354
Радиохимия, 2019, т. 61, N 4, c. 354-359
Уменьшение фона глобальных выпадений 137Cs на инспектируемой
территории как признак для поиска радиационной аномалии
скрытого подземного взрыва или артефакта
© Ю. В. Дубасов*а, С. С. Гаврилина, Л. И. Ильина
а Радиевый институт им. В. Г. Хлопина, 194021, Санкт-Петербург, 2-й Муринский пр., д. 28;
* e-mail: dubasov@khlopin.ru
Получена 24.08.2018, после доработки 20.11.2018, принята к публикации 27.11.2018 УДК 623.454.84:546.36.02*137
Ранее было замечено, что после ядерных взрывов в некоторых вертикальных скважинах на Семипа-
латинском полигоне плотность загрязнения грунта 137Cs заметно уменьшалась по сравнению с фоном
глобальных выпадений 137Cs. Наличие данного эффекта проверялось в 1997-1999 гг. вокруг 10 подго-
товленных для ядерных испытаний вертикальных скважин, а также 3 скважин после проведенных ядер-
ных испытаний. При обследовании снимали γ-спектры с Ge(Li)- и NaI(Tl)-детекторами и отбирали про-
бы грунта. Исследования показали, что в радиусе около 100 м вокруг обследованных скважин поверх-
ностная активность 137Cs действительно уменьшилась. Это происходит вследствие выполнения большо-
го объема работ при создании испытательной скважины, приведших к перемещению поверхностного
покрова на площадке. Такой эффект может послужить дополнительным признаком для поиска необъяв-
ленного ядерного взрыва при проведении инспекции на месте.
Ключевые слова: уровень глобальных выпадений 137Cs, бывший Семипалатинский полигон, пло-
щадка Балапан, мобильная γ-спектрометрическая лаборатория, инспекция на месте, Договор о запреще-
нии ядерных испытаний.
DOI: 10.1134/S0033831119040129
центрации радионуклидов наблюдаются у оголовков
Введение
скважин. И только на приустьевых площадках 10
Ранее в конце 1980-х гг. при подготовке Договора
скважин обнаружено радиоактивное загрязнение
о всеобщем запрещении ядерных испытаний
почвенного покрова. Обычно примерно в 40% слу-
(ДВЗЯИ) Радиевый институт разрабатывал одну из
чаев [2] после ПЯВ происходит слабое истечение
методик для проведения инспекции на месте (ИНМ)
газов и на поверхности технологической площадки
[1]. При обследовании одного из проведенных под-
могут выпадать дочерние продукты радионуклидов
земных ядерных взрывов (ПЯВ) в вертикальной
благородных газов Kr и Xe (РБГ). Состав дочерних
скважине на испытательной площадке «Балапан»
радионуклидов (активный осадок) зависит от момен-
Семипалатинского полигона было замечено, что по-
та начала истечения газовой фазы из центральной
сле этого взрыва плотность загрязнения грунта 137Cs
зоны подземного взрыва, так как радионуклиды РБГ
на технологической площадке заметно уменьшилась
имеют различные периоды полураспада. Например,
по сравнению с первоначальным уровнем регио-
137Хе распадается в 137Cs с Т1/2 =3.8 мин, а предшест-
нального фона глобальных выпадений. Для обследо-
венник 90Sr - 90Kr - с Т1/2 = 32.3 с.
вания использовали автомобильный сцинтилляцион-
ный спектрометр «Нива-2». Как только спектрометр
В тех местах испытательной площадки
«Балапан», где не происходило истечения РБГ, уро-
«Нива-2» покидал пределы технологической пло-
щадки, пик полного поглощения 137Cs в специаль-
вень регионального фона глобальных выпадений
ном окне начинал увеличиваться, и наоборот, при
оставался прежним, соответствующим фону за пре-
возвращении на площадку этот фотопик заметно
делами как испытательных площадок, так и самого
уменьшался.
Семипалатинского полигона. Поэтому обнаружен-
ный нами эффект вызывал необходимость проверки
В составе Семипалатинского полигона СССР
и выяснения причин данного явления, а также уста-
имелась испытательная площадка «Балапан» для
новления закономерности этого с целью возможного
проведения подземных ядерных взрывов в верти-
применения в интересах ДВЗЯИ.
