДКИ «ДЕГЕЛЕН».
Краткая характеристика объектов исследования
На площадке «Дегелен» подземные испытания проводились в горизонтальных горных выработках – штольнях. В общей сложности была сооружена 181 штольня с поперечным сечением от 9 кв. м. до 25 кв. м. и глубиной более километра. Ядерный заряд размещался в конце штольни в специально оборудованном боксе. Для предотвращения выхода продуктов деления на дневную поверхность в штольне сооружался специальный забивочный комплекс, представляющий собой сочетание цементных пробок и щебеночной засыпки.
После проведения взрывов все штольни были закрыты путем искусственного обрушения горной поверхности на портал штольни, сравнивания с поверхностью горной породы и уплотнения (Рисунок 1).
Рисунок
1 Общий вид портала штольни и эпицентральной зоны ПЯВ
Штольни в горном массиве Дегелен были заложены в зоне транзита атмосферных осадков – выше уровня трещинных вод. В ряде штолен образовались постоянные водопроявления в виде высачивания различной интенсивности, что указывает на вскрытие обводненн
В процессе проведения взрывов в горных выработках образовались различные разуплотнения горной породы – зона дробления, а с течением времени происходит постепенное разуплотнение забивочного комплекса.
В процессе проведения работы содержание трития в воздушной среде было исследовано на территории 30 штолен.
Методология проведения исследования
Для проведения исследования уровня и характера распределения трития в местах проведения ПЯВ на территории площадки Дегелен, учитывая специфику проведения взрывов, были определены следующие этапы:
1 Исследование уровня и характера распределения трития в воздушной среде внутри полости штольни;
2 Исследование уровня содержания трития в месте расположения вертикальных геологических скважин;
3 Исследование уровня содержания трития в эпицентральной зоне ПЯВ (эпицентр);
4 Исследование уровня содержания трития в воздушной среде на приустьевых участках штолен.
На рисунке (Рисунок 2) схематически изображена штольня в горизонтальном разрезе, с указанием схемы мест проведения отбора проб (стрелки).
Рисунок
2 Схема проведения отбора проб
Исследование уровня и характера распределения трития в воздушной среде внутри полости штольни
. В ходе проведения данного этапа исследовано 8 штолен. Для исследования уровня содержания трития внутри полости каждой штольни был произведен отбор проб водяных паров воздуха, начиная от портала и далее вглубь, до достижения концевого бокса штольни (бокса 1, бокс 2) с шагом от 10 до 100 м в разных штольнях, в зависимости от условий проведения работ. Минимальное пройденное расстояние вглубь штольни составляло 170 м, максимальное 700 м. Пробоотборник устанавливался внутри полости соответствии с центральной горизонтальной осью штольни.
Исследование уровня содержания трития в месте расположения вертикальных геологических скважин.
На ряде штолен в ходе проведения геологических исследований мест проведения ПЯВ были пробурены вертикальные геологические скважины, ориентировочно расположенные на одной вертикальной оси с концевым боксом штольни (Рисунок 2). Глубина скважин зависела от величины уклона скальных пород и составляла в разных скважинах от 20 до 60 м. Пробы водяных паров воздуха отбирались в месте расположения каждой скважины дважды – первоначально до бурения скважины, а затем сразу после ее бурения. На данном этапе было обследовано 9 штолен.
Исследование уровня содержания трития в эпицентральной зоне ПЯВ (эпицентр).
За эпицентральную зону ПЯВ на территории площадки Дегелен в месте расположения штолен принималась наиболее разрушенная часть скального образования над каждой штольней (макушка горы). Зачастую зона эпицентра располагалась на расстоянии порядка 300-400 метров (по горизонтальной оси поверхности) от концевого бокса штольни. Таким образом, обор проб водяных паров воздуха проводился на достаточно большой высоте над уровнем поверхности земли 500-800 м (Рисунок 1, 2).
Исследование уровня содержания трития в воздушной среде на приустьевых участках штолен
. Под приустьевым участком штольни принимался участок перед порталом штольни размером приблизительно 50×30 м. Отбор проб водяных паров атмосферного воздуха производился в центре приустьевого участка штольни.
2.1 Исследование уровня и характера распределения трития в воздушной среде внутри полости штолен
Основная цель – проведение исследований уровня содержания и характера распределения трития внутри полости штольни.
