Семипалатинский испытательный ядерный полигон (СИЯП) расположен на северо-востоке Республики Казахстан. По данным Казахского научного института радиационной медицины и экологии, бывший СССР провёл на СИЯП 498 ядерных испытаний, включая 26 наземных и 92 атмосферных взрыва, осуществлённых в период с 1949 по 1962 год. Первый ядерный взрыв, произошедший в августе 1949 года, оказал наиболее сильное воздействие на население, проживавшее вблизи полигона. Высота подрыва составила всего около 40 м над землёй, а энергия взрыва была эквивалентна 22 килотоннам тротила. При этом погодные условия были крайне неблагоприятными — шёл сильный дождь и дул мощный ветер. Село Долон, расположенное более чем в 100 км северо-восточнее эпицентра, подверглось воздействию радиоактивного следа этого взрыва. Таким образом, северо-западная часть села признана одной из территорий за пределами полигона с повышенным уровнем осаждения плутония. Тем не менее, данные о содержании плутония в почве Долона остаются ограниченными.

Сегодня мы можем подсчитать радиационную нагрузку на жителей Долона благодаря накопленным данным о содержании 90Sr, 137Cs и 239,240Pu в почвах и объектах поселения. В частности, измерения активности плутония в почве позволяют судить о «локальном» радиоактивном следе от того первого взрыва.

Отбор проб

Все образцы были взяты в сентябре 1996 года. В ходе полевых работ участники команды из Австрии, Италии и Казахстана собрали образцы из окружающей среды и образцы крови местных жителей с целью оценки воздействия локальных радиоактивных выпадений с Семипалатинского полигона на село Долон (результаты представлены в данной статье), а также определения соответствующего вклада в дозовую нагрузку на население.

Район исследования расположен за пределами границ Семипалатинского испытательного полигона, недалеко от реки Иртыш. Карта полигона и прилегающих территорий приведена в источнике. Местность в районе исследования сравнительно равнинная, с низким среднегодовым уровнем осадков (250–300 мм) и преобладанием песчаных почв с бедным растительным покровом. Растительность в целом может быть охарактеризована как полынно-ковыльная степь. Для отбора почвенных проб было выбрано девять участков. Большинство из них находилось внутри или вблизи села Долон, остальные — между сёлами Долон и Мостик (см. Таблицу 1). На каждом участке были отобраны три цилиндрических почвенных керна (диаметр — 8 см, глубина — от 0 до 12 или 14 см), расположенных в вершинах равностороннего треугольника на расстоянии примерно 10 м друг от друга. В полевых условиях один из трёх кернов на каждом участке был разделён на слои толщиной 2–4 см. По словам местных фермеров, почвенные профили на местах отбора проб не подвергались нарушению вследствие хозяйственной деятельности, такой как вспашка, на протяжении последних десятилетий. Тем не менее, особенно на участках, расположенных внутри или рядом с селом, нарушения, вызванные человеческой деятельностью, могли иметь место ещё в 1949 году.

Таблица 1. Географическое положение и краткое описание девяти участков отбора проб.

Как измеряли содержание плутония в почве

Подготовка образцов («разрушение»)

Чтобы узнать, сколько плутония осталось в почве после ядерных испытаний, учёные сначала высушивали и просеивали землю, убирая камешки крупнее 2 миллиметров. Затем примерно 8 граммов каждого образца помещали в специальную печь и прокаливали при температуре 500 °C целые сутки. Это нужно, чтобы сжечь органические остатки (растения, корни и т. д.) и превратить образец в чистую золу.

После охлаждения в золу добавляли небольшое количество изотопа плутония-242 — вещества с точно известной активностью. Это своего рода «метка», которая помогает потом проверить, насколько точно прошёл анализ.

Далее золу несколько раз обрабатывали концентрированными кислотами — плавиковой (HF), азотной (HNO₃) и соляной (HCl). Эти кислоты растворяют минералы и переводят все элементы почвы в жидкую форму. Чтобы избежать образования нерастворимых соединений, учёные добавляли немного борной кислоты (H₃BO₃). После нескольких циклов нагревания и выпаривания раствор переводили в форму, удобную для анализа — нитратную, и разбавляли её в азотной кислоте.

Из каждой пробы брали три одинаковые части (их называют аликвоты) и анализировали отдельно, чтобы убедиться, что образец однородный, а результаты — надёжные.

Процедура выщелачивания («извлечение растворимых форм»)

Чтобы понять, какая часть плутония прочно «сидит» в почве, а какая легко выходит при воздействии кислот, проводились два типа выщелачивания.

Первая процедура — мягкая: к 20 граммам почвы добавляли азотную кислоту и немного перекиси водорода. Смесь нагревали около 4 часов.

