Что осталось в земле после испытаний

Каждый ядерный взрыв сопровождался выбросом множества радиоактивных веществ. Одни из них быстро распадались, но другие, напротив, остаются на многие десятилетия. К числу долгоживущих продуктов ядерных взрывов относится, например, цезий-137 (период полураспада - примерно 30 лет) - его следы тоже обнаруживались на полигоне. Однако наиболее беспокоящим загрязнителем оказались трансурановые элементы, прежде всего плутоний. 

Плутоний - это тяжелый металлический радиоактивный элемент, практически отсутствующий в природе, который образуется в ядерных реакторах и используется в качестве основного заряда для атомных бомб. Именно частицы плутония из ядерных зарядов и осевшие продукты взрывов застряли в почве Семипалатинского полигона. Исследования показали, что в грунте многих участков содержится превышенное по сравнению с фоновым количество изотопов плутония. Особенно высокие уровни этого элемента обнаружены, как можно ожидать, непосредственно в эпицентрах взрывов. Например, в месте первого советского испытания (1949 года) активность плутония в почве оказалась на порядки выше естественного фона. Даже десятилетия спустя после взрывов почва там остается радиоактивной и требует пристального внимания ученых.

Исследование японских ученых

Спустя несколько лет после закрытия полигона международное научное сообщество получило возможность изучить оставшееся загрязнение. В октябре 1994 года группа японских ученых прибыла на Семипалатинский полигон, чтобы провести детальные измерения радиоактивности почвы. Руководил исследованием Мацуа Ямамото из Лаборатории низкоуровневой радиоактивности Университета Канадзава (Япония) при участии коллег: А. Цумуры из Национального института агроэкологических наук (Цукуба) и профессоров Й. Катаямы и Т. Цукатани из Университета Киото. Японские специалисты отобрали образцы грунта в ключевых точках тестового полигона. Первая точка - на «Опытном поле», где 29 августа 1949 года произошел самый первый ядерный взрыв СССР. Вторая - на берегу крупного кратера, возникшего от подземного ядерного испытания 15 января 1965 года на реке Чаган (этот кратер позже заполнился водой и получил название «Атомное озеро»). Чтобы узнать, какие именно радиоактивные материалы присутствуют в почве и в каком количестве, ученые измеряли соотношение изотопов плутония с помощью высокочувствительного масс-спектрометра ICP-MS. Этот метод позволяет обнаружить даже микроскопические количества разных изотопов элемента. Кроме того, использовались методы радиохимического анализа: например, альфа-спектрометрия для регистрации альфа-частиц от распада плутония и специальные счетчики для бета-излучающих изотопов. Такой комплексный подход позволил точно определить состав и концентрацию плутония в каждом образце почвы.

Изотопы плутония и «оружейный» след

Главный вопрос исследования заключался в том, откуда взялся плутоний в почве и каков его изотопный состав. Изотопы – это разновидности атомов плутония с разным массовым числом: в природе и техногенных материалах плутоний представлен в основном изотопами 238Pu, 239Pu, 240Pu, 241Pu и 242Pu. Японские ученые подтвердили наличие всех этих основных изотопов в семипалатинских грунтах. При этом решающее значение имеет соотношение между двумя долгоживущими изотопами - плутонием-239 и плутонием-240. Дело в том, что процентное содержание 240Pu служит своеобразным маркером, по которому можно определить источник плутония. Плутоний-239 является основным материалом ядерных боеприпасов, тогда как 240Pu образуется как побочный продукт в ядерных реакторах и в составе бомбы считается нежелательной примесью. «Оружейный» плутоний - тот, который используется для зарядов - всегда обогащен по изотопу 239Pu и содержит лишь небольшую долю 240Pu (как правило, менее 7%). Напротив, загрязнение от аварий на атомных реакторах или от глобальных выпадений осадков зачастую имеет куда более высокий процент 240Pu. Например, в выбросах Чернобыльской аварии доля 240Pu достигала порядка 30-40%.

Анализ образцов с Семипалатинского полигона показал, что плутоний в почве там по составу практически идентичен оружейному. В пробе с первого эпицентра около 96,5% всего плутония составил изотоп 239Pu, тогда как 240Pu было всего 3,5%. Похожее соотношение найдено и в образце у «Атомного озера»: 93,4% 239Pu и 6,3% 240Pu. Для сравнения, именно такой изотопный состав имел плутоний, подготовленный для изготовления ядерных зарядов: около 94% 239Pu и 6% 240Pu. Иными словами, источник загрязнения почвы - плутоний от ядерных устройств, испытанных на этом полигоне. Этот вывод подтверждается и тем фактом, что похожее соотношение изотопов плутония фиксировалось в почве на месте взрыва плутониевой бомбы в Нагасаки в 1945 году. Таким образом, характер «изотопного портрета» плутония однозначно указывает на неосадочное происхождение загрязнения, то есть на локальные ядерные взрывы, а не на выпадение дальних атмосферных осадков. 

Помимо изотопного состава, исследователи изучили и форму нахождения плутония в грунте. Выяснилось, что значительная часть загрязнения (по оценкам, от 50 до 80%) прочно связывалась с твердыми частицами оплавленной породы. Иначе говоря, в момент взрыва раскаленная до экстремальных температур почва плавилась, вбирая в себя плутоний. Эти стекловидные частицы разбросаны в земле и удерживают радиоактивный металл, не давая ему легко мигрировать, хотя со временем под воздействием эрозии и погодных факторов они могут разрушаться.

Чем опасен плутоний в почве

Полученные данные вызывает естественный вопрос: какую опасность представляет это оставшееся загрязнение и почему о нем важно помнить сегодня? Проблема в том, что плутоний - чрезвычайно долгоживущий и токсичный элемент. Основные изотопы плутония распадаются очень медленно: так, период полураспада 239Pu составляет около 24 тысяч лет. Все изотопы (кроме относительно краткоживущего 241Pu) являются альфа-излучателями с высоко токсичным воздействием на живые организмы. Альфа-частицы не проходят через кожу, но если частицы плутония попадают внутрь организма - с воздухом, пылью или пищей - они способны вызывать тяжелое облучение внутренних органов и увеличить риск рака. Кроме того, как тяжелый металл, плутоний ядовит химически. Особую тревогу вызывает возможность внутреннего облучения: мельчайшие пылинки в почве, содержащие плутоний, могут подняться ветром и быть незаметно поглощены человеком или животным. Радиоактивные элементы также могут постепенно просачиваться в грунтовые воды или накапливаться в растениях, попадая в пищевые цепи.

Через десятилетия после последнего взрыва проблема загрязнения Семипалатинского полигона остается актуальной. Хотя уровень радиации на большей части территории со временем снизился, очаги высоких концентраций плутония в почве сохраняются. Эти участки представляют опасность при непосредственном контакте и требуют продолжения мониторинга. Международные исследования, начатые японскими учеными в 1990-е, позволили собрать ценные данные о масштабах и характере заражения. Они помогут властям Казахстана и специалистам по радиационной безопасности принять меры для защиты населения и окружающей среды. Понимание того, что значительная часть плутония на полигоне относится к «оружейному» типу, дает возможность отличать локальное загрязнение от глобальных выпадений и правильно оценивать радиационные риски.

Источники: Основой материала послужили данные научной статьи M. Yamamoto, A. Tsumura, Y. Katayama, T. Tsukatani "Plutonium Isotopic Composition in Soil from the Former Semipalatinsk Nuclear Test Site", Radiochimica Acta 72, 209-215 (1996)