Вторинний підйом радіоактивних аерозолів при виконанні агротехнічних операцій, осушенні водойм, лугових та лісових пожежах

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ВТОРИННИЙ ПІДЙОМ РАДІОАКТИВНИХ АЕРОЗОЛІВ ПРИ ВИКОНАННІ АГРОТЕХНІЧНИХ ОПЕРАЦІЙ, ОСУШЕННІ ВОДОЙМ, ЛУГОВИХ ТА ЛІСОВИХ ПОЖЕЖАХ

Процак Валентин Петрович

Київ-2009

Анотація

Процак В.П.

Вторинний підйом радіоактивних аерозолів при виконанні агротехнічних операцій, осушенні водойм, лугових і лісових пожежах. - Рукопис

Дисертація на здобуття вченого ступеню кандидата технічних наук за спеціальністю 21.06.01 - екологічна безпека. - Інститут проблем безпеки атомних електростанцій НАН України, Київ 2008.

Оцінені параметри вторинного підйому та атмосферного переносу чорнобильських радіонуклідів при виконанні агротехнічних операцій, лугових та лісових пожежах на радіоактивно забруднених територіях та з донних відкладів осушених водойм, що зазнали радіоактивного забруднення. Визначена значимість вторинного підйому радіонуклідів у додаткове забруднення територій, дезактивованих населених пунктів, та аерального забруднення рослинності. Оцінені параметри радіоактивного аерозолю в зоні дихання механізаторів у залежності від щільності та фізико-хімічних форм забруднення, видів агротехнічних операцій, метеоумов, типу ґрунту, умов праці.

Показано, що незважаючи на значне збільшення концентрації радіонуклідів у повітрі, лугові та лісові пожежі при нормальних метеоумовах не ведуть до будь-якого значимого перерозподілу радіоактивного забруднення у локальному масштабі, а основний радіологічний ефект пожеж у Чорнобильській зоні пов'язаний із забрудненням екосистем трансурановими елементами.

Експериментально отримані параметри ресуспензії з донних відкладів осушених водойм Чорнобильської зони, що необхідні для математичного моделювання атмосферного переносу й оцінки ризику при пониженні рівня води в водоймі-охолоджувачі ЧАЕС до природного рівня. Показано, що до цього часу в донних відкладеннях водойми-охолоджувача ЧАЕС основна маса радіонуклідів міститься в матриці паливних частинок, що не зазнали значних змін з моменту аварії на ЧАЕС через нейтральні умови навколишнього середовища.

Ключові слова: Чорнобильська авария, радіонукліди, радіоактивне забруднення, гарячі частинки, паливна компонента, вторинний вітровий підйом, ресуспензія, радіоактивний аерозоль, аеральне забруднення.

Annotation

Resuspension of thе radioactive aerosol as a result of agricultural acitivities, drainage of the water reservoirs, and grassland and forest fires). - Manuscript.

Thesis for a Candidate's of Science degree (Engineering sciences), speciality 21.06.01 - ecological safety, Institute for Safety problem of Nuclear Power Plants, National Academy of science of Ukraine, Kiev 2008

Keywords: Chernobyl accident, radionuclides, radioactive contamination, hot particles, fuel component, secondary wind transportation, resuspension, radioactive aerosol, aerial contamination.

Процак В.П.

Вторичный подъем радиоактивного аэрозоля при выполнении агротехнических операций, осушении водоемов, луговых и лесных пожарах. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 21.06.01 - экологическая безопасность. - Институт проблем безопасности ядерных электростанций НАН Украины, Киев 2008.

Полученные экспериментальные данные по определению концентрации радиоактивных веществ в кабинах тракторов показывают, что при ведении с.-х. работ на полях с удельной активностью пахотного слоя почвы по ¹³⁷Cs > 1.5 кБк·кг^-1 (370 кБк·м^-2) концентрация радиоцезия в воздухе на рабочих местах может приближаться к ПДК. Гораздо более значимую ингаляционную опасность вносит наличие в воздухе ТУЭ, представленных топливной компонентой. Так, концентрация в воздухе только изотопов плутония ^238+239+240Pu превышает ПДК (0.0004 Бк·м^-3) уже при ведении обработки почвы с плотностью загрязнения радиоизотопами плутония 700 Бк·м^-2. Однако, учитывая реальные метеоусловия в течение года, сезонный характер работ и реальный дисперсный состав аэрозоля, ингаляционное поступление радиоактивных веществ за пределами зоны отчуждения для лиц категории В будет значительно ниже допустимого годового поступления.

Экспериментально показано, что вторичный перенос радиоактивных веществ за счет ветрового пылеподъема в естественных условиях в течение года при нормальных метеоусловиях соизмерим с переносом на близлежащие территории при проведении сельскохозяйственных работ, и составляет менее 0.1 % в год от запаса радионуклидов на единице площади.

Проведенные активные эксперименты по сжиганию экспериментальных луговых и лесного участков в 5-км зоне ЧАЭС показали, что несмотря на значительное увеличение концентрации радионуклидов в воздухе, луговые и лесные пожары не ведут к сколь-нибудь значимому перераспределению радиоактивного загрязнения в локальном масштабе. Основной радиологический эффект пожаров в Чернобыльской зоне связан с загрязнением экосистем ТУЭ. Для луговых пожаров коэффициент вторичного подъема ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr оценен в пределах 10^-6 ч 10^-5 м^-1, а для изотопов плутонию - 10^-7 ч 10^-6 м^-1 (при расчетах только относительно плотности загрязнения топливным материалом). Эти значения будут ниже на два порядка, если расчеты проводить относительно общей плотности загрязнения территории. Для лесного пожара коэффициенты вторичного подъема всех радионуклидов составили 10^-7 ч 10^-6 м^-1 при расчете относительно топливного материала и 10^-8 ч 10^-7 м^-1 при расчете относительно общего загрязнения.

