ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО НЕЙТРОННО-АКТИВАЦИОННОГО АНАЛИЗА В ПРОБАХ ПОЧВЫ НА ТЕРРИТОРИИ ВОКРУГ ПЛАНИРУЕМОГО СТРОИТЕЛЬСТВА АЭС В ДЖИЗАКСКОЙ ОБЛАСТИ

АННОТАЦИЯ

В данной статье приведены результаты определения химических элементов в образцах окружающей среды, разработана и оптимизирована методика инструментального нейтронно-активационного анализа. Показано, что использование разработанной методики позволяет определять в образцах почвы до 30 элементов с чувствительностью от n×10^-1 % до n×10^-7 % и с относительной погрешностью от 1 % до 20 %. Для определения количественного содержания макро- и микроэлементов в отобранных пробах нами был использован метод инструментального нейтронно-активационного анализа. Полученные данные и разработанные методики можно использовать для мониторинга окружающей среды на площади, прилегающей к территории атомной электростанции.

ABSTRACT

This article presents the results of determining chemical elements in environmental samples; a technique for instrumental neutron activation analysis has been developed and optimized. It has been shown that the use of the developed method makes it possible to determine up to 30 elements in soil samples with sensitivity from n×10^-1 % to n×10^-7 % and with a relative error from 1 % to 20 %. To determine the quantitative content of macro- and microelements in the samples taken, we used the method of instrumental neutron activation analysis. The data obtained and the developed methods can be used to monitor the environment in the area adjacent to the nuclear power plant.

Ключевые слова: нейтронно-активационный анализ, гамма-спектрометр, макро- и микроэлементы, АЭС.

Keywords: neutron activation analysis, gamma spectrometer, macro- and microelements, nuclear power plant.

Введение. Мониторинг экологического состояния окружающей среды является ключевым звеном при оценке рисков и последующей разработке, а также реализации мер по защите окружающей среды, предотвращению процессов, имеющих негативное воздействие на здоровье населения, состояние окружающей среды и биологическое разнообразие. При формулировании задач по экологическому мониторингу приоритетными являются регионы с имеющимися проблемами природного и антропогенного характера с высоким экологическим риском. Несомненно, территория вокруг планируемого строительства атомной электростанции на берегу озера Тузкон в Джизакской области является одним из таких приоритетных регионов.

Для определения количественного содержания макро- и микроэлементов в отобранных пробах нами был использован метод инструментального нейтронно-активационного анализа.

При анализе элементного содержания образцов метод НАА обладает такими неоспоримыми преимуществами как высокая чувствительность, многоэлементность и отсутствие влияния загрязнений, связанных с использованием химических реагентов, что присуще другим методам анализа. Перечисленные достоинства метода обуславливают применение НАА в экологических исследованиях в качестве мощного инструмента элементного анализа [2–6].

Экспериментальная часть

Отбор пробы – пункты отбора проб и полевых измерений были выбраны в прилегающей к месту планируемого строительства АЭС внутренней зоны радиусом 40 км с учетом розы ветров и расположения населенных пунктов

Аппаратура – исследовательский ядерный реактор ВВР-СМ мощностью 10 МВт, гамма-спектрометр с полупроводниковым детектором HPGeGC-1518 и многоканальным анализатором DSA-1000. Обработку гамма спектров проводили с помощью программного пакета Genie-2000.

Облучение образцов проводили в вертикальном канале ядерного реактора ВВР-СМ (ИЯФ АН РУз) с плотностью потока нейтронов 5-7´10¹³см^-2с^-1.

Подготовка проб для облучения. Проба почвы после высушивания и просеивания тщательно перемешивается. Из общего количества отбирали ~ 2 грамма и перетирали в агатовой ступке до состояния тонкодисперсного порошка. Взяты три аликвоты массой 80–100 мг для трех разных режимов облучения. Каждую отобранную аликвоту помещали в полиэтиленовый пакетик и герметично запаивали. Также готовили образцы сравнения, в качестве которых авторами статьи были использованы сертифицированные аналогичные модели SL-1 и SL-3, а также приготовленные в лаборатории пробы для сопоставления. Приготовленные образцы в полиэтиленовых пакетиках заворачивали в алюминиевую фольгу и вместе с образцами сравнения помещали в специальный алюминиевый блок-контейнер для последующего облучения.

Облучение образцов, измерение и обработка спектров, расчет концентрации. Подготовленные образцы облучали в исследовательском ядерном реакторе ВВР-СМ и после выдержки доставляли в лабораторию. Контейнеры вскрывали в специальных защитных боксах, образцы перепаковывали и пердавали для измерения.

Спектры гамма-излучения радионуклидов измеряли на полупроводниковом гамма-спектрометре производства CANBERRA. Измерение и последующую обработку спектров гамма-излучения проводили с использованием программного пакета Genie2000.

