БИОГЕОХИМИЧЕСКИЙ СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ПЛУТОНИЯ НА ИЗУЧАЕМЫХ ТЕРРИТОРИЯХ Российский патент 2000 года по МПК G01V9/00 

Изобретение относится к способам установления загрязнения почв и подземных вод плутонием (Pu) и может быть использовано при оценке радиационного заражения исследуемого региона.

Известен способ определения наличия подземных источников тех или иных химических элементов (свинца, меди, урана и др.), не имеющих прямых выходов на земную поверхность, по определению этих элементов в корнях, ветвях, стеблях и стволах различных растений, кустарников и деревьев [1]. По данному способу анализируется различными методами все вместе - кора, листья, наружные древесные слои, образовавшиеся за последние годы жизни дерева, и сама внутренняя часть ствола. Производится лишь отряхивание, очистка и иногда отмывка корней от прилипших частиц почвы. Недостатком данного способа является то, что определяется и привнесенный плутоний извне, из других мест, а также и из атмосферы, что приводит к ошибкам определения его первоисточника и завышению содержания Pu.

Наиболее близким к предлагаемому способу является биогеохимический метод поисков рудных месторождений [2], основанный на выявлении вторичных ореолов рассеяния элементов-индикаторов руд в живых растениях, организмах и в их остатках. В качестве объектов опробования используют надземные части растения, корни, а также продукты их разложения (торф, лесную подстилку, гумусовый горизонт почв). Затем пробы растений измельчают, подвергают озолению и по элементам-индикаторам, определяемым в золе растений, судят об уровне эрозионного среза рудной минерализации.

Недостатком известного способа является то, что в качестве исследуемого вещества берется кора деревьев, кустарников, подземные части растительности, которые могут содержать случайные элементы, что приводит к снижению достоверности исследований.

Цель изобретения - повышение достоверности определения наличия плутония на изучаемых территориях и обнаружение его первоисточника.

Поставленная цель при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе обнаружения плутония, включающем отбор и подготовку проб растительности, сжигание и получение золы, определение содержания самого плутония в золе, согласно изобретению в качестве растительного материала анализируется только внутренняя часть ствола растения. При аномальном содержании плутония в золе судят о загрязнении территории или наличии подземных источников загрязнения этим трансурановым элементом.

Проведенные исследования внутренней части древесного ствола или веток живых деревьев в зоне отчуждения Чернобыльской АЭС и в районах, не подверженных радиационному загрязнению, доказывают работоспособность предлагаемого биогеохимического способа. В золе из внутренней части стволов загрязненной древесины определяют содержание плутония, и только аномальные значения позволяют говорить о радиационном загрязнении исследуемой территории. Результаты анализов представлены в табл. 1-3.

Известны исследования, в которых изучали пространственное распределение некоторых γ-излучающих радионуклидов в лесных лишайниках и в коре сосны [3], но при этом изучалась сама растительность без сжигания и получения золы.

Сравнительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый способ определения загрязнения территории плутонием позволит определить наличие этого элемента, в том числе и после проведения специальных дезактивационных мероприятий, например его предварительного механического удаления с целью сокрытия самого факта загрязнения, а также установить наличие радиохимических производств, загрязняющих окружающую среду.

В прототипе рекомендуется отбирать либо целые части растений, либо листья, либо ветки и листья, но нигде не указывается на специальный отбор только внутренней части ствола. В нашем случае именно это является обязательным фактором, поскольку практически вся земная поверхность загрязнена продуктами проводившихся испытаний атомного оружия, особенно в северном полушарии земли. Именно поэтому и необходимо вести анализ внутренней части древесного ствола, так как питание дерева идет через корневую систему и этим фиксируется наличие на глубине следов плутония, особенно от радиохимических производств, местоположение которых практически всегда тщательно скрывается. Поверхностная дезактивация уничтожает следы почвенного загрязнения плутонием, но не может затронуть более глубокие горизонты, где плутоний может находиться и поступать через корневую систему в ствол дерева.