Вторая процедура — более «жёсткая»: к азотной кислоте добавляли немного плавиковой (она разрушает кремний в минералах). Эту смесь также выдерживали 4 часа.

После каждой процедуры раствор фильтровали и снова выпаривали. Так получали раствор, готовый к последующим измерениям.

Разделение и измерение

Далее раствор пропускали через ионнообменную колонку — это как фильтр, который «захватывает» только плутоний, а всё остальное проходит мимо. После этого плутоний промывали и «вымывали» из колонки кислотой, содержащей йодид аммония (NH₄I), чтобы отделить его от примесей.

Очищенный плутоний затем осаждали — превращали в твёрдое вещество на специальном фильтре, используя соединение NdF₃ (фторид неодима). В таком виде его можно измерить с помощью α-спектрометра — прибора, который регистрирует альфа-частицы, испускаемые радиоактивными элементами.

Для анализа использовался высокочувствительный детектор PIPS производства компании Canberra (США). Он позволяет фиксировать излучение даже при очень низких концентрациях — эффективность измерения около 40 %.

Контроль качества

Чтобы убедиться, что результаты точные, учёные регулярно проверяли свои измерения с помощью международных стандартов — образцов, предоставленных Международным агентством по атомной энергии (МАГАТЭ). Эти образцы имеют известные уровни радиации, и совпадение результатов подтверждает надёжность метода.

Кроме того, каждые несколько серий измерений делался «холостой опыт» — контроль без добавления почвы, чтобы исключить возможное загрязнение.

Погрешность измерений активности плутония (239Pu и 240Pu) была невысокой — менее 15 %, что считается хорошим результатом для такого рода радиоаналитики.

Результаты

Когда исследователи изучают почву, загрязнённую радиоактивными элементами, вроде плутония, главная сложность заключается в том, что плутоний распределён в почве очень неравномерно. Он «привязывается» к небольшим частицам грунта — пыли, стекловидным микрочастицам, минералам — и даже небольшие различия в составе почвы могут заметно влиять на результаты измерений.

Чтобы проверить, насколько равномерно распределён плутоний, учёные анализировали три аликвоты (три части одного и того же образца почвы). Это как если бы один и тот же грунт разделили на три порции и измерили каждую отдельно, чтобы понять — совпадут ли результаты.

Для сравнения брали и эталонный образец, предоставленный Международным агентством по атомной энергии (МАГАТЭ). Это специальный «стандарт» — почва или осадок с точно известным количеством радиоактивных элементов (в данном случае осадок из Балтийского моря, обозначенный как МАГАТЭ-300).

Результаты показали, что значения активности плутония (239,240Pu) в трёх частях одного и того же образца немного отличались друг от друга. Эти расхождения объясняются двумя факторами: естественной погрешностью измерений и неоднородностью самой почвы, то есть тем, что радиоактивные частицы в ней распределены не идеально равномерно. Однако этот разброс оказался небольшим — всего несколько процентов, что в науке считается допустимым. Таким образом, исследователи пришли к выводу, что несмотря на неидеальную однородность, анализы трёх частей одной и той же пробы дают достаточно точное и репрезентативное представление о содержании плутония в почве села Долон.

Таблица 2. Концентрация активности 239,240Pu (Бк·кг⁻¹ сухого веса) и стандартное отклонение измерений трёх аликвот (по 8 г каждая) из выбранных почвенных образцов и из эталонного материала.

a: Отношение наибольшего и наименьшего значения для данного образца;

b: Рекомендованное значение: 3,44.

В таблице 3 приведены результаты измерений активности изотопов плутония (239Pu  и 240Pu) в почве, а также соотношения между ними и другими радиоактивными веществами — стронцием-90 (90Sr) и цезием-137 (137Cs).

Учёные обнаружили, что концентрация плутония сильно различается даже в пределах одного участка. Это неудивительно — пробы брались на сравнительно небольшой территории, а после ядерного взрыва радиоактивные осадки ложились неравномерно. Ветер, дождь и особенности рельефа могли привести к тому, что в одном месте осело больше частиц, чем в соседнем. Кроме того, некоторые участки почвы за десятилетия могли быть нарушены человеческой деятельностью — например, вспашкой или строительством. Особенно это заметно на участке D, расположенном возле кладбища: здесь концентрация плутония оказалась самой низкой. Вероятно, грунт там перемешивался, и часть загрязнённого слоя была удалена.

На остальных участках средние значения активности плутония находятся в пределах от 580 до 9700 Бк/м² (беккерелей на квадратный метр). Для сравнения, предыдущие исследования (например, работа Дубасова и коллег) показывали, что в самом селе Долон значения могут колебаться от 40 до 11 000 Бк/м², а между сёлами Долон и Мостик — даже до 37 000 Бк/м². Это подтверждает, что загрязнение распределено крайне неравномерно.