Результаты исследования
Результаты исследования концентрации трития в воздушной среде внутри полости штолен представлены на рисунке (Рисунок 3). Общий характер распределения трития внутри штолен представлен на графике линией тренда, построенной по средним значениям концентрации трития в воздухе штолен. По горизонтальной оси графика показано расстояние от портала каждой штольни до концевого бокса, а долях от максимального, принятого за единицу. Точка «0» на графике соответствует порталу штольни. По вертикальной оси показана объемная активность трития внутри полости штольни в логарифмическом масштабе.
Рисунок
3 Характер распределения трития с воздушными потоками внутри полости штольни
Анализ полученных данных показал, что значения концентрации трития в воздушной среде полостей исследуемых штолен изменяются в пределах от 1 до 200000 Бк/м3
на портале и в глубине штольни, соответственно. Максимальная концентрация трития в полости штольни соответствует отметке, наиболее близко расположенной к концевому боксу. По мере приближения к выходу из штольни концентрация трития значительно падает, как вследствие удаления от эпицентра взрыва, так и вследствие диффузионного перемешивания слоев штольневого воздуха с атмосферным.
Концентрация трития внутри полости штольни изменяется по логарифмической зависимости. Расположение линии тренда относительно оси X в параллельной плоскости показывает нам уровень содержания трития по прямо пропорционально зависимости – чем выше месторасположение линии тренда, тем выше уровень концентрации трития.
Необходимо обратить особое внимание что, содержание трития на выходе из штольни составляет в ряде случаев десятки Бк/м3
.
2.2 Исследование уровня содержания трития в месте расположения вертикальных геологических скважин
Результаты исследования содержания трития в местах расположения геологических вертикальных скважин представлены на следующем рисунке (Рисунок 4).
Рисунок
4 Содержание трития в месте вскрытия вертикальных штолен
Полученная картина говорит нам о том, что значительные количества трития в воздухе до сих пор наблюдаются в полости штолен. Тритий, обладая высокой миграционной способностью, выходит на дневную поверхность с воздушными потоками, через различные разуплотнения горной породы и завивочного комплекса.
2.3 Исследование уровня содержания трития в эпицентральной зоне ПЯВ
Результаты исследования представлены на рисунке (Рисунок 5).
Рисунок
5 Содержание трития в атмосферном воздухе в эпицентральной зоне ПЯВ
Результаты анализа показали наличие трития в атмосферном воздухе исследуемой территории. В данном случае полученные значения не могут быть сформированы только фоновыми характеристиками территории, так как содержание трития в атмосфере эпицентра некоторых штолен составляет десятки Бк/м3
, при фоновом содержании трития на площадке «Дегелен» порядка 0,2 Бк/м3
[10].
Содержание трития в атмосфере в месте расположения ПЯВ обусловлено поступлением трития из полостей штолен, через различные неровностей и трещеноватостей горной породы, а так же из-за не герметичности забивочного комплекса.
2.4 Исследование уровня содержания трития в воздушной среде на приустьевых участках штолен
Целью этого этапа исследования являлось проведение оценки выхода трития со штольневым воздухом на открытую поверхность в атмосферу. Для этого был проведен отбор проб атмосферного воздуха, на приустьевом участке штольни, на расстоянии порядка 30 м от штольни.
Результаты исследования
Результаты исследования содержания трития в атмосферном воздухе на приустьевых участках штолен представлено на рисунке (Рисунок 6).
Рисунок
6 Содержание трития в атмосфере на приустьевых участках штолен
В общей сложности было обследовано 17 штолен, расположенных в разных частях площадки «Дегелен».
Результаты исследования показали присутствие трития в атмосферном воздухе в местах расположения штолен. Значения содержания трития изменяются в пределах от 0,2 до 3,3 Бк/м3
, что превышает фоновый уровень площадки Дегелен.
И, хотя, содержание трития на приустьевых участках штолен не вносит существенного вклада в тритиевое загрязнение окружающей среды, в ряде случаев отмечено значительное превышение фоновых характеристики по тритию на данной территории.
В целом, результаты проведенного исследования наглядно показывают не только принципиальную возможность выхода трития из полости штольни на дневную поверхность, но то, что данный процесс имеет место быть в настоящий момент. Спустя более 20 лет после проведения последнего ядерного испытания на площадке «Дегелен», мы можем фиксировать тритий на различных участках в местах проведения ПЯВ – не только в месте расположения штольни, но и на приустьевом участке, на удаленном расстоянии от портала штольни, а так же, в зоне эпицентра взрыва, которая в данном случае, расположена на высоте более 500 метров от земли, а следовательно там отсутствуют иные возможные источники поступления трития в атмосферу кроме полости проведения ядерного взрыва.