кальных скважинах. На площадке «Балапан» общей
площадью 780 км2 было проведено 105 подземных
При проведении в конце 1990-х гг. работ по ра-
ядерных испытаний. Обследования приустьевых
диационному обследованию бывшего Семипалатин-
площадок скважин показали, что в большинстве слу-
ского полигона было решено проверить наличие
чаев радиационные параметры не превышают допус-
данного эффекта на испытательной площадке Бала-
тимых значений для полигонов. Максимальные кон-
пан данного полигона, на которой осталось 10 под-
Уменьшение фона глобальных выпадений 137Cs на инспектируемой территории
355
готовленных, но не использованных для ядерных
испытаний вертикальных скважин. Три из них были
выбраны для проведения калибровочных взрывов с
использованием обычных ВВ. Для выяснения влия-
ния химического взрыва на изменение фона глобаль-
ных выпадений 137Cs вблизи зарядной скважины в
1997 г. были определены параметры радиационного
поля вокруг скважин NN 1311, 1349 и 1381 до нача-
ла проведения в них калибровочных взрывов [3].
Экспериментальная часть
Для исследований искомого эффекта использо-
вался метод непосредственной γ-спектрометрии на
местности (in situ). Гамма-спектрометрические изме-
рения вокруг всех скважин проводили одновременно
двумя спектрометрами с Ge(Li)-детекторами, уста-
новленными в выбранных для обследования точках
по радиальным профилям. Оба детектора имели
примерно равную расчетную для полевых условий
Маршрут движения
чувствительность ~80 мм2 при относительной эф-
авто-γ-спектрометра «Нива-2»
фективности 15%. На каждой из технологических
Зона видимости Ge(Li)-детектора
площадок обследуемых скважин было проведено по
6-8 измерений, длительность измерения составляла
Рис. 1. Схема радиационного обследования технологической
30 мин. Крайние от скважины точки размещались по
площадки скважины 1350. Типичная схема обследования.
возможности за пределами инженерно-технической
деятельности на участках с нетронутым травяным
полнения измерений МВИ и методике выполнения
покровом [3, 4].
расчетов МВР для сертификации.
Затем в 1999 г. [5] проводили обследование тех-
На рис. 1 показана типичная схема обследования
нологических площадок скважин, в которых были
на технологических площадках вокруг скважин.
проведены ядерные взрывы полного камуфлета без
истечения РБГ. Предварительный осмотр всех при-
На выбранных технологических площадках так-
устьевых площадок испытанных скважин показал,
же отбирали послойные пробы грунта на глубину до
что по условиям рельефа площадок наиболее удоб-
20 см (шаг 5 см), было отобрано 18 проб и несколько
ными для обследования являются площадки сква-
проб за пределами площадок. Лабораторные измере-
жин NN 1350, 1365, 1410 и 1412. На этих площадках
ния проб показали, что в большинстве случаев закон
после взрыва практически не было остаточного под-
распределения активности 137Cs в грунте по глубине
нятия грунта и радиационный фон практически не
близок к экспоненциальному.
отличался от естественного для площадки Балапан.
Средняя мощность дозы γ-излучения на обследо-
Для обследования были выбраны площадки трех
ванных площадках скважин была в интервале значе-
следующих скважин: NN
1350
(49°52'43" с.ш.,
ний от 0.12 до 0.14 мкЗв/ч, а средняя плотность по-
78°49'22" в.д.), 1365 (49°59'17" с.ш., 78°54'10" в.д.) и
тока β-частиц - 11-26 частиц/(см2·мин), что соответ-
1412 (50°02'45" с.ш., 78°58'05" в.д.). Вокруг каждой
ствовало фоновым уровням для территории площад-
скважины проводили измерение мощности дозы и
ки Балапан вне пределов испытательного поля.
