Газообразный долгоживущий продукт деления 85Kr (период полураспада 10,739 лет) вносит существенный вклад в радиоактивное загрязнение атмосферы планеты [1, 2]. Теоретические расчёты рассеяния 85Kr в атмосфере с использованием моделей глобальной диффузии позволяют построить широтный ход средней концентрации 85Kr в приземном слое атмосферы для источника с постоянной мощностью выброса (1 Ки/год), расположенного в широтном поясе 30–50 ° с.ш. [3–5]. При расчёте глобального запаса произведение объёма атмосферы на среднегодовое содержание 85Kr в умеренных широтах северного полушария необходимо умножить на коэффициент 0,8, учитывающий неравномерность распределения 85Kr между полушариями [1]. Пренебрегая 85Kr, который содержится в мировом океане, с учетом, что общий объём атмосферы равен 4·1018 м3 (при нормальной температуре и давлении), можно оценить, что удельной объёмной активности 85Kr 1 Бк/м3 воздуха, зафиксированной в умеренных широтах северного полушария, соответствует глобальный запас 3,2·1018 Бк (86 МКи). В настоящее время пополнение атмосферного резервуара 85Kr происходит за счёт техногенного воздействия предприятий атомной отрасли (комбинатов по переработке отработавшего ядерного топлива, в меньшей степени – от выбросов атомных электростанций) [4, 6].
Задачи определения содержания 85Kr в атмосферном воздухе и наблюдения его динамики являются важной составляющей радиологического мониторинга окружающей среды. Данная работа представляет интерес для специалистов, занимающихся проблемами мониторинга приземного слоя атмосферы: в ней изложен опыт работ по оценке глобального (базового) уровня загрязнения атмосферы 85Kr с применением промышленных воздухоразделительных установок для получения образцов технического криптона при проведении радиологического мониторинга.
Особенности использования лабораторных портативных и промышленных установок при подготовке проб воздуха
Исследования по определению содержания 85Kr, выполненные специалистами Германии, Швейцарии и Японии с применением лабораторных портативных установок для извлечения криптона из воздуха, приведены в [7, 8]. В этих установках используется пропускание воздуха через ловушку с активированным углем или силикагелем, охлаждаемую жидким азотом, с последующей фракционированной десорбцией и разделением фракций воздуха методом газовой хроматографии. Объём пробы воздуха, из которой извлекается криптон (ксенон), составляет 10 м3 [8]. Поскольку в 1 м3 воздуха содержится 1,14 см3 криптона, объём выделенной пробы криптона с учётом неполного извлечения составляет всего несколько см3 (при нормальной температуре и давлении). Активность 85Kr в пробе определяется с помощью низкофоновой радиометрической аппаратуры с использованием бета-счетчиков. В [8] приведены результаты еженедельных определений содержания 85Kr во Фрайбурге (Freiburg, FRG) и в обсерватории Юнгфрауйоч (Jungfraujoch), расположенной в горах Швейцарии. Наблюдается большой разброс результатов, обусловленный как малым объёмом проб криптона, выделяемых лабораторной установкой из атмосферного воздуха, так и близостью пунктов отбора к предприятиям по регенерации ядерного топлива.
Определение активности 85Kr в атмосфере с использованием лабораторных установок имеет ряд преимуществ. С их помощью детектируются выбросы радиоактивных изотопов ксенона и криптона при подземных испытаниях ядерного оружия. Такие установки можно разместить вблизи границ государств, которые подозреваются в нарушении Договора о нераспространении ядерного оружия, для обнаружения превышения объёмной активности 85Kr над уровнем глобальной активности (базовый уровень) этого радионуклида – такое превышение однозначно свидетельствует об операциях с облучённым ядерным топливом, направленных на получение оружейного плутония [9, 10].
Но для мониторинга глобального (базового) уровня загрязнения атмосферы 85Kr, по мнению авторов данной работы, целесообразнее измерение активности в образцах криптоноксеноновой смеси, выделяемых из атмосферы с помощью промышленных воздухоразделительных установок. Поскольку отбор проб криптоноксеноновой смеси производится из стандартного баллона объёмом 40 л при давлении в нём 60 кг/см2, объём криптона в баллоне составляет 2,20–2,3 м3 (в зависимости от содержания в смеси ксенона), и этот объём криптона выделен из 1,97·106 м3 воздуха. Из чего следует, что пробы криптоноксеноновой смеси более чем в 2·105 раз представительнее, чем пробы, отбираемые с помощью лабораторных установок, которые извлекают криптон из 10 м3 воздуха с эффективностью менее 80 %. Кроме того, пробы большой массы (объёма) позволяют использовать для измерений активности 85Kr гамма-спектрометрию, которая по сравнению с методами измерения бета-активности характеризуется существенно большей избирательностью и стабильностью. Гамма-спектрометрия даёт возможность зарегистрировать в пробе присутствие радиоактивных изотопов ксенона (131mXe, 133mXe и 135Xe). Эти радионуклиды поступают в атмосферу при ядерных взрывах и авариях на ядерных установках. Если воздушные массы, переносящие радиоактивные изотопы ксенона, проходят через точку отбора пробы, то гамма-излучение радиоксенона будет зарегистрировано.
