Оценка доз облучения населения и природных объектов на

Радиация и риск. 2012. Том 21. № 2
Научные статьи
Оценка доз облучения населения и природных объектов на территории,
прилегающей к предприятию по добыче и переработке урановых руд
Карпенко Е.И., Спиридонов С.И., Санжарова Н.И.
Государственное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт
сельскохозяйственной радиологии и агроэкологии» Россельхозакадемии, Обнинск
Выполнены оценки доз облучения населения и компонентов биоты в районе расположения
бывшего уранодобывающего предприятия ЛПО «Алмаз». Максимальному радиационному
воздействию подвергается почвенная мезофауна и водные организмы. Вклад внутреннего
облучения в суммарную дозовую нагрузку на природные объекты превышает 90 %. Разработаны сценарии для оценки доз облучения населения, различающихся путями формирования
дозовых нагрузок. В результате проведённых расчётов установлено, что существует вероятность превышения допустимого уровня облучения населения. Основными дозообразующими
радионуклидами являются 210Po, 210Pb, 226Ra и 230Th.
Ключевые слова: естественные радионуклиды, штольни, биота, дозовая нагрузка,
внешнее и внутреннее облучение.
Лермонтовское производственное объединение (ЛПО) «Алмаз» начало свою деятельность в 1950 г. как рудодобывающее, а с 1954 г. как рудоперерабатывающее предприятие. В
ходе производственной деятельности осуществлялись добыча урановых руд и их переработка
в закись-окись урана. В сферу деятельности ЛПО «Алмаз» входили два рудника с подземной
разработкой (шахты и штольни). В рамках комплексной оценки радиоэкологической ситуации в
районе размещения предприятия (Ставропольский край) были получены экспериментальные
данные по содержанию радионуклидов в окружающей среде [1].
При проведении дальнейших исследований представляется целесообразным оценить дозовые нагрузки на травянистую растительность, так как она является наиболее значимым (ценозообразующим) компонентом луговых экосистем. Оценка доз облучения представителей пресноводных экосистем, прежде всего бентосных организмов, вызывает интерес вследствие высоких коэффициентов накопления радионуклидов этими компонентами биоты. Важным объектом исследования являются организмы, среда обитания которых является источником радиоактивного загрязнения (отвалы штолен, содержащие миллионы кубометров различных пород
вскрыши, отходов обогащения и переработки руд). К таким организмам относится представитель почвенной мезофауны – дождевой червь (Nicodrilus caliginosus S.).
При оценке доз облучения рассматриваемых компонентов биоты учитывались вклады
всех радионуклидов уранового семейства. Расчёт дозовой нагрузки, формируемой радионуклидами «начальных звеньев» урановой цепочки (от
238
U до
230
Th), выполнялся в предположении
одинаковой активности этих радионуклидов, по измеренной активности
238
U. Начиная с
222
Rn,
расчёт проводится при условии уменьшенной в 0,7 раза активности радионуклидов, по измеренной активности
226
Ra. Для оценки дозовых нагрузок использовались математические моде-
ли, позволяющие варьировать рядом параметров, к которым относятся: глубина обитания живых организмов (дождевого червя в почве, бентосных организмов в донных отложениях), высоКарпенко Е.И.* – н.с., к.б.н.; Спиридонов С.И. – зав. лаб., д.б.н.; Санжарова Н.И. – зам. директора, чл.-корр. РАСХН. ГНУ ВНИИСХРАЭ
РАСХН.
*Контакты: 249032, Калужская обл., Обнинск, Киевское шоссе,109 км. Тел.: (48439) 9-69-68; e-mail: karpenko_evgenii@mail.ru.
46
Радиация и риск. 2012. Том 21. № 2
Научные статьи
та травянистой растительности, биометрические характеристики организмов, распределение
радионуклидов по почвенному профилю, плотность почвы или донных отложений [2, 3].
Для населения на территории, прилегающей к предприятию по добыче и переработке
урановых руд, проведён анализ путей внутреннего и внешнего облучения и разработаны сценарии, согласно которым проводились расчеты дозовых нагрузок.