Впервые экспериментально получены параметры ресуспензии радионуклидов с донных отложений осушенных водоемов 30-км зоны ЧАЭС. Показано, что до настоящего времени в донных отложениях водоема-охладителя основная масса радионуклидов содержится в матрице топливных частиц. Коэффициент ресуспензии над высохшими водоемами для всех радионуклидов близкий и составляет величину около 6·10^-10 м^-1. Также не наблюдается значимых различий в дисперсных распределениях радионуклидов в воздухе - их АМАD составляет величину 15 мкм. Скорости сухого осаждения радиоактивных аэрозолей для всех радионуклидов близкие и составляют величину 2 см·с^-1. Близкие значения коэффициентов ресуспензии и скоростей осаждения для различных радионуклидов свидетельствует о том, что они находятся на одинаковых аэрозольных носителях с подобными физико-химическими формами.

Ключевые слова: Чернобыльская авария, радионуклиды, радиоактивное загрязнение, горячие частицы, топливная компонента, вторичный ветровой подъем, ресуспензия, радиоактивный аэрозоль, аэральное загрязнение.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Аварія на ЧАЕС стала причиною найбільшої техногенної радіаційної катастрофи в історії людства. Відсутність у перші роки достатніх знань про властивості і поведінку чорнобильських радіоактивних випадінь не дозволяла в повній мірі коректно оцінювати екологічний ризик, особливо в ближній зоні аварії, прогнозувати вплив радіоактивного забруднення на навколишне середовище, а також оптимізувати контрзаходи, що застосовувалися.

Забруднення значних територій, в тому числі і сільськогосподарських угідь, складною радіонуклідною композицією потребувало вивчення екологічної обстановки на даних територіях, зокрема оцінки параметрів пилопідйому і вторинного вітрового переносу радіоактивних речовин (РР) як в природних умовах, так і при техногенному впливі на забруднений ґрунт, та пов'язаних з цим процесів вторинного забруднення дезактивованих населених пунктів та рослинності.

Окрему значимість мало дослідження величин інгаляційного надходження РР в організм механізаторів як найбільш критичної групи населення при веденні сільськогосподарських робіт на радіоактивно забруднених територіях.

Довгий час залишалось відкритим питання щодо екологічної небезпеки лісових та лугових пожеж на території зони відчуження, більше 50 % площі якої вкрито лісом. Незважаючи на значну кількість пожеж, що фіксуються кожен рік, отримані при цьому епізодичні експериментальні результати не дозволяли в достатній мірі описати параметри радіоактивного аерозолю, що при цьому утворюється, а відповідно і оцінювати та прогнозувати радіологічні наслідки пожеж на території зони відчуження.

Ряд науково-практичних питань постало після зняття ЧАЕС з експлуатації. Одне з них - це стратегія поводження з водоймою-охолоджувачем, пониження рівня води в якому до природного оголить значні площі його дна (13-18 км²). Зважаючи на велику кількість радіонуклідів, що накопичені водоймою-охолоджувачем, близько 30-50 % його активності потенційно може бути залучено до процесів вітрової ерозії. Як приклад, оголення весною 1967 року берегової лінії донних відкладів озера Карачай на південному Уралі під час пилової бурі зумовило винесення біля 2·10¹³ Бк ⁹⁰Sr, ¹³⁷Сs і ¹⁴⁴Ce, що спричинило перерозподіл радіонуклідів і стало причиною додаткового радіоактивного забруднення прилеглих територій на відстані 75 км. Тому необхідно було провести цикл експериментальних робіт, що дозволив би оцінити параметри вторинного вітрового підйому радіонуклідів з осушених ділянок радіоактивно забруднених водойм зони відчуження.

Таким чином, актуальність роботи обумовлена необхідністю оцінки радіологічної значимості вторинного підйому радіонуклідів на забруднених територіях як в природних умовах, так і техногенному впливі на ґрунт та при аномальних природних явищах. Дані проблеми залишаються актуальними і на нинішньому етапі ліквідації наслідків Чорнобильської катастрофи та прогнозування впливу радіоактивного забруднення на навколишне середовище та людину.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Результати, наведені в дисертації, були отримані в 1987-2005 рр. в Українському науково-дослідному інституті сільськогосподарської радіології в ході виконання планових НДР в рамках Державних та Республіканських програм по ліквідації наслідків аварії на ЧАЕС (№ держ. реєстрації 0195V025998, 01950028292, 0198U000207, UA01000198Р, 0199U000860, 0195V028293, 0195V025998, та ін.). Ряд основних результатів отриманий при виконанні робіт в рамках міжнародних проектів: Комісії Європейського Співтовариства, ECP-1 «Забруднення поверхні за рахунок вітрового переносу» (1991-1995 рр.) та № ENV.C.2/SER/2000/0064 «Розробка і оцінка стратегій по реабілітації водойми-охолоджувача Чорнобильської АЕС» (2001); проекту №1992 (УНТЦ) «Експериментальне дослідження ресуспензії радіонуклідів при лісових пожежах в Чорнобильській зоні».

Мета і завдання дослідження. Метою даної роботи було отримати параметри та визначити радіологічну значимість вторинного підйому радіоактивних аерозолів при виконанні агротехнічних операцій, лугових та лісових пожежах, осушенні водойм на забруднених в результаті аварії на ЧАЕС територіях.

В зв'язку з цим були поставлені завдання:

§ розробка та калібрування експериментальних методів дослідження параметрів радіоактивного аерозолю і процесів його переносу як в природних умовах, так і при техногенному впливі на радіоактивно забруднений ґрунт, лугових та лісових пожежах на радіоактивно забруднених територіях, та з дна осушених ділянок водойм зони відчуження;

§ визначення параметрів радіоактивного аерозолю в зоні дихання механізаторів, оцінка інгаляційного надходження радіонуклідів в організм для широкого спектру типових агротехнічних операцій, що виконуються, у залежності від властивостей ґрунту, метеоумов, умов праці та ін.;

§ оцінка впливу пилоутворення та вітрового переносу РР при веденні сільськогосподарської діяльності та руху автотранспорту на вторинне забруднення територій, населених пунктів та рослинності;

§ визначення параметрів вторинного підйому радіонуклідів при лугових та лісових пожежах на територіях, забруднених паливною компонентою чорнобильського викиду;

§ визначення параметрів ресуспензії радіонуклідів з донних відкладень осушених водойм зони відчуження.

