Миграция радионуклеидов в почвах

     ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

     Миграция  радионуклеидов  в почвах 
 

     Содержание 

Введение

1. Литературный  обзор

1.1 Свойства  радионуклида стронций-90

1.2 Накопление  радионуклида стронция – 90 в  почвах и растениях

1.3 Особенности  миграции стронция-90 в окружающую среду

2. Характеристика Семипалатинского ядерного полигона, находящегося на территории Павлодарской области

3. Объект  и методы исследования

4. Результаты  исследования

4.1 Радиационные  последствия атмосферных ядерных  испытаний на территории Семипалатинского ядерного полигона, находящегося на землях Павлодарской области

4.2 Характеристика  атмосферных ядерных взрывов,  произведенных на испытательной  площадке «Опытное поле»

Заключение

Список  использованной литературы

      Введение 

     Основным  реальным источником радиоактивного загрязнения почвенно-растительного комплекса являются глобальные радиоактивные выпадения из атмосферы долгоживущих радионуклидов после ядерных испытаний, а также выбросы техногенных радионуклидов, связанные с работой предприятий ядерного топливного цикла.

     Основным  источником поступления радионуклидов  в наземные пищевые цепи является почва. В результате выпадений радионуклиды поступают на земную поверхность, аккумулируются в почве, включаются в биогеохимические циклы миграции и становятся новыми компонентами почвы. Почва является наиболее важным инерционным звеном, и от скорости миграции радионуклидов в почве во многом зависят темпы их распространения по всей цепочке. В результате перемещения в почве и последующего корневого поглощения радиоактивные вещества поступают в части растений, представляющие пищевую или кормовую ценность

     Sr-90 является ведущим с точки зрения  радиационной опасности нуклидом  на территории, подвергшейся радиоактивному  загрязнению с периодом полураспада  28,6 года.

     Имеются сведения, что миграционные свойства Sr-90 в почвенно-растительных комплексах существенно отличаются в зависимости от типа почв, механического состава и видовых различий растений. В связи с этим является актуальным вопрос выявления закономерностей миграции радионуклидов Sr-90 в биогеоценозах степной зоны, а также изучение влияния физико-химических свойств почв на поступление Sr-90 в растения

     В настоящее время и в перспективе  особо остро встаёт проблема экологической  безопасности окружающей среды, экологически безопасного природопользования при возрастающих антропогенных нагрузках.

     Загрязнение системы «почва–растения–вода»  различными химическими веществами, а главным образом твердыми, жидкими  и газообразными отходами промышленности, продуктами топлива и т.д. приводит к изменению химического состава почв.

     Техногенные выбросы радионуклидов в природную  среду в ряде районов земного  шара значительно превышают природные  нормы.

     До  недавнего времени в качестве важнейших загрязняющих веществ  рассматривались, главным образом, пыль, угарный и углекислый газы, оксиды серы и азота, углеводороды. Радионуклиды рассматривались в меньшей степени. В настоящее время интерес к загрязнению радиоактивными веществами вырос, в связи с факторами появления острых токсичных эффектов, вызванных загрязнением стронцием и цезием.

     Радионуклиды  по цепочке «почва – растение –  животное» попадают в организм человека, накапливаются и оказывают не благоприятное воздействие на здоровье. Поэтому одной из задач современности  является производство экологически «чистой» продукции.

     Важнейшая проблема сельского хозяйства в  условиях загрязнения почвы радиоактивными элементами – максимально возможное  снижение поступления этих веществ  в растениеводческую продукцию  и предотвращение накопление их в  организмах сельскохозяйственных животных. Решение этой задачи связано с комплексом мероприятий, которые необходимо проводить в сельском хозяйстве. Основание для проведения данных мероприятий является увеличение заболеваемости и смертности, врожденных уродств и населения, проживающего на загрязнённых территориях.

     Вопрос  об изменении ведения сельского  хозяйства должен решаться в каждом конкретном случае с учётом всех обстоятельств  на основе точной и достоверной информации в зависимости от типа почвы, её механического  состава, водно-физических и агрохимических свойств и от степени загрязнённости территории.

     Северная  часть территории бывшего Семипалатинского испытательного полигона активно используется для сельскохозяйственной деятельности: выпаса скота, заготовки сена, производства зерновых культур и т.д. Вблизи этой местности проводили испытания боевых радиоактивных веществ, влияние которых на окружающую среду и людей, занимающихся трудовой деятельностью на данном и прилегающем к нему участках мало исследованы.

