Радиохимия, 2019, т. 61, N 1, c. 80-83

Выщелачивание радионуклидов из образцов радиоактивного шлака

наземного ядерного взрыва на побережье Губы Черной

архипелага Новая Земля

Радиевый институт им. В. Г. Хлопина, 194021, Санкт-Петербург, 2-й Муринский пр., д. 28;

* e-mail: dubasov@khlopin.ru

Получена 11.12.2017, после доработки 04.07.2018, принята к публикации 10.07.2018

УДК 623.454.836

Представлены результаты лабораторных исследований выщелачивания радионуклидов

¹³⁷Cs и

239+240Pu дистиллированной и морской водой из образцов радиоактивного шлака от наземного ядерного

взрыва на берегу Губы Черной о-ва Южный архипелага Новая Земля - Центрального полигона РФ. При

контакте с дистиллированной водой скорость выщелачивания ¹³⁷Сs и ^239+240Pu составляет (2.7-3.5)·10^-6 и

(4.8 ± 0.3)·10^-9, а при контакте с морской водой - (0.74-5.0)·10^-6 и (1.0 ± 0.14)·10^-8 г·см^-2·сут^-1 соответст-

венно.

Ключевые слова: наземный ядерный взрыв, радиоактивный шлак, побережье Губы Черной, архипе-

лаг Новая Земля, выщелачивание ¹³⁷Cs и ^239+240Pu из радиоактивного шлака.

DOI: 10.1134/S003383111901012X

На бруствере воронки наземного ядерного взры-

располагаются в следующий ряд: ¹³¹I > ^129,132Te >

ва, проведенного на берегу Губы Черной 07.09.1957 г.

124,127Sb > ¹³⁷Cs > ²³⁷U > ^58,60Co > ^103,106Ru > ¹⁴⁰Ba >

(мощность взрыва 32 кт [1]), и вокруг нее на удале-

141,144Ce > ⁵⁴Mn > ⁸⁸Y > ⁹⁵Zr > ^239,240Pu. Скорость вы-

нии 150 м сохранились отдельные участки с корка-

щелачивания в этом ряду уменьшается от 9·10^-8 до

ми радиоактивного шлака [2]. Диаметр воронки око-

3·10^-11 г·см^-2·сут^-1. Выщелачивание радионуклидов

ло 60 м, ее глубина примерно 15 м, высота бортов

из стеклообразных материалов застывшего расплава

(навала) не превышает 2 м, а максимум выброса ра-

после ядерного взрыва в граните изучалось в работе

диоактивных пород направлен в сторону моря и бе-

[5]. В работе [6] изучался переход радионуклидов из

реговой отмели. При наземном контактном ядерном

частиц шлака, образовавшихся при подземном ядер-

взрыве подстилающая поверхность земли за счет

ном взрыве с выбросом грунта (экскавационный

ударного и теплового воздействия превращается в

взрыв) в скважине 1003 на Семипалатинском поли-

радиоактивный застывший шлак, масса которого

гоне. Имеются данные по выщелачиванию радио-

достигает примерно 300-400 т/кт. Образовавшийся

нуклидов (U, Pu, ¹⁴⁴Се, ¹⁰⁶Ru, ¹³⁷Cs) из характерных

радиоактивный расплав, содержащий до 70% ак-

видов техногенных новообразований: стекла, пемзо-

тивности, распределяется между воронкой взрыва и

стекла, металлических гранул из реакторной зоны

окружающей поверхностью в радиусе до 200 м [3].

4-го аварийного блока Чернобыльской АЭС [7-9].

Остальная часть переносится радиоактивным обла-

Ввиду того что по вещественному составу части-

ком на дальние расстояния, образуя радиоактив-

цы шлака от наземного ядерного взрыва на Новой

ный след, а мельчайшие частицы достигают страто-

Земле и взрыва на выброс на Семипалатинском по-

сферы и в дальнейшем превращаются в радиоак-

лигоне значительно различаются и, кроме того, об-

тивные глобальные выпадения. Поэтому можно

разцы шлака от новоземельского наземного взрыва

считать, что в ближней зоне данного наземного

более 40 лет испытывали влияние атмосферных

взрыва находилось около 12000 т радиоактивного

осадков, а также оказались смытыми в акваторию

материала различной дисперсности и агрегатного

Губы Черной, необходимо исследовать устойчи-

состояния.

