Миграция радионуклидов в гидросфере. Лекция 10

1. 23.03.2022

ЛЕКЦИЯ 10
Миграция радионуклидов в гидросфере
Байтимирова Марина Олеговна

2. Содержание лекции

Движение радионуклидов в водоёмах.
Влияние на
биогеохимическое поведение
радиоактивных микрокомпонентов гидрологических факторов, химических свойств
радионуклидов, химических свойств и состава
воды (значения рН, ионной силы воды,
элементов аналогов).
2

3. Гидрологический цикл. Планетарный обмен влагой (тыс.км3)

3

4. Факторы, определяющие поведение радионуклидов в водоемах

• Вся водная окружающая среда состоит из собственно
водной фазы, твердой фазы и водной биоты.
• Поведение радионуклидов в водоемах значительно
сложнее, чем в атмосфере, так как здесь на скорость их
перемещения, направленность и характер рассеяния влияет
значительно большее число факторов:
- гидрологические;
- физико-химические;
- биотические.
4

5.

5

6. Экологические пирамиды

6

7. Классификация радионуклидов по характеру распределения в водоеме

• Гидротропные – остающиеся в большом
количестве, более 70 % активности, в воде
(35S, 51Cr, 71Ge);
• Биотропные – интенсивно поглощающиеся
живыми организмами, более чем на 50 %
(32Р, 115Сd, 144Ce, 203Hg);
• Педотропные
–
накапливающиеся
преимущественно в донных отложениях
(59Fe, 65Zn, 91Y, 95Zr, 95Nb,137Cs);
• Эвритропные – относительно равномерно
распределяющиеся между составляющими
водоема (60Co, 86Rb, 90Sr, 106Ru, 131I).
7

8. Распределение радионуклидов между основными составляющими пресноводного водоема

Изотоп
Содержание в составляющей водоёма, %
вода
грунт
биомасса
35S
93
3
4
60Co
21
58
21
90Sr
48
27
25
106Ru
27
40
33
131I
58
13
29
137Cs
6
90
4
144Ce
9
40
51
203Hg
8
22
77
Масса компонента
водоема, %
84,9
15
0,1
Среднее содержание
радионуклидов, %
27
45
28
8

9.

10.

11.

Формы актинидов в воде В-17
25 мкм
Взвешенное
вещество +
коллоиды
+0,45
раствор
мкм
Коллоиды
+ раствор
10 кДа
Раство
р
8

12. Гидрологические факторы

Гидрологические факторы играют роль в рассеивании радионуклидов в
воде.
Важнейшим механизмом смешивания в воде, также как и в воздухе,
является турбулентная диффузия, вклад молекулярной диффузии не имеет
существенного значения.
Интенсивность
турбулентной
диффузии зависит от топографии
дна (рельеф, уклоны), формы русла,
наличия
перекатов,
гидротехнических
сооружений
(плотин).
Если происходит сброс сточных вод
в реку, то смешивание будет
зависеть
от
температуры,
плотности сточных вод.
12

13.

P – атмосферные осадки,
R – полный речной сток,
S – поверхностный сток,
U – подземный сток,
E – суммарное испарение на суше,
N – непродуктивное испарение,
T – транспирация растений,
W – испарение на акватории.
Схема водного баланса
13

14. Гидрологические факторы

Перенос радионуклидов происходит в системах «циркуляция – течения –
потоки» как результат адвекции и дисперсии.
Адвекция – это следствие усредненного по времени массового потока
воды.
Дисперсия (лат. dispersus –
рассеянный) вызывается многими
процессами:
молекулярной
диффузией,
турбулентной
вихревой диффузией, а также
возникает
в
результате
скоростного сдвига, т. е. рассеяния
вещества, которое происходит в
направлении течения жидкости
вследствие
вертикальных
градиентов скоростей.
14

15. Гидрологические факторы

Перенос радионуклидов в водной толще посредством молекулярной
диффузии следует учитывать только в случае пограничного слоя (около 1
мм), прилегающего к донным осадкам.
Значения вертикальной вихревой диффузивности, оцененные для хорошо
перемешанных поверхностных вод озер Эри, Гурон и Онтарио,
составляют 0,6-3,6 см2/с, а в озере Констанца кажущаяся вертикальная
диффузивность – около 1 см2/с.
Скорости движения вод в
различных объектах гидросферы
сильно изменчивы во времени и
пространстве и могут составлять
от мкм/с в подземных водах до
м/c в реках, при приливах на
побережьях морей, а также в
течениях в глубинах океана.
15

16. Физико-химические факторы

К физико-химическим факторам, оказывающим влияние на поведение
радионуклидов в водоёмах следует отнести:
химические свойства радионуклидов. Разные радиоактивные
элементы различаются по тому, насколько многообразны их
химические свойства в растворе. При изучении миграции
радионуклидов в окружающей среде химические особенности
поведения того или иного элемента обязательно должны учитываться;
химический состав и свойства воды;
Хим. состав и свойства твердой фазы.
16

17.

