Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 503, № 2, стр. 172-177

ВВЕДЕНИЕ

После запрета в 1963 г. испытаний ядерного оружия в высоких слоях атмосферы сохраняется циркуляция радиоактивной “пыли”, которая поддерживается в том числе выбросами действующих атомных реакторов [1–3]. В настоящее время в мире эксплуатируется 441 ядерный энергоблок на 190 атомных электростанциях. Вероятно, такое же количество действующих реакторов размещено на судах военного и гражданского флота. При эксплуатации и ремонтных работах на АЭС, атомоходах и прочих ядерных объектах происходит выброс газов и аэрозольных частиц размером менее 50 мкм. В практической работе имеют место неплановые выбросы в атмосферу радиоактивных веществ. Совокупная роль таких выбросов в балансе радиационного загрязнения атмосферы требует постоянного внимания и оценки.

С мая 1986 г. основным источником радиоактивного загрязнения атмосферы стала аварийная Чернобыльская АЭС [1, 3]. В 2011 г. после аварии на АЭС “Фукусима-1” возрос фон атмосферного загрязнения в Северном полушарии [5–7]. На Европейской территории России (ЕТР) выпадения выбросов АЭС фиксировались в конце марта–средине апреля [5]. В Ростовской области средняя годовая концентрация ¹³⁷Cs в воздухе возросла в 20 раз до 29.3 × 10⁷ Бк/м³ [5, 6].

В спектре техногенной радиоактивности основной потенциал загрязнения закономерно связывается с относительно долгоживущими ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr. В то же время не менее важна роль короткоживущих изотопов – ¹³⁴Cs, ¹³³Xe, ¹³⁷Xe, ¹³¹I, ¹³²I, ¹³²Te и др. [3–5, 8–10]. Пример атмосферного трансграничного переноса ¹³⁴Cs в северном полушарии, после аварий на Чернобыльской АЭС и на АЭС “Фукусима-1”, определяет актуальность изучения роли аэрозольных выбросов радионуклидов в наземной и морской среде, биоте. Для южных районов европейской части России более важно изучение влияния выбросов Ростовской АЭС на морские и пресноводные водоемы. Эти выбросы ежегодно варьируются на несколько процентов. В 2018 г. суммарная эмиссия ⁶⁰Со, ¹³¹I, ¹³⁴Cs, ¹³⁷Cs составляла около 1.6 × 10⁶ Бк, а инертных радиоактивных газов (ИГР) 8.4 × 10¹³ Бк [9].

ЦЕЛЬ НАСТОЯЩЕЙ РАБОТЫ

На основе систематизации радиоэкологических материалов, полученных ММБИ и ЮНЦ с 1997 г. в экспедициях по Азово-Донскому бассейну и литературных источников [1–8], представить общую географическую картину седиментации искусственных радионуклидов, динамику их концентрации в донных отложениях южных морей в сравнении с морями Севера России. Базируясь на доступных данных, определить признаки возможного влияния радиоактивных газоаэрозольных выбросов Ростовской АЭС и усовершенствовать методику мониторинга, опираясь на опыт авторов в радиоэкологическом изучении арктических морей в районах атомных объектов на Новой Земле, в губах Кольского залива, в губе Андреева с 1991 г. [2–4, 7, 12].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Исследование проведено на основе анализа собственных наблюдений в северных и южных морях (более 1 тыс. измерений за период с 1990-х гг. по 2020 г.) и литературных данных. Для оценки специфики местных источников, в 2020 г. образцы донных осадков были отобраны в Цимлянском водохранилище – на удалении 5–8 км от АЭС, в авандельте Дона и взморье Таганрогского залива – на удалении 250 и 300 км, на шельфе Каспия – в 600 км от АЭС (рис. 1). Точки отбора проб расположены вниз по течению Дона и в направлении воздушного переноса инертных газов на Каспий. Анализ ситуации затрудняли, в некоторых случаях, низкие концентрации и фрагментарность распространения загрязнителей. В других случаях возможен недоучет короткоживущих элементов (¹³⁴Cs, ¹²¹I) в связи с продолжительностью ожидания измерений [3, 7].

Рис. 1.

Картосхема отбора донных отложений в 2021 г.

Гранулометрический состав донных отложений изучался с помощью лазерного анализатора Ласка-ТД (Гост Р 8.777-2011 ГСИ), ускоряющего разделение алевритовой и пелитовой фракций в пробах донных осадков.