Дозовые нагрузки на травянистую растительность
С помощью разработанных дозиметрических моделей были рассчитаны дозы на травянистую растительность в районе расположения ЛПО «Алмаз». Коэффициенты перехода радионуклидов из почвы в растения оценивались на основе данных, характеризующих содержание
радионуклидов в сопряженных пробах почвы и растительности, отобранных на исследуемых
территориях. При расчёте дозовых нагрузок на биоту учитывали фактор относительной биологической эффективности (ОБЭ). Для α-излучения этот показатель равен 10, для γ- и β-излучения – 1 [2]. Отдельно рассматривалось низкоэнергетическое β-излучение (при энергиях меньше
0,01 МэВ), для которого фактор ОБЭ равен 3 [5].
Расчётные значения дозовых нагрузок на травянистую растительность от инкорпорированных радионуклидов и внешних источников облучения представлены в таблице 1.
Таблица 1
Дозовые нагрузки на травянистую растительность, формируемые
внешним и внутренним облучением
Удельная активность в
растительности, Бк/кг
Объект
исследования/
номер штольни
238
226
U
16
Хвостохранилище
32
11
9
11-бис
Мощность дозы облучения
растительности, мкГр/час
внутреннее
внешнее
облучение
облучение
89,18
4,24 E-01
2,34
1,82 E-02
5,06
9,48 E-02
2,11
2,50 E-02
3,34
3,73 E-02
1,69
3,88 E-02
Ra
1098
19
45
14
17
13
14
5
9
6
12
4
Наибольшему воздействию подвергаются растения, произрастающие на отвалах штольни № 16, наименьшему – в районе штольни № 11-бис. Таким образом, вклад от «блока радия»
(радионуклиды урановой цепочки от
226
Ra до
210
Po) составляет 36 % от общей дозовой нагрузки,
а от «блока урана» (радионуклиды урановой цепочки от
тем, что содержание
238
U до
226
Ra) – 64 %. Это связано с
238
U в почве и растениях значительно превышает концентрацию
226
Ra в
рассматриваемых объектах. Вклад внутреннего облучения от всех радионуклидов уранового
семейства составляет 99 %.
Дозовые нагрузки на почвенную мезофауну
Наибольшее содержание тяжёлых естественных радионуклидов (ТЕРН) в почве зафиксировано в районе штольни № 16, на остальных исследуемых территориях концентрации ТЕРН
приблизительно одинаковы. Рассматриваемый участок в непосредственной близости от штольни № 16 расположен на территории высохшего пруда отстойника. На этом участке произошла
47
Радиация и риск. 2012. Том 21. № 2
Научные статьи
смена экосистемы, в результате чего радионуклиды, накопленные в донных отложениях пруда,
поступают в настоящее время в луговую растительность.
Величины дозовых нагрузок на почвенную мезофауну от инкорпорированных и внешних
источников облучения представлены в таблице 2.
Таблица 2
Дозовые нагрузки на почвенную мезофауну, формируемые внешним
и внутренним облучением
Объект исследования/
номер штольни
16*
16
Хвостохранилище
Садовые участки
32
11
9
11-бис
Мощность дозы облучения дождевого червя, мкГр/час
внутреннее облучение
внешнее облучение
206,47
61,7 E-01
12,92
8,45 E-01
0,42
3,72 E-02
1,28
11,35 E-02
2,19
1,94 E-01
0,57
5,10 E-02
0,85
7,63 E-02
0,89
7,96 E-02
* – территория высохшего пруда отстойника.
Наибольшему воздействию ионизирующего излучения подвергаются дождевые черви,
обитающие на отвалах штольни № 16, наименьшему – в районе хвостохранилища. Вклад радионуклидов «блока радия» в формирование суммарной дозовой нагрузки составляет около
62 %, а радионуклидов «блока урана» – 38 %. Это связано с тем, что содержание
существенно превышает содержание
226
238
U в почве
Ra. Внутреннее облучение обуславливает формирова-
ние около 97 % суммарной дозовой нагрузки.
Дозовые нагрузки на компоненты пресноводных экосистем
С помощью разработанных дозиметрических моделей были оценены дозы облучения
представителей пресноводных экосистем в районе расположения ЛПО «Алмаз». Наибольшее
количество радионуклидов содержится в донных отложениях, отобранных на территории хвостохранилища, наименьшее – в районе расположения штольни № 11-бис. В таблице 3 представлены значения дозовых нагрузок, рассчитанные для представителей пресноводных экосистем от инкорпорированных и внешних источников облучения.