18. Влияние химического состава и свойств воды

Поведение радионуклидов в водоёмах зависит от:
от состава и ионной силы воды;
присутствия органических лигандов;
наличия элементов-аналогов;
количества и характера взвешенных частиц;
кислотности воды и её окислительно восстановительного потенциала.
Распределение 90Sr между основными компонентами водоема, %
Концентрация
Са, мг/л
Вода
Грунт
Биомасса
30
58
17
25
80
74
9
17
18

19. Роль природных органических веществ в миграции радионуклидов Гуминовые и фульвокислоты

РОЛЬ ПРИРОДНЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ В МИГРАЦИИ РАДИОНУКЛИДОВ
ГУМИНОВЫЕ И ФУЛЬВОКИСЛОТЫ

20.

21. Биосорбция 237Np(V) клетками Pseudomonas fluorescens

БИОСОРБЦИЯ 237NP(V) КЛЕТКАМИ PSEUDOMONAS FLUORESCENS
Концентрирование Np

22.

23.

Экологические эффекты
Отмирание биомассы водоема из-за угнетающего эффекта дозы →
подкисление воды → усиление десорбции радионуклидов из
донных отложений → повышение радионуклидного загрязнения
воды → новое повышение дозы на биоту
Гр/год Зоопланктон Фитопланктон
В-4
В-17
0,8
18
2,7
280
Личинки Двустворчатые Донные
насекомых
моллюски
рыбы
25
0,5
3,2
220
−
Пелагические
рыбы
0,2
23

24.

Схема радиационного контроля и санитарно-эпидемиологической оценки пригодности
воды для питьевых целей по показателям радиационной безопасности

25.

Уровни вмешательства (УВ) по содержанию радионуклидов в питьевой воде
Радионуклид
T l/2
УВвода (Бк/кг)
3H (β)
12,3 лет
7,7 + 3
14С (β)
5,73 + 3 лет
2,4 + 2
60Co (β,γ)
5,27 лет
4,1 + 1
89Sr(β)
50,5 сут
5,3+1
90Sr(β)
29,1 лет
5,0
129I(β)
1,57+ 7 лет
1,3
131I(β,γ)
8,04 сут
6,3
134Cs(β,γ)
2,06 лет
7,3
137Cs(β,γ)
30,0 лет
1,1 + 1
210Pb(β)
22,3 лет
2,0 - 1
210Po (α)
138 сут
1,2 - 1
224Rа(α)
3,66 сут
2,1
226Ra(α)
1,60 + 3 лет
5,0 - 1
228Ra(β)
5,75 лет
2,0 - 1
228Th (α)
1,91 лет
1,9
230Th(α)
7,70 + 4 лет
6,6 - 1
232Th(α)
1,40+ 10 лет
6,0 - 1
234U(α)
2,44 + 5 лет
2,9
238U(α)
4,47 + 9 лет
3,1
238Pu (α)
87,7 лет
6,0 - 1
239Pu(α)
2,41+4 лет
5,6 - 1
240Pu (α)
6,54 + 3 лет
5,6 - 1
241Am (α)
4,32 + 2 лет
6,9 - 1
222Rn (α)
3,82 сут
60

26. Дозовые коэффициенты для основных* радионуклидов ряда 238U и 232Th, Зв/Бк

ДОЗОВЫЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ ДЛЯ ОСНОВНЫХ*
РАДИОНУКЛИДОВ РЯДА 238U И 232TH, ЗВ/БК
Радионукли
д
Период
полураспада
Тип
распада
Дозовый коэффициент при пероральном
поступлении
238U
4,77·109 лет
α
4,5·10-8
234Th
24,10 дней
β
3,4·10-9
234U
2,45·105 лет
α
4,9·10-8
230Th
7,70·104лет
α
2,1·10-7
226Ra
1600 лет
α
2,8·10-7
210Pb
22,3 года
β
6,9·10-7
210Bi
5,013 дня
β
1,3·10-9
210Po
138,4 дня
α
1,2·10-6
232Th
1,405·1010 лет
α
2,3·10-6
228Ra
5,75 лет
β
6,9·10-7
228Th
1,913 лет
α
7,2·10-8
224Ra
3,66 дней
α
6,5·10-8
* численные значения дозовых коэффициентов для остальных радионуклидов семейства меньше
минимального из приведенных в таблице в 10 и более раз
Годовая доза внутреннего облучения: D = A*ε*730
A – удельная активность, Бк/л, ε – дозовый коэффициент, Зв/Бк, потребление воды 2 л/сут
или 730 л/год

27.

Примеры ЭЭД, получаемой при потреблении питьевой воды за 1 год
Радионуклид
Доза мЗв
Альфа-излучатели, 0,1 Бк/л
Po-210
0,045
Ra-224
0,006
Ra-226
0,016
Th-232
0,131
U-234, 238
0,003
Pu-239
0,04
Бета-излучатели, 1 Бк/л
Co-60
0,005
Sr-89
0.003
Sr-90
0,02
I-129
0,08
I-131
0,016
Cs-134
0.014
Cs-137
0,009
Pb-210
0,95
Ra-228
0.197

28.

