Прогноз мощности дозы гамма-излучения на основе математических моделей миграции ¹³⁷Cs в почве

Работа посвящена построению модели прогноза дозы гамма-излучения от радионуклидов ¹³⁷Cs + ¹³⁷mBa, поступивших в окружающую среду воздушным путем в результате крупномасштабной радиационной аварии. На основе существующих аналитических моделей миграции цезия с одной стороны и натурных данных о вертикальном распределении цезия в почвах территорий, загрязненных вследствие аварии на Чернобыльской АЭС с другой, был построен прогноз мощности дозы гаммаизлучения в воздухе над открытой местностью. База экспериментальных данных содержала 180 профилей из Брянской области Российской Федерации и около 100 профилей, включая глобальные, из Баварии (Германия). Для аппроксимации распределения радионуклида в почве использовали решения конвективно-диффузионного уравнения и логнормальное распределение. Наилучшим образом реальным распределениям радионуклида в почве соответствовали χ² распределение, являющееся решением конвективно-диффузионного уравнения с возрастающим коэффициентом диффузии и логнормальное распределение. Для обоих распределений были найдены зависимости параметров (скорость диффузионного проникновения и скорость направленного движения с почвенной влагой) от времени. В предположении универсальности этих зависимостей, предложен способ их восстановления во времени, например, на основе один раз отобранных профилей глобальных выпадений. Были рассчитаны значения мощности поглощенной дозы в воздухе до 50 лет после выпадений. Среднее отличие экспериментальных данных, выраженных в виде отношения мощности дозы в воздухе на высоте 1 м над почвой от профиля радионуклидов (¹³⁷Cs+¹³⁷mBa) + ¹³⁴Cs в момент времени t к мощности дозы в воздухе для радионуклидов, расположенных на поверхности почвы от расчетных, составляло для Брянской области 9 %, а для Баварии 14 %. Расчетные значения мощности поглощенной дозы в воздухе верифицированы с помощью результатов ее измерений в Брянской области в период времени 3-24 года после выпадений. Они совпадали с измеренными значениями в пределах 95 % интервала погрешности измерений во всем временном промежутке измерений за исключением 8-го года после аварии, что подтверждает адекватность использовавшихся в работе распределений радионуклида в почве.

1. De Cort M., Dubois G., Fridman Sh.D. et al. Atlas of caesium deposition on Europe af the the Chernobyl accident. European Commission report EUR 16737, Luxembourg, 1998.

2. Golikov V.Yu., Balonov M.I., Ponomarev A.V. Estimation of external gamma-radiation doses to the population after the Chernobyl accident. In: Eds. Balonov M.I. and Merwin S.E. The Chernobyl Papers. Vol.1. Research Enterprises, Publishing Segment. Richland, Washington, 1993. P. 247-288.

3. International Atomic Energy Agency. Environmental consequences of the Chernobyl accident and their remediation: twenty years of experience. Report of the Chernobyl Forum Expert Group. Vienna: IAEA, 2006.

4. World Health Organization. Health Risk Assessment from the Nuclear Accident After the 2011 Great East Japan Earthquake and Tsunami, Based on a Preliminary Dose Estimation (World Health Organization, Geneva), 2013. URL: www.who.int/iris/bitstream/10665/78218/1/9789241505130_eng.pdf (Дата обращения: 01.09.2025).

5. United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation 2013. Sources and Effects of Ionizing Radiation (2013 Report to the General Assembly, with Annexes), Annex А. Levels and effects of radiation exposure due to the nuclear accident after the 2011 Great East-Japan earthquake and tsunami. New York: United Nations; to be published, 2013.

6. Jacob P., Prohl G., Likhtarev I.A., et al. Pathway analysis and dose distributions. European Commission, Brussels: EUR 16541 EN, 1996. 130 p.

7. Golikov V.Yu., Balonov M.I., Jacob P. External Exposure of the Population Living in Areas of Russia Contaminated due to the Chernobyl Accident // Radiation Environmental Biophysics. 2002. Vol. 41, No 10. P. 185-193.