Об'єкт дослідження - радіоактивні аерозолі та процеси ресуспензії і вторинного підйому чорнобильських радіонуклідів на найбільш забруднених угіддях України, Білорусії та Росії при реальних сільськогосподарських роботах, польових експериментах, при пожежах в зоні відчуження та з радіоактивно забруднених донних відкладів осушених водойм.

Предмет дослідження - параметри, що характеризують процеси ресуспензії та вторинного підйому чорнобильських радіонуклідів: щільність та радіонуклідний склад радіоактивного забруднення, питома активність радіонуклідів, концентрація та щільність випадіння радіоактивного аерозолю, його дисперсний склад як функція розподілу активності за розмірами частинок, розподіл радіонуклідів по аеродинамічних діаметрах аерозольних частинок.

Залежність даних параметрів від зовнішніх факторів: типу с.-г. техніки, типу ґрунту, умов проведення та виду агротехнічної операції та часу її проведення, метеорологічних умов, типу радіоактивного забруднення території (конденсаційна компонента, паливна компонента) і т.д.

Наукова новизна. Виконані експериментальні дослідження вперше дозволили в повній мірі оцінити радіологічну значимість вторинного підйому чорнобильських радіонуклідів для основних природних механізмів утворення радіоактивного аерозолю, а саме:

Ш для широкого набору агротехнічних заходів (культивація, оранка, внесення добрив, посадка картоплі, збирання жита, збирання соломи, рух автотранспорту по ґрунтових дорогах) експериментально отримані параметри пилопідйому та вторинного вітрового переносу радіоактивних речовин;

Ш встановлено, що при нормальних метеоумовах, навіть з урахуванням проведення типових с.-г. робіт, вітровий перенос РР на полях не перевищує 1 % в рік від запасу на одиниці площі, а аеральне забруднення рослинності не перевищує 10 % кореневого для типових дерново-підзолистих ґрунтів Полісся (за винятком початкової фази аварії);

Ш експериментально показано, що коефіцієнти вторинного підйому радіонуклідів мають однаковий порядок величини для лугових та лісових пожеж, якщо розраховувати їх по відношенню до забруднення паливного матеріалу, а основний радіологічний ефект пожеж у Чорнобильській зоні пов'язаний із забрудненням екосистем трансурановими елементами (ТУЕ);

Ш в період, наступний після активної фази пожежі, вторинний підйом є набагато менш інтенсивним, ніж при пожежі, і за нормальних погодних умов не може спричиняти значного збільшення концентрації радіонуклідів у повітрі;

Ш на основі проведених експериментальних досліджень в умовах, найбільш приближених до реальних, отримані параметри вторинного вітрового підйому радіоактивних аерозолів з осушених ділянок водойм 30-км зони ЧАЕС, які необхідні для математичного моделювання атмосферного переносу і оцінки ризику при осушенні водойми-охолоджувача;

Ш показано, що до цього часу основна маса радіонуклідів в донних відкладеннях водойми-охолоджувача міститься в матриці паливних частинок, що не зазнали значних змін з моменту аварії на ЧАЕС через нейтральні умови навколишнього середовища.

Практичне значення одержаних результатів. Результати проведених робіт визначили місце ресуспензії та вторинного підйому радіонуклідів серед інших радіаційних факторів Чорнобильської аварії. Отримані параметри рекомендовані і широко використовуються для цілей радіаційного захисту с.-г. робітників та пожежних, оцінки дозових навантажень, моделювання та прогнозу радіологічних ситуацій, пов'язаних із вторинним підйомом чорнобильських радіонуклідів, та для прогнозування наслідків гіпотетичних радіаційних аварій, що супроводжуються викидом радіонуклідів, у тому числі в складі матриці частинок ядерного палива. Отримані результати мають високий соціальний ефект і дозволяють ефективніше проводити роботи по захисту населення, спрямовуючи основні зусилля на першочергові завдання, а, наприклад, не на купівлю с.-г. техніки з герметизованими кабінами, та доповнюють розвиток таких наукових напрямків, як радіоекологія, сільськогосподарська радіологія, гігієна праці, охорона навколишнього середовища та ін.

Результати експериментальних досліджень, виконаних по темі дисертації, ввійшли в “Рекомендации по ведению сельского и лесного хозяйства в условиях радиоактивного загрязнения территории Украины в результате аварии на Чернобыльской АЭС на период 1991-1995 годы” (1991), “Рекомендації по веденню сільського і лісового господарства в умовах радіоактивного забруднення території України в результаті аварії на Чорнобильській АЕС на період 1996-1998 рр.” (1995), “Рекомендації по веденню сільського господарства в умовах радіоактивного забруднення території України в результаті аварії на Чорнобильській АЕС на період 1999-2002 рр.” (1998). Результати роботи використовувались при підготовці Національної доповіді України, представленої в 1996 році в МАГАТЕ.

Отримані експериментальні дані дозволили оцінити радіаційно-гігієнічні умови праці сільськогосподарських робітників та учасників пожежогасіння і необхідність в засобах захисту, доказали відсутність істотного вторинного забруднення дезактивованих населених пунктів при веденні с.-г. робіт на навколишніх полях, визначили радіаційну небезпеку вторинного підйому радіонуклідів, пов'язану з пожежами в зоні відчуження та з частковим осушенням водойми-охолоджувача.

Результати роботи використовуються в МНС України, Міністерстві аграрної політики України, Державному департаменті АЗВтаЗБ(о)В та багатьох наукових інститутах як базові при оцінці та прогнозі радіаційних ситуацій, пов'язаних з ресуспензією та вторинним підйомом чорнобильських радіонуклідів.

Особистий внесок автора. Автор приймав безпосередню участь на всіх етапах досліджень - розробці методології та складенні робочих програм проведення експериментів, розробці методів досліджень, безпосередньому проведенні експериментів, дослідженні відібраних зразків, аналізі отриманих результатів, підготовці рекомендацій для практичного використання та підготовці наукових публікацій.

