Закономерности поведения природных и техногенных радионуклидов в морской среде тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.14 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В, Ломоносова ХИМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

Сапожников Юрий Александрович

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПОВЕДЕНИЯ ПРИРОДНЫХ И ТЕХНОГЕННЫХ РАДИОНУКЛИДОВ

В МОРСКОЙ СРЕДЕ

Специальность 02.00.14 - Ралиохимш

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени лектора химических наук

Москва 2001

Работа выполнена в лаборатории дозиметрии и радиоактивности окружающей среда кафедры радиохимии Химического факультета Московского Государственного университета имени М.В. Ломоносова.

Официальные оппоненты;

яШ

д.х.н., профессор Колтунов Валентин Сергеев« д. х.н., профессор Перетрухни Владямир Федорович д.г.-м.н., вед. научн. сотр. Савенко Виталий Савельевич

-6-

Ведущая организация: Институт Океанологии им, ГШ, Ширшова РАН

3

¿/АГ

Зашита состоится диссергадюииого совета Д 50!.ОС 119899 ГСП, Москва В-234, Ле кафедра радиохимии, ауд. 308.

-со

"ЧИИ

■су:

тет,

С диссертацией можно ознаком-

¿МГУ.

Диссертация в виде доклада разе»

(решение от ^ " ^ ^

присудил ученую степс. ь^г.Л/УС .

■ l"¿*! J

I. ОБЩАЯ ХАМ'КТЕРЙСТЖА 'РАШШ

1.1. Актуальность проблемы

Океан, занимающий около 70% земной поверхности, играет исключительную роль в жизни всего человечества как важнейший источник пищевых, минеральных и энергетических ресурсов. Однако он является также и конечным пунктом миграции большинства - веществ, загрязняющих ожружающую среду, к числу -которых относятся и техногенные радионуклиды, поступающие в океан в результате испытаний ядерного оружия, сброса радиоактивных отходов предприятий ядерного топливного цикла, судов с ядерными энергетическими установками и т.д.

Исследование радиоактивности морской среды требует комплексного подхода, -включающего изучение распределения радионуклидов в атмосфере над океаном, в водной толще и в донных осадках, исследование их физико-химических форм, определяющих пути их миграции и стабилизации под действием совокупности физико-химических, аэро- и гидродинамических и биологических факторов, а также методы концентрирования радионуклидов и измерения их активности.

Основное внишиие в настоящей работе было уделено изучению распределения и миграции естественных радионуклидов, вносящих основной вклад в радиоактивность морской срсды. В атмосфере над океаном к их числу относятся радон и коротко-живущие продукты его распада, в частности, свшец-214 и висмут-214; в водной толще - радиоактивный калий-40, в донньгх осадках - радионуклиды уранового (свйнад-230) И тОрйёЬого ряДОй, а также калйй-4<). Важнейшей составляющей данной работы было также изучение распределен™ и физико-химических форм техногенных радионуклидов.

В диссертацию включена часть научно-исследовательской работы, проводившейся на кафедре радиохимии Химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова по проблеме "Радиоактивность Мирового -океана" в соответствии с координационным планом АН СССР, ГКАЭ СССР го проблемам 2.15.5 "Радиоактивность окружающей среды. Исследование радиоактивности океана" и 2.18 "Радиохимия и химия радиоактивных элементов" и др., по хоздоговорам с ГЕОХЙ, с Тихоокеанским Океанологическим Институтом и др. организациями.

В настоящее время ведутся работы по проекту Международного Агентства по Атомной Энергии (МАГАТЭ) RER/2/003: «Marine Environmental Assessment of the

Black Sea Region» и по проекту РФФИ 00-05-6529 «Изучение истории загрязнения Черного моря»,

1.2. Цель работы

Целью настоящей работы было:

исследование состояния радиоактивного равновесия между короткэживуш»® продуктами расиада радона {КПРР) в приповерхностном -сдое воздуха над океаном, а также влияния некоторых физико-химических характеристик верхнего слоя морской воды и границы раздела океан-атмосфера на процессы поступления и миграции КПРР над водной поверхностью в натурных условиях и близких к ним модельных система«;

- исследование возможностей' прямого определения ß-язлутающих радионуклидов 8 морской воде;

- разработка радиохимических методов определения общей концентрации тгалм та ег о Тфиротаоторадшагаит0г о изо1ша гшш-40э морской воде;

- разработка методов концентриршанщ некоторых естественных и техногенных радионуклидов из морской воды;

- изучение физико-химического состояния радионуклидов хрома, сурьмы, йода, железа, кобальта, ниобии и церия ь окружающей среде с применением комплекса радиохимических методов, а также выяснение влияния различных факторов на поведение указанных радионуклидов в морской воде н близких к ней модельных системах;

- разработке жидкюсгночяэдмияяяишиных методов определения свинга-210 в донных осадках с целью определения их возраста.