Таблица 3
Дозовые нагрузки на представителей водных экосистем, формируемые
внешним и внутренним облучением
Объект исследования/
номер штольни
Хвостохранилище
Река Золотушка
11-бис
Мощность дозы облучения хирономид, мкГр/час
внутреннее облучение
внешнее облучение
311,35
19,55 E-01
32,88
2,06 E-01
18,10
1,13 E-01
Из таблицы 3 видно, что хирономиды, обитающие в донных отложениях родника на территории хвостохранилища, подвергаются наибольшему радиационному воздействию. Вследствие большого различия в концентрациях
238
Uи
226
48
Ra в донных отложениях вклад радионукли-
Радиация и риск. 2012. Том 21. № 2
Научные статьи
дов «блока урана» в суммарную дозовую нагрузку составляет около 72 %, а радионуклидов
«блока радия» – 28 %. Такое соотношение рассматриваемых показателей характерно и для
травянистой растительности. Вклад внутреннего облучения составляет 99 % от суммарной дозовой нагрузки. Максимальную дозу облучения получают бентосные организмы, минимальную –
травянистая растительность.
Дозы внутреннего облучения компонентов окружающей среды формируются в основном
за счет инкорпорированных α-излучающих радионуклидов. Результаты оценки дозовых нагрузок на биоту существенным образом зависят от относительной биологической эффективности
(ОБЭ) α-излучения. Значения этого показателя по данным различных исследователей варьируют в диапазоне 1-20 [4]. Уточнение рассматриваемого показателя является необходимым
условием адекватных оценок дозовых нагрузок на биоту на территориях, загрязненных ТЕРН.
Оценка доз облучения населения
Для оценки доз облучения населения, проживающего на территории, прилегающей к
бывшему уранодобывающему предприятию ЛПО «Алмаз», разработаны 2 сценария, различающихся путями формирования дозовых нагрузок.
В рамках первого («консервативного») сценария сформулировано допущение о том, что
население употребляет в пищу только продукты питания, произведённые на загрязнённых радионуклидами территориях. В этом случае внутреннее облучение населения формируется за
счёт употребления мяса и молока сельскохозяйственных животных (коров), выпасаемых в районе штольни № 9. Для водопоя животных используется только шахтная вода этой штольни.
Другим источником формирования доз внутреннего облучения населения является злаковая
культура (озимая пшеница), произрастающая в непосредственной близости от штольни № 11. В
рацион питания населения входят также овощи и фрукты, выращенные на садовых участках,
прилегающих к руслам водотоков от штолен № 9, 32 и 16. В летний период эти шахтные воды
полностью используются для полива садовых участков. Согласно описанному («консервативному») сценарию, внутреннее облучение населения формируется в результате употребления
молока, мяса, озимой пшеницы и картофеля, выращенного на садовых участках. Выбор рассматриваемых пищевых цепочек основан на результатах мониторингового обследования территорий, прилегающих к бывшему ЛПО «Алмаз».
В рамках второго («гипотетического») сценария было сделано допущение о том, что население употребляет продукты питания с максимальным содержанием радионуклидов. Этот
сценарий может быть реализован в том случае, если сельскохозяйственная продукция производится только на наиболее загрязнённой территории, прилегающей к штольне № 16. Такое
предположение дает возможность максимально консервативной оценки доз внутреннего облучения населения.
Экспериментальные данные, характеризующие удельные активности
ке, озимой пшенице и шахтной воде, показаны на рисунке 1.
49
238
Uи
226
Ra в моло-
Радиация и риск. 2012. Том 21. № 2
Научные статьи
10000
Бк/кг
1000
100
238U
10
226Ra
1
0.1
молоко пшеница
в ода
в ода
в ода
штольни штольни штольни
№ 16
№ 32
№9
Рис. 1. Содержание радионуклидов в пищевых продуктах и воде.
Анализ представленных данных показывает, что максимальная концентрация ТЕРН наблюдается в воде штольни № 16.
Общая формула для расчёта эффективной дозы при внутреннем облучении имеет следующий вид [6]:
Dipr = Cpi ⋅ Up ⋅ ε ir ,
(1)
где Dipr – мощность эффективной дозы, Зв/год; Cpi – концентрация радионуклида в продукте
питания, Бк/кг; Up – потребление продуктов питания, кг/год; εir – дозовый коэффициент, Зв/Бк.