В зв'язку з тим, що наукові дослідження, направлені на мінімізацію наслідків аварії на ЧАЕС, проводились в рамках єдиних державних і міжнародних програм, результати досліджень викладені в співавторстві.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи доповідались і обговорювались на: Семінарі радянського відділення Міжнародного союзу радіоекологів “Радіоекологія і контрзаходи” (Київ,1991); П'ятій міжнародній науково-технічній конференції “Чорнобиль-96”, (Зелений мис, 1996); Третьому з'їзді по радіаційних дослідженнях (Москва, 14-17 жовтня 1997); Науково-практичній конференції “Наука. Чорнобиль-97,-98” (Київ, 1998, 1999); Міжнародному науковому семінарі «Радіоекологія Чорнобильської зони», (Славутич, 18-19 вересня 2002); Міжнародній конференції “Предупреждение, ликвидация и последствия пожаров на радиоактивно загрязненных землях” (Гомель, 2002); ІІІ з'їзді радіаційних досліджень (радіобіологія і радіоекологія), (Київ, 21-25 травня 2003р.); Міжнародному науковому семінарі «Радіоекологія Чорнобильської Зони» (Славутич, 13-14 вересня 2004); на наукових семінарах в Інституті ядерної і радіаційної безпеки (IRSN, Франція), Інституті радіаційного захисту (GSF, Німеччина) та ін.

Публікації по дисертації. Основні результати досліджень опубліковані в 18 статях наукових журналів та 5 тезах доповідей наукових конференцій.

Структура та обсяг роботи. Матеріали дисертації викладено на 159 сторінках. Дисертація складається з вступу, трьох розділів, заключної частини, висновків, списку літератури та додатку. В ній міститься 44 таблиці і 47 малюнків. Список використаної літератури складає 135 джерел. В додатку міститься акт впровадження.

радіологічний аерозоль забруднення чорнобильський

2. Основний зміст роботи

У першому розділі дисертації виконано огляд публікацій, присвячений аналізу стану проблеми. Відзначено, що основною особливістю аварії на ЧАЕС являється наявність у випадіннях паливних частинок з матрицею оксидів урану, що відрізняє їх за фізико-хімічними характеристиками від випадінь, пов'язаних з випробуванням ядерної зброї.

Відзначено недостатність даних, що висвітлювали б радіологічну значимість вторинного підйому чорнобильських радіонуклідів при виконанні сільськогосподарських робіт на забруднених територіях.

Вказано на проблему пожеж в зоні відчуження. Так, за період з 1992 по 1994 р. в зоні відбулося більш ніж 200 пожеж, в результаті яких, за різними оцінками, було пошкоджено від 2.4 до 3.9 тис. га лісу. В літературі в основному розглядаються пожежі в лісових екоценозах, в той час як дані щодо пожеж у лугових екоценозах є досить обмеженими. Незважаючи на наявність певних емпіричних даних, що характеризують пожежі, досить важко застосувати їх для узагальнення та параметризації відповідних моделей з огляду на неконтрольованість ряду важливих показників під час пасивних спостережень.

Відзначено відсутність даних, які характеризували б процеси вітрової ерозії з донних відкладень осушених водойм, що зазнали радіоактивного забруднення в результаті аварії на ЧАЕС.

Розділ 2 присвячений опису основних експериментальних методів, матеріалів та обладнання, що використовувались для виконання досліджень. Особливість фізико-хімічних характеристик чорнобильських радіоактивних випадінь вимагала адаптації існуючих та розробки нових методів досліджень, таких як інструментальне визначення ⁹⁰Sr в паливних гарячих частинках, оцінка дисперсного складу паливних частинок, що утворились в результаті аварії на ЧАЕС та ін.

Концентрація радіоактивних аерозолів під час проведення досліджень визначалась методом прокачування контрольованого об'єму повітря через фільтри з тканини Петрянова в умовах ізокінетичності. Щільність випадінь визначалась методом вимірювання радіоактивності, що осідає на горизонтальні плоскі планшети відомої площі. Для оцінки реального дисперсного складу чорнобильських паливних частинок в зразках використовувався адаптований метод авторадіографії. Для визначення розподілу радіонуклідів у повітрі по аеродинамічних діаметрах використовувались пятикаскадні імпактори. Концентрація пилу в повітрі визначалась ваговим методом. Для оцінки дисперсного складу ґрунту використовувався седиментаційний метод. Радіонуклідний склад у зразках визначався методами -спектроскопії, радіометрії та -спектроскопії з попереднім радіохімічним виділенням за стандартними методиками. Оцінка достовірності отриманих результатів проводилась статистичними методами. Зразки відбирались згідно до затверджених методик. В експериментах використовувалось відкаліброване обладнання, що пройшло сертифікацію.

Дослідження процесів підйому та вітрового переносу радіоактивних речовин при виконанні с.-г. робіт проводилось при реальних польових роботах шляхом розміщення пробовідбірної апаратури на с.-г техніці, всередині кабін тракторів та на полях на різних віддалях від джерел пилоутворення.

Частина результатів одержана шляхом проведення польових експериментальних робіт при імітації с.-г. агротехнічних операцій з використанням реальної с.-г техніки та знарядь на експериментальних полігонах та полях.

Для вивчення вторинного підйому радіонуклідів в атмосфері під час пожеж в лугових та лісових екоценозах було застосовано метод активного експерименту, що передбачає контрольоване спалення вибраних експериментальних майданчиків за детального моніторингу метеорологічних умов. Перед власне активними експериментами проводилось повне радіоекологічне дослідження майданчиків, визначався розподіл та запас радіонуклідів у паливному матеріалі та встановлювалось обладнання для відбору зразків аерозолю згідно до розроблених схем експериментів.

Дослідження ресуспензії радіонуклідів з донних відкладів осушених водойм проводилось у реальних умовах на території осушених у 2001 р. водоймищ, розташованих на лівобережній заплаві р. Прип'ять (1-2 км на північний захід від водойми-охолоджувача ЧАЕС).

Перед проведенням усіх експериментів проводилось вимірювання фонових значень параметрів ресуспензії.

Третій розділ дисертації присвячений експериментальному визначенню параметрів вторинного підйому чорнобильських радіонуклідів.

Експериментальне визначення параметрів вторинного підйому та вітрового переносу радіонуклідів при виконанні агротехнічних операцій. Проведені дослідження показали, що вже через два роки після аварії не спостерігається значимих відмінностей у вторинному вітровому переносі чорнобильських радіонуклідів, що випали в складі паливних частинок та конденсаційній формі. Концентрація радіонуклідів у повітрі пропорційна їх вмісту в верхньому шарі ґрунту, відповідно, підйом радіонуклідів з поверхні ґрунту не залежить від фізико-хімічних властивостей випадінь, а обумовлений властивостями носіїв активності - пилових ґрунтових частинок, на яких і фіксуються радіоактивні речовини, включаючи паливні частинки.

