Ученые оценили воздействие АЭС на биосферу за последние полвека

В России впервые проведено ретроспективное исследование влияния атомных станций на концентрацию радиоуглерода в атмосфере. Методом ускорительной масс-спектрометрии ученые измерили содержание ¹⁴С в годичных кольцах деревьев вблизи Белоярской и Курской АЭС, а также на территории Института реакторных материалов (ИРМ) в Заречном Свердловской области.

О выводах исследования «Стране Росатом» рассказали его инициатор, научный сотрудник Института промышленной экологии Уральского отделения РАН Евгений Назаров, и директор Центра коллективного пользования «Ускорительная масс-спектрометрия» Новосибирского государственного университета — ​Новосибирского научного центра Екатерина Пархомчук.

Послания в кольцах

Годичные кольца — настоящая летопись. Слова в ней — изотопы. Для Евгения Назарова главным «словом» стал изотоп ¹⁴С. Как и стабильный углерод, он широко распространен и легко фиксируется в биологических образцах. Но исследований его содержания в биологических материалах в районе действия ядерных объектов в СССР и России до 2015 года не велось, поскольку у нас действовал собственный стандарт обязательных измерений нагрузки в таких районах. В 2015‑м «Росатом» синхронизировал свои стандарты наблюдения с Международным агентством по атомной энергии (МАГАТЭ), и ¹⁴С попал в реестр.

«В Европе анализ содержания радиоуглерода вблизи АЭС находится на одной из лидирующих позиций, в СССР при контроле радиационной обстановки этот показатель не учитывался. Мне стало интересно, можно ли найти способ его ретроспективного измерения», — рассказывает Евгений Назаров.

Углерод‑14, низкоэнергетический бета-излучатель с периодом полураспада 5730 лет, входит в список из 15 радионуклидов, определяющих не менее 99 % дозы облучения от радиоактивных веществ, поступающих от АЭС при нормальной эксплуатации. МАГАТЭ рекомендует контролировать объем ¹⁴C для оценки воздействия на окружающую среду.

Радиоуглерод образуется в основном при нейтронной активации примесных атомов из топлива, теплоносителя и замедлителя. Газообразный ¹⁴С в форме химических соединений (CO2, CH4, CO и др.) поступает в окружающую среду с выбросами из вентиляционной трубы. Его объем зависит не только от совершенства очистных систем, но и от типа установки: в реакторах с графитовым замедлителем (РБМК) удельный показатель выброса (количество образующегося ¹⁴С на единицу произведенной электроэнергии) существенно выше, чем у ВВЭР.

В окружающей среде радиоуглерод встраивается в естественный углеродный цикл и аккумулируется в растениях (далее по пищевой цепочке может попасть в организм человека и заместить стабильный изотоп ¹²С, но сейчас не об этом). Годичные кольца деревьев в районе действующих АЭС — ​идеальная каталогизированная база данных о радиоуглероде.

Он усваивается растением в процессе фотосинтеза и запирается в целлюлозе годичного кольца, не мигрирует. Благодаря тому, что это изолированный слой древесины, мы можем оценить содержание ¹⁴С для каждого года», — поясняет Евгений Назаров.

Екатерина Пархомчук

— По показателю ¹⁴С в фоновых образцах (новосибирский Академгородок. — «СР») идет гладкий экспоненциальный спад в результате растворения в океане избыточного количества ¹⁴СО2 из атмосферы и поглощения другими объектами окружающей среды. В кольцах сосен вблизи АЭС наблюдаются скачки ¹⁴С во времени как результат пуска / остановок реакторных блоков, коррозии графитовых вкладок, накопивших ¹⁴С, и других факторов.

Достоверность исследования

Ученый решил прибегнуть к ускорительной масс-спектрометрии. Метод позволяет с высокой точностью измерять содержание ¹⁴С в низкоактивных пробах, на уровне естественного фона.

Единственный в России научный центр ускорительной масс-спектрометрии находится в новосибирском Академгородке. С исследователями Института ядерной физики им. Будкера Сибирского отделения РАН (ИЯФ СО РАН) и Центра коллективного пользования «Ускорительная масс-спектрометрия» ученый и наладил сотрудничество.

«Евгений Назаров пришел к нам с предложением заняться этой перспективной темой, — ​рассказывает Екатерина Пархомчук. — ​Мы подключились как аналитический центр. Мониторинг радиационной обстановки крайне важен, а у нас есть все инструменты, чтобы его проводить».

Часть работ провели на уникальном ускорительном масс-спектрометре ИЯФа, часть — ​на швейцарском MICADAS. Достоверность результата сомнений не вызывает — ​центр в 2022 году прошел международное кросс-­тестирование, подтвердившее корректность работы обеих установок и графитизаторов двух типов, через которые пропускают образцы вещества перед исследованием, чтобы сделать графитовые мишени.

Калибровочная сосна

К сравнительным образцам добавили керн 113‑летней сосны, растущей в Академгородке. Поскольку Новосибирск находится на значительном удалении от крупных атомных объектов, эта сосна — ​идеальный стандарт фоновых значений  ¹⁴С. В керне, например, отчетливо виден резкий всплеск содержания радиоуглерода в конце 1950‑х — ​начале 1960‑х в результате ядерных испытаний по всему миру, в том числе на Тоцком (Южный Урал) и Семипалатинском (Казахстан) полигонах, в Капустином Яре (Астраханская область) и на Новой Земле.

После того как лаборатории в разных точках Земли зафиксировали радиоактивный пик, в 1963 году был заключен международный договор о запрете ядерных испытаний в трех средах — ​атмосфере, воде и космосе.

Опасности нет

«Нас, разумеется, интересовали не пи­ки, связанные с ядерными испытаниями, а следы ¹⁴С в годичных кольцах с 1970‑х годов до 2015‑го. Мы смогли рассчитать примерное количество ¹⁴С, которое поступало в окружающую среду ежегодно за время эксплуатации АЭС, а также оценить годовые эффективные дозы для населения. Расчеты показывают, что влияние радиоуглерода на людей незначительно. Мы впервые в нашей стране получили такие уникальные данные», — ​говорит Евгений Назаров.

Екатерина Пархомчук замечает, что даже двукратное превышение фоновых показателей радиоуглерода в окружающей среде, как свидетельствует опыт прошлого века, не несет для человека заметных негативных последствий.

«Радиоактивность в наших телах далеко не только от радиоуглерода. Основной радиоактивный элемент в организме — ​калий‑40 с радиоактивностью в четыре-пять раз выше, чем у ¹⁴С. Получая двой­ную дозу ¹⁴С, мы всего на 20 % превышаем обычный фон наших тел. То есть мы к этому адаптированы. Следовательно, существенной опасности такой объем ¹⁴С для нас не представляет. И исследование это подтверждает», — ​заключает Екатерина Пархомчук.