- изучение распределения цезия-137 в донных осадках Черного, Баренцева и Карского морей.

- составление баланса загрязнения цезием-137 « -стронцйем-90 вод Гданьского залива в 1982-1985 гг., выявление основных путей поступления этих радионуклидов и факторов, влияющих на их распределение в данном регионе Балтийского моря, как пример комплексного решения из региональных задач,

IJ. Научная новизна

Впервые обнаружен аномальный сдвиг радиоактивного равновесия среди короткоживущих продуктов раслада радона (КПРР) в приповерхностном слое воздуха над открытым океаном.

Методами сорбции, ультрафильтрации и экстракции исследовано состояние 2i4Pb (Raö) и a,Bí (RaC) в модельных растворах, имитирующих морскую воду.

В лабораторных условиях изучены основные закономерности миграции КПРР из морской воды в поверхностный мттерослоя по механизму пузырькового фракционирования и их последующее обогащение в аэрозольной фракции в присутствии различных ПЛВ, а также кояноидаых коллекторов па основе неорганических гидрокгащов.

Разработан оригинальный жндкостно-сш-ятилдяционяый (ЖС) метод «рдсаян в морской mm ш р^взтучснию его природного ралийаиивкого изотопа - 40К и радиохимический метод определения обшей концентрации калня в морской воде с использованием в качестве селекхивноз'о реагеша тезрафенилбората натрия, меченного по углероду-14,

Сочетание двух указанных ЖС методов позволило онредеяять удельную активность калия (УАК) в пробах .морской воды.

Предложена иетодика <ш«л дисперсии мснротэводнмостя результатов определения концентрации калия в морской воде в экспедиционных условиях при отсутствии параллельных измерений.

Показана возможность измерения ¡З-радиоактивяоети морской воды с использованием эффекта Черенкова, создана модель установки.

Впервые экспериментально определена удельная радиоактивность космогенного фосфора-32 в форме ортофосфата в верхних слоях морской воды.

Впервые нроведенс комплексное исследование поведения радионуклидов s*Cí, 1?5Sb, 13% ,sFe, юСо, toNb и ,44€е в морской воде; включающее изучение "возраста", кислотности, солевого фона раствора, содержания и природы растворенных органических вещесга Выяснены особенности адсорбционного поведения радионуклидов 5ICr, H5Sb, 131I, 5?Ре, 60Со, 95Nb и 1МСе по отношению к рдау сорбентов. Изучен фракционный состав взвешенных частиц 5|Сг(Ш) и í44Ce (IV) в морской воде а отсутствии шдрдаишгов я иго изменение яри яавлечешш в биологический цгаот с участием фитопланктона Dmalielfa Viridis и Nephrocfúoris Salina. Установлен состав хяоркомшюкс-ов сурьмы (Ш) в хлориднкх растворах, низкой кислотности. Исследовано влияние железа (Ш) в микроконнентрациях и предыстории раствора на состояние U5Sb, ®аСо, и i4áCe в морской воде.

На основе яроведеняых эксиеригйеигальных чкоследований сделан -ярогаоз о

51гл_/тТг\ '25o, ПК 59,- SOr-. 95»-ч возможных тиестах локализации радионуклидов Criill), Sn, I, re, lo, no и

í44Ce Щ1я миграции в гидросфере по довдчке: река-эсгуарий-море.

Разработан жидкостно-сцинтиллявдонный метод определения 2!аРЪ в донных осадках. йр<эвсйсно датирование яовдшх осадков в бассейне Черного моря и Калифорнийского залива.

Проведено исследование распределения цезия-137 в дойных осадках Черного, Баренцева и Карского морей.

Впервые па основе комплексных многолетних исследований распределения цезия-137 й йроияк-90 в Гданьском заливе и 4 юяйюй части Балтийского моря составлен баланс этих радионуклидов в исследуемом регионе. Показано, что главным исютпиком загрязнения Гдшшжой бухты цезием-! 37 и стропцнем-90 является открытое море (южная Балтика), в которое эти радионуклиды поступают, а значительной степени, через Датские проливы из Северного моря.

1.4. Прякгнчсскее значение

Полученные данные по состоянию радиоактивного равновесия между главными 0- и учшучателями атйосфзры - короткшийвушкми продуктами распада радона (КГЗР?) - в приповерхностном слое воздуха над океаном необходимо учитывать лри разработке методов мониторинга радиоактивности воздушной среды над океаном.

Р&рабоганные оригинальные радабммйческйе йетодйки определения абсолютной р^раяиоактияиости кад»я-40 и ой«(ей кош<®»тра-нии кадия в морской воде шЯюШбШййсъ "Оря Изучетт "рШщкд^Мйяя Шлш а 'ййучйния фоновых характеристик морской воды сотрудниками Института Океанологии им. 1Ш. Ширшова РАН.