В случаях обоснования целесообразности разработки и
осуществления защитных мероприятий для каждой системы
водоснабжения должны быть определены оптимальные
профилактические меры. При этом учитывают следующие факторы:
качество исходной воды и требуемые параметры обработанной
воды, сложности в монтаже и работе оборудования, стоимость
альтернативных мероприятий.
Возможными защитными мероприятиями являются:
- организация водоснабжения за счет альтернативного источника;
- смешение воды из различных источников (подготовленной
поверхностной или подземной воды с меньшим количеством
радионуклидов из другого геологического горизонта).
Преимуществом данных методов является отсутствие
дополнительных проблем, связанных с утилизацией отходов.

29.

В случаях, когда невозможно использовать разбавление, для
улучшения качества воды применяют методы очистки воды от
радионуклидов: физические (дистилляция, дегазация),
химические (реагентные, ионного обмена), мембранные,
электрохимические и комбинированные.
В результате обработки воды могут образовываться отходы с
повышенным содержанием радионуклидов.
Приоритетными способами удаления радионуклидов из воды
являются:
для урана - ионный обмен, мембранные методы
(нанофильтрационные и обратноосмотические);
для радия - ионный обмен, мембранные методы
(нанофильтрационные и обратноосмотические);
для свинца и полония - ионный обмен, мембранные методы
(нанофильтрационные и обратноосмотические), угольная
фильтрация.

30.

Для удаления радона из воды применяют следующие основные
методы:
- отстаивание
- аэрация (около 95% случаев)
- фильтрование воды через активированный уголь.
При аэрации воды одновременно с радоном удаляются углекислота (67 99%), сероводород и др. газы, снижаются концентрации железа и марганца.
Вода насыщается кислородом, что улучшает ее вкус и уменьшает
коррозионную активность воды.
При высоких концентрациях радона в необработанной воде, вода после
аэрации должна быть выдержана в резервуарах для распада дочерних
продуктов распада радона (Pb-214 и Bi-214).
! При аэрации воды в воздух помещений могут интенсивно поступать
изотопы радона (Rn-222, Rn-220), а также образующиеся из них
короткоживущие дочерние продукты (ДПР и ДПТ). В местах размещения
фильтров-очистителей и аэраторов необходимо организовать радиационный
контроль по мощности дозы гамма-излучения, а также рабочих мест по
содержанию изотопов радона и их дочерних продуктов в воздухе.

31. Выводы

1.
2.
3.
К
числу
факторов,
определяющих
поведение
радионуклидов
в
водоемах,
следует
относить
гидрологические, физико-химические, биотические.
Важнейшим механизмом смешивания в воде, также как и в
воздухе, является турбулентная диффузия, интенсивность
которой зависит от топографии дна (рельеф, уклоны),
формы русла, наличия перекатов, гидротехнических
сооружений (плотин), температуры и плотности сточных
вод.
К физико-химическим факторам, оказывающим влияние на
поведение радионуклидов в водоёмах, следует отнести:
химические свойства радионуклидов, химический состав и
свойства воды, химический состав и свойства твердой
фазы.
31

32. Библиографический список

1.
2.
3.
Сахаров В.К. Радиоэкология: учебное пособие /В.К.
Сахаров. СПб. : Издательство «Лань», 2006. 320 с.
Пути миграции искусственных радионуклидов в
окружающей среде. Радиоэкология после Чернобыля
/Под ред. Ф.Уорнера и Р. Харрисона, пер. с англ. М. :
Мир, 1999. 512 с.
Тимофеева-Ресовская Е.А. Распределение радиоизотопов
по основным компонентам пресноводных водоёмов /Е.А.
Тимофеева-Ресовская. Свердловск : Инт-т экологии
животных и растений Уральского филиала АН СССР,
1963. 77 с.
32

33.

Миллионы мешков с радиоактивным мусором после ликвидации
последствий аварии на Фукусиме

34.

34

35. Пути воздействия радиации при сбросе радионуклидов в водоем

ПУТИ ВОЗДЕЙСТВИЯ РАДИАЦИИ
ПРИ СБРОСЕ РАДИОНУКЛИДОВ В
ВОДОЕМ

36. Расчет эффективных доз облучения

РАСЧЕТ ЭФФЕКТИВНЫХ ДОЗ
ОБЛУЧЕНИЯ
Внешнее облучение обусловлено излучением радионуклидов:
находящихся непосредственно в воде;
отложившихся на береговой линии, либо поднятых с побережья
или поверхности воды в атмосферу.
Внутреннее
облучение
радионуклидов:
обусловлено
поступлением
с питьевой водой. Расчет дозы проводят с учетом ежесуточного
потребления воды и дозы на единицу перорального поступления
в организм.
с пищей (рыбой). Расчет дозы проводят с учетом рациона
питания и дозы на единицу поступающей активности с пищей.
с пищей при выращивании сельскохозяйственных культур на
орошаемых площадях. Расчет дозы проводят на основе