снятие γ-спектров с помощью Ge(Li)-спектрометров,
устанавливаемых в 17 точках на площадке размером
Чувствительность сцинтилляционного спектро-
200 × 200 м2, экспозиция съемки 30 мин; минималь-
метра «Нива-2» позволяет измерять уровни загряз-
но-детектируемая поверхностная активность (МДПА)
нения поверхности глобальными радиоактивными
составляла 0.35 кБк/м2. С помощью автомобильного
выпадениями (≤0.05 Ки/км2 = 1.85 кБк/м2 137Cs) при
γ-спектрометра «Нива-2» с 4 NaI(Tl)-детекторами
скорости движения автомобиля 10 км/ч. На обсле-
объемом 3 л каждый на этих же технических площад-
дуемой площади были проложены маршруты по
ках, но с бóльшим охватом обследования размером
прямоугольной сетке так, чтобы расстояние между
400 × 400 м2 снимали спектры в 64 точках по восьми
ними было 30-50 м. Таким образом, вся обследуемая
радиальным профилям, экспозиция в точке записи
область была перекрыта измерениями сцинтилляци-
спектра была 10 мин, МДПА = 0.21 кБк/м2. Поверх-
онного спектрометра. Для детализации картины в
ностную активность 137Cs рассчитывали по подготов-
регулярных точках, которые были выбраны на мес-
ленной в Радиевом институте в 1996 г. методике вы-
те, проводили измерения с Ge(Li)-спектрометром.
356
Ю. В. Дубасов и др.
Во всех точках обследования был виден фотопик
Таблица 1. Поверхностная активность 137Cs (кБк/м2) в
137Cs небольшой интенсивности (на уровне регио-
точках наблюдения вокруг скважины N 1311, по данным
измерений in situ в 1997 и 1998 гг.
нальных глобальных выпадений), обсчитываемый с
относительной неопределенностью 3%. Для столь
Расстояние от сква-
Номер точки
1997
1998
низких активностей (величины пика в спектре), как
жины по азимуту, м
показали расчеты, характер распределения
137Cs
P1
0
3.7
0.29
практически не влияет на конечный результат, однако
P2
40 Ю
1.3
0.25
было принято экспоненциальное распределение, как
P3
60 В
1.2
0.47
наиболее реальное для данной местности. Основными
P4
70 Ю
1.7
0.55
γ-излучателями в обследованных точках являются
P5
100 В
1.7
2.1
естественные радионуклиды 40K, семейства 238U, се-
P6
100 Ю
1.0
1.65
мейства 232Th. При обработке результатов измерений
Среднее ± СКО
1.8 ± 1.0
0.89 ± 0.79
грунт площадки моделировался диском с экспонен-
циальным распределением по глубине для 137Cs и
Таблица 2. Поверхностная активность 137Cs (кБк/м2) в
равномерным для естественных радионуклидов.
точках наблюдения вокруг скважины N 1349, по данным
Максимум распределения 137Cs даже в 2010 г. по-
измерений in situ в 1997-1998 гг.
прежнему приходился на верхние слои почв Семипа-
Расстояние от сква-
латинского полигона, а удельная активность грунта в
Номер точки
1997
1998
жины по азимуту, м
некоторых точках отбора менялась от 1 до 3 Бк/кг [6].
Р1
30 С
-
0.22
Для нахождения коэффициентов перехода от ско-
P2
30 Ю
2.2
0.08
рости счета импульсов, зарегистрированных в пике
P3
60 С
1.4
1.33
полного поглощения, к параметрам распределения
P4
60 Ю
2.2
0.33
активности в источнике γ-излучения была проведена
P5
90 С
2.3
2.6
калибровка γ-спектрометров (с помощью точечных
P6
90 Ю
2.2
1.1
образцовых γ-источников). Основная неопределен-
Среднее ± СКО
2.1 ± 0.4
0.94 ± 0.96
ность в вычислении поверхностной активности была
обусловлена точностью модели распределения 137Cs по
Таблица 3. Поверхностная активность 137Cs (кБк/м2) в
глубине; общая неопределенность составила 20-25%.
точках наблюдения вокруг скважины N 1381, по данным
Для упрощения задачи можно было бы сравни-
измерений in situ в 1997-1998 гг.
вать только количество импульсов, зарегистриро-
Расстояние от сква-
ванных в пике полного поглощения 137Cs (662 кэВ)
Номер точки
1997
1998
жины по азимуту, м
на площадках и за их пределами, но мы для большей
Р1
15 З
0.27
наглядности вычисляли плотность загрязнения 137Cs.