3. ИССЛЕДОВАНИЕ СОДЕРЖАНИЯ УРОВНЯ И ХАРАКТЕРА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТРИТИЯ В ВОЗДУШНОЙ СРЕДЕ В МЕСТАХ ПРОВЕДЕНИЯ ПЯВ НА ТЕРРИТОРИИ ПЛОЩАДКИ «БАЛАПАН».
Краткая характеристика объектов исследования
Ядерные испытания на площадке «Балапан» проводились в скважинах - вертикальных выработках, частично имеющих обсадку трубами различного диаметра, ниже открытый ствол диаметром 900 мм. Глубина скважины - 500-600 м. Испытываемый заряд опускался в нижнюю часть скважины на специальной спускной колонне, состоящей из труб различного диаметра. После проведения установки заряда в скважину производилась забойка скважины на всю глубину. Конструкция забивочного комплекса представляла собой сочетание силовых и технологических элементов: цементных пробок и участков щебеночной засыпки [11]. Порезультатм площадного обслдования было обнаружено 105 «боевых» скважин (Рисунок 7).
|
|
|
| а
|
б
|
Рисунок
7 Скважина 1010 (а), общий вид приустьевого участка скважины (б).
Ядерные взрывы в скважинах оказали воздействие на формы рельефа земной коры на приустьевых участках скважин, вокруг скважин образовались деформации земной поверхности.
В настоящее время ведутся различные радиологические и геоэкологические исследования на приустьевых участках скважин в местах проведения ПЯВ и близлежащих территориях.
В процессе проведения данной работы было выполнено исследование уровня распределения трития в воздушной среде в месте расположения устья 8 скважин, а так же проведено более детальное исследование уровня и характера распределения трития на приустьевых участках 3 скважин.
Методология проведения исследования
Учитывая, что 3
Н в данный момент является одним из основных техногенных радионуклидов, присутствующих в объектах окружающей среды на территории испытательной площадки Балапан, а также учитывая физико-химические свойства 3
Н, способность миграции на большие растояния, преход из загрязненных 3
Н подземных вод, через почвы в атмосферный воздух, было принято решение провести оценку тритиевого загрязенния воздушной среды приустьевых участков скважин, на которых, согласно параметрам газовыделения, зафиксировано повышенное содержание газов СО2
и СН4
по сравнению с фоновыми концентрациями. Такие скважины были названы «критическими» [12].
Выбор метода исследования уровня и характера распределения 3
Н был основан на преположении, что места выхода трития с почвенным воздухом в атмосферу могут быть территориально приурочены к местам выхода газов в атмосферу, так как выход газообразных веществ на поверхность за частую идет по линии наименьшего сопротивления, в местах наличия неоднородностей горных пород в зонах эпицентров ПЯВ.
Проведение исследования проводилось в 2 этапа:
· Исследование уровня распределения трития в воздушной среде в месте расположения устья 8 скважин «критических» скважин;
· Проведено более детальное исследование уровня и характера распределения трития на приустьевых участках 3 скважин, выбранных сограсно результатам первого этапа.
Исследование уровня распределения трития в воздушной среде в месте расположения устья 8 скважин «критических» скважин.
Согласно результатам исследования газификации приустьевых участков было выбрано 8 так называемых «критических» скважин. Основываясь на данных по исследованию процессов газификации, на каждой из 8 критических скважин была выбрана точка, характеризующаяся наибольшей концентрацией СО2
и СН4
. В выбранных точках был проведен отбор проб водяных паров атмосферного и почвенного воздуха для оценки принципиальной возможности поступления трития в атмосферу с почвенным воздухом. Пробоотборники располагались непосредственно вблизи оголовка скважины на расстоянии порядка 50-70 см.
И
сследование уровня и характера распределения трития на приустьевых участках 3 скважин, выбранных сограсно результатам первого этапа
. После согласования данных по содержанию трития в почвенном и атмосферном воздухе, был произведен выбор 3 скважин, территория которых характеризовалась наибольшим концентрациями трития в почвенном воздухе. На приустьевых участках выбранных скважин было проведено детальное площадное исследование характера распределения трития в почвенном воздухе. Это скважины 1010, 1355 и скважина Глубокая.
На каждом участке исследования была определена общая схема для проведения отбора проб водяных паров почвенного воздуха. Согласно схеме, приустьевые участки исследовались по трем направлениям – с северо-запада на юго-восток (диагональный профиль 1, СЗ-ЮВ), с северо-востока на юго-запад (диагональный профиль 2, СВ-ЮЗ) и с севера на юг (поперечный профиль 3, С-Ю). Все три профиля имели центральную точку пересечения в месте расположения устья скважины. Расстояние между точками в диагональных профилях составляло порядка 70 м, между точками в поперечном профиле порядка 50 м (Рисунок 8).
|
|
|
|
Рисунок 8 Схема расположения точек отбора проб водяных паров на приустьевых участках скважин 1010 (а), Глубокая (б) и 1355 (в).