Материалы и методы исследования
Для измерения проб технического криптона по гамма-излучению был изготовлен баллон измерительный, конструкция которого приведена на рис. 1. Нижняя часть стандартного газового баллона объёмом 2 л, предназначенного для заполнения газом до давления 150 кг/см2, была срезана и взамен её приварен стальной колпак (внутренний диаметр 71 мм). Толщина торцевой стенки колпака, через которую основная часть гамма-излучения попадает на детектор – 3 мм. Ослабление потока гамма-квантов 85Kr с энергией 514 кэВ поглотителем из железа толщиной 0,3 см не превышает 20 %.
Рис. 1. Конструкция баллона измерительного для гамма-спектрометрии проб технического криптона
На рис. 2 показано размещение баллона измерительного (3) относительно детектора (4) внутри защитной камеры (2) из свинца. Крышка защитной камеры (1) раздвигается, чтобы установить баллон с измеряемой пробой внутрь камеры. Вес баллона измерительного с пробой криптона воспринимается полиэтиленовой втулкой (5). Хладопровод (6), погружённый в сосуд Дьюара с жидким азотом (на рисунке не показан), служит для охлаждения полупроводникового детектора до рабочей температуры. Использованы детектор из сверхчистого германия марки Gem-30185 фирмы «EG&G Ortec» (США) и защитная камера из свинца с толщиной стенок 10 см той же фирмы.
Рис. 2. Размещение баллона измерительного с пробой относительно детектора: 1 – крышка защитной камеры; 2 – защитная камера; 3 – баллон с пробой криптона; 4 – детектор полупроводниковый; 5 – втулка полиэтиленовая; 6 – хладопровод детектора
Пробы криптоноксеноновой смеси доставляются в лабораторию в транспортных малолитражных баллонах, снабжённых мембранным вентилем марки КВ-1М, ёмкость баллонов 0,7 или 1,3 л. Перед заполнением измерительный баллон вакуумируется и часть смеси переводится в измерительный баллон, создавая давление 5–7 кг/см2. Измерительный баллон с пробой выдерживается в течение суток, чтобы температура газа уравнялась с температурой помещения лаборатории, и с помощью образцового манометра марки МО160 кл. 0,4 % измеряется равновесное давление криптоноксеноновой смеси в измерительном баллоне. Результаты измерения регистрируются в рабочем журнале; регистрируется также температура в лаборатории, атмосферное давление и дата измерения. Далее измерительный баллон с пробой размещается в защитной камере, как показано на рис. 2, и выполняется измерение. На рис.3 приведён фрагмент аппаратурного спектра, зарегистрированного при измерении пробы криптоноксеноновой смеси. Проба выделена воздухоразделительной установкой Новолипецкого металлургического комбината в период 01.09–10.09.2014 г.; содержание криптона в смеси 0,9079. Время измерения 4880 с, давление смеси в измерительном баллоне 5,74 кг/см2. Скорость счета импульсов в пике, соответствующем энергии 514 кэВ – 0,39 имп/с.
Объёмная активность 85Kr в измеряемой пробе на дату измерения ас (Бк/см3, при нормальной температуре и давлении (НТД)) рассчитывается по формуле
(1)
где n – скорость счёта импульсов в пике, соответствующем энергии 514 кэВ, имп/с;
T – температура помещения в момент измерения давления, °K;
P0 – стандартное давление, 760 мм рт. ст.;
ε – эффективность регистрации гамма-квантов 85Kr от смеси в баллоне, имп/квант;
– квантовый выход излучения 85K с энергией 514 кэВ, 0,00434 квантов/распад;
T0 – стандартная температура, 273 °K;
V – объём измерительного баллона, 1064 см3;
P – абсолютное давление смеси в измерительном баллоне, мм рт. ст.
Для расчёта содержания 85K в воздухе используется соотношение (2) (с учётом, что в 1 м3 воздуха при нормальных температуре и давлении (НТД) содержится 1,14 см криптона):
(2)
где аB – содержание 85K в атмосферном воздухе при НТД, Бк/м3;
ас – содержание 85K в измеряемой криптоноксеноновой смеси при НТД, Бк/см3;
λ – постоянная распада 85K, 0,00017672 дней –1;
t – интервал между датой отбора пробы и датой измерения, дней;
DKR – содержание криптона в измеряемой пробе криптоноксеноновой смеси.
