Фундаментальные и прикладные аспекты измерения радиоактивных инертных газов на юге России Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 539.1

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ АСПЕКТЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ НА ЮГЕ РОССИИ

©2004 г. И.О. Невинский, В.И. Невинский, В.В. Пронъко,

Т.В. Цветкова

Results of measurement of radon, 85Kr, 39Ar are resulted. The opportunity of carrying out of geochemical experiment on Troitsk the iodid-bromic deposit on registration of an integrated stream neutrino on reaction 81 Br (v, e") 81Kr is considered. For registration of streams of neutrons under the ground the radiochemical detector on basis CaC2 04 is considered.

Инертные радиоактивные газы в окружающей среде в основном представлены радоном (тороном), 85Кг, 81Кг, 39Аг, некоторыми изотопами ксенона. Часть этих изотопов имеет только радиогенное происхождение (радон и то-рон), часть образуется от природных источников и атомной деятельности (радиокриптон), некоторые поступают только от техногенных источников (изотопы аргона и ксенона). Следует отметить, что последние, хотя и в очень незначительных количествах, но рождаются в земной коре в результате спонтанного деления изотопов урана, тория и, гипотетически, от трансурановых и сверхтяжёлых элементов. Таким образом, измерение радиоактивных инертных газов может дать новую информацию в науках о Земле, сейсмопрогнозе, формировании подземных и поверхностных вод, радиоэкологии, изучении трансграничного переноса радионуклидов в атмосфере и гидросфере. Для измерения активности этих изотопов применяется низкофоновая техника, включающая предварительное выделение газов из образцов в полевых условиях, дальнейшую лабораторную очистку их с применением криогенной техники и радиоактивный счёт на детекторах с очень низким собственным фоном.

Для дегазации образцов воды была использована методика, описанная в работе [1]. 100-литровый барботёр заполнялся анализируемой жидкостью; барботаж осуществлялся предварительно очищенным аргоном или гелием. На выходе из барботёра газ проходил через охлаждённую до -76 °С угольную ловушку, где осаждались атомы радона и криптона. Затем ловушка гермете-зировалась и транспортировалась в лабораторию, где осуществлялась дальнейшая очистка выделенного газа. Описанная в [2] система выделения и очистки инертных газов была частично модернизирована. Для возможности одновременного измерения ряда радиоактивных инертных газов были добавлены новые ловушки с цеолитами и активированным углём марки СКТ-2. Насос Топлера был убран, как экологически небезопасный из-за используемой в нём ртути. В качестве оконечного детектора использовалась медная многонитяная камера объёмом 3,5 л. Перекачка в неё порций исследуемых газов осуществлялась криогенным способом. Дальнейшее измерение радиоактивности про-

водилось в подземной выработке на глубине 170 м в системе защиты от внешнего радиоактивного фона, состоящей из слоев чугуна и свинца. Фон счётчика в исследуемом интервале энергий не превышал 1 имп/ч.

Измерение радона. Образцы массой от 0,5 до 2 л помещались в стеклянный барботёр и продувались гелием или аргоном непосредственно в системе

[2]. При измерении радона в воде его атомы осаждались на угольной ловушке при температуре -76 °С, далее ловушка прогревалась, осаждённый газ проходил через нагретую до 500 °С титановую стружку и поступал в счётную камеру. При измерении торона использовалась проточная ионизационная камера, в которой регистрировались совпадения импульсов от альфа-распада дочерних продуктов торона. Данные о концентрациях этих радиоэлементов использовались при решении ряда гидрогеологических и сейсмических задач. В

[3] ещё в 1946 г. В.В. Чердынцев предложил метод датирования молодых ин-фильтрационных вод по отношению 226Ra/ 222Rn. Радий-радоновый метод был использован при оценке взаимосвязи водоносных горизонтов меловых отложений с водами четвертичных горизонтов на территории Краснодарского ртутного рудника. При этом решалась экологическая задача скорости поступления поверхностного ртутного загрязнения в нижние питьевые горизонты. Радон определялся непосредственно после отбора; радий определялся по накопленному радону в герметизированной на месяц пробе воды. Полученные возраста вод находятся в пределах от 5 до 45 лет и свидетельствуют о достаточно быстрой связи подземных вод с инфильтрационными. Другой целью измерения радона в природных водах является прогноз тектонических процессов. Эпизодические измерения радона в некоторых подземных водах Абинского района Краснодарского края показали, что наблюдается увеличение концентрации радона перед местными сейсмопроцессами примерно в течение месяца и последующий резкий спад за несколько дней. Обычно после перелома концентрации спустя примерно 2 сут происходило региональное землетрясение.

