Гамма-излучатель 137Сs — экспрессный индикатор экологических катастроф

Александр Портнов

«Природа» №12, 2019

В конце апреля 1986 г. произошел взрыв на Чернобыльской АЭС (ЧАЭС). Интенсивный выброс радиоактивных веществ из горящего реактора продолжался до 6 мая. В результате было выброшено 50 млн Ки^* разных радионуклидов и 50 млн Ки радиоактивных газов. По оценкам экспертов, в них содержалось до 2,5 млн Ки ¹³⁷Сs и до 14 млн Ки ¹³¹I. На территории СССР пострадало 11 областей, где проживало 17 млн человек, из них — 2,5 млн детей в возрасте до 5 лет. Радиация также задела более 20 государств (рис. 1), в том числе Финляндию, Швецию и ряд стран Центральной Европы [1, 2].

Рис. 1. Карта заражения Западной Европы радиоизотопом ¹³⁷Сs (выбросы Чернобыля) [3]

Масштаб катастрофы в первые часы был неясен, но, к счастью, на аэродроме г. Киева стоял самолет АН-26 Гидрометеослужбы СССР, предназначенный для проведения аэрогамма-спектрометрической (АГС) съемки, т.е. оборудованный спектрометром, который позволял с высоты 100–150 м количественно оценить уровни гамма-излучения различных радиоизотопов с поверхности земли. Самолет немедленно начал работу и прошел больше десятка параллельных маршрутов в направлении юг — север. За один день была установлена обширная площадь радиоактивного заражения, достигшая Киева. Уровень радиации оказался очень высоким.

Первые схематические карты заражения немедленно передали в Москву и Киев. Утверждают, что их сразу показали лично М. С. Горбачеву. Тем не менее опасность ситуации была засекречена, радиостанции невнятно сообщали об аварии на Чернобыльской АЭС. Эвакуация населения г. Припяти в первые дни не проводилась. Уровень радиации зашкаливал, а в первомайские праздники дети Киева дышали воздухом с летучим гамма-бета-излучателем — радиоизотопом ¹³¹I. Власти были в панике, растеряны, искали специалистов и вместо массовой защиты — «йодирования» населения и запрета употреблять местные продукты — делали все, чтобы скрыть масштабы бедствия.

Для детального изучения действительных размеров радиоактивного заражения была привлечена Московская геофизическая экспедиция Министерства геологии СССР, которая в то время обладала наиболее совершенным гамма-спектрометром канадской фирмы «Макфар» с чувствительными датчиками — кристаллами NaI (Tl). В течение нескольких лет я принимал участие в этих работах, обрабатывая данные и участвуя в составлении карт зараженности радионуклидами. Эти закрытые тогда комплексные исследования включали также данные многочисленных специалистов, изучавших концентрацию альфа- и бета-излучателей на значительных площадях. Построение окончательных карт проходило под руководством А. И. Перельмана (Институт геологии и минералогии рудных месторождений РАН, Москва) и академика РАН Ю. А. Израэля [3].

В начале наших работ активность гамма-излучения оставалась очень высокой за счет присутствия таких короткоживущих изотопов, как ¹⁴⁴Се, ¹³¹I и др., а также природных гамма-излучателей — К, Тh, U. В этой статье мы ограничимся данными о площадном распространении относительно долго живущего гамма-излучателя ¹³⁷Сs с периодом полураспада Т? = 30 лет, постоянно присутствующего в выбросах АЭС (¹³⁷Сs — также и бета-излучатель, но пробег электронов в воздухе составляет всего десятки сантиметров).

Рис. 2. Обзорная мелкомасштабная (1:10 000 000) карта заражения ¹³⁷Сs территорий Украины, Белоруссии и России. Площадь съемки — более 4 млн км². На основе проведенной АГС-съемки масштаба 1:500 000 на исследованной площади выделены участки для детального (1:100 000) картирования участков заражения радиоизотопом цезия значительной части Украины