Аналіз вмісту радіонуклідів в різних гранулометричних фракціях типових ґрунтів Полісся показав, що середня питома активність ¹³⁷Cs в пилової фракції (ґрунтові частинки з розміром < 10 мкм) суглинистих ґрунтів в 3-5 разів, а в дерново-підзолистих в 5-15 разів вище, ніж питома активність відповідного грунту. Цим обумовлена більш висока питома активність пилу в повітрі (до 10 разів) у порівнянні з орним шаром ґрунту. З експериментальних результатів слідує, що герметизовані кабіни тракторів зменшують концентрацію пилу в повітрі кабіни в 10-100 разів, а радіоактивних речовин - тільки в 5-8 разів у порівнянні зі звичайними кабінами. Відкриті вікна тракторів призводять до збільшення концентрації пилу і радіоактивних речовин на робочих місцях механізаторів в середньому на один порядок Використання індивідуальних засобів захисту - респіраторів (“Кама-200” і “ШБ-1 Лепесток-40”) зменшує інгаляційне надходження радіоактивних речовин більш ніж в 50 разів.

Визначення вмісту радіоактивних речовин у повітрі кабін тракторів показало, що при веденні с.-г. робіт на полях з питомою активністю орного шару ґрунту по ¹⁴⁴Ce>1.2 кБк·кг^-1 і ¹³⁷Cs>1.5 кБк·кг^-1 концентрація цих радіонуклідів на робочих місцях може наближатися до гранично допустимої згідно НРБУ-97 концентрації для осіб категорії В, відповідно 0.6 і 0.8 Бк·м^-3. Значно суттевішою інгаляційною небезпекою є наявність у повітрі ТУЕ, що є вкрай актуальним саме для України, де с.-г. роботи ведуться на паливних слідах чорнобильського викиду з відношенням ^239+240Pu до ¹³⁷Cs на порядок вищим, ніж в Білорусії і Росії. Так, концентрація в повітрі тільки ізотопів ^238+239+240Pu перевищує допустиму концентрацію (0.0004 Бк·м^-3) вже при веденні обробки орного шару ґрунту з питомою активністю по ^238+239+240Pu 700 Бк·м^-2 (0.02 Кі·км^-2).

Оскільки концентрація радіоактивних речовин в кабінах тракторів більш ніж в 1000 разів перевищує концентрацію в природних умовах і в 100 разів концентрацію поблизу поля, що обробляється, то за декілька робочих днів інгаляційне надходження радіоактивних речовин в організм механізатора перевищує річне інгаляційне надходження для більшості населення в даній місцевості. Однак, враховуючи реальні метеоумови на протязі року і сезонний характер робіт, інгаляційне надходження радіоактивних речовин за межами зони безумовного (обов'язкового) відселення буде значно нижчим допустимого річного надходження, що складає для осіб категорії В згідно НРБУ-97 2000 Бк·рік^-1 для ¹³⁷Cs і 2 Бк·рік^-1 для ^238+239+240Pu. Консервативна оцінка умов праці механізатора при максимальній отриманій забрудненості повітря в кабіні трактора по ¹³⁷Cs - 4.2 Бк·м^-3 (посадка картоплі, вікна трактора відкриті, щільність забруднення орного шару ґрунту 1100 кБк·м^-2 - 30 Кі·км^-2, Новозибків, 1994 рік) показує, що для досягнення граничного допустимого річного надходження радіонукліду при умові повної респірабельності аерозолю механізатору необхідно відпрацювати 50 робочих днів. З врахуванням реального дисперсного складу радіоактивності в повітрі отриману кількість робочих днів необхідно збільшити як мінімум в 7 разів. Відповідно, навіть при таких екстремальних (в радіологічному плані) умовах праці та при консервативній оцінці, інгаляційне надходження ¹³⁷Cs не перевищить граничного згідно НРБУ-97 річного надходження, тим більше що в Україні території з щільністю забруднення по ¹³⁷Cs >15 Кі·км^-2 (на 1986 рік) виведені з сільськогосподарського виробництва.

Одним з основних факторів, що впливає на інгаляційну дозу, є дисперсний склад радіоактивного аерозолю. Аналіз отриманих результатів показує, що AMAD радіоактивних аерозолів в зоні дихання с.-г. робітників при проведенні реальних робіт на типових ґрунтах Полісся, як правило, знаходиться в діапазоні розмірів 10-20 мкм. При певних умовах інгаляційна частина радіоактивного аерозолю може досягати 50 %.

Проведені дослідження дозволили для різних типів с.-г. техніки, а також широкого набору агротехнічних операцій, визначити концентрацію пилу, дисперсний склад радіоактивних аерозолів та коефіцієнт вторинного підйому радіонуклідів з грунту безпосередньо у зоні дихання механізаторів. Необхідно відзначити, що більш значимою небезпекою для механізаторів є звичайна запиленість повітря, яка часто в десятки разів перевищує встановлені нормативи (4 мг·м^-3).

В перші роки після Чорнобильської аварії виникло питання доцільності дезактиваційних робіт в населених пунктах, що пов'язано з їх можливим вторинним радіоактивним забрудненням при веденні на навколишніх полях сільськогосподарських робіт. Для вивчення цього питання в 1988 р. в населеному пункті - с.Ясени Гомельської області - був проведений комплекс робіт по вивченню радіоактивного забруднення за рахунок вторинного радіоактивного переносу. Вибір с.Ясени обумовлений наступними причинами:

Населення виселене в 1986 р;

Дезактивація проведена на початку 1988 р;

На навколишніх полях проводились с.-г роботи;

Радіоактивне забруднення представлене суперпозицією газової і паливної компонент;

Радіоактивне забруднення навколишніх сільськогосподарських угідь характеризуються значними рівнями - від 0.2 до 2 по ¹³⁷Cs і від 0.1 до 0.5 МБк·м^-2 по ¹⁴⁴Ce (1988 р.).