P2
15 В
1.4
0.67
P3
60 З
1.4
0.35
Результаты и обсуждение
P4
60 В
1.6
1.14
В табл. 1-3 представлены результаты обследова-
P5
90 З
2.4
3.4
ния технологических площадок скважин после про-
P6
90 В
2.0
2.35
ведения в них калибровочных взрывов с помощью
Среднее ± СКО
1.8 ± 0.4
1.4 ± 1.3
обычных ВВ и для сравнения приведены результаты
обследования этих же площадок в 1997 г.
При обследовании на площадке Балапан исполь-
Уровень фона 137Cs на площадках скважин NN
зовали полевые γ-спектрометры с Ge(Li)- и NaI(Tl)-
1311, 1349 и 1381 до проведения калибровочных
детекторами, позволяющие записывать информацию
взрывов в 1997 г. уже был ниже регионального уров-
о спектральном составе γ-излучателей с поверхности
ня фона глобальных выпадений, так же как и на дру-
радиусом ~18 м, что само по себе позволяет полу-
гих подготовленных для испытаний скважинах. По-
чить интегральную представительную информацию.
сле уничтожения в результате калибровочных взры-
Среднее значение поверхностной активности 137Cs
вов этих трех скважин наше обследование в 1998 г.
на 12 площадках неиспользованных скважин оказа-
показало, что фон по 137Cs стал еще ниже.
лась ниже регионального уровня глобальных выпа-
При обследовании площадки скважины N 1349
дений 2.0-2.5 кБк/м2 (2.7-3.3 Бк/кг) на момент 1997-
спектрометры располагали на одной линии с оголов-
1999 гг. для Семипалатинского полигона в целом и
ком скважины, расстояние между точками съемки
для площадки Балапан в частности. Результаты об-
было 30 м. При обследовании площадки скважины
работки измерений γ-спектрометрами in situ на всех
N 1381 спектрометры также располагали на удале-
площадках обследованных скважин представлены в
нии 30 м друг от друга, причем оголовок скважины
табл. 4. Значения средних значений активностей 40K,
находился между точками Р1 и Р2.
238U, 232Th в 1998 г. практически совпали с результа-
Уменьшение фона глобальных выпадений 137Cs на инспектируемой территории
357
Таблица 4. Средняя поверхностная активность 137Cs (кБк/м2) на технологических площадках вокруг неиспользован-
ных скважин NN 1071бис, 1074, 1327, 1330, 1343, 1383, 1386, 1389, 1409, 1419, а также скважин, в которых проводи-
лись ядерные испытания, по данным измерений in situ
Среднее ±
Число точек
Интервал
Годы
Номер скважины
Дата ядерного испытания [7]
СКО
снятия спектра
изменения
обследования
1311
1.8 ± 1.0
6
1.0-3.7
1997
Не использовалась
1311
0.89 ± 0.79
6
0.25-2.1
1998
Уничтожена взрывом ВВ
1349
2.1 ± 0.4
6
1.4-2.3
1997
Не использовалась
1349
0.94 ± 0.96
6
0.08-2.6
1998
Уничтожена взрывом ВВ
1381
1.8 ± 0.4
6
1.4-2.4
1997
Не использовалась
1381
1.4 ± 1.3
6
0.3-3.4
1998
Уничтожена взрывом ВВ
1071бис
1.22 ± 0.33
8
0.7-1.1
1997
Не использовалась
1389
0.92 ± 0.4
6
0.4-2.2
1997
» »
1074
1.45 ± 0.58
6
1.0-2.5
1997
» »
1327
0.96 ± 0.66
6
0.4-2.0
1997
» »
1330
1.31 ± 0.53
6
0.5-1.8
1997
» »
1343
1.02 ± 0.31
6
0.7-1.5
1997
» »
1383
1.57 ± 0.55
6
0.7-2.0
1997
» »
1386
0.61 ± 0.22
7
0.2-0.9
1997
» »
1409
1.69 ± 0.78
6
0.8-2.6
1997
» »
Среднее для 12 скважин
1.4 ± 0.5
0.2-3.7
Проводились ядерные испытания
0.83 ± 0.6
17 Ge
0.05-1.8
1350 (СЭКа)
1999
14.09.88, W = 20-150 ктб
0.64 ± 0.48
53 NaI
0.21-2.0
1.8 ± 1.3
17 Ge
0.35-2.9
1412
1999
12.11.88, W = 0.001-20 кт
2.1 ± 1.0
62 NaI
0.21-3.49
1.85 ± 1.3
17 Ge
0.35-2.7
19.10.89, W = 20-150, 0.001-20,
1365
1999
1.30 ± 0.77
69 NaI
0.21-2.83
0.001-20 кт
а Совместный советско-американский эксперимент.