вость таких новообразований. За время, прошедшее

В публикации [4] сообщалось, что скорость вы-

с момента испытания, значимая масса шлака, веро-

щелачивания радионуклидов из стеклообразных

ятно, оказалась смытой с берега в акваторию Губы

образцов радиоактивного расплава подземного

Черной, и вследствие этого концентрация Pu, Am в

ядерного взрыва зависит от его состава. Образцы с

донных отложениях в прибрежной зоне достигает

высоким содержанием Ca и K имеют более высо-

~7 кБк/кг. В связи с этим для получения прогнозных

кую степень выщелачиваемости по сравнению с

оценок требуется определить скорость выщелачива-

образцами от взрывов в других породах, богатых Si

ния содержащихся в радиоактивном шлаке радио-

и Al. По степени выщелачиваемости радионуклиды

нуклидов в водную (морскую) среду.

Выщелачивание радионуклидов из образцов радиоактивного шлака

Таблица 1. Удельная активность радионуклидов в пробах шлака (на дату 01.12.2004 г.), кБк/кг

Номер пробы

⁶⁰Со

¹³⁷Сs

¹⁵²Eu

¹⁵⁵Eu

²⁴¹Am

239+240Pu

12.6 ± 1.3

29.6 ± 3.0

8.4 ± 0.8

1.10 ± 0.11

25.5 ± 2.6

240 ± 24

13.2 ± 1.3

31.3 ± 3.1

7.7 ± 0.8

1.30 ± 0.13

25.5 ± 2.6

240 ± 24

10.5 ± 1.1

24.0 ± 2.4

6.9 ± 0.7

1.10 ± 0.11

20.1 ± 2.0

190 ± 19

Экспериментальная часть

изложенной в работе [11]. Для контроля химическо-

го выхода Pu в подготовленную пробу шлака вводи-

Для лабораторных экспериментов в качестве об-

ли азотнокислый раствор аттестованного индикато-

разцов было взято 3 пробы радиоактивного пористо-

ра ²⁴²Pu, навеску тщательно перемешивали, высуши-

го шлака в районе образовавшейся воронки взрыва,

вали, прокаливали и затем полностью растворяли с

различающихся как по внешнему виду, так и по

последующей очисткой. Плутоний выделяли из рас-

структуре. Основными горными породами в районе

твора путем сорбции Pu(IV) в виде комплексного

Губы Черной являются известковые песчаники, се-

аниона [Pu(NO₃)₆]^2- на анионообменной смоле АВ-

рые массивные известняки и гравийно-галечные

17×8. Из полученных фракций Pu готовили препара-

грунты с супесчаным заполнителем [10], поэтому

ты методом электролиза на полированные подложки

образовавшиеся алюмосиликатные пористые шлаки

и измеряли α-спектры. Разрешение α-спектрометра

содержат остатки кальций-магниевых минералов и

(Canberra Analyst 7200-2) для полученных препара-

могут характеризоваться повышенной выщелачивае-

тов составляло 17-30 кэВ.

мостью.

В качестве выщелачивающих агентов использо-

Проба N 1 - светло-серые полупрозрачные, мел-

вали дистиллированную воду, pH которой был дове-

коячеистые, стекловидные образования; проба N 2 -

ден до 7.4, что соответствовало наиболее часто

темно-серые до черных, стекловидные, более круп-

встречающемуся значению pH талой воды (снега), а

ноячеистые, с более утолщенными стенками между

также морскую воду (отобрана в Баренцевом море) с

порами образования; проба N 3 - шлаковидные об-

pH 7.5.

разования серого цвета с множеством мелких (до

0.5 см) включений обеленных и обезвоженных вме-

Опыты ставили в статических условиях при отно-

щающих пород. Пористость исследуемых шлаков

шении объема выщелачивающего раствора (см³) к

достигает 60-80%.