Ни один из указанных источников не ставил обязательным условием отбор пробы только из внутренней части древесного ствола, поскольку даже микроколичества плутония могут механически загрязнить пробу с поверхности.

В естественных природных условиях плутония нет. Это продукт деятельности человека, α-излучатель, он является весьма токсичным элементом. Для плутония имеются следующие нормы радиационной безопасности: содержание ²³⁹Pu (период полураспада 24 тысячи лет) для воды ограничено величиной 2,2•10^-9 Ku/л, для воздуха - величиной 3•10^-17 Ku/л [4]. Именно такой разброс в допусках свидетельствует об опасности ингаляционного поступления плутония в организм - разница 100 миллионов раз. Согласно данным США поступление всего лишь 10^-6 г плутония вызывает рак легких.

Известно, что при работе ядерных реакторов одного радиоактивного изотопа не получается, а всегда образуется весьма широкий спектр из других радиоактивных элементов - как β-γ-излучателей, так и α-излучателей [5]. Например, в 4-м блоке Чернобыльской АЭС за время работы блока, кроме изотопов плутония (²³⁸Pu, ²³⁹Pu, ²⁴⁰Pu, ²⁴¹Pu, ²⁴²Pu), образовались изотопы и других трансурановых элементов - америция (²⁴¹Am, ²⁴²Am) и кюрия (²⁴²Cm, ²⁴⁴Cm). Естественно, что образуются радиоактивные изотопы и других химических элементов - ⁹⁰Sr, ¹⁰⁶Ru, ¹²⁵Sb, ¹³⁴Cs, ¹³⁷Cs, ¹⁴⁴Ce, a также изотопы радиоактивных благородных газов и йода. Данные о наиболее долгоживущих изотопах, выброшенных при аварии 4-го блока Чернобыльской АЭС, приводятся в табл. 2 и 3.

Таким образом, предложенный способ биогеохимического обнаружения плутония позволяет повысить достоверность определения наличия его на изучаемых территориях за счет определения в золе исследуемых растений самого плутония, и по аномальным значениям этого элемента судят о загрязнении им территории. Это обеспечивает предложенному техническому решению соответствие критерию "изобретательский уровень".

Заявляемый способ отвечает также критерию "промышленной применимости", так как для осуществления способа не нужно дополнительных вложений, и анализ возможно провести в радиохимической лаборатории.

Пример 1. Исследовалась древесина из районов, не подверженных радиационному загрязнению.

В процессе пробоотбора необходимо тщательно оберегать пробы от возможного внешнего загрязнения радионуклидами. Ствол дерева спиливался на высоте 1-1,5 м от поверхности земли с целью возможного последующего контроля оставшегося пенька. Затем в лабораторных условиях отрезанный кусок ствола ошкуривался чистым ножом. Концы ошкуренных чурбачков снова отпиливаются, но уже другой (чистой) пилой, и сами чурбачки еще раз ошкуриваются другим (чистым) инструментом. Все образцы хранятся в новых, не бывших в употреблении, полиэтиленовых пакетах.

Затем образцы подвергаются озолению. Перед озолением пробу древесины предварительно взвешивают и измельчают чистым инструментом (ножом или скальпелем) до размера частиц 5-10 см и сжигают в окислительном режиме при свободном доступе воздуха в тигле в электропечи. Время озоления колеблется от 1 до 4 ч - до получения золы пепельно-серого или белого цвета. Темно-серый и черный цвет золы недопустим и свидетельствует о недостаточном озолении исходной пробы [2]. Затем проводят анализ полученной золы на наличие плутония и пересчитывают конечный результат на исходную пробу древесины.

В табл. 1 даются результаты определения содержания радиоактивных элементов внутри стволов живых деревьев в районах республик Татарстан, Чувашия, а также во Владимирской, Нижегородской и Тамбовской областях. На основании этих данных получена величина естественного радиационного загрязнения древесины.