Радиометрический анализ проб выполнен в ММБИ. Удельная активность радиоактивных изотопов цезия измерена на спектрометрах γ-излучения “InSpector-2000”, рентгеновского и γ-излучения “b13237” (“Caberra”, США). Спектры проанализированы с помощью программного обеспечения Genie-2000.

Определение удельной активности ⁹⁰Sr в пробах проведено радиохимическим методом, согласно которому активность ⁹⁰Sr устанавливается опосредованно, по активности равновесного ⁹⁰Y в счетных образцах. Измерения выполнены на установке LS-6500 (“Beckman Instruments Inc.”, США).

Данные по удельной активности ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr в донных отложениях приведены в расчете на 1 кг сухой массы осадка.

КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РОСТОВСКОЙ АЭС

Ростовская атомная станция расположена на берегу Цимлянского водохранилища, в 13 км от Волгодонска (рис. 1). Эксплуатируются четыре энергоблока: № 1 – с 2001 г., № 2 – с 2010 г., № 3 – с 2015 г., № 4 – с 2018 г. Газоаэрозольные выбросы изотопов ⁶⁰Со, ¹³¹I, ¹³⁴Cs, ¹³⁷Cs, ⁸³Kr, ⁸⁵Kr, ⁸⁷Kr, ⁸⁸Kr, ¹³³Xe, ¹³⁵Xe, ¹³⁸Xe относительно невелики и в 2018 г. составили по элементам от 0.45 до 14.4% от допустимых выбросов [9, 10]. В связи с отсутствием информации о выбросах биофильных элементов ¹⁴С и ³Н возможна недооценка дозы облучения. Основную долю в суммарной активности радионуклидов в аэрозольных выбросах АЭС составляют ¹³¹I и ¹³⁷Cs [5, 9, 13, 14].

Водоем-охладитель Ростовской АЭС площадью 18 км² создан отсечением прибрежного участка Цимлянского водохранилища плотиной с фильтрующей дамбой. Объем сброса в водоем циркуляционной воды из систем обратного водоснабжения составляет 2.0 × 10⁵ м³. В Цимлянское водохранилище радионуклиды из водоема-охладителя попадают путем фильтрации воды через дамбу. Однако в 2018 г. по данным служб Ростовской АЭС, содержание радионуклидов в циркуляционной воде было ниже минимально детектируемой активности [5, 6, 9].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ

Перед изучением морских водоемов получить представление о влиянии аэрозольных выбросов Ростовской АЭС на природную среду проще всего по доступным для наблюдений и экспериментов наземным экосистемам. Мониторинг содержания радионуклидов в пробах среды и биоты в 30- и 100-км зоне вокруг АЭС проводился службами контроля самой АЭС и Северо-Кавказского УГМС аттестованными средствами контроля: стационарным и передвижным спектрометрами “Гамма-плюс”, СКС-07П “Кондор”, “DSA-1000”, “Canberra”, “Quantulus-1220”. Изучалась динамика удельной активности техногенных радионуклидов в почвах и сельскохозяйственных растениях. За 18-летний период наблюдений удельная активность ⁹⁰Sr в почве варьировала в пределах 1.1–8.7 Бк/кг, а ¹³⁷Cs – 5.4–18.8 Бк/кг. На контрольных участках солома зерновых и зеленая масса кормовых трав, в среднем, содержали ¹³⁷Cs 0.97–2.0 Бк/кг (при нормативном показателе 400 Бк/кг) [9]. В 30-км зоне уровень загрязнения также относительно низкий. В травах и сельскохозяйственных растениях накапливалось от 0.2–0.3 до 0.5 Бк/кг ¹³⁷Cs [6, 7, 10, 11]. Связь этих вариаций концентрации радионуклидов с концентрацией аэрозолей и атмосферных выпадений не была обнаружена, что может быть следствием недостаточности наблюдений.

Содержание радионуклидов в приземном воздухе и в атмосферных выпадениях в зоне наблюдения находилось ниже минимально детектируемой активности. Содержание ¹³⁷Cs в почвах прибрежной зоны Цимлянского водохранилища изменялось от 7.5 до 15 Бк/кг, а содержание ⁹⁰Sr – от 1.7 до 7.4 Бк/кг. Специалистами Минатома [5, 6, 9] рассчитано, что накопление ¹³⁷Cs в разных продуктах сельского хозяйства лишь на 0.23–2.4% может быть обусловлено выбросами АЭС. Остальная часть ¹³⁷Cs, содержащегося в продуктах, обусловлена глобальными выпадениями.

