Техногенные радионуклиды в природных средах

Проблему распространения техногенных радионуклидов в среде обитания проиллюстрируем на примере долгоживущего изотопа «Тс.

" Тс (Г_½ = 2,13- 10^s лет) — чистый р-излучатель с ?_макс = = 0,294 МэВ, нарабатываемый на ядерном реакторе, является основным техногенным радиотоксином, загрязняющим окружающую среду.

В энергетическом реакторе мощностью 300 МВт ежегодно накапливается до 3 кг технеция. Деление 1 г ²³⁵U в тепловых реакторах приводит к 27 мг «Тс. На 1 кг продуктов деления урана приходится 10 г Тс (выход «Тс при делении ²³⁵U составляет 6,06%, ²³³U — 4,9%, ²³⁹Ри — 6,21%). С наибольшим выходом образуются «Тс (6,06%), ¹⁰¹Тс (5,6%), ¹⁰²Тс (4,3%). Реактор мощностью 3500 МВт (тепл.) производит 100 г «Тс в день или 6 ТБк (10 кг) «Тс/ГВт (тепл.) в год. В реакторе мощностью 2,8−10⁵ кВт образуется 3 кг Тс ежегодно. Отработавшее ядерное топливо (ОЯТ) энергетического реактора содержит около 1 кг/т. Легководный реактор с выгоранием 33 000 МВт/дн/т первоначально присутствующих тяжелых металлов приводит к образованию количеству 0,77 кг «Тс на 5 м³ отходов (после 3 лет их хранения).

Ежегодное накопление Тс в мире в результате работы АЭС составляет около 6 т, и к 2005 г. его наработано порядка 60 т. Тенденция повышения степени выгорания ядерного топлива приведет к еще большему увеличению накопления этого радионуклида. Поэтому по мере развития ядерной энергии он может вносить существенный вклад в радиационную дозу, получаемую населением.

Основными источниками поступления Тс в окружающую среду являются проведение ядерных испытаний (180 ТБк), сбросы атомных электростанций (4 ГБк), атмосферные выпадения после Чернобыльской аварии (0,75 ТБк) и выбросы от заводов по переработке ядерного топлива. Еще одним источником поступления технеция «» 'Тс в окружающую среду является его использование в медицине, которое в будущем будет возрастать. В природных средах технеций обычно находится в форме TcO_/t — хорошо растворимой и подвижной в водной фазе.

При нормальной эксплуатации реакторов АЭС выделение из них в окружающую среду технеция очень мало. 1 МБк технеция выделяется в год из реактора мощностью 1000 МВт (эл.). За 6000 реакторо-лет при средней мощности реактора 700 МВт (эл.) общее выделение «Тс составит только 4,2 ГБк. Однако аварии на АЭС и предприятиях ядерного топливного цикла приводят к сравнительно заметным выбросам технеция в окружающую среду.

Долгоживущий «Тс — один из наиболее опасных компонентов высокоактивных отходов. Его соединения в степени окисления (VII) обладают высокой летучестью и растворимостью в природных водах и низкой сорбцией на породах и минералах. Он присутствует практически во всех компонентах среды обитания. В частности, «Тс обнаружен в почвах и водах вблизи радиохимических заводов. Например, в зоне аэрации на комбинате в Хэнфорде (США) выделилось 500 Ки технеция; концентрация этого изотопа составила 95 Ки/л в осадках и 3100 пКи/л в грунтовых водах вблизи ядерного центра Ок-Ридж.

Формы существования технеция в многокомпонентной системе геологической среды зависят в основном от следующих факторов: окислительно-восстановительного потенциала (Eh) и pH системы; взаимодействия с неорганическими соединениями; влияния органических комплексообразующих агентов и воздействия микроорганизмов. Окислительно-восстановительные условия в геологической среде определяют стабилизацию технеция в конкретных валентных состояниях.

Основной формой существования технеция, находящегося в глубинных горизонтах грунтовых вод, являются его комплексы с гуминовыми кислотами. Состав комплексов зависит от pH, содержания гуминовых кислот, солевого фона и наличия восстановителей. В аэробных условиях при pH 9—11 комплексы формируются в виде труднорастворимых осадков. Увеличение солевого фона приводит к подавлению сорбции Тс на минералах. Присутствие восстановителей приводит к образованию легко сорбирующихся форм и осадка гидратированного Тс0₂. Микроорганизмы поглощают кислород, растворенный в воде и сдвигают окислительно-востановительное равновесие в системе в сторону малых величин Eh. В аэрированных растворах с высокими величинами Eh технеций находится в малосорбируемой на различных породах форме аниона ТсО[. В этих условиях не происходит образования коллоидных частиц Тс в растворе. При высоких восстановительных потенциалах Eh технеций в анионной форме сорбируется минералами плохо. Процессы фиксации технеция почвами и породами в восстановительных условиях в основном обусловлены химическим осаждением (взаимодействие с гуминовыми кислотами).

