Геохимия изотопов радиоактивных элементов ( U, Th, Ra)

3.4. Хвостохранилище урановых рудных отходов.

Исследованное хвостохранилище отходов, образовавшихся после переработки урановых руд, расположено также на территории радиевого завода на берегу р.Ухты. Отходы были завезены из Средней Азии в 40-е годы для извлечения из них Ra и занимают площадь в 1 га. Первичные отходы (тип А) представляют собой тонкодисперсную массу, образовавшуюся в результате содового и частично - сернокислотного извлечения урана из измельченной руды. Они состоят из рудных (минеральных) остатков и технологических гидратных осадков (гидроксидов, сульфатов, карбонатов и т.д.). Некоторая часть отходов (тип Б) претерпела последующую солянокислую обработку с целью технологического извлечения из них Ra на радиевом заводе. Распределение разных типов отходов и их состав как по площади хвостохранилища так и по глубине многометровой толщи отходов крайне гетерогенное.

Хвостохранилище представляет собой открытый участок, обнесенный бетонным забором и в 50-е годы дезактивированный (засыпанный) песчано-гравийной смесью. Помимо основного хвостохранилища, в районе имеются другие участки повышенной актиности, где на поверхности почв находятся маломощные слои этих же отходов.

Для пояса тайги гумидной климатической зоны, к которому принадлежит район хвостохранилища, главную роль в миграции радионуклидов играет водная эрозия отходов под воздействием метеорных осадков. Вода, скапливающаяся на поверхности отходов, или стекающая по их поверхности, фильтруется через рыхлую массу отходов до поверхности почв, которые в данной ситуации являются водоупором. В результате воды существенно меняют свой состав, обогащаясь многими относительно растворимыми макро- и микрокомпонентеми, образовавшимися в отходах в результате выветривания. Анализы показали, что даже во временных водоемах на поверхности отходов концентрация Cl^-, CO₂, Na⁺, увеличивалась до 50 раз. Одновременно в грунтовых водах в пределах хвостохранилища во много раз возросла концентрация многих микроэлементов, в том числе тяжелых металлов и Ва. В результате увеличилась химическая агрессивность метеорных вод, просочившихся в толщу отходов, что способствовало переходу радионуклидов в сравнительно легко расворимое состояние, что отражалось на повышенной радиоактивности вытекавших из под толщи отходов вод. Модельные эксперименты по периодическому выщелачиванию радионуклидов из отходов 0,1 н раствором HСl показали, что в настоящее время из них может извлекаться до 20% ²³⁸U и до 25% ²²⁶Ra (с Ва в качестве носителя).

Характер радионуклидных спектров в отходах (Таб. 3.2) существенно отличается от обычных почв. Во-первых между изотопами урана наблюдается радиоактивное равновесие, характерное для урановых минералов (Гл. 1). Во-вторых, наблюдается большой избыток дочерних членов уранового ряда (²²⁶Ra, ²³⁰Th). В третьих, изотопные отношения тория сильно отличаются от природных: ²²⁸Th/²³²Th имеет очень низкие значения (0,1-0,2 при фоне около 1,0), а ²³⁰Th/²³²Th - аномально высокие значения (от десятков до нескольких тысяч при фоне около 1,0).

Рис. 3.5. Распределение природных радионуклидов и их отношений в почвах, загрязненных твердыми отходами.

Изотопные спектры иллюстрируют описанный выше процесс взаимодействия просачивающихся вод с отходами. Радионуклиды, прежде всего атомы отдачи, вымываются из верхних горизонтов отходов и вмываются в более глубокие горизонты. Нахождение отходов на поверхности почв создает резкоградиентные двухзвенные системы, где из отходов идет постоянный диффузионный вынос наиболее подвижных радионуклидов, в первую очередь атомов отдачи. При этом из пограничного слоя отходов может выноситься более 90% радионуклидов (Рис. 3.5). Градиент концентраций урана-238 между отходами и почвой превышает 2 математических порядка. Данный пример является хорошей иллюстрации так называемой "диффузии атомов отдачи" (Гл. 1).

Рис. 3.6. Профиль через хвостохранилище рудных отходов.

Рисунок 3.6 показывает распределение общей гамма-активности и изотопных отношений по профилю, проходящему через хвостохранилище. Особенности изотопных отношений в отходах, о которых речь шла выше, могут служить трассерами загрязнения, особенно на начальной стадии миграции, когда концентрации элементов-носителей, вынесенных за пределы хвостохранилища, значимо не отличаются от флуктуаций природного фона. Так, трассером уранового загрязнения может быть изотопное отношение ²³⁴U/²³⁸U, которое в рудах и рудных остатках близко к равновесному значению, а в поверхностных водах существенно превышает его величину. Примером может служить величина этого отношения в воде р.Ухта, на берегу которого расположено данное хвостохранилище. Выше хвостохранилища величина изотопного отношения (2,5-3,4) соответствует фону для поверхностных вод и гумусового горизонта пойменных почв. Выносу урана с поверхностным стоком за пределы хвостохранилища препятствует восстановительный барьер в заболоченных почвах, возникший за счет подпруживания вод бетонным огражденим. Ручей, вытекающий через пролом в ограде, выносит уран в реку, в результате чего его изотопный состав в воде реки в месте впадения ручья резко снижается до 1,60. За пределами хвостохранилища величина ²³⁴U/²³⁸U в воде реки постепенно возрастает, но даже через 2,5 км не достигает фоновых значений и равна 1,91.

Другим трассером загрязнения такого рода является изотопное отношение ²³⁰Th/²³²Th, которое в фоновых почвах обычно близко к единице. В рудных отходах резко преобладает "урановый" изотоп тория - ²³⁰Th. Так как для Th не существует восстановительного барьера, то высокие величины этого отношения были обнаружены в почвах и за пределами ограждения. Особенно отчетливо наблюдается миграция Th в почвах, на которые попадают кислые сульфатные воды на промплощадках, где пользуются сернокислотным выщелачиванием.

Третим индикаторным изотопным отношением является ²²⁸Th/²³²Th, которое отражает интенсивное вышелачивание из твердой фазы и имеет в подобных условиях аномально низкую величину. Поведение радия зависит полностью от поведения Ва в растворе. После связывания Ва в толще отходов (возможно в форме слаборастворимых сульфатов), и возрастания рН, содержание Ra в поверхностных водах заметно снижается и приближается к фоновым значениям.

1. В условиях техногенного загрязнения среды естественными радионуклидами не только концентрации и формы нахождения радионуклидов отличаются от фоновых, но и сама среда становится аномальной в результате технологического вмешательства.

2. На предприятиях горнодобывающей промышленности важнейшую роль играют процессы окисления эндогенных минералов, особенно окисление сульфидов. Возникающая при этом кислая сульфатная среда способствует как мобилизации, так и миграции химических элементов, в частности - изотопов U и Th. Изотопы Ra в такой среде, напротив, мало подвижны. Аналогичная обстановка возникает на горно-перерабатывающих предприятиях, использующих серную кислоту для вскрытия руд.

3. На контакте отходов или других технологических продуктов с высокими (или сильно повышенными) концентрациями радионуклидов и фоновыми почвами наблюлюдается интенсивная диффузия атомов отдачи за счет высокого градиента концентраций.

4. При радиоактивном загрязнении почв пластовыми водами из зоны водно-углеводородного контакта наблюдается интенсивное устойчивое загрязнение верхних горизонтов почв изотопами радия при менее интенсивном загрязнении дочерними изотопами Th , более подвижными в этих условиях.