Для понимания масштабов загрязнения важно различать глобальные выпадения и локальные.

Глобальные выпадения — это радиоактивная пыль, равномерно распределившаяся по планете после многочисленных атмосферных ядерных испытаний в 1950–60-х годах.

Локальные выпадения — это осадки, выпавшие поблизости от конкретного взрыва, когда частицы грунта, втянутые в огненный шар, осели неподалёку от эпицентра.

В северном полушарии в почвах, затронутых только глобальными выпадениями, соотношение активности плутония (239,240Pu) и цезия-137 (137Cs) обычно составляет около 0,02. А вот в Долоне это соотношение варьировало от 0,1 до 3,2 — то есть в десятки раз выше. Это однозначно указывает на локальное происхождение плутония: он попал сюда именно из взрывов на Семипалатинском полигоне, а не из общемировых атмосферных испытаний. Такие же высокие соотношения (0,1–5,3) ранее находили и внутри самого полигона. Аналогичная закономерность наблюдается и для отношения плутония к стронцию-90 (90Sr) — оно находится в пределах 0,5–3,8.

Учёные также сравнили, как связаны между собой уровни разных радионуклидов в почве. Оказалось, что там, где больше стронция-90, обычно больше и плутония. Между ними выявлена положительная корреляция (научный показатель, отражающий взаимосвязь): чем выше концентрация одного, тем выше другого. Формула зависимости выглядит так: Y = 0,7 + 1,4X (при коэффициенте r² = 0,49). Это означает, что почти половину колебаний активности плутония можно объяснить изменениями активности стронция. С цезием-137 корреляция тоже есть, но она слабее (r² = 0,42).

В почвенных образцах исследователи также измерили отношение изотопов плутония — 238Pu к 239,240Pu. В большинстве случаев оно находилось в узком диапазоне 0,034–0,045, что полностью совпадает с уровнями глобальных выпадений. Это значит, что даже при локальном происхождении загрязнения изотопный состав плутония в Долоне не отличается от типичных для ядерных взрывов значений.

Таблица 3. Активность 239,240Pu (Бк·кг⁻¹ и Бк·м⁻²) и различные соотношения активности в почвенных образцах (0–12 или 14 см) из села Долон.

a: включая стандартное отклонение измерения;

b: включая стандартное отклонение, рассчитанное по статистике счёта;

c: включая стандартное отклонение, рассчитанное на основе неопределённости измерений;

d: значение не определено.

Рис. 1. Зависимость 239,240Pu от 90Sr в почвенных образцах с девяти участков отбора проб, включая линейную аппроксимацию и 95%-ные доверительные пределы прогнозирования.

На рисунке 2 показано, какую часть плутония удалось «вымыть» из почвы с помощью концентрированной азотной кислоты (8 М HNO₃). Результаты оказались поразительными: в среднем только 13 % плутония удалось извлечь, а оставшиеся 87 % (от 62 до 98 %) остались в почве. Учёные называют эту часть «прочно связанным плутонием». Это означает, что атомы плутония находятся внутри очень устойчивых частиц — в основном плавленых силикатов, то есть стекловидных зерен, образовавшихся при ядерном взрыве, когда грунт буквально расплавился и снова застыл.

Для сравнения: плутоний, который выпадает на землю после обычных атмосферных испытаний (так называемые глобальные выпадения), обычно легко растворяется в кислотах. Поэтому его можно почти полностью удалить азотной кислотой.
А вот «долонский» плутоний оказался гораздо более стойким — типичный признак локальных выпадений, связанных с непосредственным воздействием огненного шара ядерного взрыва.

Даже когда к азотной кислоте добавляли немного плавиковой (HF) — вещества, которое способно растворять кремний, — количество извлечённого плутония почти не увеличивалось. Из этого исследователи сделали вывод, что тугоплавкие соединения плутония, например оксид PuO₂, не играют решающей роли — основной вклад в «прочность» вносят именно силикатные частицы.

Для сопоставления исследователи посмотрели, как ведёт себя стронций-90 (⁹⁰Sr), другой важный радионуклид. Оказалось, что только около двух третей стронция (в среднем 66 %) остаётся в нерастворимой форме — меньше, чем у плутония. Это объясняется тем, что часть стронция в долонской почве попала из глобальных выпадений и потому химически менее связана с почвой.

Причина столь высокой «прочности» в особенностях самого взрыва 1949 года.
Он произошёл всего на высоте около 40 метров над землёй. В результате огромное количество почвы было втянуто в огненный шар и расплавилось, превращаясь в мельчайшие стекловидные шарики. Когда они остыли, радиоактивные элементы, включая плутоний, оказались «запаянными» внутри этих микрочастиц.