массе шлака (г) Ж : Т = 10. Через определенные ин-

тервалы времени определяли содержание γ-излу-

Во всех пробах отмечается явное наличие сохра-

чающих радионуклидов в растворах. С этой целью

нившихся карбонатных минералов, которые разлага-

40 мл раствора помещали в бюксы, которые направ-

лись с выделением газов под воздействием соляной

ляли на измерение. Далее растворы возвращали в

кислоты.

колбы, содержащие пробы шлака, и процесс выще-

В связи с разнообразием форм и размеров образ-

лачивания продолжали. Общее время контакта сред

цов радиоактивного шлака было решено провести

составляло 37 сут. Для повышения чувствительно-

опыты по выщелачиванию на образцах дробленого

сти определения содержания радионуклидов раство-

шлакообразного материала, что увеличивало удель-

ры после выщелачивания упаривали в 25 раз и далее

ную поверхность и скорость выщелачивания радио-

направляли на анализ. Содержание Pu в растворах

нуклидов. Измельченные пробы шлака рассеивали

определяли только после окончания каждого из опы-

на ситах и отбирали, как обычно, фракцию частиц с

тов, погрешность измерения также составляла 10%.

размером зерен 0.5-1.0 мм. Масса навески шлакооб-

На основании полученных данных о концентраци-

разного материала, поступающего на исследование,

ях радионуклидов в выщелачивающих агентах рас-

составляла 5 г.

считывали степень (Р, %) и скорость (R, г·см^-2·сут^-1)

Перед проведением опытов был проведен γ-спек-

выщелачивания радионуклидов по формулам

трометрический анализ и радиохимическое определе-

ние содержания ^239+240Pu в образцах шлака. В табл. 1

P = (A_L/A₀)·100%,

(1)

представлены результаты определения концентра-

R = A_Lm/(A₀St),

(2)

ции некоторых γ-излучающих радионуклидов и Pu в

где А_L - активность радионуклида в выщелачиваю-

образцах шлака.

щем растворе, Бк; А₀ - активность радионуклида в

Удельную активность исходных навесок и по-

исходной пробе образца, Бк; m - масса пробы об-

лученных растворов измеряли на аттестованном

разца, г; S - площадь поверхности образца, находя-

γ-спектрометре с Ge(Li)-детектором ДГДК-160В и

щегося контакте с раствором, см²; t - время контак-

многоканальным анализатором импульсов LP-4900B

та фаз, сут. Для S брали значение удельной поверх-

(Nokia). Погрешность измерений составляла 10%.

ности частиц размером 0.5-1.0 мм и пористостью

Содержание ^239+240Pu определяли по методике,

60-80%, равное 1300 см²·г^-1 и определенное ранее

Ю. В. Дубасов и др.

методом БЭТ для частиц размолотого шлака из по-

Таблица 2. Активность (A_L) радионуклидов в выщелате

лости подземного ядерного взрыва [5].

(дистиллированная вода), степень (Р) и скорость (R)

выщелачивания радионуклидов при длительности кон-

Результаты и обсуждение

такта фаз 37 сут

¹³⁷Сs

239+240Pu

Результаты экспериментов по выщелачиванию

Номер

А_L,

представлены в табл. 2-4. Из табл. 3 видно, что на

пробы

Р, %

Бк

г·см^-2·сут^-1

Бк

г·см^-2·сут^-1

8-е сутки для проб N 1 и 3 происходит снижение

≤0.2

≤0.13

≤2.8·10^-6

0.26

2.2·10^-2

4.5·10^-9

активности ¹³⁷Сs в выщелате, что можно объяснить

≤0.2

≤0.13

≤2.7·10^-6

0.28

2.3·10^-2

4.8·10^-9

повторной адсорбцией (реадсорбцией) ¹³⁷Сs. Подоб-

≤0.2

≤0.17

≤3.5·10^-6

0.24

2.5·10^-2

5.2·10^-9

ная картина в этом же интервале продолжительно-

сти эксперимента, но с обратным знаком (десорб-

Таблица 3. Активность ¹³⁷Сs (Бк) в выщелате (морская

ция) наблюдалась в работе [12]. Там на 10-15-е су-

вода) в зависимости от длительности контакта фаз

тки при исследовании сорбции ¹³⁷Cs на диорите в

природной грунтовой воде с высоким минеральным

Номер пробы

1 сут

8 сут

21 сут

37 сут

содержанием происходило повышение концентра-

29.5

23.5

ции ¹³⁷Cs в растворе, что, по мнению авторов, было

7.5

обусловлено десорбцией.