Как видно из рисунка, конфигурация расположения точек отбора проб выбрана таким образом, что бы оценить уровень содержания в местах с различными концентрациями СО2
и СН4
в почвенном воздухе. Основной целью исследования являлось не только выявление мест выхода на поверхность 3
Н в результате эманации с поверхности почвы, но и определение фоновых характеристики тритиевого загрязнения исследуемых участков.
Всего в ходе проведения 2-х этапов исследования было отобрано и проанализировано на содержание трития 108 проб водяных паров воздуха.
3
.1 Исследование уровня содержания трития в месте расположения скважин
Результаты исследования
Цель проведения данного этапа - проведение исследования уровня содержания трития в воздушной среде в месте расположения скважин, и, что являлось наиболее важным для нас, проведение оценки возможности поступления трития с почвенным воздухом в атмосферу.
Результаты проведения данного этапа работы отображены на рисунке (Рисунок 9).
Рисунок
9 Содержание трития в атмосферном и почвенном воздухе на приустьевых участках «критических» скважин
Проведенное исследование показало, что на приустьевых участках скважин, наряду с эманацией газов, наблюдается процесс эманации трития с поверхности почвы. Концентрация трития в почвенном воздухе изменяется в переделах от 0,1 до 300 Бк/м3
, в ряде случаев превышает, либо соизмерима с фоновым уровнем содержания трития в атмосфере, значение которого составляет не более 0,2 Бк/м3
.
3
.2 Изучение уровня и характера распределения трития в воздушной среде на приустьевых участках скважин
Цель проведения данного этапа – детальное исследование не только уровня, но и характера распределения трития в местах проведения ПЯВ.
По всем полученным результатам построены графики показывающие характер распределения трития по пройденным профилям. При построении графиков за отметку «0» принималось место расположения оголовка скважины, по горизонтальной оси представлено расстояние от скважины в метрах в указанном направлении.
Результаты исследования
Скважина 1355.
Результаты исследования показали, что на приустьевой площадке скважины 1355 идет процесс эманации трития с поверхности почвы в атмосферу. Концентрация трития в почвенном воздухе на приустьевом участке скважины изменяется в пределах от 0,02 до 20 Бк/м3
(Рисунок 10).
|
|
|
| а |
б |
|
|
|
| в |
|
Рисунок
10 Характер распределения 3
Н на приустьевом участке скважины 1355 относительно устья скважины по диагональным профилям (а, б) и поперечному профилю (в)
Концентрация трития в месте расположения скважины составила 0,5 Бк/м3
. Анализ результатов показал, что наибольшие значения содержания трития в почвенном воздухе характерны профилю 2, проходящему с северо-востока на юго-запад исследуемого участка.
Стоит особенно отметить что максимальная концентрация трития отмечена в точке, расположенной в 70 м от устья скважины, и составляет 20 Бк/м3
(Рисунок 10, б).
Скважина 1010.
Проведенные исследования показали, что основное поступление трития с поверхности почвы в атмосферу происходит вблизи расположения устья скважины, где была отмечена максимальная концентрация трития - 70 Бк/м3
(Рисунок 11).
Также, в двух точках в северной части исследуемого участка отмечены повышенные, по сравнению с остальными, значения концентрации 3
Н в почвенном воздухе - порядка 4 Бк/м3
(Рисунок 11, в)
В основном же концентрация 3
Н в почвенном воздухе на данном участке находится на уровне предела обнаружения используемой аппаратуры и не превышает 0,1 Бк/м3
.
|
|
|
| а |
б |
|
|
|
| в |
|
Рисунок
11 Характер распределения 3
Н на приустьевом участке скважины 1010 относительно устья скважины по диагональным профилям (а, б) и поперечному профилю (в)
Скважина Глубокая.
В результате проведения исследования приустьевой площадки скважины Глубокая, было также зафиксировано присутствие трития в почвенном воздухе, и как следствие, поступление трития с поверхности почвы в атмосферу.
В 50 м от воронки скважины в северной части приустьевой площадки концентрация трития составила 5 Бк/м3
. Концентрация трития в почвенном воздухе месте расположения устья скважины составила 0,6 Бк/м3
. В основном, большинство из полученных значений объемной активности 3
Н не превышали 0,1 Бк/м3
(Рисунок 12).
|
|
|
| а |
б |
|
|
|
| в |
|
Рисунок
12 Характер распределения 3
Н на приустьевом участке скважины Глубокая относительно устья скважины по диагональным профилям (а, б) и поперечному профилю (в)
Согласно анализу результатов наибольшие значения содержания трития в почвенном воздухе характерны профилю 3, проходящему с севера на юг исследуемого участка.