     Объектом  исследования являются почвенно-растительные комплексы степной зоны, подверженные глобальным выпадениям радионуклидов. Изучалась миграция радионуклидов стронция-90 в почвах различных типов и накопление радионуклидов растениями степной зоны

     Цель  работы – изучение коэффициента перехода стронция-90 из почвы в растение на территории Семипалатинского полигона, находящегося на землях Павлодарской области

     Задачи:

• Оценить содержание стронция-90 в Павлодарской области
• Проанализировать особенности накопление радионуклида стронция – 90 в почвах и растениях
• Изучить особенности миграции стронция-90 в растения
• Определить коэффициент перехода стронция-90 из почвы в растения

      1 Литературный обзор 

     1.1 Свойства радионуклида Стронций-90 

     Стронций  ⁹⁰Sr – серебристый кальциеподобный металл, покрытый оксидной оболочкой, плохо вступает в реакцию, включаясь в метаболизм экосистемы по мере формирования сложных Са – Fe – Al – Sr – комплексов. Естественное содержание стабильного изотопа в почве, костных тканях, среде достигает 3,7 х 10^-2 %, в морской воде, мышечных тканях 7,6 х 10^-4 %. Биологические функции не выявлены; не токсичен, может замещать кальций. Радиоактивный изотоп в естественной среде отсутствует [1 , 43].

     Стро́нций — элемент главной подгруппы второй группы, пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 38. Обозначается символом Sr (лат. Strontium). Простое вещество стронций (CAS-номер: 7440-24-6) — мягкий, ковкий и пластичный щёлочноземельный металл серебристо-белого цвета. Обладает высокой химической активностью, на воздухе быстро реагирует с влагой и кислородом, покрываясь жёлтой оксидной плёнкой.

     Новый элемент обнаружили в минерале стронцианите, найденном в 1764 году в свинцовом  руднике близ шотландской деревни  Строншиан, давшей впоследствии название новому элементу. Присутствие в этом минерале оксида нового металла было установлено почти через 30 лет Уильямом Крюйкшенком и Адером Кроуфордом. Выделен в чистом виде сэром Хемфри Дэви в 1808 году [2 , 46].

     Содержание  в земной коре — 0,384 % в свободном виде стронций не встречается. Он входит в состав около 40 минералов. Из них наиболее важный — целестин SrSO₄. Добывают также стронцианит SrCO₃. Эти два минерала имеют промышленное значение. Чаще всего стронций присутствует как примесь в различных кальциевых минералах.

     Стронций  содержится в морской воде (0,1 мг/л), в почвах (0,035 масс%).

     В природе стронций встречается в  виде смеси 4 стабильных изотопов ⁸⁴Sr (0,56 %), ⁸⁶Sr (9,86 %), ⁸⁷Sr (7,02 %), ⁸⁸Sr (82,56 %).[3 , 11].

     Существуют 3 способа получения металлического стронция:

• термическое разложение некоторых соединений
• электролиз
• восстановление оксида или хлорида

     Основным  промышленным способом получения металлического стронция является термическое восстановление его оксида алюминием. Далее полученный стронций очищается возгонкой.

     Электролитическое получение стронция электролизом расплава смеси SrCl₂ и NaCl не получило широкого распространения из-за малого выхода по току и загрязнения стронция примесями.

     При термическом разложении гидрида  или нитрида стронция образуется мелкодисперсный стронций, склонный к легкому воспламенению.

     Стронций  — мягкий серебристо-белый металл, обладает ковкостью и пластичностью, легко режется ножом.

     Полиморфен  — известны три его модификации. До 215^оС устойчива кубическая гранецентрированная модификация (α-Sr), между 215 и 605^оС — гексагональная (β-Sr), выше 605^оС — кубическая объемно-центрированная модификация (γ-Sr).

     Температура плавления — 768^оС, Температура кипения — 1390^оС.

     Стронций  в своих соединениях всегда проявляет  валентность +2. По свойствам стронций близок к кальцию и барию, занимая промежуточное положение между ними.

     В электрохимическом ряду напряжений стронций находится среди наиболее активных металлов (его нормальный электродный потенциал равен  −2,89 В. Энергично реагирует с водой, образуя гидроксид: Sr + 2H₂O = Sr(OH)₂ + H₂↑ [4 , 21].

     Взаимодействует с кислотами, вытесняет тяжёлые  металлы из их солей. С концентрированными кислотами (H₂SO₄, HNO₃) реагирует слабо.

     Металлический стронций быстро окисляется на воздухе, образуя желтоватую плёнку, в которой помимо оксида SrO всегда присутствуют пероксид SrO₂ и нитрид Sr₃N₂. При нагревании на воздухе загорается, порошкообразный стронций на воздухе склонен к самовоспламенению.