Съемка установила, что этот радиоизотоп, имеющий энергию гамма-излучения 0,66 МэВ, позволяет дистанционно выделять с высоты 100–150 м наземные ореолы катастрофических выбросов всех долгоживущих гамма-излучателей, причем цезий — самый подвижный из дисперсно рассеянных, но «негазовых» радиоизотопов. Воздушная миграция ¹³⁷Сs обусловлена высокой летучестью в микроаэрозольной форме (рис. 2). В первые же дни радиоактивные выбросы Чернобыля достигли Финляндии и Швеции. В последней, например, об источнике радиации узнали от американцев, уже наблюдавших со спутников горение ЧАЭС. Как показали наши анализы, цезий легко улавливался бумажными фильтрами с самолета. Микрозондовый анализ состава фильтрата определил в нем присутствие цезия в виде частиц и тончайшей пыли размером 1–10 мкм, которая переносилась ветром на тысячи километров, вплоть до Аляски.

Построение карт позволило установить, что в аномалиях с максимальной концентрацией цезия обычно присутствуют радиоизотопы ⁹⁰Sr, ^{239, 240}Pu, ²⁴¹Am и ²⁴⁴Cm. В этом наборе наиболее подвижен (после цезия) ⁹⁰Sr. «Горячие частицы», такие как плутоний, америций и кюрий, выходили за пределы зоны 30 км вокруг ЧАЭС, преимущественно в западном направлении, что отражало направление ветрового разноса в период горения реактора (рис. 3).

Рис. 3. Карта заражения территории Украины вокруг Чернобыля [3]. На ней отражена концентрация в почве ¹³⁷Сs. Зона поражения сдвинута на запад за счет направления ветра во время выбросов из горящего реактора. Цезий (гамма-излучатель) положительно коррелирует с ⁹⁰Sr (бета-излучатель) и ²³⁹Pu (альфа-излучатель), а также с продуктами его распада — ²⁴⁴Cm и ²⁴¹Am (альфа- и гамма-излучатель). АГС-съемка масштаба 1:100 000

Все радиоизотопы в первый год накапливались в почвенном слое на глубине 5–60 см, причем цезий и здесь обладал максимальной подвижностью и, как показали анализы, впоследствии мигрировал в разрезе до глубины 1,5–2 м^**. Изучение аэрофотоснимков и контуров аномалий на повторных залетах с интервалом два-три года определило малоподвижность выпавших на землю радиоизотопов. Цезий при этом сорбировался гумусом и глинистыми минералами [4]. Контуры загрязненных участков изменялись только при размыве берегов рек и ручьев, а также при образовании оползней на склонах оврагов и рек.

Радионуклиды Cs и Sr активно накапливаются в лесной растительности, траве, ягодах и особенно в грибах, включаясь в экологические пищевые цепи. Например, в Москве клюква, которую в то лето собрали на болотах под Гомелем (Белоруссия), давала 400 мкР (микрорентген) в час, а кости сомов, живущих около ЧАЭС, — до 40 тыс. мкР в час! Неожиданным стало сильное накопление цезия и стронция в лесной древесине. Об этом узнали только при попытке сжечь «рыжий лес», как назывались засохшие от радиации деревья. Они образовали зону, вытянутую в западном направлении, — соответственно ветру, который дул в период горения реактора. Дым от горящего «рыжего леса» создал новый ореол радиоизотопов цезия и стронция. Оказалось, что лес вокруг Чернобыля необходимо захоранивать под землей. Его нельзя сжигать.

В течение 1991–1993 гг. с воздуха Московской аэрогеофизической экспедицией с помощью АГС-съемки масштаба 1:200 000 была составлена карта распределения радиоизотопа цезия на огромной площади — около 4 млн км² (см. рис. 1). Главным индикатором заражения стал ¹³⁷Сs. Распределение и осаждение радиоизотопов оказалось непредсказуемым и связанным с глобальным движением воздушных потоков. Зоны радиации обнаруживались на юге Германии (в Баварии), в Польше, Турции, Франции, Швеции и в ряде других стран. Высокое содержание радиоактивных элементов в воздухе вызвало испуг местного населения и причинило значительный вред фермерам. В частности, Турция предъявила СССР счет за заражение чайных плантаций цезием. Горбачев, во избежание скандала, закупил этот чай. В конце 1980-х годов в СССР широко распродавался низкокачественный турецкий чай. Мало кто знал, что радиация от мешков с ним доходила до 400 мкР в час. Это в 20 раз выше нормального фона (чай оказался хорошим сорбентом цезия).

