Радиоактивность окружающей среды

Аннотация:

Химическое поведение актинидов, особенно со множественными степенями окисления (U, Pu, Np), отличается большой изменчивостью в условиях окружающей среды и зависит как от исходной формы поступления, как в случае «горячих» частиц, так и от целого комплекса параметров среды (pH-Eh среды, температура, катионный и анионный состав растворов; состав вмещающих пород и проч.). Дополнительную проблему составляет определение роли мобильной коллоидной формы актинидов в конкретных геохимических условиях ближней зоны радиоактивно загрязненных объектов. К таким объектам относятся исторически накопленные хранилища радиоактивных отходов (РАО), которые, наряду со следами аварийных выбросов радиоактивных материалов, являются потенциально опасными источниками загрязнения окружающей среды и, прежде всего, водных запасов.

Установление физико-химического состояния актинидов в конкретных объектах ядерного наследия, проводимое с целью научного обоснования путей реабилитации территории, а также прогнозирования миграционного поведения радионуклидов в определенных геохимических условиях, составляет основную задачу данного научного направления. Оценка и долгосрочный прогноз состояния окружающей среды в районе хранилищ РАО включает в себя учет химического взаимодействия радионуклидов с продуктами коррозии инженерных барьеров, глинистыми минералами и вмещающими горными породами, установление механизмов протекающих реакций на границе раздела фаз на нано- и микроуровне, а также численные методы расчета миграционного поведения различных радионуклидов (актиниды, основные продукты деления) в условиях контролируемого объекта.

Направление включает в себя исследование форм нахождения радионуклидов в геохимических условиях окружающей среды, изучение поведения радионуклидов на межфазной границе минерал/вода современными физико-химическими методами и использование полученных данных в численных моделях (кодах) миграционного поведения. Для этого проводится работа по следующим поднаправлениям:

  • проведение модельных экспериментов по исследованию сорбции и коллоидообразованию радионуклидов в строго контролируемых условиях;
  • проведение термодинамического моделирования сорбции радионуклидов в условиях окружающей среды;
  • определение физико-химических форм радионуклидов в реальных объектах окружающей среды, как радиоактивно загрязненных, так и содержащих низкие концентрации техногенных радионуклидов.

Совместно с коллегами с геологического факультета МГУ проводится накопление экспериментальных данных по распределению радионуклидов на молекулярном уровне для их использования в математических моделях миграции в геологическом масштабе. Исследование реальных проб, отобранных на загрязненных территориях, позволит верифицировать моделирование, а также определить стратегии возможных, столь актуальных на сегодняшний день реабилитационных мер.


Основные научные результаты:

  • Установлены формы нахождения актинидов в подземных водах, загрязненных растворами, поступающими из поверхностного бассейна-хранилища жидких РАО на территории ПО «Маяк». С применением масс-спектрометрии вторичных ионов с нанометровым разрешением (nano-SIMS) и сканирующей просвечивающей электронной микроскопии (HAADF STEM) наглядно подтверждено наличие коллоидного транспорта Pu и U в подземных водах в псевдоколлоидной форме на агрегатах ферригидрита.
  • Определены минеральные фазы, ответственные за преимущественную сорбцию Pu в условиях глубинного пласта-коллектора жидких РАО.
  • Проведена детальная диагностика различных «горячих» частиц, выброшенных взрывом во время аварии на Чернобыльской АЭС (ЧАЭС). Расследованы условия формирования каждой частицы, отражающие отчетливо различные локальные обстановки в активной зоне реактора на самой ранней стадии развития аварии.
  • Получены спектральные, дифракционные и микроскопические характеристики образцов лавообразных топливосодержащих материалов аварийного 4 энергоблока ЧАЭС, Чернобыльской «лавы», позволившие уточнить подробности сценария аварии и прогнозировать возможные пути разрушения «лавы».
  • Проведены спектральные и микроструктурные исследования отдельных минеральных включений, выделенных из стекловатой матрицы Чернобыльской «лавы» выщелачиванием плавиковой кислотой. Отдельные минералы высокоуранового циркона, диоксида урана, U-Zr-O фазы, рутила были проанализированы с применением гамма-спектрометрии, оптической микроскопии (KEYENS), вибрационной спектроскопии, фотолюминесценции и просвечивающей электронной микроскопии пленок, вырезанных фокусированным ионным пучком (FIB).
  • На основании данных ядерной спектрометрии и масс-спектрометрии образцов донных отложениях озер Северного Кавказа установлена скорость осадконакопления в этих водоемах и для озера Хуко, по соотношению изотопов Pu, определен источник загрязнения техногенными радионуклидами – глобальные выпадения 1954-1963 гг.
  • Исследованы пути миграции радионуклидов в биотических и абиотических компонентах окружающей среды радиоактивно-загрязненных водоемов ПО «Маяк».
  • Определены закономерности распределения 232Th в современных рыхлых отложениях горной долины (Кольский п-ов, Хибины).
  • Определены значения радиоактивности аэрозолей, связанных с торфяными материалами (Зона отселения Брянской области).