Йродемонстрирсшана высокая эффективность регистрации ¡З-радиоактавносги природных вод но излучению Черенкоаа.

Результаты, полученные в настоящей работе при исследовании поведения искусственных радионуклидов ?,Ст, Ь:йЬ, 1311, °°Со, ^Мэ-я ,44С«, переданы в Тихоокеанский океанологический институт ДВО РАН для использования при прогнозировании певедекия соответств}чоивк токсичных элементов в гидросфере.

разработанные жйжосгйо-сциитиллйцнотые методы определений свинца-210 в донных осадках отличаются простотой и дают возможность определять возраст как по концентрации самого ",1!РЬ, так и одновременно по его дочернему "'"Вт или внучатому 2!0Ро.

Получениме данные использованы при чтении лекций в учебном курсе «Введение в радиохимию. Радиоактивность окружающей среды».

Результаты, полученные в настоящей работе, позволили выяснить источники и пути миграции трлия-В? и стронция~90 в Гданьском заливе и южной часта Балтийского моря, определить уровень загрязнения данного региона цезием-137 и строицисм-'90 в 1982-1985 гг,, оцени ib накопление этих радионуклидов в виомассе моря, являющейся, в конечном счете, одним из важных источников поступления радионуклидов в рацион человека.

1,5= Апробация работы Основные результаты работы были доложены на ряде совещаний, симпозиумов, конференций, включая:

1977 IV Всесоюзное 'совещание по шшешбеашу шишу. Тбилиси, 1 -з июня 1977 г.

1980 Вторая конференция МГУ по проблемам Мирового океана, Москва, 6-8 января 1980 г.

19$ 3 Второй -Всесоюзный -симпозиум по комплексному изучению

гидрофизических полей океана с использованием изотопных методов, Владивосток, 8-10 моля 1981г. 1983 IV Всесоюзная конференция "Проблемы научных исследований в области

изучения и освоения Мирового океана", Владивосток, 25-28 октября 1983 г. 1990 II Congreso-de Ciencias del Mar. La Hato&ua, G«fea, 18-22-de Junio de 1990,, 1990 Vül Simposio Internacional de Química Nuclear, Radioquímica y Química de Radiaciones.

Universidad Autonomo del Estado de Mexico. Mexico. 9-1*3 Julio 199Ó. 1995 írmmtiorral СатпШ&гШ Radmmcíidc ШШ'оёу Conference m tou-i.evei

Measurement Technique. Seville, Spain, 2-6 October 1995. 1995 rCRTvT'96. Joint Meeting of TCRM Working Group on Spectrometry. St.

Peterburg, Russia, Sep. 18-20, 1996, 19.96 International -Symposi-даэ "Radionuclides in the Oceans" (RADOC 96), Octeville-

Cherbourg, Fratcc, 7-11 October 1996. 1997 International Symposia® IAP'97. Interfaces against Pollution. Wageningen, the

Netherlands. August 10-13, ¡997. M8 PACGN'99. Syraposiam. June 23-25.1999. Humanity and the World Ocean: Inlcrdcpced«.-ncc «i the Dawn-ofthe Now Millenium, WKSP-1, Radioactive Pollution in the World Ocean. 1999 Working meetrngOT International Atomic Energy Project КЕ8/2/Ш: Marine Environmental Assessment of the Black Sea Region. 21-25Februry, 2000. Sevastopol, Ukraine.

1999 Joint Russian Academy of Sciences - US Dept. of Energy Workshop. Moscow, May 16-17,2000.

2000 Advanced Research Workshop "Monitoring of Natural and Man-made Radionuclides and Heavy Metal W-aste in Jaivir-onmeBt", Tentative probara, Abstracts. Dubna, 2000.

2000 Третья Российская конференция да радиохимии «РАДИОХИМИЯ-2000». Санкт-Петербург, 2000.

1.6. Публикации

Основное содержание работы отражено в более чем 100 публикациях - в ©дней мвнографни, статьях в ©течеегаешшх и зарубежных журналах, и тезисах докладов на конференциях, симпозиумах и совещаниях разного уровня.

ii. основное содержание

1. ВВЕДЕНИЕ

Загрязнения окружающей среды особенно бьютро переносятся с воздушными С С':?\ти

В прштощтюетном слое -воздуха над океаном основной вюгад в а-, р- и у-радиоакгивпост* шюеят радон « коретшживуиие продукты его распада. (КПРР) 214РЬ (КаВ) и 2ЬВ1 (КаС). Впервые было -установлено, что в открытом океане отношение КаС/КаВ>!, в то время как во «внутренних» морях (Черном, Каспийском) или в окраинных морях западной части Тихого океана отношение концентраций КаСЖаВ<1. Считается, что радон над Океаном имеет континентальное происхождение-, и этот результат трудно обменить, без допущения о -наличия дополнительного источника КаС в приповерзшосп гом слое воздуха. Было установлено, что определяющую роль в обогащении цриводного слоя воздуха ""ЕН по отиоцгекшо к 214РЬ играют коллоидные -формы железа (1П), вь:носимые поднимающимися к поверхности раздела воздушными пузырьками и.