Дослідження динаміки вторинного радіоактивного забруднення населеного пункту проводилось- в період найбільшого вітрового підйому в суху погоду при інтенсивному веденні сільськогосподарських робіт на навколишніх полях (збір кукурудзи, культивація, посів озимих). Концентрація ¹³⁷Cs в повітрі під час проведення експерименту не перевищувала 210^-2 Бк·м^-3, при цьому пилоперенос ¹³⁷Cs складав менше 2.6 Бк·м^-2·день^-1. Таким чином, оцінка максимального річного пилопереносу (740 Бк·м^-2·рік^-1) показує незначний вплив як природних факторів, так і техногенних, в тому числі і ведення сільськогосподарських робіт, на можливе вторинне радіоактивне забруднення населених пунктів, розміщених на території з щільністю забруднення по ¹³⁷Cs до 2 МБк·м^-2 (50 Кі·км^-2).

Оцінка вторинного переносу РР в залежності від відстані до джерела пилоутворення показала, що концентрація в повітрі і інтенсивність осадження радіоактивного аерозолю зменшується з відстанню (х, м) від лінійного джерела і можуть бути апроксимовані експоненціальною функцією типу С(х)/С(0)=ехр(-mх).

Для швидкості вітру 3-5 м·с^-1 отримані наступні значення параметру m:

для невеликого трактора МТЗ-82 m=0.020 0.003 м^-1

для великого трактора Т-150 m=0.025 0.002 м^-1

для вантажівки ЗІЛ-130 m=0.013 0.003 м^-1

Враховуючи сезонний характер польових робіт і реальну вологість ґрунту (експерименти проводились при умовах максимального пилопідйому), вторинний перенос радіонуклідів за рахунок вітрового підйому в природних умовах на протязі року за нормальних метеоумов буде співставний з переносом при проведенні с.-г. робіт, що складав через декілька років після аварії менше 0.1% в рік від запасу на одиниці площі.

Таким чином техногенне пилоутворення і вітровий перенос радіоактивних речовин при веденні сільськогосподарської діяльності на забруднених територіях не впливають на перерозподіл радіоактивного забруднення і не спричиняють аерального забруднення населених пунктів.

Експерименти по оцінці внеску аерального забруднення рослинності як в природних умовах, так і при техногенному впливі на ґрунт, проводились на майданчиках в Запіллі, Чистогаловці, Копачах та Поліському. Під час техногенного впливу на ґрунт аеральне забруднення в безпосередній близькості до джерела пилення може бути співставне з кореневим, та враховуючи період напівочищення аерального забруднення рослинності, що складав 510 днів, вже через декілька неділь аеральне забруднення буде значно нижче кореневого. Коефіцієнт аерозольного забруднення рослинності не залежав від відстані до джерела і визначається в основному концентрацією радіонуклідів в повітрі. Не спостерігається відмінностей у механізмі вітрового переносу різних радіонуклідів, відповідно і аеральному забрудненні рослинності, а величина переносу при рівних інших умовах визначається початковою концентрацією радіонуклідів у верхньому шарі ґрунту. Для оцінки внеску аерального забруднення рослинності радіоактивними речовинами в природних умовах в сумарне забруднення на ділянках в Поліському (питома активність ґрунту по ¹³⁷Cs 20 кБк·кг^-1), Копачах (питома активність ґрунту по ¹³⁷Cs 7 кБк·кг^-1) і Києві (контроль) були встановлені кювети площею 0.5 м² с “чисти씴рунтом (питома активність не перевищувала 10 Бк·кг^-1). Посля цього в кюветах і, для виключення краєвих ефектів, навколо них, на забрудненому ґрунті висівалась рослинність: рейграс, ячмінь і овес. В серпні рослинність була зібрана для визначення вмісту ¹³⁷Cs.

Аналіз результатів показав, що в природних умовах внесок аерального забруднення рослинності ¹³⁷Сs на дерново-підзолистих ґрунтах не перевищує 10 % від сумарного (включаючи кореневе і забризкування рослин ґрунтом від крапель дощу).

Необхідно відзначити, що для типів ґрунтів, що характеризуються більш низькими коефіцієнтами кореневого переходу ¹³⁷Сs в рослини, наприклад, для чорнозему, внесок аерального забруднення може бути більш значимим. Це ж відноситься і до радіонуклідів з низьким коефіцієнтом переходу з ґрунту в рослини, наприклад ТУЕ, для яких аеральний шлях забруднення рослин може перевищувати їх кореневе надходження.

Експериментальне визначення параметрів вторинного підйому радіонуклідів при пожежах у лугових та лісових біоценозах зони відчуження ЧАЕС. Дві лугові пожежі було проведено на одній експериментальній ділянці поблизу захороненого села Чистогалівка на відстані близько 3 км західніше аварійного блоку ЧАЕС. Перший майданчик, 60x60 м², був спалений 10 жовтня 2001 р., а другий, 60x90 м², - 18 квітня 2002 р. Продуктивність трави та підстилки були досить високими (0.4 кг·м^-2 і 0.7 кг·м^-2 на майданчику #1 та 0.3 кг·м^-2 і 1.25 кг·м^-2 на майданчику #2). Рослинність майданчиків була представлена в основному Elytrigia repens (L.) Nevski (близько 85%). Висота сухої трави становила близько 50 см восени та близько 20 см навесні. Лісова пожежа була проведена 15 травня 2003 поблизу с. Новошепеличі (5 км на ~280 від ЧАЕС), на так званому “північному” паливному сліді Чорнобильських радіоактивних випадінь. За експериментальну ділянку слугував сосновий лісовий масив 30-річного віку площею близько 8770 м².

Суха погода сприяла інтенсивним пожежам. При лугових пожежах на експериментальних майданчиках повністю вигоріла трава і обвуглилася підстилка. Лісова пожежа також могла бути класифікована як інтенсивна. Вона була в основному низовою (горіла підстилка) з переходами у верхову.