Для ¹³⁷Cs она составляет n • 10^-11 Ku/кг древесины, для ⁹⁰Sr - n • 10^-11 Ku/кг, для Pu - n • 10^-13 Ku/кг. Максимальное содержание плутония, как показывают данные табл. 1, не превышает 5 • 10^-13 Ku/кг древесины, поэтому эта величина выбрана в качестве барьерного значения.

Пример 2. Подготовку проб и анализ радиационного загрязнения проводят аналогично примеру 1.

В табл. 2 даются результаты радиационного загрязнения древесины живых деревьев в ближней (5-км) зоне Чернобыльской АЭС на западном и северо-западном следе выброса 4-го блока.

Пробы отбирались в следующих местах:
Дуб находится в 3,7 км северо-западнее 4-го блока ЧАЭС. Каштан - в 3,3 км северо-западнее блока. Яблоня - в 2 км западнее блока. Результаты показывают, что содержание плутония во всех пробах превышает величину 5 • 10^-13 Ku/кг древесины.

Пример 3. Анализируется радиационное загрязнение древесины и коры дерева. Подготовку проб и анализ радиационного загрязнения проводят также аналогично примеру 1.

В табл. 3 приведены данные о содержании радионуклидов в стволе дерева и в коре его из района "Рыжего леса" западного следа выброса ЧАЭС. Причина значительного радиационного загрязнения коры дерева обусловлена ветровым переносом радиоактивной Чернобыльской пыли и ее оседания на коре дерева.

В табл. 4 приведены данные по содержанию радионуклидов в стволах живых деревьев 30-км зоны отчуждения Чернобыльской АЭС. Данные табл. 4 свидетельствуют о нахождении данной древесины в зоне радиационного загрязнения.

Сравнение вышеприведенных данных доказывает правомерность предлагаемого биогеохимического метода по определению наличия загрязнения территории плутонием.

Таким образом, использование изобретения позволит:
- повысить достоверность обнаружения загрязненных территорий,
- выяснить возможный источник загрязнения плутонием,
- упростить экологическую экспертизу.

Источники информации
1. Инструкция по геохимическим методам поисков рудных месторождений. М.: Недра, 1983, 191 с.

2. Малюга Д.П. Биогеохимический метод поисков рудных месторождений. М.: Изд-во АН СССР, 1963, 264 с. (прототип).

3. Радиоэкологические исследования в 30-километровой зоне аварии на Чернобыльской АЭС. - Сыктывкар, 1993, 188 с. (Тр. Коми НЦ УрО Российской академии наук, N 127).

4. Нормы радиационной безопасности НРБ-76/87 и Основные санитарные правила работы с радиоактивными веществами и другими источниками ионизирующих излучений ОСП-72/87/ Минздрав СССР. - 3-е изд., перераб. и дополн. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 160 с.

5. Чернобыль. Пять трудных лет. М.: ИздАТ, 1992. - 381 с.

Использование: для оценки радиационного заражения изучаемой территории. Сущность: обнаружение плутония производят путем отбора проб, сжигания, получения и анализа золы исключительно из внутренней части растительного материала (например, ствола дерева). Определяют в полученной золе наличие плутония, и по аномальному содержанию его в золе судят о загрязнении территории или о наличии подземных источников загрязнения этим трансурановым элементом. Технический результат: повышение достоверности определения наличия плутония на изучаемой территории. 4 табл.

Биогеохимический способ обнаружения территорий, загрязненных плутонием, включающий отбор и подготовку проб растительности, сжигание и получение золы, определение содержания плутония в золе, отличающийся тем, что в качестве растительного материала анализируется только внутренняя часть ствола растения и при аномальном содержании плутония в золе судят о загрязнении территории или наличии подземных скрытых источников загрязнения плутонием.