б W - мощность взрыва, кт ТНТ; Ge - точечная съемка с Ge(Li)-спектрометром; NaI - автомобильная сцинтилляционная съемка.
м
м
м
м
Рис. 2. Изолинии распределения 137Cs на поверхности технологической площадки вокруг скважины 1350 (СЭК), кБк/м2.
тами, полученными при радиационном обследова-
На рис. 2-4 показаны изолинии распределения
нии этих же площадок в 1997 г. В то же время раз-
137Cs в районе скважин NN 1350, 1365 и 1412, по-
брос значений активности 137Cs в различных точках
строенные по данным Ge(Li)-γ-спектрометрической
вокруг скважин увеличился, но при этом средняя
съемки (а) и автомобильной сцинтилляционной NaI
поверхностная активность уменьшилась.
(Tl)-γ-спектрометрической съемки (б).
358
Ю. В. Дубасов и др.
м
м
м
м
м
м
м
м
Рис. 3. Изолинии распределения 137Cs на поверхности техно-
Рис. 4. Изолинии распределения 137Cs на поверхности техно-
логической площадки вокруг скважины 1365, кБк/м2.
логической площадки вокруг скважины 1412, кБк/м2.
Из рис. 2 видно, что область пониженных значе-
жин имеется центральное пятно площадью около
ний поверхностной активности 137Cs занимает цен-
104 м2 с пониженной плотностью загрязнения 137Cs
тральную часть площадки в форме эллипса с разме-
(почти в 2 раза меньше уровня регионального фона
рами 140 × 130 м, на которой поверхностная ак-
глобальных выпадений). Варьирование поверхност-
тивность137Cs меняется от 0.05 до 1.0 кБк/м2, а сред-
ной активности 137Cs хорошо видно из данных табл. 4.
нее значение для этой площади составляет 0.51 ±
Автомобильная γ-съемка в случае измерения по-
0.36 кБк/м2 по данным измерений только в 12 точ-
верхностного загрязнения
137Cs оказалась более
ках.
представительной ввиду бóльшего количества изме-
Для площадки скважины N 1365 (рис. 3) поверх-
рений.
ность с пониженной плотностью загрязнения 137Cs
Как видно из данных табл. 4, для площадок сква-
от 0.35 до 1.5 кБк/м2 также представлена централь-
жин NN 1350, 1365 и 1412 γ-спектрометрическая
ным пятном размерами 115 × 100 м, средняя величи-
съемка, проведенная двумя различными методика-
на для этой площади составляет 0.88 ± 0.53 кБк/м2
ми, показала примерно одинаковую картину и близ-
по результатам полученных спектров только в 7 точ-
кие результаты, обнаружив существенное снижение
ках. Такая же картина получается для площадки
регионального фона глобальных выпадений 137Cs
скважины N 1412 (рис. 4), здесь центральное пятно
после ядерных испытаний в указанных скважинах.
имеет размер 90 × 70 м, а средняя поверхностная
активность составляет 0.92 ± 0.54 кБк/м2 по данным
Представленные на рис. 2-4 данные по поверхно-
спектров в 8 точках; интервал изменения для цен-
стной активности 137Cs показывают существенный
трального пятна от 0.35 до 1.5 кБк/м2.
разброс (пятнистость) в различных точках вокруг
Таким образом, на площадках испытанных сква- скважин, в то время как разброс активности 40K,
Уменьшение фона глобальных выпадений 137Cs на инспектируемой территории
359
238U, 232Th в разных точках вокруг скважин относи-
зован при проведении инспекции на месте в рамках
тельно мал, так как 40K, 238U, 232Th распределены по
ДВЗЯИ.