Полідисперсна природа викинутого радіоактивного аерозолю підтверджується результатами вимірювання активностей радіонуклідів на каскадах імпакторів, що були встановлені на різних віддалях від осередку пожеж. Візуальний аналіз осаду на каскадах імпакторів показує, що частинки з аеродинамічним діаметром > 10 мкм представлені в осноавному частинками попелу, а з аеродинамічним діаметром < 5 мкм - смолянистою речовиною. При лугових пожежах радіонукліди стронції та цезію у повітрі в основному зосереджені на досить великих частинках (продуктах згорання трави) і випадають на відносно близьких відстанях, тоді як ізотопи плутонію локалізовані на частинках меншого розміру (продуктах згорання підстилки) і переносяться на більшу відстань. Що стосується лісової пожежі, то для всіх радіонуклідів у цьому випадку основним джерелом утворення радіоактивного аерозолю є підстилка, тому й закономірності їх переносу є схожими.

Експериментально показано, що коефіцієнти вторинного підйому радіонуклідів мають однаковий порядок величини для лугових та лісових пожеж у Чорнобильській зоні, якщо розраховувати їх по відношенню до забруднення паливного матеріалу. Для лугових пожеж коефіцієнт вторинного підйому ¹³⁷Cs і ⁹⁰Sr може бути оцінений як 10^-6 -10^-5 м^-1, а для радіонуклідів плутонію - 10^-7 - 10^-6 м^-1 при розрахунку щодо забруднення паливного матеріалу (табл. 3). Якщо ж в щільність забруднення території також включати забруднення ґрунту, розраховані коефіцієнти вторинного підйому будуть нижчими на два порядки. Для лісової пожежі коефіцієнти вторинного підйому всіх радіонуклідів були 10^-7 -10^-6 м^-1 при розрахунку відносно лише паливного матеріалу, і 10^-8 -10^-7 м^-1 при розрахунку відносно загального забруднення.

Інтенсивність осадження радіонуклідів залежала від радіонукліду, оскільки, як зауважено вище, різні радіонукліди розподілялись по аерозольних частинках різного розміру. Взагалі, вищі швидкості осадження спостерігались для ¹³⁷Cs і ⁹⁰Sr (до 60 см·с^-1), тоді як для плутонію вони в основному складали кілька см·с^-1. Як інтенсивність, так і швидкість осадження аерозолю були нижчими при лісовій пожежі, що ймовірно пояснюється відсутністю дуже великих частинок (або фрагментів палаючого матеріалу) в димовому шлейфі лісової пожежі.

За даними, отриманими раніше при проведенні аналогічного активного експерименту (лісова пожежа, 1997 р.) поза межами 30-км зони на цезієвій плямі забруднення в Поліському районі, було отримано, що максимальні рівні концентрації ¹³⁷Cs в повітрі спостерігались під час активної фази пожежі (10-100 мБк·м^-3). Значення концентрації зменшувались до 5-20 мБк·м^-3 на фазі тління і до 2-5 мБк·м^-3 у післяпожежний період. Спостерігається також залежність дисперсного складу радіоактивного аерозолю від фази пожежі. Так, при активному горінні концентрація радіоактивних частинок з АМАD > 10 мкм (по ¹³⁷Cs) на відстані 100 м від джерела лише в декілька разів перевищував фонові значення. В той же час концентрація радіоактивних частинок з АМАD < 10 мкм перевищувала фонові в 20 - 700 разів. В післяпожежний період концентрація дрібних частинок перевищувала фонові лише в 3 - 30 разів. Виміри дисперсного складу радіоактивного аерозолю в горілому лісі через декілька днів при імітації техногенної діяльності показали, що основний внесок в активність дають частинки з АМАD > 10 мкм. Очевидно, в даному випадку активність в повітрі булла обумовлена частинками виключно попелу, а не їх суміші з продуктами горіння, як під час активної фази горіння. За відсутності вітрів з аномальною швидкістью коефіцієнти вторинного підйому зі згорілої площі є значно нижчими за ті, що приведені в таблиці 4 для активної фази пожеж. І піднята активність буде переноситися відносно недалеко через низьку висоту викиду. І лише при регіональному переносі радіоактивності, як при виняткових погодних умовах (смерчі, бурани), можна очікувати значних радіологічних наслідків у віддалених місцевостях, що будуть включати вторинне забруднення території та додаткові інгаляційні дози.

Максимальні значення концентрації у повітрі (при пожежах, схожих за параметрами до проведених) можуть складати декілька Бк·м^-3 для радіонуклідів цезію та стронцію і декілька мБк·м^-3 для плутонію. Ці значення можуть реалізуватись на відстанях до декількох сотень метрів для лісової пожежі і на менших для лугової.

Підвищення концентрації радіонуклідів у приземному шарі повітря є важливим, оскільки воно може давати значну добавку в інгаляційні дози опромінення пожежних та іншого персоналу Чорнобильської зони відчуження в основному за рахунок ізотопів Pu. Тому основний радіологічний ефект пожеж у Чорнобильській зоні пов'язаний із забрудненням екосистем трасурановими елементами.

Експериментальне визначення параметрів вторинного вітрового підйому радіонуклідів з донних відкладень осушених водойм зони відчуження ЧАЕС. Фізико-хімічні властивості донних відкладень осушених водойм, у першу чергу дисперсний склад, що визначає долю пилової фракції, принципово відрізняються від характеристик ґрунтів 30-км зони ЧАЕС. Авторадіографічні (рис. 5), радіохімічні та гама-спектрометричні дослідження показали, що до цього часу в донних відкладень водойми-охолоджувача ЧАЕС основна маса радіонуклідів міститься в матриці паливних частинок (для ⁹⁰Sr - 99.4±0.1 % на 2002 р.). Вони не зазнали значної деструкції з моменту аварії через нейтральні умови навколишнього середовища водойми та брак кисню, на відміну від кислого середовища в ґрунтах, де відбувалось інтенсивне розчинення паливних частинок, що призвело до перерозподілу активності на частинках ґрунту. Для оцінки коефіцієнтів ресуспензії радіонуклідів з донних відкладень був проведений цикл робіт на осушених водоймах 30-км зони.