Таким образом, в настоящее время выбросы радиоактивных материалов Ростовской АЭС не имеют явного влияния на состояние близко расположенных экосистем [6, 11]. При относительно постоянном объеме ежегодных выбросов их влияние может быть размыто вследствие атмосферного переноса аэрозолей на удаленные территории, в том числе на морские акватории.

Ряд обстоятельств повышает потенциальный риск загрязнения воздушной среды, так как на Ростовской АЭС отсутствуют установки пылегазоочистного оборудования [5, 6, 9]. В течение двадцати лет эксплуатации не единожды возникали неплановые газоаэрозольные выбросы. Примером может быть аварийный выброс пара 21.10.2021 г. из-за дефекта оборудования на АЭС (https://www.interfax.ru/russia/798532, дата обращения 21.10.2021). Некоторое количество радиоактивных веществ сбрасывается в момент остановки и запуска атомного реактора с водой, расширяющейся в контуре охлаждения [14]. Специалистами Минатома прогнозируется, что к 2038 г. вклад выбросов АЭС на загрязнение сельскохозяйственной продукции увеличится до 0.61–5.9% [9].

Морские бассейны, кроме Цимлянского водохранилища, удалены от Ростовской АЭС. При радиоактивных выбросах атмосферные выпадения на акваторию этих водоемов зависят от направления ветра, а в долговременном периоде – от стока рек, дренирующих почвы. Выделить влияние газоаэрозольных выбросов в море при штатной работе АЭС возможно лишь при длительных наблюдениях и определении тенденций в динамике концентрации радионуклидов (рис. 2).

Рис. 2.

Тенденция радиоактивного загрязнения донных отложений Азовского моря (после аварии в Чернобыле).

В Цимлянском водохранилище, по наблюдениям службы радиационного контроля Ростовской АЭС, в трех контрольных точках вмешательства станции не прослеживается. Концентрация ¹³⁷Cs в донных отложениях на этих точках составляла 1–3 Бк/кг, а ⁹⁰Sr – 0.3–1.0 Бк/кг [9]. В то же время отмечен устойчивый рост аэрозольных выбросов в период с 2014 по 2018 гг. В 2018 г. выброс ⁶⁰Co увеличился на 9.0 × 10⁵ Бк, ¹³¹I – на 4.7 × 10⁷ Бк, ¹³⁴Cs – на 9 × 10⁵ Бк, суммы ИГР – 1.6 × 10¹³ Бк по сравнению с 2017 г. [15]. Очевидно, что аэрозоли рассеиваются в удаленных, в том числе морских районах, создавая зоны локального загрязнения.

В бассейне Азовского моря и Цимлянском водохранилище после 1986 г. в воде и донных отложениях прослеживался радиоизотоп ¹³⁴Cs – индикатор продуктов выброса ЧАЭС [11]. Содержание этого изотопа в воде Азовского моря в 1986 и 1987 г. в среднем составляло 8.5 и 9.2 Бк/м³. В донных отложениях средняя концентрация ¹³⁴Cs в 1987 г. равнялась 22.1 Бк/кг, а в 1988 г. – 14.4 Бк/кг. В Цимлянском водохранилище в 75% проб изотоп ¹³⁴Cs не наблюдался, а в 25% его содержание составляло в среднем 8 Бк/кг. Концентрация ¹³⁷Cs в осадке варьировала от 17 до 62 Бк/кг.

Значительная часть выброса ЧАЭС поступила в Азовское море с воздушными потоками в 1986 г. Еще часть ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr и ^239,240Pu, очевидно, поступила в процессе переотложения и миграции этих веществ по речным системам Приазовья.

Анализ образцов донных отложений Азовского моря в 2019 г. показал вариабельность концентраций ¹³⁷Cs в интервале 10–65 Бк/кг (рис. 1, 2). Короткоживущие изотопы не были обнаружены. Сегодня для Азовского моря менее очевидна роль глобальных атмосферных выпадений, порожденных ядерными испытаниями в 1950–1960-е гг. и чернобыльской аварией.