глубине грунта практически равномерно, а 137Cs со-
Разработанная нами методика с применением
средоточен в верхнем
5-10-сантиметровом слое
автомобильного высокочувствительного сцинтилля-
грунта. Анализ показал, что в радиусе 50-100 м во-
ционного спектрометра и Ge-спектрометров позво-
круг испытанных скважин радиационное поле 137Cs
ляет осуществлять высококачественный радиологи-
становится ниже регионального уровня глобальных
ческий контроль: выявлять те объекты на местности,
выпадений. Глобальный уровень выпадений 137Cs
где проводились работы, приводящие к значительно-
иногда появляется в крайних точках обследования,
му перемещению грунта, нарушающего естествен-
т.е. за пределами технологической площадки. Види-
ное для данного района распределение искусствен-
мые следы проведения этих работ обнаруживаются
ных радионуклидов, а именно 137Cs от глобальных
во многих местах обследованных площадок, и, по
выпадений в поверхностном (5-10 см) слое земли.
нашему мнению, понижение содержания 137Cs в слое
грунта, безусловно, является результатом инженер-
По нашему мнению, обнаруженный эффект мож-
но-технической деятельности при работах по буре-
но использовать в качестве поискового признака в
нию и созданию испытательной скважины.
методике проведения инспекции на месте.
Авторы признательны сотрудникам лаборатории
Заключение
к.ф.-м.н. Е. И. Бирюкову, В. К. Ермилову,
М. Н. Москалеву, П. Б. Малахову и Б. О. Шагину за
Таким образом, проведенные в 1997-1999 гг. ис-
активное участие в полевых исследованиях и обра-
следования на площадке Балапан бывшего Семипа-
ботке полученной информации.
латинского полигона показали, что в результате
взрыва полного камуфлета (без истечения и проса-
Список литературы
чивания радиоактивных благородных газов) может
[1] Договор о всеобъемлющем запрещении ядерных испыта-
происходить искажение радиационного поля в сто-
ний (ДВЗЯИ), принят Генеральной Ассамблеей ООН
рону снижения регионального уровня глобальных
10 сентября 1996 г. Вена, 2013.
выпадений 137Cs, обусловленное в основном подго-
[2] Dubasov Yu. V. // Pure Appl. Geophys. 2010. Vol.
167.
P. 455-461.
товительными строительно-монтажными работами.
[3] Дубасов Ю. В., Баранов Ю. И., Бирюков Е. И. и др. Радио-
Поэтому, с нашей точки зрения, этот эффект являет-
логическое обследование двенадцати испытанных ракет-
ся в основном результатом инженерно-технической
ных шахт и десяти порталов штолен в массиве Дегелен в
деятельности в период подготовки скважины и тех-
Республике Казахстан: Заключительный отчет о полевых
нологической площадки к ядерному испытанию, и
исследованиях. СПб.: Радиевый ин-т им. В. Г. Хлопина,
1997.
обнаруживаемая пятнистость (неравномерность)
[4] Дубасов Ю. В., Бирюков Е. И., Гаврилин С. С. и др. Радио-
плотности загрязнения грунта 137Cs является допол-
логическое исследование испытательной площадки Бала-
нительным подтверждением обнаруженного оста-
пан и горного массива Дегелен: Заключительный отчет.
точного явления.
СПб.: Радиевый ин-т им. В. Г. Хлопина, 1998.
[5] Дубасов Ю. В., Бирюков Е. И., Гаврилин С. С. и др. Радио-
На площадках созданных скважин, в которых
логические исследования испытательной площадки Бала-
взрыв не проводился, также происходит снижение
пан и горного массива Дегелен в Республике Казахстан
регионального фона глобальных выпадений вслед-
после уничтожения объектов: Заключительный отчет.
СПб.: Радиевый ин-т им. В. Г. Хлопина, 1999 г.
ствие работ по созданию скважин. Это может по-
[6] Дубасов Ю. В., Бирюков Е. И., Гаврилин С. С. и др. Радио-
служить дополнительным признаком, указывающим
экологические обследования, связанные с выполнением
на проведение скрытого (необъявленного) ядерного
работ на объектах D, D2 и D4 бывшего Семипалатинского
взрыва. Такой же эффект можно ожидать и на при-
полигона: Отчет о выполнении работ по этапу 0037, ян-
варь-март 2010 г. СПб.: Радиевый ин-т им. В. Г. Хлопина,
устьевой площадке в случае проведения скрытого
2010.
ядерного взрыва в горизонтальной выработке
[7] Ядерные испытания СССР / Под ред. В. Н. Михайлова.
(штольне). Выявленный эффект может быть исполь-
М.: ИздАТ, 1997.