8. Прохоров В.М. Миграция радиоактивных загрязнений в почвах. М.: Энергоиздат, 1981. 98 C.

9. Kirchner G. Migration of fallout radionuclides in soil // Health Physics, 1998. Vol. 74, No 1. P. 78-65.

10. Konshin O.V. Mathematical model of 137Cs migration in soil: Analysis of observations following the Chernobyl accident // Health Physics. 1992. Vol. 63, No 3. P. 301-306.

11. Konshin O.V. Applicability of the convection-diffusion mechanism for modeling migration of 137Cs and 90Sr in the soil // Health Physics. 1992. Vol. 63, No 3. P. 291-300.

12. Ramzaev V., Yonehara H., Hille R. et al. Gamma-dose rates from terrestrial and Chernobyl radionuclides inside and outside settlements in the Bryansk Region, Russia in 1996–2003 // Journal of Environmental Radioactivity. 2006. Vol. 85. P. 205–227.

13. Рамзаев В.П., Голиков В.Ю. Сравнение расчетных и измеренных значений мощности кермы в воздухе над почвой, загрязненной 137Cs // Радиационная гигиена. 2015. T. 8, № 4. C. 42–51.

14. Shutov V.N., Bruk G.Ya., Balonov M.I. et al. Cesium and strontium radionuclide migration in the agricultural ecosystem and estimation of internal doses to the population. In: The Chernobyl Papers. Vol. I. Eds. by S.E. Merwin and M.I. Balonov. Richland: Research Enterprises, 1993. P. 167-218.

15. Kaduka M.V., Shutov V.N., Bruk G.Ya. et al. Soil-dependеnt uptake of 137Cs by mushrooms: experimental study in the Chernobyl accident areas // Journal of Environmental Radioactivity. 2006. Vol. 89. P. 199 –211.

16. Махонько К.П. Вид профилей концентрации продуктов деления в почве при глобальных и локальных выпадениях. В сб. Радиоактивные изотопы в почвах и растениях. Выпуск 18. Л.: Колос, 1969. C. 48-56.

17. Махонько К.П., Чумичев В.Б. О проникновении некоторых продуктов деления в почву. В сб. Радиоактивные изотопы в почвах и растениях. Выпуск 18. Л.: Колос, 1969. C. 57-74.

18. Mathcad 15.0 Parametric Technology Corporation, 2012. URL: http://www.ptc.com/product/mathcad/ (Дата обращения: 01.09.2025).

19. Schimmack W., Steindl H., Bunzl K. Variability of water content and of depth profiles of global fallout Cs in grassland soils and the resulting external gamma-dose rates // Radiation and Environmental Biophysics. 1998. Vol. 37. P. 27–33.

20. Ramzaev V., Barkovsky A., Goncharova Yu. et al. Radiocesium fallout at the grasslands on Sakhalin, Kunashir and Shikotan Islands due to the Fukushima accident: the radioactive contamination of soil and plants in 2011 // Journal of Environmental Radioactivity. 2013. Vol. 118. P. 128–142.

21. Рамзаев В.П., Барковский А.Н., Громов А.В. и др. Фукусимские выпадения в Сахалинской области России. Сообщение 1: 137Cs и 134Cs в луговых почвах // Радиационная гигиена. 2018. T. 11, № 1. C. 25-42. https://doi.org/10.21514/1998-426X-2018-11-1-25-42.

22. Golikov V., Barkovsky A., Kulikov V. et al. Gamma ray exposure due to sources in the contaminated forest. In: Linkov I., Schell W.R. (Eds.), Contaminated Forests. NATO Science Series (Series 2: Environmental Security). Dordrecht, Springer, 1999. Vol. 58. P. 333–341.

23. Golikov V.Yu. Air kerma rate from radionuclides distributed in forest ecosystem // Journal of Environmental Radioactivity. 2023. Vol. 270, No 1. P. 107283.

24. Дозиметр ДРГ-01T1. Паспорт. ГБ2.805.002 ПС. URL: http://dosimeter.ucoz.ru/Ebay/DRG_01T1.pdf (Дата обращения: 01.09.2025).