При проведении расчётов принято, что потребление населением картофеля составляет
124 кг/год, мяса – 55 кг/год, молока – 230 л/год, пшеницы – 47 кг/год, при пересчёте на потребление хлеба – 142 кг/год. Использовалось допущение о том, что удельная активность радионуклидов от
тивности
238
U до
230
Th является одинаковой и равной экспериментально определённой ак-
238
U. Для радионуклидов ряда
измеренной активности
238
U, начиная c
222
Rn, расчёты проводились на основе
226
Ra, уменьшенной с использованием коэффициента 0,7. Этот коэф-
фициент отражает выход в атмосферу 222Rn.
Наибольший вклад в дозу облучения населения при потреблении молока вносят радионуклиды «блока радия» (71 %), вклад радионуклидов «блока урана» составляет 29 %. При этом
максимальную дозовую нагрузку формирует
210
Po. Вклад «блока радия» при потреблении мяса
достигает 98 %, что обусловлено высоким содержанием в нем
руемая
230
226
Ra. Дозовая нагрузка, форми-
Th, невелика и составляет 2 %.
Таким образом, наибольшее влияние на уровень внутреннего облучения населения при
потреблении молока и мяса оказывают
226
Ra,
210
Pb и
210
Po. Вклады различных ТЕРН в суммар-
ную дозовую нагрузку, формируемую в результате потребления картофеля, отличаются от этих
показателей, рассчитанных при оценке дозы облучения от потребления мяса и молока. Доза от
«блока урана» при потреблении картофеля составляет 87 % (230Th дает около 60 %), а «блока
радия» – 13 %.
В пшенице, произрастающей в районе штольни № 11, содержатся
238
Uи
226
Ra с концен-
трацией 2,5 и 1,5 Бк/кг, соответственно. Вклад «блока урана» в дозовую нагрузку на население
50
Радиация и риск. 2012. Том 21. № 2
Научные статьи
в рассматриваемом случае составляет 39 %, а «блока радия» – 61 %. Такое соотношение характерно и при формировании внутреннего облучения населения за счёт потреблении молока.
Основной вклад в дозовую нагрузку дают
230
Th,
226
Ra,
210
Pb и
210
Po.
Суммарная дозовая нагрузка внутреннего облучения населения от перорального поступления радионуклидов с местными пищевыми продуктами для сценария № 1 представлена на
рисунке 2.
1
Зв/год
0.1
0.01
0.001
0.0001
хлеб
молоко
мясо
картофель
Рис. 2. Дозы внутреннего облучения населения, формируемые в результате
потребления различных продуктов питания.
Наибольшую дозовую нагрузку от внутреннего облучения (3,81 мЗв/год) население получает в результате потребления картофеля, выращенного на садовых участках и поливаемого
шахтной водой штольни № 16. Суммарная дозовая нагрузка на население от всех путей облучения составляет 5,62 мЗв/год.
В рамках второго («гипотетического») сценария источниками радиоактивного загрязнения
рассматриваются продукты питания, производимые исключительно на наиболее загрязнённых
территориях в районе штольни № 16. Предполагается, что сельскохозяйственные животные
(коровы) потребляют растения и шахтную воду в непосредственной близости от этой штольни.
Содержание
238
Uи
226
Ra в молоке достигает 43,7 и 18,48 Бк/кг соответственно.
Дозы внутреннего облучения населения от перорального поступления радионуклидов,
рассчитанные в рамках «гипотетического» сценария, представлены на рисунке 3.
0.01
Зв/год
0.008
0.006
0.004
0.002
0
картофель
мясо
молоко
Рис. 3. Суммарные дозы внутреннего облучения населения, рассчитанные
в рамках сценария № 2.
51
Радиация и риск. 2012. Том 21. № 2
Научные статьи
Дозовая нагрузка на население, формируемая внутренним облучением, составляет в
этом случае 19,7 мЗв/год. При этом употребление мяса обуславливает вклад в дозу внутреннего облучения – 31 % , молока и картофеля – 50 и 19 %, соответственно.