2.5

3.5

4.5

В опытах с дистиллированной водой не удалось

Таблица 4. Активность радионуклидов (Бк) в выщелате

проследить за динамикой изменения содержания

(морская вода), степень (Р) и скорость выщелачивания

¹³⁷Сs в растворах во времени из-за его низкой актив-

(R) радионуклидов при длительности контакта фаз

ности и недостаточной чувствительности методики,

37 сут

поэтому представленные в табл. 2 данные по выще-

¹³⁷Сs

239+240Pu

лачиванию ¹³⁷Сs носят лишь ориентировочный ха-

Номер

А_L,

рактер. Степень выщелачивания Р Pu из всех иссле-

пробы

Р, %

Бк

г·см^-2·сут^-1

Бк

г·см^-2·сут^-1

дуемых образцов шлака лежит в интервале (2.2-

24.3

5.0·10^-6

0.55

4.6·10^-2

0.95·10^-8

2.5)·10^-2%, а скорость выщелачивания R составила

7.5

4.8

1.0·10^-6

0.50

4.2·10^-2

0.87·10^-8

(4.5-5.2)·10^-9 г·см^-2·сут^-1.

4.3

3.6

0.74·10^-6

0.55

5.8·10^-2

1.2·10^-8

При проведении опытов с морской водой актив-

ность ¹³⁷Сs в растворах стала выше, чем в экспери-

лированной водой составляет 0.13-0.17%, ^239+240Pu -

менте с дистиллированной водой. Это дало возмож-

(2.2-2.5)·10^-2%. Скорость выщелачивания дистилли-

ность проследить за изменением активности ¹³⁷Сs в

рованной водой составляет для Pu в среднем (4.8 ±

растворах во времени. Из табл. 3 видно, что актив-

0.3)·10^-9 г·см^-2·сут^-1. При использовании морской

ность ¹³⁷Сs в растворах со временем постепенно воз-

воды степень выщелачивания возрастает и для ¹³⁷Сs

растает и через 37 сут достигает значений, намного

составляет 3.6-24.3%, а для ^239+240Pu - (4.2-5.8)·10^-2%.

превышающих активность при контакте шлака с

Скорость выщелачивания морской водой составляет

дистиллированной водой (табл. 2). Наиболее интен-

для Pu в среднем (1.0 ± 0.14)·10^-8 г·см^-2·сут^-1. Как и

сивно ¹³⁷Сs выщелачивался из шлака в пробе N 1.

следовало ожидать, морская вода в данном случае

является более агрессивным выщелачивающим

Результаты определения Pu в выщелате морской

агентом, чем дистиллированная. Так как значения

воды (табл. 4) показывают, что его активность в

pH используемых растворителей были близки, то

растворе и степень выщелачивания приблизительно

различие в степени выщелачивания обусловлено

в два раза выше, чем в случае контакта с дистилли-

наличием солей в морской воде. Полученные значе-

рованной водой. Сопоставление полученных ре-

ния скорости выщелачивания R радионуклидов дис-

зультатов с данными исследований [4, 5] свидетель-

тиллированной водой из образцов шлака от назем-

ствует о том, что образовавшийся при наземном

ного ядерного взрыва на архипелаге Новая Земля

взрыве на берегу Губы Черной шлак менее устой-

составляют (4.8 ± 0.3)·10^-9 г·см^-2·сут^-1 для ^239+240Pu и

чив к выщелачиванию атмосферными осадками и

(2.2 ± 2)·10^-6 г·см^-2·сут^-1 для ¹³⁷Сs, что на 2-3 поряд-

разрушению, чем образцы силикатных шлаков и

ка выше, чем для образцов радиоактивного распла-

стекол, образовавшихся при ядерных взрывах.