В 2020 г. в Цимлянском водохранилище пробы донных отложений были отобраны в верховье бассейна и приплотинной части на глубинах от 3–5 м до 17 м. Новейший осадочный чехол (до 1–2 м) представлен на 70% мелкими алевритами (фракция 0.05–0.01 мм). В такого рода осадках, накопившихся после запуска Цимлянской ГЭС, удельная активность ¹³⁷Сs составила 1–6 Бк/кг, а ⁹⁰Sr – до 4 Бк/кг. В самой глубокой впадине, перед плотиной, илы содержат до 17 Бк/кг ¹³⁷Сs (рис. 1, табл. 1). В гирле и протоках авандельты Дона на глубинах 1–7 м, в донных осадках, также зафиксированы низкие концентрации ¹³⁷Cs (0.2–3 Бк/кг) и ⁹⁰Sr (2.5–4 Бк/кг). Однако в прибрежной (0.2–0.3 м) зоне острова Донской в торфянистых отложениях накоплено 20–28 Бк/кг ¹³⁷Cs (рис. 2). В кутовой части Таганрогского залива, у Донского взморья (около 250 км от АЭС) на глубинах 3–4 м мелкие алевриты, крупные и средние глинистые илы содержат ¹³⁷Cs 2–12 Бк/кг и ⁹⁰Sr – 0.3–0.7 Бк/кг (рис. 1, 2). На северо-западном шельфе Каспия (глубины от 2 до 31 м) смешанные донные отложения (мелкие алевриты и крупные глинистые илы) содержат меньше ¹³⁷Cs (4–8 Бк/кг) и больше ⁹⁰Sr (0.7–5.0 Бк/кг).

Изучение накоплений ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr последовательно: в грунтах Цимлянского водохранилища, авандельты, кутовой и внешней части Таганрогского залива, – дает возможность связать их с удалением от Ростовской АЭС. Сопряженный анализ гранулометрии и концентрации радиоактивных веществ выявляет важные особенности сорбционной емкости тонкодисперсных (0.01–0.001 мм) илов.

ВЫВОДЫ

Можно констатировать, что с начала 2000-х гг. средняя концентрация ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr в бассейне Азовского моря, включая Таганрогский залив и авандельту Дона, слабо снижается. Максимальные концентрации радионуклидов связаны с областью максимальных глубин и накоплением тонкозернистых осадков, а также – с зонами разгрузки поверхностных водотоков. Эти закономерности могут быть объяснены аккумуляцией в морском бассейне постоянных выпадений на территорию водосбора и на акваторию водоема радиоактивных аэрозолей, в том числе – выбросов Ростовской АЭС. В этой части водоема после многократного переотложения аккумулируются мелкие алевриты и глинистые илы, отмечается наибольшая скорость осадконакопления 2–5 см в год. В Цимлянском водохранилище максимальная удельная активность ¹³⁷Cs также наблюдается в наиболее глубокой части водоема, а не в принятых для наблюдений контрольных пунктах. Эта закономерность характерна и для впадин на дне северных морей.

Для совершенствования контроля за регламентными и аварийными газоаэрозольными выбросами Ростовской АЭС требуется организовать регулярный сезонный мониторинг с отбором проб донного осадка и зообентоса в акватории Цимлянского водохранилища, прилегающей к плотине. Следует учитывать следующие физико-географические факторы:

1. В течение года в Ростовской области господствуют ветры восточных румбов, направленные в сторону Цимлянского водохранилища.

2. При аварийных выбросах радиоактивных газов и аэрозолей необходим отбор проб у плотины водохранилища по учащенной сетке станций.

3. При выпадении загрязнителей из атмосферы на акваторию их перенос будет направлен по течению к плотине водохранилища и к Центральной котловине Азовского моря.

4. Учитывая высокую скорость седиментации в понижениях дна, необходим отбор поверхностных отложений и кернов донного осадка до 2 м  с  их последующим послойным анализом. Подобная практика применяется в Енисейской и Обской губах, а также в губах Кольского залива [2, 3, 13].

Все вышеизложенное приводит к следующим выводам. Наблюдаемые в последние 50 лет концентрации ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr являются низкими и не представляют опасности для экосистемы южных водоемов.

Со времени запрета (1963 г.) испытаний в атмосфере и аварийных выбросов Чернобыльской АЭС (1986 г.) уровень радиационного загрязнения среды северных и южных морей России заметно снижался до начала 2000-х годов (рис. 2). Стабилизация радиационного фона в морских бассейнах регионов ЕТР происходит, во многом за счет устойчиво сохраняющихся атмосферных выпадений радионуклидов. Можно предположить, что в XXI в. глобальный радиационный фон в атмосфере поддерживается, в том числе, постоянными поступлениями радионуклидов с газоаэрозольными выбросами атомных станций и других ядерных объектов. Роль указанного источника радиации требует изучения в условиях роста интереса к развитию ядерной энергетики.