Избранные публикации:

1. A.P. Novikov, S.N. Kalmykov, S. Utsunomiya, R.C. Ewing, F. Horreard, A. Merkulov, S.B. Clark, V.V. Tkachev, B.F. Myasoedov. Colloid Transport of Plutonium in the Far-Field of the Mayak Production Association, Russia // Science, 2006, DOI: 10.1126/science.1131307 (Импакт-фактор: 30,028)
2. A.Y. Romanchuk, I.E. Vlasova, S.N. Kalmykov. Speciation of Uranium and Plutonium From Nuclear Legacy Sites to the Environment: A Mini Review // Frontiers in Chemistry, 2020, DOI: 10.3389/fchem.2020.00630 (Импакт-фактор: 3.420)
3. O.N. Batuk, S.D. Conradson, O.N. Aleksandrova, H. Boukhalfa, B.E. Burakov, D.L. Clark, K.R. Czerwinski, A.R. Felmy, J.S. Lezama-Pacheco, S.N. Kalmykov, D.A. Moore, B.F. Myasoedov, D.T. Reed, D.D. Reilly, R.C. Roback, I.E. Vlasova, S.M. Webb, M.P. Wilkerson. Multiscale speciation of U and Pu at Chernobyl, Hanford, Los Alamos, McGuire AFB, Mayak, and Rocky Flats // Environmental Science and Technology, 2015, DOI: 10.1021/es506145b (Импакт-фактор: 5.787)
4. N.V. Kuzmenkova, M.M. Ivanov, M.Y. Alexandrin, A.M. Grachev, A.K. Rozhkova, K.D. Zhizhin, E.A. Grabenko, V.N. Golosov. Use of natural and artificial radionuclides to determine the sedimentation rates in two North Caucasus lakes // Environmental Pollution, 2020, DOI: 10.1016/j.envpol.2020.114269 (Импакт-фактор: 6,792)
5. N.V. Kuzmenkova, A.K. Rozhkova, T.A. Vorobyova. Aerosol activity measurements associated with the burning of peat materials (evacuation zone of the Bryansk Region) // Journal of Environmental Radioactivity, 2020, DOI: 10.1016/j.jenvrad.2020.106184 (Импакт-фактор: 2,161)
6. M.M. Ivanov, N.V. Kuzmenkova, E.V. Garankina, E.D. Tulyakov. The 232Th distribution in modern sediments near radioactive lovchorrite mine, the Khibiny Mountains, Kola Peninsula // Journal of Geochemical Exploration, 2019, DOI: 10.1016/j.gexplo.2019.01.005 (Импакт-фактор: 0.839)
7. A.A. Shiryaev, I.E. Vlasova, V.O. Yapaskurt, B.E. Burakov, A.A. Averin, I. Elantyev. Forensic study of early stages of the Chernobyl accident: Story of three hot particles // Journal of Nuclear Materials, 2018, DOI: 10.1016/j.jnucmat.2018.09.003 (Импакт-фактор: 1.203)
8. A.A. Shiryaev, B.E. Burakov, I.E. Vlasova, M.S. Nickolsky, A.A. Averin, A.V. Pakhnevich. Study of mineral grains extracted from the Chernobyl “lava”. Mineralogy and Petrology, 2020, DOI: 10.1007/s00710-020-00718-8 (Импакт-фактор: 1.677)
9. A.A. Shiryaev, I.E. Vlasova, B.E. Burakov, B.I. Ogorodnikov, V.O. Yapaskurt, A.A. Averin, A.V. Pakhnevich, Y.V. Zubavichus. Physico-chemical properties of Chernobyl lava and their destruction products // Progress in Nuclear Energy, 2016, DOI: 10.1016/j.pnucene.2016.07.001 (Импакт-фактор: 1.184)
10. И.Э. Власова, С.Н. Калмыков, О.Н. Батук, Н.В. Кузьменкова, О.Н. Александрова, И.А. Иванов, И.Г. Тананаев. Физико-химические формы альфа-излучающих радионуклидов в пробах донных осадков водоема 17 (В-17, старое болото) ПО «Маяк» // Вопросы радиационной безопасности, 2013.
11. Н.В. Кузьменкова, И.Э. Власова, А.К. Рожкова, В.Г. Петров, А.Ю. Романчук, Д.И. Осипов, С.Н. Калмыков, С.Н. Пряхин, О.В. Плямина, В.А. Грачев, Ю.А. Мокров. Распределение радионуклидов между биотическими и абиотическими компонентами радиоактивно-загрязненных водоемов В-17 и В-4 // Вопросы радиационной безопасности, 2017.