ва, извлеченных из полостей ядерных взрывов в

Таким образом, результаты исследований выще-

граните на Семипалатинском полигоне [5]. Это объ-

лачиваемости образцов радиоактивного шлака от

ясняется тем, что состав грунта в месте проведения

наземного ядерного взрыва в 1957 г. на архипелаге

наземного ядерного взрыва в 1957 г. на берегу Губы

Новая Земля (побережье Губы Черной) показали,

Черной отличается от минерального состава грани-

что при выбранных условиях проведения опытов

та и содержит значительные концентрации кальций-

через 37 сут степень выщелачивания ¹³⁷Сs дистил-

магниевых карбонатных минералов, а также резуль-

Выщелачивание радионуклидов из образцов радиоактивного шлака

татом старения шлака, пролежавшего на поверхно-

кое состояние полигонов / Под ред. Н. П. Волоши-

на, К. Н. Даниленко, Ю. В. Дубасова и др. М.: ИздАТ,

сти почти 40 лет и подвергавшегося воздействию

2002.

атмосферных осадков. Таким образом, проведенные

[3] The Effects of Nuclear Weapons / Eds S. Glasstone, P. J. Do-

нами исследования показывают, что действительно

lan. Washington, DC: US Department of Defense and US

образцы радиоактивных шлаков с высоким содер-

Department of Energy, 1977. 3rd Ed.

жанием Са имеют более высокую выщелачивае-

[4] Smith D. K. Review of literature pertaining to the leaching

and sorption of radionuclides associated with nuclear explo-

мость по сравнению с образцами от взрывов в дру-

sive melt glasses: Report UCRL-ID-113370. Lawrence Liver-

гих породах, богатых Si и Al. Старение стеклообраз-

more National Laboratory, CA, 1993.

ных материалов, как известно, также приводит к

[5] Дубасов Ю. В., Смирнова Е. А., Малимонова С. И. // Ра-

более эффективному выщелачиванию. Частицы

диохимия. 2012. T. 54, N 3. C. 274-282.

шлака, смытые с побережья в Губу Черную, под

[6] Израэль Ю. А., Петров В. Н., Прессман А. Я. и др. Радио-

активное загрязнение природных сред при подземных

действием морской воды подвергаются более интен-

ядерных взрывах и методы его прогнозирования / Под

сивному выщелачиванию, чем на суше.

ред. Ю. А. Израэля. Л.: Гидрометеоиздат, 1970.

Авторы благодарят сотрудников лаборатории

[7] Рогозин Ю. М., Смирнова Е. А., Савоненков В. Г. и др. //

Радиохимия. 1991. T. 33, N 4. C. 160-167.

В. И. Васильева, Е. И. Высторобскую, П. Б. Малахо-

[8] Рогозин Ю. М., Смирнова Е. А., Савоненков В. Г. и др. //

ва, Н. В. Сковородкина и В. В. Смирнову, прини-

Радиохимия. 1993. T. 35, N 1. C. 166-171.

мавших участие в проведении экспериментальной

[9] Одинцов А. А. // Проблеми безпеки атомних електро-

части работы.

станцій i Чорнобиля. 2012. Вип. 19. С. 70-80.

[10] Ядерные взрывы в СССР. Северный испытательный по-

лигон / Под ред. В. Н. Михайлова, Ю. В. Дубасова,

Список литературы

А. М. Матущенко. СПб.: Радиевый ин-т им. В. Г. Хлопи-

на, 1999. 2-е изд.

[1] Ядерные испытания СССР. Общие характеристики. Цели.

[11] Krivokhatskу А. S., Dubаsоv Yu. V., Smirnоvа Е. A. et al. //

Организация ядерных испытаний СССР

/ Под ред.

J. Rаdiоаnаl. Nuсl. Сhеm. 1991. Vоl. 147, N 1. P. 141-151.

В. Н. Михайлова. М.: ИздАТ, 1997.

[12] Субботин С. Б., Дубасов Ю. В., Коровина О. Ю., Смирно-

[2] Ядерные испытания СССР: современное радиоэкологичес

ва Е. А. // Радиохимия. 2014. T. 56, N 5. C. 477-480.