Мелкомасштабная съемка показала, что территория РФ покрыта крупными пятнами загрязнений цезием, достигающими на востоке Пензы и Саранска. Обозначилась протянувшаяся на 300 км широтная Cs-аномалия по линии Клинцы — Мценск, которая захватила юг Калужской и Тульской областей. Она возникла искусственно — при опылении с самолетов радиоактивных облаков, которые шли из Чернобыля на северо-восток, в сторону Москвы.

На карте вырисовывались две главные сильно зараженные области: собственно украинская — к северо-западу от Киева, с Чернобылем в центре, и другая — к северо-востоку от Гомеля, с двумя очагами концентрации радиоизотопов, расположенными на территории Белоруссии и отчасти в России (в Новозыбковском р-не Брянской обл.). Эти области, выявленные при мелкомасштабной съемке, послужили основой для детализации при проведении крупномасштабной (1:250 000) АГС-съемки с аппаратурой «Макфар» и с использованием вертолета МИ-8. Карты позволили оценить величину потерь за счет вывода зараженных территорий из хозяйственного оборота. Например, площадь с концентрацией ¹³⁷Сs более 40 Ки/км² составляла в Брянской обл. 350 км², а с концентрацией 15–40 Ки/км² — больше 2200 км². Такие земли не годятся для выпаса скота, а картофель или зерно с них можно применять только для производства спирта. Сильно пострадали Калужская, Тульская, Орловская, Липецкая области. Общая площадь зараженных угодий составила более 1500 км².

Надо учитывать, что карты — как региональные, так и детализированные — отражают уровень зараженности цезием на интервал 1991–1995 гг. Прошло более четверти века, и уровни радиации по цезию и стронцию с тех пор уменьшились почти вдвое. Но не следует обольщаться: по плутонию с Т? = 25 тыс. лет радиационная обстановка не изменилась и даже ухудшилась за счет появления из него америция и кюрия (рис. 4). Смертельная доза плутония для человека ничтожна — всего 1 мг [5]. Распад плутония порождает также опасные радиоизотопы — кюрий и америций (альфа-излучатель ²⁴⁴Cm с Т? = 18 лет и альфа- и гамма-излучатель ²⁴¹Am с Т? = 458 лет). Со временем эти элементы накопятся, и через 10–15 лет они будут представлять главную угрозу для всего живого. Это следует помнить, в частности, многочисленным туристам, охотно посещающим мертвый город Припять. Они должны знать, что в чернобыльской зоне радиация столь высока, что трупы животных здесь не гниют: микробов нет, они убиты излучением. Трупы высыхают и мумифицируются. Смертельно опасные зоны радиационного заражения, разбросанные в беспорядке по России, в короткий срок были обнаружены, оконтурены и дистанционно изучены. Такую работу можно выполнить только методом АГС-съемки [6].

Рис. 4. Карта распределения ^{239, 240}Рu (вверху) и связанного с ним америция ²⁴¹Am [3], показывающая их высокую корреляцию с ореолом ¹³⁷Сs (см. рис. 2)

Аналогичное исследование мы провели в Челябинской обл., на Южном Урале (рис. 5). Здесь на р. Тече, притоке Оби, расположен комбинат «Маяк», где долгое время производились атомные бомбы. Режим секретности привел к многолетним нарушениям всех экологических законов. В результате возникла огромная опасность для таких крупных городов, как Челябинск, Кыштым, Касли [6]. После снятия секретности наши работы позволили оконтурить зараженную ¹³⁷Сs площадь, которая составила более 7 тыс. км². В этом контуре заключено множество радиоизотопов стронция, урана, плутония, америция, кюрия. По подсчетам специалистов, количество рассеянных радиоизотопов здесь в 4–5 раз превышает суммарную радиоактивность Чернобыля.

Рис. 5. Зона «Маяк», Челябинская обл., Южный Урал. Постоянный слив радиоизотопов в р. Течу (приток р. Оби) и взрыв перегревшихся цистерн с жидкими радиоактивными отходами военного производства 1957 г. превратили Челябинскую обл. в один из самых экологически опасных районов России. АГС-съемка масштаба 1:100 000. Внутри контура ¹³⁷Сs содержатся радиоизотопы цезия, стронция, урана, плутония, америция, кюрия

***

В заключение подчеркнем, что наиболее легко дистанционно опознаваемый гамма-спектрометрией радиоизотоп цезия неизменно указывает на возможное комплексное заражение более опасными бета- и альфа-излучателями. Их обнаружение неизмеримо сложнее и требует проведения специальных наземных работ с отбором проб грунта [7, 8].