Такая форма делает плутоний почти нерастворимым и малоподвижным — он остаётся в почве десятилетиями, не проникая глубоко и не попадая в растения.
Это с одной стороны снижает вероятность быстрого попадания радионуклидов в пищевую цепь, но с другой — делает загрязнение чрезвычайно долговечным.

Рис. 2. Доля 239,240Pu, выщелоченного из почвенных образцов с девяти участков с использованием 8 М HNO₃. Вертикальные линии ошибок обозначают совокупную неопределённость (стандартное отклонение) измерений.

Как глубоко проникает радиоактивность

На рисунке 3 показано, как распределяются радиоактивные элементы — плутоний (239,240Pu), стронций-90 (⁹⁰Sr) и цезий-137 (137Cs) — в слоях почвы на четырёх участках в окрестностях Долона. Хотя взятые образцы были небольшими, результаты дают хорошее представление о том, как глубоко «ушло» загрязнение.

На всех участках исследователи обнаружили, что часть плутония находится не только в верхних слоях, но и глубже 6 сантиметров. Особенно выделяется участок H, где большая часть плутония оказалась глубже 10 см. Это значит, что радиоактивные вещества со временем могли постепенно проникать вглубь почвы — либо из-за дождей и талой воды, либо из-за деятельности животных, насекомых и человека. Иногда, если почву когда-то вспахивали, выкапывали ямы или строили, радиоактивные частицы перемешиваются между слоями. Однако местные фермеры утверждают, что на этих участках не проводилось вспашки последние 50 лет, поэтому учёные считают, что перемешивание могло произойти естественным путём — например, из-за дождевых потоков или жизнедеятельности животных.

Интересно, что профили распределения всех трёх веществ — плутония, стронция и цезия — очень похожи. Это говорит о том, что они, скорее всего, связаны с одними и теми же микрочастицами — теми самыми плавлеными силикатами, образовавшимися при ядерном взрыве.

Подобные результаты ранее получали и другие учёные. Так, в 1990-е годы исследователь Дубасов и его коллеги анализировали глубинные профили почвы в разных местах вокруг Семипалатинского полигона. Они выяснили, что:

в населённых пунктах (включая Долон) плутоний проникает до 10–15 см,

а за пределами сёл он в основном остаётся в верхних 10 см,

внутри самого полигона (где проводились испытания) — чаще всего в верхних 5 см почвы.

Таким образом, данные из Долона хорошо вписываются в общую картину: здесь загрязнение более глубокое и неоднородное, чем на открытых территориях полигона.
Это подтверждает, что радиоактивные частицы осели не только на поверхность, но и частично проникли вглубь — вероятно, вскоре после взрыва 1949 года.

Рис. 3. Распределение по глубине (Бк·кг⁻¹ сухого вещества) 239,240Pu, 90Sr и 137Cs в почвенных образцах с участков C, G, H и I. Вертикальные линии ошибок обозначают стандартное отклонение измерений.

Заключение

Полученные результаты показывают, что Долон впитал значительное количество оружейного плутония после первого взрыва 1949 г. Уровни 239,240Pu (сотни–тысячи Бк/м²) в почвах намного превышают глобальный фон (несколько десятков Бк/м²). Изотопы плутония устойчивы (период полураспада 239Pu ≈ 24 000 лет), поэтому эта «запекшаяся» радиоактивность останется в почве на долгие века. В экологии это значит, что растения и животные, а впоследствии и люди будут получать ионизирующее излучение от контакта с почвой и материалом зданий. Именно такие измерения нужны для раскрытия дозового бремени жителей: по результатам измерений 137Cs, 239,240Pu и другим можно оценить облучение населения (методы EPR-спектроскопии зубов, люминесценции кирпичей и др.). Новые данные, полученные в этой работе, дадут более точные исходные условия для ретроспективной оценки дозы, которую получили жители Долона в 1949 г.

Ядерный полигон ныне закрыт, но памяти о тех событиях следовали далеко за его пределы. Охрана здоровья окружающих территорий остаётся актуальной задачей. Село Долон было и остаётся одним из символов испытаний и их последствий для Казахстана. Проведённое исследование восполняет пробел в знаниях о распределении плутония вокруг полигона. Оно подчёркивает, что даже на расстоянии в десятки километров концентрации радиоактивного загрязнения могут быть высокими.

Современные наблюдения и исторические отчёты сходятся в том, что долгодействие радиации вокруг Семипалатинска было серьёзным. Инициативы 2000-х годов по оценке радиационной обстановки (включая советы МАГАТЭ) подчеркивали важность таких исследований. Данные о содержании плутония в почве помогают учёным и властям лучше понять экологические последствия ядерной эпохи. Научные статьи и отчёты о Долоне, включая результаты этого исследования, постепенно восполняют информацию, необходимую населению и историкам Казахстана для осмысления прошлого и планирования будущей реабилитации территории.