     Энергично реагирует с неметаллами —  серой, фосфором, галогенами. Взаимодействует с водородом (выше 200^оС), азотом (выше 400^оС). Практически не реагирует с щелочами.

     При высоких температурах реагирует  с CO₂, образуя карбид: 

     5Sr + 2CO₂ = SrC₂ + 4SrO (1) 

     Легко растворимы соли стронция с анионами Cl^-, I^-, NO₃^-. Соли с анионами F^-, SO₄^2-, CO₃^2-, PO₄^3- мало растворимы.

     Основные  области применения стронция и его  химических соединений — это радиоэлектронная промышленность, пиротехника, металлургия, пищевая промышленность.

     Стронций  применяется для легирования меди и некоторых ее сплавов, для введения в аккумуляторные свинцовые сплавы, для обессеривания чугуна, меди и сталей.

     Стронций  чистотой 99,99—99,999 % применяется для  восстановления урана [5 , 90].

     Магнитотвёрдые  ферриты стронция широко употребляются  в качестве материалов для производства постоянных магнитов.

     В пиротехнике применяются карбонат, нитрат, перхлорат стронция для окрашивания  пламени в карминово-красный цвет. Сплав магний-стронций обладает сильнейшими  пирофорными свойствами и находит  применение в пиротехнике для зажигательных и сигнальных составов.

     Радиоактивный ⁹⁰Sr (период полураспада 28,9 лет) применяется в производстве радиоизотопных источников тока в виде титанита стронция (плотность 4,8 г/см³, а энерговыделение около 0,54 Вт/см³).

     Уранат  стронция играет важную роль при получении водорода (стронциево-уранатный цикл, Лос-Аламос, США) термохимическим способом (атомно-водородная энергетика), и в частности разрабатываются способы непосредственного деления ядер урана в составе ураната стронция для получения тепла при разложении воды на водород и кислород.

     Оксид стронция применяется в качестве компонента сверхпроводящих керамик.

     Сплавы  стронция с оловом и свинцом применяются  для отливки токоотводов аккумуляторных батарей. Сплавы стронций-кадмий для  анодов гальванических элементов.

     Радиационные  характеристики приведены в таблице 1 [6 , 34]. 

     Таблица 1- Радиационные характеристики стронция 90

     В случаях попадания изотопа в  окружающую среду поступление стронция в организм зависит от степени  и характера включенности метаболита в почвенные органические структуры, продукты питания и колеблется от 5 до 30%, при большем проникновении в детский организм. Независимо от пути поступления излучатель накапливается в скелете (в мягких тканях содержится не более 1%). Выводится из организма крайне плохо, что ведет к постоянному накоплению дозы при хроническом поступлении стронция в организм. В отличие от естественных β-активных аналогов (урана, тория и др.) стронций является эффективным в-излучателем, что меняет спектр радиационного воздействия, в том числе и на гонады, эндокринные железы, красный костный мозг и головной мозг. Накапливаемые дозы (фон) колеблется в пределах (до 0,2 х 10^-6 мкКи/г в костях при дозах порядка 4.5 х 10^-2 мЗв/год) [7 , 41].

     Не  следует путать действие на организм человека природного (нерадиоактивного, малотоксичного и более того, широко используемого для лечения остеопороза) и радиоактивных изотопов стронцияhttp://ru.wikipedia.org/wiki/Sr - cite_note-atsdr.cdc.gov-2. Изотоп стронция ⁹⁰Sr является радиоактивным с периодом полураспада 28.9 лет. ⁹⁰Sr претерпевает β-распад, переходя в радиоактивный ⁹⁰Y (период полураспада 64 ч.) Полный распад стронция-90, попавшего в окружающую среду, произойдет лишь через несколько сотен лет. ⁹⁰Sr образуется при ядерных взрывах и выбросах с АЭС.

     По  химическим реакциям радиоактивный и нерадиоактивные изотопы стронция практически не отличаются. Стронций природный — составная часть микроорганизмов, растений и животных. Независимо от пути и ритма поступления в организм растворимые соединения стронция накапливаются в скелете. В мягких тканях задерживается менее 1 %. Путь поступления влияет на величину отложения стронция в скелете [8 , 43].