Измерение 85Кг. Отбор проб и предварительное выделение радиокриптона проводились непосредственно у источников. Контейнер с выделенным газом транспортировался в лабораторию, где криптон очищался от примесей и проводился счёт активности 85Кг на низкофоновой установке. При измерении 85Кг в гидрологических объектах (реки, озёра, водохранилища) преследовалась экологическая задача определения нагрузки на край в связи с деятельностью предприятий ядерно-топливного цикла. Средняя активность 85Кг в поверхностных водах соответствует средним данным по Европе. Области повышенных концентраций не наблюдались. Значения находились в пределах от (4,1 + 0,3) • 104 ат/л, до (5,9 - 7,2) • 104 ат/л. При измерении 85Кг в подземных водах отрабатывалась методика датирования вод с возрастами до сотни лет. Так, для скважины в предгорном районе по данным криптонового датирования в пос. Новый возраст воды не превышал 50 лет; для скважины Сине-

горска - около 20 лет; для скважины с. Холмская - около 20 лет. Возможна подпитка вод водозабора в Синегорске молодыми инфильтрационными водами через присутствующие там геологические разломы, что приводит к «омоложению» достаточно глубокой воды водозабора. Результаты такого датирования в пределах ошибок совпадают с данными тритиевого датирования.

Особо следует отметить возможность измерения другого изотопа криптона - 81Кг, для решения задачи регистрации солнечных нейтрино. Предложенный в [4] метод регистрации нейтрино по реакции 81Вг (у, с ) 81Кг подразумевает радиохимический эксперимент с накоплением криптона в 862 • 103 кг этиленбромида с последующим выделением криптона барботрованием и измерением содержания его резонансной ионизационной спектрометрией. Однако на территории Краснодарского края имеются природные резервуары йодо-бромной воды. Глубина их залегания превышает 2,5 км, что резко снижает конкурирующие процессы, идущие под действием проникающей компоненты космических лучей. Точное знание содержания элементов уран-ториевых рядов позволяет рассчитать долю криптона от их присутствия в породах и воде. Содержание брома в троицком месторождении составляет 150 мг на 1 • 103 кг. Распространённость 81Вг в природной смеси изотопов составляет 49,3 %. С учётом дебита добываемых вод в течение года реально может быть накоплено количество 81Кг, определенное миниатюрным низкофоновым счётчиком [5]. В результате будет определён интегральный поток солнечных нейтрино от 7Ве.

Измерение здАг. Этот изотоп с периодом полураспада 269 лет, образующийся в атмосфере под действием космических лучей, может служить прекрасным трассером гидрологических и гидрогеологических процессов. Попытка измерения 39Аг в природных водах (сопочные воды грязевого вулкана Шуго) заключалась в дегазации 800 л воды нагреванием [1], очистке полученного газа от примесей и измерении смеси криптона-радона-аргона в многонитяном пропорциональном счётчике. Предварительное разделение аргона от криптона и радона осуществлялось пропусканием газа через молекулярные сита 0,5 нм, использовании свойств радона осаждаться на стеклянной поверхности при -176 °С и энергетическом анализе бета-распадов 39Аг и 85Кг. Обнаруженная активность не превышала 0,01 ±0,005 расп./мин-л, что свидетельствует о большом «кажущемся» возрасте подземных сопочных вод.

Опыт измерения 39Аг может быть использован ещё в одном радиохимическом эксперименте - мониторинге потока быстрых нейтронов под землёй. Данные об интегральном потоке необходимы при геохимических методах регистрации нейтрино, изучении составляющих потока и поведения нейтронов в период сейсмической активности. Методика заключается в экспонировании под землёй бака с щавелевокислым кальцием (СаС204). Для регистрации нейтронов используется реакция 40Са (п, а)37Аг [6]. Наибольшее сечение (около 220 мб) соответствует энергии нейтронов 7 МэВ. Извлечение атомов

аргона из бака осуществляется криогенным способом. Для измерения активности 37Ar использован миниатюрный кварцевый счётчик, описанный в [5]. Предварительные результаты, полученные при экспонировании 10 кг образца в штольне на глубине 270 м (Новороссийск), дали поток быстрых нейтронов (средний за 2 месяца экспонирования) 8 ± 5 нейтрон/(см2-сут).

Литература

1. Невинский И.О., Цветкова Т.В. II Атомная энергия. 2003. Т. 95. Вып. 5.

С. 389-394.

2. Буачидзе Г.И. и др. // Сообщение АН ГССР. 1989. Т. 134. № 3. С. 85-88.

3. Чердынцев В.В. И Вестн. АН КазССР. 1946. № 7-8. С. 34-47.

4. WillisR.D. //AIP Conf. Proc. 1982. № 96. P. 96-104.

5. Невинский И.О. Низкофоновый кварцевый счётчик для измерения радона.

ГрузНИИНТИ. 1989. № 1.

6. Барабанов ИР. и др. II Атомная энергия. 1979. Т. 47. Вып. 4. С. 273.

Кубанский государственный университет 8 апреля 2004 г.