Гамма- и бета-излучатель ¹³⁷Сs вызывает в организме рак крови. Бета-излучение (обычно стронций-90 с Т? = 27,7 года) накапливается в костях и вызывает саркому. Альфа-излучатели очень трудно обнаруживаются вследствие короткого пробега частиц (примерно 2 см в воздухе), и потому они наиболее опасны и коварны. К ним относятся чрезвычайно долгоживущий плутоний, а также порождаемые им кюрий и америций. К опасным долгоживущим альфа-излучателям, попадающим в экосистемы, относятся также рутений-106 и -103 и полоний-210 (Т? = 120 дней). Последний используют террористы в качестве практически незаметного, исчезающего через три года яда. Альфа-излучение вызывает у человека рак слизистых и поражает глаза, пищевод, желудок, легкие.

Простые и дешевые счетчики Гейгера, обычно используемые для выявления гамма-излучения, нечувствительны к бета- и альфа-излучению. Таким образом, дистанционно обнаруживаемые гамма-аномалии ¹³⁷Сs становятся важными индикаторами присутствия более опасного заражения тяжелыми радиоизотопами.

В наше время на смену тяжелым воздушным судам приходят легкие автоматы-беспилотники. Они способны нести современную портативную геофизическую аппаратуру и выполнять на огромных территориях дистанционные экспрессные поисковые геологоразведочные и экологические работы быстрее, а главное, значительно дешевле [9]. Знание приемов поиска различных типов заражения позволяет уменьшить опасность последствий неизбежных техногенных катастроф.

Вызывает удивление, что данные АГС-съемки не были опубликованы в Японии — в районе катастрофы АЭС «Фукусима». Также странным выглядит накопление здесь в цистернах гигантских количеств зараженной радиоизотопами воды — без попыток очистить ее с помощью сорбентов (угля, различных глин и др.). Но для России, Украины и Белоруссии (Чернобыль, Гомельская и Брянская области, а также зона «Маяк») — карты загрязнений ¹³⁷Сs остаются опасными «приветами» из недавнего прошлого, памятниками труженикам Минатома.

Литература
1. Перельман А. И. Геохимия. М., 1989.
2. Лосев К. С. Экологические проблемы и перспективы устойчивого развития России в ХХI веке. М., 2001.
3. Атлас радиоактивного заражения европейской части России, Белоруссии и Украины. Ред. Ю. А. Израэль. М., 1998.
4. Линге И. И., Иванов А. Ю., Казаков К. С. О системных мерах по расширению применения материалов на основе глин на объектах атомной отрасли // Радиоактивные отходы. 2018; 4(5): 33–40.
5. Плутоний в России. Экология, экономика, политика. Независимый анализ. М., 1994.
6. Портнов А. М. Общая геохимия. Саарбрюккен, 2015.
7. Мелешин А. Ю. Растворение карбонатов и выделение СО₂ в бентонитах при повышенных температурах // Радиоактивные отходы. 2019; 2(7): 65–75.
8. Варлаков А. П., Баринов А. С. Кондиционирование грунтов и иловых донных отложений, содержащих радиоактивные вещества // Радиоактивные отходы. 2019; 3(8): 61–67.
9. Минеральное сырье. Серия методическая. Инновационные технологии прогнозирования, поисков и оценки месторождений твердых полезных ископаемых (информационно-аналитический обзор). М., 2016; 17: 55.

^* Ки, кюри — внесистемная единица измерения активности радионуклида (1 Ки = 3,7 · 10¹⁰ Бк). Активность вещества равна 1 Ки, если в нем каждую секунду происходит 3,7 · 10¹⁰ радиоактивных распадов.

^** См.: Парамонова Т. А., Комиссарова О. Л., Турыкин П. А. и др. След Чернобыля в агроландшафтах Черноземья: независимая оценка 30 лет спустя // Природа. 2019. № 7. С. 40–51.