     На  поведение стронция в организме  оказывает влияние вид, пол, возраст, а также беременность, и другие факторы. Например, в скелете мужчин отложения выше, чем в скелете женщин. Стронций является аналогом кальция. Стронций с большой скоростью накапливается в организме детей до четырехлетнего возраста, когда идет активное формирование костной ткани. Обмен стронция изменяется при некоторых заболеваниях органов пищеварения и сердечнососудистой системы. Пути попадания:

• вода (предельно допустимая концентрация стронция в воде в РФ — 8 мг/л, а в США — 4 мг/л)
• пища (томаты, свёкла, укроп, петрушка, редька, редис, лук, капуста, ячмень, рожь, пшеница)
• интратрахеальное поступление
• через кожу (накожное)
• ингаляционное (через воздух)
• из растений или через животных стронций-90 может непосредственно перейти в организм человека.
• люди, работа которых связана со стронцием (в медицине радиоактивный стронций используют в качестве аппликаторов при лечении кожных и глазных болезней. Основные области применения природного стронция — это радиоэлектронная промышленность, пиротехника, металлургия, металлотермия, пищевая промышленность, пр-во магнитных материалов, радиоактивного — пр-во атомных электрических батарей. атомно-водородная энергетика, радиоизотопные термоэлектрические генераторы и др.) [9 ,21 ].

     Влияние нерадиоактивного стронция проявляется  крайне редко и только при воздействии других факторов (дефицит кальция и витамина Д, неполноценное питание, нарушения соотношения микроэлементов таких как барий, молибден, селен и др.). Тогда он может вызывать у детей «стронциевый рахит» и «уровскую болезнь» — поражение и деформация суставов, задержка роста и другие нарушения. Напротив, радиоактивный стронций практически всегда негативно воздействует на организм человека:

• откладывается в скелете (костях), поражает костную ткань и костный мозг, что приводит к развитию лучевой болезни, опухолей кроветворной ткани и костей.
• вызывает лейкемию и злокачественные опухоли (рак) костей, а также поражение печени и мозга

     Изотоп  стронция ⁹⁰Sr является радиоактивным с периодом полураспада 28,79 лет. ⁹⁰Sr претерпевает β-распад, переходя в радиоактивный иттрий ⁹⁰Y (период полураспада 64 часа). ⁹⁰Sr образуется при ядерных взрывах и выбросах с АЭС [10, 46].

     Стронций  является аналогом кальция и способен прочно откладываться в костях. Длительное радиационное воздействие ⁹⁰Sr и ⁹⁰Y поражает костную ткань и костный мозг, что приводит к развитию лучевой болезни, опухолей кроветворной ткани и костей.

     Попадая в почву, стронций-90 вместе с растворимыми соединениями кальция поступает  в растения, из которых может непосредственно  или через животных поступить  в организм человека. Так создается  цепь передачи радиоактивного стронция: почва - растения - животные - человек. Проникая в организм человека, стронций накапливается преимущественно в костях и подвергает, таким образом, организм длительному внутреннему радиоактивному воздействию. Результатом этого воздействия, как показывают исследования ученых, проведенные в опытах на животных (собаках, крысах и др.), является тяжелое заболевание организма. На первый план выступают повреждения кроветворных органов и развитие опухолей в костях. В обычных условиях «поставщиком» радиоактивного стронция являются экспериментальные взрывы ядерного и термоядерного оружия. Исследованиями американских ученых установлено, что даже малое лучевое воздействие, безусловно, вредно для здорового человека. Если же учесть, что и при крайне малых дозах этого воздействия наступают резкие изменения в тех клетках организма, от которых зависит воспроизводство потомства, то вполне понятно, что ядерные взрывы несут смертельную опасность еще... не родившимся! Свое название стронций получил от минерала - стронцианита (углекислой соли стронция), найденного в 1787 г. в Шотландии близ деревушки Стронциан. Английский исследователь А. Крофорд, изучая стронцианит, высказал предположение о наличии в нем новой еще не известной «земли». Индивидуальную особенность стронцианита установил также и Клапрот. Английский химик Т. Хоп в 1792 г. доказал наличие в стронцианите нового металла, выделенного в свободном виде в 1808 г. Г. Дэви [11 , 30].

     Однако, независимо от западных ученых, русский  химик Т.Е. Ловиц в 1792 г., исследуя минерал барит, пришел к заключению, что в нем, помимо окиси бария, в качестве примеси находится и «стронцианова земля». Чрезвычайно осторожный в своих заключениях, Ловиц не решился опубликовать их до окончания вторичной проверки опытов, требовавших накопления большого количества «стронциановой земли». Поэтому исследования Ловица «О стронциановой земле в тяжелом шпате», хотя и были опубликованы после исследований Клапрота, фактически же проведены раньше его. Они свидетельствуют об открытии стронция в новом минерале - сернокислом стронции, называемом теперь целестином. Из этого минерала простейшие морские организмы - радиолярии, акантарии - строят иглы своего скелета. Из иголочек отмирающих беспозвоночных образовались скопления и самого целестина 

     1.2 Накопление радионуклида стронция  – 90 в почвах и растениях 

     Продовольственное и техническое качество продукции  – зерна, клубней, масличных семян, корнеплодов, получаемой от облучённых растений, сколько- либо существенно  не ухудшается даже при снижении урожая до 30-40 %.