Основной вкдад в радшакгшность морской веды вносит природный радиоактивный изотоп кали - 4"'К. Для изученет шменчивеста концеитраияй в морской воде калия, являющегося одним из главных катионов морской воды, был разработан радиохимический метод определения калия с использованием селективного реагента - тетрафенилбората натрия, меченого по !4С. Сочетание ЖС методов опрсдслсим 40К и общей концентрации калия позволило определять удельную активность калия (УАК) в пробах морской воды

Ремышс уровни концентраций техногенных радионуклидов в морской среде таковы, что их определение невозможно без предварительного концентрирования. Методам концентрирования техногенных радионуклидов, а также методам измерения раяшажтквнести тгояучеиимх «даиштратов иесвящена значительная часть проведенных исследований.

Поведение техногенных радионуклидов в водной толще, их геохимическая подвижность по многом зависят от физкко-хиытссккх форм, в виде которых эти радионуклиды находятся в морской среде. Поэтому при исследовании миграции радионуклидов в окружающей среде особое внимание уделяется определению форм их нахождения, их превращениям и стабилизации.

Данных по состоянию многих радионуклидов, поступивших в окружающую среду в результате испытаний ядерного оружия в атмосфере и с отходами радиохимических произведете, таких как хро_м-5 3, сурьма-!25-, кобальт-60, ниобий-95, церкй-144, радиоактивные изотопы иода, железа, к моменту постановки настоящей работы было явно недостаточно. Данная работа в определенной степени восполнила этот пробел.

Поведение С1ронция-90 и цезия- ¡37 а окружающей среде описывается более простыми закономерностями. Однако, для -прогнозирования .состояния -различных объектов окружающей среды необходим систематический сбор комплексной информации по всем ее составляющим. Например, после обобщения данных по радиоактивности объекте® «крузкающей «Р«ды на регионально!« уровне был составлен баланс искусственных радионуклидов в Гданьском заливе Балтийского моря в период ¡982-1985 гг.

При изучении радиоактивности морских донных осадков основное внимание было уделено как члену цепочки природного урана-238 - сяинцу-210, так и вЯШЙ^ цёзШИЗТ. ОСй ЗТих радаЩмйдй ШрШсО йЯОлъЗуШСя для определения возраста современных ддаиых оеадко» и скоростей седиментации. Концентрации цезия--137 определялись ® данных, осадках Черного, Баятшдадаго, Баренцева и Карского морей.

2. РАДИОАКТИВНОСТЬ АТМОСФЕРЫ ЛАД ОКЕАНОМ

Радон и продукты его распада вносят основной вклад в радиоактивность атмосферы. Скорость экехаяяшга радона с поверхности океана в среднем на два порядка ниже, чем с поверхности суши. Поэтому считается, что радон в атмосфере лад океаном имеет, я основном, даыдашентадшое происхождение Важнейшими р- л у-излучателями в атмосфере над океаном являются такие корогкоживущие продукта расшда радона <КПРР) как «вииоц-214 м «исяуг-214.

2.1. ЭКСтеДИЦИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

В 1980 г. во время экспедиции на НИС «Башкирия» в северо-западной части Тихого океана нами впервые был обнаружен сдвиг радиоактивного равновесия между 2,4РЬ и 2,4В\ в сторону ",4Вг Позже это явление наблюдалось и в другой экспедиции в Тихий океан, в то время как при работе у побережья Тихого океана (о. Попова), а также в Каспийском и Черном морях концентрации " *РЬ были равны -или выше концет раций " 'си.

Концентрирование КТТРР из приповерхностного слоя воздуха проводили с помощью волокнистых аэрозольных фильтров типа ФП, предварительные испьшшия которых показали высокую (>96%) эффективное» улавливания не только аэрозольной фракции КПРР, но и их составляющей в виде "свободных атомов", что обеспечивало полноту отбора короткоживуихих продуктов по всем формам.

Результаты экспедиционных исследований распределения КПРР в приводной атмосфере в трех различных регионах представлена в таблицах 1 и 2, где приведены данные по уровням активности К.аВ., а также показано состояние радиоактивного равновесия между Р„аВ и Р.аС в акватории Каспийского моря, на побережье Тихого океааа (о. Попова) В в севёро-зШаШой Части Тихого океайа. Существенное уменьш