Выводы
Выполнена оценка доз облучения компонентов луговых и водных экосистем на территории, прилегающей к бывшему предприятию по добыче и переработке урановой руды ЛПО «Алмаз». Максимальная дозовая нагрузка на травянистую растительность (89 мкГр/час) формируется в непосредственной близости от штольни № 16. Мощность дозы облучения представителя
почвенной мезофауны – дождевого червя достигает наибольшего значения (217 мкГр/час) на
территории высохшего пруда отстойника № 2. Максимальная мощность дозы облучения водных
организмов (хирономид) составляет 317 мкГр/час.
В рамках первого («консервативного») сценария суммарная дозовая нагрузка, формируемая за счёт внутреннего облучения, составляет 5,6 мЗв/год. Наибольшую дозу облучения
(3,8 мЗв/год) население получает в результате потребления картофеля, выращенного на садовых участках в непосредственной близости от штольни № 16. В рамках второго («гипотетического») сценария мощность дозы внутреннего облучения населения, формируемой с учётом всех
«пищевых цепочек», составляет в этом случае 19,7 мЗв/год. Основной вклад в суммарную дозовую нагрузку вносят 210Po, 210Pb, 226Ra и 230Th.
Анализ результатов расчёта показывает, что на наиболее загрязнённых участках территории, прилегающей к бывшему уранодобывающему предприятию ЛПО «Алмаз», возможно
превышение дозовых пределов для биоты и человека. В связи с этим можно сделать вывод о
необходимости дальнейших работ по оценке радиоэкологических рисков для компонентов окружающей среды и населения.
52
Радиация и риск. 2012. Том 21. № 2
Научные статьи
Литература
1.
Карпенко Е.И., Санжарова Н.И., Спиридонов С.И., Серебряков И.С. Радиоэкологическая обстановка в районе размещения бывшего уранодобывающего предприятия ЛПО «Алмаз» //Радиация и риск.
2009. Т. 18, № 4. С. 73-81.
2.
Крышев И.И., Сазыкина Т.Г. Имитационные модели динамики экосистем в условиях антропогенного
воздействия ТЭС и АЭС. М.: Энергоиздат, 1990. 184 с.
3.
Спиридонов C.И., Фесенко С.В., Гераськин С.А. и др. Оценка доз облучения древесных растений в
отдалённый период после аварии на Чернобыльской АЭС //Радиац. биология. Радиоэкология. 2008.
Т. 48, № 4. С. 432-438.
4.
Chambers D.B., Osborne R.V., Garva A.L. Choosing an alpha radiation weighting factor for doses to nonhuman biota //Journal of Environmental Radioactivity. 2006. V. 87, N 1. P. 1-14.
5.
D-ERICA: An integrated approach to the assessment and management of environmental risks from ionizing
radiation. Project number FI6R-CT-2004-508847. Swedish Radiation Protection Authority (2007).
6.
Geras’kin S.A., Fesenko S.V., Alexakhin R.M. Effects of non-human species irradiation after the Chernobyl
NPP accident //Environment International. 2008. V. 34, N 6. P. 880-897.
Assessment of radiation doses to the population and natural objects on the territory
adjacent to facility for mining and processing of uranium ores
Karpenko E.I., Spiridonov S.I., Sanzharova N.I.
Russian Institute of Agricultural Radiology and Agroecology, Russian Academy
of Agricultural Sciences, Obninsk
Radiation doses to the population and the biota components in the area of the former uranium mining company LPO “Almaz” are estimated. Maximally exposed is soil mesofauna and aquatic organisms. The contribution of internal exposure to the total dose burden for natural objects is greater
than 90 %. Scenarios were developed to assess exposure doses to the population varying in the
ways of dose formation. As a result, the calculations revealed that there is a likelihood of exceeding
210
210
226
the permissible level of exposure. The main dose-forming radionuclides are
Po,
Pb,
Ra
230
and Th.
Key words: natural radionuclides, galleries, biota, radiation exposure, external and internal
exposure.
Karpenko E.I.* – Research Assistant, C. Sc., Biol.; Spiridonov S.I. – Head of Laboratory, D. Sc., Biol.; Sanzharova N.I. – Deputy Director, Corresponding Member of RAAS. RIARAE.
*Contacts: Kievskoe Sh., 109 km, Obninsk, Kaluga region, Russia, 249032. Tel. (48439) 9-69-68; e-mail: karpenko_evgenii@mail.ru.
53