Геохимия изотопов радиоактивных элементов ( U, Th, Ra)

Тепловые электростанции (ТЭС), работающие на ископаемом угле, являются одним из наиболее распространенных типов производств по использованию ископаемых углей. При сжигании угля в ТЭС за счет выгорания углерода и удаления летучих соединений происходит концентрирование микроэлементов, в том числе и радионуклидов, в продуктах сгорания угля. Степень концентрирования зависит от зольности углей, форм нахождения в них микроэлементов и летучести их оксидов и других соединений, образующихся в процессе горения и перемещения газов по дымовому тракту. Слаболетучие соединения будут накапливаться в золе и шлаке, а более летучие - перемещаться с дымовыми газами. По мере охлаждения последние либо будут образовывать собственные аэрозольные частицы, либо - конденсироваться на других аэрозолях и частично улавливаться на электрофильтрах, а частично - удаляться в атмосферу либо в виде летучей золы, либо - в виде самостоятельной газовой фазы. Малозольные канско-ачинские угли (с зольностью от 6 до 12%) в этом плане характеризуются высокой степенью концентрирования микроэлементов.

В качестве примера поведения изотопов естественных радиоактивных элементов в процесс сжигания угля в тепловой электростанции нами были изучены угли Назаровского месторождения Канско-Ачинского буроугольного бассейна, их продукты сгорания и почвы в окрестностях Назаровской ТЭС. Месторождение и сама ТЭС расположены на юге Красноярского края на берегу р.Чулым в лесостепном поясе гумидной климатической зоны. Концентрации ²³⁸U и ²³²Th в назаровских углях приведены выше.

В золе, собранной с электорофильтров дымового тракта ТЭС, концентрация U оказалась повышена в 2 раза, а Тh - в 4 раза по сравнению с исходным углем. Различие обусловлено формами нахождения элементов. Основная часть U в углях связана с органическим веществом и при его сгорании высвобождается, конденсируясь на тонкодисперсных аэрозолях, в значительной степени не улавливаемых электрофильтрами. Основная часть Th, напротив, находится в углях в минеральной их части и естественно остается в составе золы. Поведение Ra тесно связано с поведением его носителя Ва, степень концентрирования которого в золе достигает 10 раз. Основная часть Ва в углях связана с С_орг, поэтому в летучей золе исследованных углей основная часть Ва (и Ra) связаны в тонкодисперсных и слабо растворимых аэрозолях сульфатов Ва, в значительной степени проходящих через электрофильтры.

Рис. 3.2. Распределение концентраций U, Th, Cорг, и pH по ландшавтному профилю, проходящему через Назаровскую ТЭС.

Рис. 3.3. Распределение изотопов урана и тория по ландшафтному профилю, проходящему через угольную ТЭС.

За время 20-летней работы ТЭС это вызвало заметное загрязнение почв радионуклидами (Рис. 3.2 и 3.3). На рисунках представлено распределение изотопов U и Th по ландшафтному профилю длиной 25 км, проходящему через ТЭС в направлении господствующих ветров. Показаны 2 кривые распределения элементов в почвах: для проб с глубины 0-3 см и 8-12 см. Они имеют приблизительно зеркальный характер: максимальному обогащению верхнего горизонта почв (поверхности) соответствует максимальное обеднение нижележащего горизонта. Такое своеобразие распределения урана и тория в почвах объясняется характером техногенного материала, поступающего с выбросами ТЭС. В результате многолетних наблюдений снегового покрова в районе электростанции было обнаружено (Волкова, Давдова, 1978), что благодаря высокой карбонатности углей (до 50%) зольные выпадения создают на поверхности почв щелочную реакцию (рН=10-12), а атмосферные осадки - кислую. В итоге реакция верхних почвенных горизонтов близка к нейтральной или слабокислая.

Сульфатные либо карбонатные воды выщелачивают как из зольных частиц, так и из почв U и Th и с поверхностным стоком переносят их в р.Чулым. Устойчивость Th в оплавленных зольных частицах к выщелачиванию выше, чем в почвах, поэтому в радиусе 5-7 км - зоне максимального воздействия ТЭС - максимум зольных выпадений совпадает с максимальной концентрацией Тh на поверхности почв. На глубине 8-12 см, куда зола не проникает, работает лишь механизм выщелачивания, и мы наблюдаем отчетливый минимум концентрации Th в почве.

Правильность нашего предположения подтверждает распределение величины индикаторного изотопного отношения тория - ²²⁸Th/²³²Th, которое в районе ТЭС достигает минимальных значений, не свойственным почвам в природных условиях (0,24 и 0,32) и проявляется по всей глубине профиля. Распределение этого изотопного отношения по профилям серых лесных почв, развитых на склонах и водоразделах и испытывающих в данной обстановке наибольшую техногенную нагрузку, свидетельствует о выщелачивании изотопов Th из поверхностного слоя почв, загрязненных летучей золой (0,66-0,83), и его аккумуляции в нижнем слое (1,27 - 2,0). Градиент концентраций между слоями почв "а" (6,5-13,5 г/т) и "б" (1,7-4,8 г/т) обеспечивает диффузию атомов отдачи ²²⁸Th в нижележащие слои почвенного профиля. (Атомы отдачи ²²⁸Th в измеримых количествах накапливаются уже через несколько месяцев).

Максимум в распределении урана по профилю выражен менее отчетливо, также как и разница в распределении концентраций по слоям "а" и "б". С одной стороны, это может быть следствием меньшего обогащения летучей золы U, а с другой стороны - следствием более легкого выщелачивания урана из карбонатных зольных частиц и большей его устойчивости в поверхностных и почвенных водах, что обеспечивает ему более интенсивную водную миграцию. Атомы отдачи ²³⁴U не успели накопиться в зольных частицах после их плавления (в измеримых количествах накопятся через 40 тыс. лет), поэтому изотопное отношение урана здесь не может служить индикатором выщелачивания. Величина ²³⁴U/²³⁸U на поверхности почв характеризует их особенности. Для черноземов типична аккумуляция урана (1,00-1,46), а для хорошо аэрируемой подстилки серых лесных почв - вынос (0,80-0,97). Для канско-ачинских углей, отличающихся повышенной влажностью и добываемых открытым способом, также отмечена некоторая потеря урана (0,92-0,97).

Распределение ²²⁶Ra точно повторяет в слоях "а" и "б" распределение Ва и сульфат-иона в почвах изученного профиля. Кривые имеют 2 резких максимума по обе стороны от ТЭС на расстоянии около 7 км. Согласно расчетам, это расстояние соответствует максимуму выпадений летучей золы и равно величине (20-40)h, где h - высота дымовой трубы (Волков, Гаврилов, Фактуллин, 1984).