     Содержание  белка и клейковины в зерне  пшеницы, рассчитанное на единицу массы, не снижается, однако общий выход заметно уменьшается в результате больших потерь урожая зерна.

     Содержание  масла в семенах подсолнечника  и лотса зависит от дозы облучения, получаемой растениями, и фазы их развития в момент начала облучения. Аналогичная зависимость наблюдается и по выходу сахара в урожае корнеплодов облучённых растений свеклы. Содержание витамина С в плодах томатов, собранных с облучённых растений, зависит от фазы развития растений в период начала облучения и дозы облучения. Например, при облучении растении во время массового цветения и начала плодоношения дозами 3 – 15 кР содержание в плодах томатов витамина С повышалось по сравнению с контролем на 3 – 25 %. Облучение растений в период массового цветения и начало плодоношения дозой до 10 кР затормаживает развитие семян у формирующихся плодов, которые обычно становятся бессемянными [12 , 5].

     Аналогичная закономерность получена в опытах с  картофелем. При облучении растений в период клубнеобразования урожай клубней при облучении дозами 7 – 10 кР практически не снижается. Если растения облучаются в более раннюю фазу развития, урожай клубней уменьшается в среднем на 30 – 50 %. Кроме того, клубни получаются не жизнеспособными из-за стерильности глазков.

     Облучение вегетирующих растений не только приводит к уменьшению их продуктивности, но и снижает посевные качества формирующихся  семян. Так при облучении вегетирующих растений не только приводит к уменьшению их продуктивности, но и снижает посевные качества формирующихся семян. Так при облучении зерновых культур в наиболее чувствительные фазы развития (кущение, выход в трубку) сильно снижается урожай, однако всхожесть получаемых семян существенно снижается, что даёт возможность не использовать их для посева. Если же растения облучают в начале молочной спелости (когда происходит формирование звена) даже в относительно высоких дозах, урожай зерна сохраняется практически полностью, однако такие семена не могут быть использованы для посева ввиду предельно низкой всхожести.

     Таким образом радиоактивные изотопы  не вызывают заметных повреждений растительных организмов, однако в урожае сельскохозяйственных культур они накапливаются в значительных количествах.

     Значительная часть радионуклидов находится в почве, как на поверхности, так и в нижних слоях, при этом их миграция во многом зависит от типа почвы, её гранулометрического состава, водно-физических и агрохимических свойств.

     Основными радионуклидами, определяющими характер загрязнения, в нашей области является цезий – 137 и стронция – 90, которые по разному сортируются почвой. Основной механизм закрепления стронция в почве – ионный обмен, цезия – 137 обменной формой либо по типу ионообменной сорбции на внутренней поверхности частиц почвы [13 , 22].

     Поглощение  почвой стронция – 90 меньше цезия – 137, а следовательно, он является более  подвижным радионуклидом.

     В момент выброса цезия – 137 в окружающие среду, радионуклид изначально находится в хорошо растворимом состоянии (парогазовая фаза, мелкодисперсные частицы и т.д.)

     В этих случаях поступления в почву  цезий – 137 легкодоступен для  усвоения растениями. В дальнейшем радионуклид может включаться в различные реакции в почве, и подвижность его снижается, увеличивается прочность закрепления, радионуклид «стареет», а такое «старение» представляет комплекс почвенных кристаллохимических реакций с возможным вхождением радионуклида в кристаллическую структуру вторичных глинистых минералов.

     Механизм  закрепления радиоактивных изотопов в почве, их сорбция имеет большое значение, так как сорбция определяет миграционные качества радиоизотопов, интенсивность поглощения их почвами, а, следовательно, и способность проникать их в корни растений. Сорбция радиоизотопов зависит от многих факторов и одним из основных является механический и минералогический состав почвы тяжёлыми по гранулометрическому составу почвами поглощённые радионуклиды, особенно цезий – 137, закрепляются сильнее, чем лёгкими и с уменьшением размера механических фракций почвы прочность закрепления ими стронция – 90 и цезия – 137 повышается. Наиболее прочно закрепляются радионуклиды илистой фракцией почвы.