Результати вимірювання пошарових зразків осушених донних відкладень свідчать, що в верхньому пятисантиметровому шарі міститься біля 50% ¹³⁷Cs від його загального запасу в профілі і біля 80 % ⁹⁰Sr, ²³⁸Pu, ^239,240Pu. Найбільша концентрація радіонуклідів знаходиться в верхньому 0-1 см шарі донних відкладень, який є основним джерелом вторинного вітрового підйому радіонуклідів. Дослідження дисперсного складу радіоактивного аерозолю над поверхнею осушених водойм показали, що для всіх радіологічно значимих радіонуклідів не спостерігається достеменних відмінностей в їх дисперсному розподілі. AMAD для всіх радіонуклідів складає величину 15 мкм, що свідчить про перенос радіонуклідів у схожих фізико-хімічних формах.

На основі експериментально отриманих даних про щільність забруднення верхнього шару осушених донних відкладень, концентрацію радіоактивних аерозолів у приземному шарі повітря та інтенсивності їх осадження були оцінені необхідні для моделювання параметри вторинного вітрового підйому радіоактивних аерозолів. Коефіцієнти ресуспензії для всіх радіонуклідів виявилися близькі і становили близько 610^-10 м^-1 (табл. 5). Отримані результати відповідають загальноприйнятим величинам для ґрунтів 30-км зони ЧАЕС, 10^-10 -10^-9м^-1. Швидкості сухого осадження радіоактивних аерозолів для всіх радіонуклідів схожі й склали величину порядку 2 см·с^-1.

Близькість коефіцієнтів ресуспензії і швидкості осадження для різних радіонуклідів свідчить про те, що вони знаходяться на однакових аерозольних носіях з близькими фізико-хімічними формами. Це вкрай важливий результат як для моделювання розсіяння радіоактивних аерозолів в атмосфері, так і для оцінок дозових навантажень при інгаляційному надходженні радіонуклідів в організм людини.

У заключній частині узагальнені основні результати роботи. Вказано, що експериментально отримані значення параметрів ресуспензії та вторинного вітрового підйому чорнобильських радіонуклідів можуть бути рекомендовані для цілей моделювання, оцінки та прогнозу радіологічних ситуацій, пов'язаних з утворенням радіоактивного аерозолю при виконанні агротехнічних операцій, лугових та лісових пожежах на радіоактивно забруднених териротіях та при вітровому підйомі з донних відкладень осушених водойм, що зазнали радіоактивно забруднення.

Висновки

1. Визначена залежність концентрації чорнобильських радіонуклідів у повітрі, інтенсивності їх випадінь і дисперсного складу аерозолів від відстані до лінійного джерела пилоутворення (різна сільськогосподарська техніка) та типу виконуваної агротехнічної операції. Найбільш значимим фактором, що впливає на концентрації радіонуклідів у повітрі (варіації до 10³ разів), є вологість ґрунту. Експериментально встановлено, що вже через два роки після аварії не спостерігається значимих відмінностей у вторинному переносі радіонуклідів, що випали в складі паливних частинок і в конденсаційній формі.

2. Експериментально показано, що пилоутворення і вітровий перенос радіоактивних речовин у природних умовах на протязі року при нормальних метеоумовах є співставним з переносом радіоактивних речовин при веденні сільськогосподарських робіт і складає менше 0.1% в рік від запасу радіонуклідів на одиниці площі. Таким чином, вторинне пилоутворення і вітровий перенос РР при веденні сільськогосподарської діяльності на забрудненій території при нормальних метеоумовах суттєво не впливає на перерозподіл радіоактивного забруднення і не вносить значимого вкладу в аеральне забруднення дезактивованих населених пунктів, що розміщені поруч. Внесок аерального забруднення рослинності ¹³⁷Cs в природних умовах на дерново-підзолистих ґрунтах вже через декілька років після аварії не перевищує 10%.

3. Дослідження пилоутворення як в природних умовах, так і при веденні сільськогосподарських робіт на радіоактивно забруднених територіях, показало, що питома активність пилу є суттєво вищою за питому активність ґрунту (до 10 разів). Встановлено, що найвищі значення концентрацій радіонуклідів у повітрі досягаються на причіпних знаряддях та при певних агротехнічних операціях. Найбільше значення вторинного підйому радіонуклідів (відношення концентрації в повітрі до щільності забруднення ґрунту) в зоні дихання с.-г. робітників було зафіксоване при садінні картоплі на сіялці за гусеничним трактором ДТ-75 (3.6·10^-6 м^-1), а найменше (4.0·10^-9 м^-1) в герметизованій кабіні колісного трактора К-700 при оранці ґрунту з вологістю 20 %. Проведені дослідження показали, що герметизація кабін тракторів зменшує концентрацію пилу в повітрі робочої зони механізаторів в 10-100 разів, а радіоактивних речовин в 5-8 разів в порівнянні з звичайними кабінами. AMAD радіоактивних аерозолів в зоні дихання с.-г. робітників при проведенні реальних агротехнічних операцій на типових ґрунтах Полісся, як правило, знаходиться в діапазоні розмірів 10-20 мкм. При певних умовах респірабельна частина радіоактивності в аерозолі може досягати 50 %.

4. Встановлено, що при веденні сільськогосподарської діяльності на полях зі щільністю забруднення ¹³⁷Cs < 550 кБк·м^-2 (15 Кі·км^-2) інгаляційне надходження ¹³⁷Cs для с.-г. робітників за консервативними оцінками не перевищить допустимого рівня надходження через органи дихання - 2000 Бк·рік^-1. Основну інгаляційну небезпеку представляє наявність в повітрі трансуранових елементів, що представлені паливною компонентою радіоактивного забруднення.

5. В результаті проведення активних експериментів у зоні відчуження встановлено, що при реальних лугових пожежах коефіцієнт вторинного підйому для радіонуклідів ¹³⁷Cs і ⁹⁰Sr варіює в межах 10^-6 ч 10^-5 м^-1, а для ізотопів плутонію - 10^-7 ч 10^-6 м^-1 (при розрахунку щодо щільності забруднення паливного матеріалу). Вищенаведені значення будуть нижчими на два порядки величини, якщо розрахунки проводити відносно загальної щільності забруднення території. Для лісової пожежі коефіцієнти вторинного підйому всіх радіонуклідів складали 10^-7 ч 10^-6 м^-1 при розрахунку відносно паливного матеріалу, і 10^-8 ч 10^-7 м^-1 при розрахунку відносно загального забруднення.