При исследовании физико-технических параметров (режимы облучения и охлаждения, навеска пробы, расположение аналитических линий в спектре наведенной гамма – активности) был выбран канал для облучения, а также  режимы облучения и охлаждения. Учитывая, что каждый канал имеет свой спектр нейтронов, был проведен анализ стандартных образцов сравнения. Для определения содержания элементов по радионуклидам с различными периодами полураспада приходится применять различные временные режимы анализа (время облучения, остывания, измерения). После изучения характерных гамма-спектров активированных образцов нами выбраны следующие режимы:

1. Время облучения 30 сек, время остывания 1 час, время измерения 600 сек;

2. Время облучения 1 час, время остывания 2 сутки, время измерения 1800 сек;

3. Время облучения 1 час, время остывания 5 суткок, время измерения 1800 сек;

4. Время облучения 5 часов, время остывания 10 дней, время измерения 3600 сек;

5. Время облучения 5 часов, время остывания 20 дней, время измерения 10800 сек для анализа почвы.

Методика определения содержания элементов по короткоживущим радионуклидам. Исследуемые образцы вместе с эталонами упаковывали в полиэтиленовый контейнер и облучали в вертикальном канале реактора потоком нейтронов 5х10¹³ нейтрон/см² сек в течение 30 сек. Измерение наведенной активности проводили трижды – через 1 час после облучения для определения магния, хлора, натрия, меди, калия и марганца. Определение меди в образцах почвы на следующий день. Время измерения составляло 600 сек.

Методика определения содержания элементов по среднеживущим радионуклидам. Для определения содержания кальция, брома, лантана, золота и урана и других элементов образцы почвы заворачивали в алюминиевую фольгу и облучали в горизонтальном  канале реактора в течение 1 часа. Измерение наведенной активности проводили через 2 суток после облучения по соответствующим нуклидам. Время измерения каждой пробы составляло 1800 сек [1].

Методика определения содержания элементов по долгоживущим радионуклидам. Для определения содержания элементов по долгоживущим радионуклидам облученные в течение 5 часов пробы измеряли через 10–20 дней после облучения по соответствующим γ-линиям. По данной методике стало возможным определить содержание: церия, тория, хрома, цезия, никеля, железы, цинка и других элементов. В настоящее время надежным методом проверки правильности аналитических работ является анализ стандартных образцов сравнения. В качестве стандартных образцов сравнения для проверки правильности используемой методики были выбраны следующие стандарты: сертифицированные образцы сравнения SL-1 и SL-3.

Результаты. Для изучения экологической обстановки исследовали элементный состав почв в территориях вокруг планируемого строительства атомной электростанции на берегу озера Тузкон в Джизакской области Узбекистана с использованием нейтронно-активационного анализа, который позволяет определять значительное число элементов в различных образцах с исключительно высокой чувствительностью.

Для анализа почвы, по установленной методике отбирали пробы и предварительно удаляли травяной покров. Из отобранных образцов готовили усредненные пробы по стандартной методике (высушивание, измельчение, просеивание через сито). Методом квартования отбирали навески для нейтронно-активационного анализа, для определения элементов по короткоживущим изотопам взвешивали на аналитических весах образцы по 60–80 мг, а для определения по средне- и долгоживущим изотопам по 80–100 мг. Взвешенные образцы герметично упаковывали в маркированные полиэтиленовые пакеты и в герметичном контейнере облучали в потоке нейтронов атомного реактора типа ВВР-СМ. Облученные образцы измеряли в измерительном комплексе лаборатории Ядерной аналитики ИЯФ АН РУз.

Результаты нейтронно-активационного определения содержания элементов в исследованных образцах приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Результаты ИНАА образцов почвы средние значение

Заключение. Для мониторинга сезонных изменений выбраны точки отбора проб на территории строительства АЭС в Джизакской области. Получены результаты анализов по содержанию элементов в пробах, отобранных в точках отбора. Показано, что содержание элементов в исследованных пробах соответствует их типичному составу в объектах подобного рода.

С целью исследования содержания микроэлементов в образцах окружающей среды разработана и оптимизирована методика инструментального нейтронно-активационного анализа. Показано, что использование разработанной методики позволяет определять в образцах почвы, растений и воды до 30 элементов с чувствительностью от n×10^-1 % до n×10^-7 % и с относительной погрешностью от 1 % до 20 %.

Полученные данные и разработанные методики можно использовать для мониторинга окружающей среды на площадях, прилегающих к территории атомной электростанции.

Список литературы:

1. Данилова Е.А., Курбанов Б.И., Ахмедов Я.А., Хушвактов Н.Х., Фарманов Х.Ш. Использование инструментального нейтронно-активационного анализа для экологического мониторинга техногенных территорий Узбекистана // Материалы 21-й междунар. науч. конф. г. Минск, Республика Беларусь 20–21 мая 2021 г. – С. 166–169.
2. Filby R.H., Shah K.R. Activation analysis and applications to environmental research // Toxicological & Environmental Chemistry. – 1974. – Vol.2. – Is.1.
3. Flitsiyan E.S. Use of neutron-activation techniques for studying elemental distributions: applications in geochemistry, ecology and technology // Radiation Measurements. – 1997. – Vol. 28. – Iss.1(6). – P. 369–378.
4. Kolesov G.M. Neutron activation analysis of environmental materials // Analyst, 1995. – Vol. 120. P.1457–1460.
5. Kucera J. The Use of Neutron Activation Analysis in Environmental and Biomedical Research // AIP Conference Proceedings. – 2007. – Vol. 958 – P.28–32.
6. Steinnes E. Neutron Activation Techniques in Environmental Studies // Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry.  – Vol. 243(1). – P.235–239.