В ходе исследования площадного распределения трития на выбранных участках был сделан вывод, что распределение трития на приустьевом участке скважины 1355 имеет наиболее масштабный характер (Рисунок 10).
Анализ результатов проведенного исследования в целом показал, что на приустьевых участках скважин в настоящий момент так же активно идет процесс эманации трития в поверхности почвы в атмосферу, как и на площадке «Дегелен».
Что наиболее важно отметить, не всегда максимальные концентрации трития в почвенном воздухе территориально приурочены к месторасположению оголовка скважины. В ряде случаев, значимые концентрации трития в почвенном воздухе были зафиксированы на значительном расстоянии от скважины, составляющим от 50 до 200 м.
Это особенно важно при проведении работ по определению мест проведения ядерных испытаний. Так как, в случае проведения ПЯВ в скважинах, как на площадке «Балапан», после проведения работ по консервации территории, мы не всегда можем наблюдать видимые последствия взрыва для определения его место проведения. Тогда как использование информации о содержании трития в воздушной среде предполагаемого участка взрыва дадут нам такую информацию.
ВЫВОДЫ
Результаты исследования дали важную дополнительную информацию о тритиевом загрязнении атмосферы в местах проведения ПЯВ и о возможности его применения в качестве индикатора мест проведения ПЯВ. Спустя порядка 20 лет, мы можем фиксировать численные значения трития в воздушной среде в месте проведения испытаний, как на близлежащей территории, так и на отдаленных участках. А современные методики и аппаратура позволяют нам проводить определение трития в воздухе даже в незначительных количествах, на уровне форовых концентраций, порядка 0,1 – 0,2 Бк/м3
.
Полученные данные, об уровне содержания трития в почвенном воздухе на приустьевых участках скважин и штолен, говорят, с одной стороны о необходимости контроля содержания трития в местах проведения ПЯВ, даже при отсутствии видимого источника поступления, а с другой стороны дают нам важную информацию о возможности применения и использования данных об уровне содержания трития в воздушной среде в качестве индикатора мест проведения ядерных испытаний.
Таким образом, можно с уверенностью говорить о том, то тритий может быть применен в качестве индикатора мест проведения ядерных испытаний.
ЛИТЕРАТУРА
1. Качество воды – определение активности трития, соответствующей данной концентрации – жидкостной метод сцинтилляционного счета: ISO 9698-1989 /Е/.
2. Методы измерения трития. Рекомендации НКРЗ, США: [пер. с англ.]. - М.: Атомиздат, 1978.
3. «Актуальные вопросы радиоэкологии Казахстана», сборник 3, / О.Н. Ляхова, С.Н.Лукашенко, Н.В Ларионова / «Механизмы формирования тритиевого загрязнения воздушного бассейна в пределах горного массива Дегелен», стр.317, 2010
4. Егоров Ю.А "Тритий в природно - техногенной среде "АЭС - окружающая среда", Региональная экология N1-2,2002, с 13
5. Горбачев В.М, Замятин Ю.С., Лбов А.А. “ Справочник. Взаимодействие излучений с ядрами тяжелых элементов и деление ядер”, Москва, Атомиздат, 1976г.
6. “NuclidKarte” Kernforschugszentrum Karlsruhe, nov.1981.
7. IAEA-NDS-CD-05 EXFOR CD-ROM, Version January 2000.
8. Перчук Л.Л. «Соросовский Образовательный Журнал», 1997 №6, стр 56-63.
9. Кимель Л.Р., Машкович В.П. – “Справочник. Защита от ионизирующих излучений “, Москва Атомиздат, 1972г.
10. Ляхова О.Н. «Исследование содержания трития в объектах окружающей среды на территории испытательной площадки Дегелен» / О.Н. Ляхова, С.Н. Лукашенко, М.А. Умаров, А.О. Айдарханов / Вестник НЯЦ РК. – 2007. – Вып.4. – С.80 – 86.
11. Михайлова В.Н. Ядерные испытания СССР, М., 1997г., 467с.
12. «Актуальные вопросы радиоэкологии Казахстана», сборник 3, / С.Б. Субботин, С.Н.Лукашенко и др. / «Оценка возможности последствий катастрофического характера на территории площадки «Балапан»», стр.471, 2010