" Тс обладает высокой подвижностью в природных водах. В окисленной форме технеций находится в хороню растворимой в воде анионной форме и не сорбируется минералами и глинисто-песчаными грунтами. В случае кристаллической породы миграционными каналами являются трещины, заполненные водой.

В системах «природные воды — глины» в анаэробных условиях Tc (VII) восстанавливается Fe (II) до Tc (IV) и полностью сорбируется на глинистых породах и минералах. Лимитирующей стадией процесса сорбции является восстановление Tc (VII) до Tc (IV) соединениями Fe (II), имеющимися в горных породах. При доступе воздуха начинается процесс окисления Fe (II) и Tc (IV) и десорбции образовавшегося Tc (VII). Поэтому в низких степенях окисления технеций малоподвижен, а в высоких степенях окисления высокоподвижен и может далеко удаляться от захоронения РАО.

Технеций обнаружен во всех морях и океанах Земли. В морях удельная активность Тс находится в интервале 1,0—7,4 мкБкл^-1, а в Тихом океане — 0,49—3,33 мкБк л^-1. Содержание «Тс в воде Ирландского и Северного морей превышает средний уровень в результате их загрязненности производственными стоками завода переработке по ОЯТ в Селлафилде (Англия). Основное содержание Тс в других районах Мирового океана связано с глобальными выпадениями.

Воды Баренцева моря загрязнены осадками, выпавшими в результате советских ядерных испытаний на Новой Земле, и сбросами атомного флота. Но основными источниками загрязнения арктических морей являются происходящие на протяжении многих лет выбросы заводов, расположенных в Англии и Франции.

Перерабатывающий ОЯТ завод «Селлафилд» расположен на северо-западном побережье Англии (Ирландское море). Сейчас здесь имеются две установки по переработке и очистное сооружение для высокоактивных жидких отходов. Кроме того, там размещаются остановленные реакторы и установки, проходящие процесс утилизации. Именно с двух заводов по переработке ОЯТ происходят радиоактивные выбросы, распространение которых прослеживается от северной части Ирландского моря к побережью Норвегии и к Баренцеву морю, вплоть до Шпицбергена (рис. 6.15). В результате проводимых Селлафилдом сливов Ирландское море на сегодняшний день считается самой радиоактивной зоной в мире.

В период 1995—1999 гг. общий сброс составил 550 ТБк (900 кг), после 2000 г. завод сбрасывал 90 Бк (140 кг) в год. Из-за такого сброса водоросли и некоторые рыбы накопили заметное количество технеция. Например, в Европейском лобстере (омаре) содержится 1 Бк/кг технеция.

Французский перерабатывающий завод Ла Аг (La Hague, мыс в проливе Ла-Манш), наряду с Селлафилдом, является.

Рис. 6.15. Распространение арктическими течениями «Тс из сбросов английского и французского радиохимических заводов

основным источником радиоактивного загрязнения в северовосточной Атлантике, Северном и Баренцевом морях. Несмотря на то что объем производимых заводом сливов не настолько высок, как на Селлафилде, их следы обнаруживаются по всей территории вплоть до Баренцева моря.

Поведение технеция в окружающей среде управляется химией почв, отложений и воды, а также биологической активностью. Технеций существует преимущественно в валентных состояниях VII и IV в окислительных и восстановительных условиях соответственно. Растворенный Тс в окислительных условиях присутствует как акваоксианион Тс0₄, плохо адсорбирующийся и хорошо растворимый. Поскольку концентрация Тс (VII) в зоне аэрации и грунтовых водах не лимитируется процессами адсорбции или растворения, то Tc (VII) весьма подвижен в среде с окислительными свойствами. В восстановительной среде технеций существует как Tc (IV), образует плохо растворимые соединения, активно сорбирующиеся на поверхностях минералов. Поэтому Tc (IV) малоподвижен. Следует, однако, учитывать, что наличие в компонентах среды лигандов, склонных к комплексообразованию (оксалаты, ацетаты, гуминовые кислоты и др.) может повысить растворимость и, следовательно, подвижность Tc (IV).