Результаты исследования и их обсуждение
Результаты определения содержания 85K в приземном слое воздуха над территорией России, полученные путём гамма-анализа проб криптоноксеноновых смесей, представлены в таблице. Пробы отбирались в период 2013–2015 гг. с использованием воздухоразделительных установок, расположенных в Липецке, Магнитогорске, Нижнем Тагиле и Норильске. Видно, что разброс результатов, полученных по пробам из Норильска, существенно меньше разброса результатов, полученных по пробам из умеренных широт, и не превышает 5 %. Это обусловлено тем, что Норильск расположен за пределами широтного пояса размещения источников поступления 85Kr в атмосферу (предприятий по переработке ОЯТ). Многолетние ежемесячные измерения проб технического криптона, выполненные в ИЭМ (в настоящее время – ФГБУ «Научно-производственное объединение «Тайфун») с помощью сцинтилляционного бета-счётчика, показали, что отличие результатов отдельных измерений от среднегодовых значений достигало 15 % [11].
Приведенные в данной работе результаты измерений содержания 85Kr в атмосферном воздухе на 10÷15 % ниже результатов, полученных в Западной Европе [8, 9]. Это может быть обусловлено близостью европейских пунктов наблюдения к источникам поступления 85Kr в атмосферу. Другая возможная причина рассогласования данных – различие калибровок аппаратуры (использование разных образцовых радиоактивных смесей газов для калибровки по эффективности регистрации).
Рис. 3. Фрагмент аппаратурного спектра, полученного при измерении пробы технического криптона из Липецка. Пик в 1302 канале соответствует энергии 514 кэВ
Содержание 85Kr в приземном слое воздуха над территорией России по результатам гамма-анализа проб криптоноксеноновой смеси
|
Дата отбора |
Содержание криптона-85, Бк/м3 сухого воздуха при 0 °С и 760 мм рт.ст. *) |
|||
|
Липецк, 52 °35´с.ш. |
Магнитогорск, 53 °22´с.ш. |
Нижний Тагил, 57 °55´с.ш. |
Норильск, 69 °21´с.ш. |
|
|
Июнь 2013 |
– |
– |
1,28 |
– |
|
Сентябрь 2014 |
1,37 |
1,45 |
– |
1,27 |
|
Декабрь 2014 |
– |
– |
– |
1,3 |
|
Январь 2015 |
1,25 |
– |
– |
– |
|
Февраль 2015 |
– |
– |
– |
1,31 |
|
Май 2015 |
– |
– |
– |
1,34 |
|
Июль 2015 |
– |
1,29 |
– |
1,35 |
Рис. 4. Результаты определения содержания 85Kr в приземном слое атмосферы над территорией России методом гамма-спектрометрии проб технического криптона: ∆ – пробы, отобранные в умеренных широтах; × – пробы, отобранные в Норильске (за полярным кругом)
В последние десятилетия отмечается отсутствие роста содержания радиокриптона в атмосфере. Это свидетельствует, что поступление 85Kr компенсирует уменьшение его активности за счёт радиоактивного распада [12]:
NРАВН = a0/(λ∙t), (3)
где NРАВН – запас 85Kr в атмосфере при выходе содержания на плато, Бк;
a0 – ежегодное поступление (равновесная инжекция) 85Kr в атмосферу, Бк/год;
λ – постоянная распада 85Kr, 0,06455 год -1.
Выражение (3) описывает также изменение активности 85Kr в атмосфере. Считается, что удельной объёмной активности 85Kr 1 Бк/м3 воздуха, зафиксированной в умеренных широтах северного полушария, соответствует глобальный запас 3,2·1018 Бк (86 МКи) [1]. Следовательно, при равновесной концентрации 85Kr 1,3 Бк/м3 воздуха (рис. 4) его глобальный запас оценивается как 4,16·1018 Бк, а равновесная инжекция этого радионуклида в атмосферу составляет примерно 0,3·1018 Бк/год.
Заключение
Мониторинг активности 85Kr в приземном слое атмосферы по пробам криптоноксеноновой смеси, которые отбираются от воздухоразделительных предприятий, размещенных в высоких широтах, и измеряются методом гамма-спектрометрии, позволяет контролировать глобальный базовый уровень загрязнения атмосферы 85Kr с высокой точностью при малых затратах.
Обнаружение реального превышения объёмной активности 85Kr на контролируемых территориях над базовым уровнем поможет обнаружить недекларированную переработку облучённого ядерного топлива с целью извлечения из него оружейного плутония.
В середине 2015 г. содержание 85Kr в атмосфере северного полушария составляло 1,3 Бк/м3 воздуха (при давлении 760 мм рт.ст. и температуре 0 °С), а глобальный запас этого радионуклида – 4,16·1018 Бк при его равновесной инжекции в атмосферу примерно 0,3·1018 Бк/год.
В настоящее время регулярный мониторинг содержания 85Kr в атмосфере над территорией России не ведётся. На наш взгляд, целесообразно возобновить регулярные наблюдения за содержанием радиокриптона над территорией РФ.
Авторы благодарят Д.Э. Гусева и М.Ю. Савинова за помощь при получении проб технического криптона.