Обнаружение радиоактивных выбросов (стр. 2 из 3)
2.2. ОБРАЗОВАНИЕ И ДИНАМИКА ИЗЛУЧЕНИЙ АТОМАРНОГО ВОДОРОДА В ШЛЕЙФЕ РАДИОАКТИВНЫХ ВЫБРОСОВ
Положим в основу нашего рассмотрения результаты расчетов по формированию шлейфа радиоактивных выбросов, представленные в работе [36]. Согласно анализа выбросов предприятий ядерного цикла, работающих по замкнутой схеме, следует, что изотоп 85Kr по суммарной активности в шлейфе выбросов преобладает над другими радиоактивными элементами. По этой причине авторы работы [ 36 ] в своих расчётах ориентируются на изотоп 85Kr. Его годовой выброс составляет 1.6×107 Кюри для радиохимического завода производительностью 1500 т/год [ 38 ]. Тогда в пересчёте на стационарный источник выбросов со стандартными характеристиками ( высота трубы Н = 200 м , диаметр D = 2 м , скорость выброса в атмосферу V = 10 м/с ) получается , что активность каждого кубического метра выбросов составляет приблизительно 6×108 Бк. Поскольку 85Кr принадлежит к числу b-активных изотопов , то в результате его распада в одном кубическом метре выбросов образуется 6×108 электронов в секунду с энергией 0.67 Мэв. Распространение шлейфа в атмосфере сопровождается увеличением его объёма вследствие вертикальной и горизонтальной диффузий , которые протекают на фоне действия ветра.
Для оценки концентрации радионуклидов в шлейфе в работе [ 36 ] использовалась модель гауссовой диффузии от непрерывного источника [ 39 ], поскольку эта модель широко используется в мировой практике и она положена в основу большинства нормативных документов по ограничениям загрязнения воздуха промышленными выбросами [ 39 ]. Согласно этой модели концентрация примесей в выбросе N описывается формулой
, (2.4) где Q - мощность источника ; sу = sу (х), sz = sz (х) - соответственно горизонтальная и вертикальная дисперсия примеси. Значения sy и sz для величин х, лежащих в интервале 102< x < 104 м , вычислились по формуле Бригса [ 39 ]: sу(х) = s0х/(1+с2х)1/2, sz = a1xВ1/(1+а2хВ2), s0 = =с1(t/t0)0.2 (здесь t- время усреднения , t0 = 6×102с) ; Н - высота источника промышленного выброса ( трубы ); V - скорость ветра. Значения а1 ,а2, в1 ,в2 , с1 , и с2 приведены в табл. 2.1.На рис.2.1. представлена зависимость высоты области максимальной концентрации примеси для вертикальной плоскости сечения шлейфа от расстояния до источника выбросов при различной стратифакции пограничного слоя атмосферы. Из рис. 2.1 видно, что оптимальной для мониторинга областью является участок шлейфа , лежащий на расстоянии от 500 м до 10 км от источника выбросов. Из сравнения рис.2.1а) и 2.1б) также следует, что значительное влияние на характер распространения шлейфа оказывают неровности подстилающей поверхности, в частности, деревья, городские строения и пр. Влияние таких неровностей можно учесть с помощью изменения параметра шероховатости поверхности, величина которого определяет значения sy и sz в выражении (2.4).
На рис. 2.2 показана форма шлейфа при параметрах шероховатости, характерных как для лесистой местности, так и для городских окраин. В этом случае вертикальная дисперсия примеси определялась из выражения
sz = a1 х(1+ a2 х)В2
В [36] все расчеты проводились для умеренно неустойчивой , безразличной и умеренно устойчивой стратификации (классы устойчивости по Пасквиллу-Тернеру, n = 3,4,5 соответственно).Режим с n=3 (согласно данных метеорологических наблюдений за состоянием пограничного слоя атмосферы [ 39 ] ) наиболее часто реализуется в неустойчивые периоды времен года: весной, осенью. Из рис. 2.2 следует, что в случае шероховатости поверхности заметно уменьшение оптимального участка шлейфа по сравнению с его размерами, характерными для ровной подстилающей поверхности. В результате этого в случае шероховатой поверхности активному радиационному облучению будут подвергаться большие объемы атмосферного воздуха.
Таким образом, на основании проведенных расчетов [ 36 ] с учетом параметров приемной антенны можно определить наиболее удобное размещение и направление антенны для детектирования СВЧ излучений атмосферного водорода Н и гидроксила ОН, генерируемых из шлейфа радиоактивных выбросов, в конкретной метеорологической обстановке. Для узконаправленных антенн с диаграммой направленности приблизительно по 10° оптимальное расстояние от антенны до шлейфа составляет 25 - 27км. На этом расстоянии можно осуществлять контроль за наиболее перспективным участком шлейфа выбросов , который удален на расстоянии от 500м до 10км от источника.
ОТРИЦАТЕЛЬНЫЕ ФАКТОРЫ , ВЛИЯЮЩИЕ НА ВОЗМОЖНОСТЬ РЕАЛИЗАЦИИ ПАССИВНОГО МЕТОДА ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ ЗА ДЕЯТЕЛЬНОСТЬЮ ЯДЕРНО-ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ.
К числу факторов , определяющих возможность реализации пассивного метода экологического мониторинга перерабатывающих предприятий ядерного цикла по их выбросам в атмосферу и влияющих на точность измерений , следует отнести
во-первых , наличие в атмосфере фоновой концентрации атомарного водорода и ,
во-вторых , природный электромагнитный фон любого происхождения в СВЧ диапазоне длин волн на высотах , меньших 10 км.
Рассмотрение начнём с источников образования атомарного водорода и гидроксила ОН и их фоновой концентрации в атмосфере. Для чего обратимся к рис.2.3 , взятому из работы [ 39 ]. Атомарный водород Н и гидроксил ОН принадлежат к семейству нечётного водорода. Для них характерна высокая реактивность, которая оказывает существенное влияние на протекание химических процессов в атмосфере. Время жизни этих компонентов меньше постоянных времени их переноса. По этой причине концентрация атомарного водорода Н и гидроксила ОН определяется фотохимическими , а не динамическими процессами. Поскольку основным источником их образования в атмосфере является фотодиссоциация долгоживущих водосодержащих веществ , то содержание этих компонентов зависит от потока солнечного излучения , другими словами , от солнечной активности , времени года и дня. Из рис. 2.3. также следует , что на высотах , меньших 60 км , постоянная времени жизни атомарного водорода tн стремится к нулю.
На рис. 2.4. приведены расчёты концентраций водородных радикалов в зависимости от высоты [ 39 ]. В верхней атмосфере атомарный водород является основным компонентом в семействе водородных радикалов. Однако при Н < 75 км его концентрация становится меньше концентрации других водородных соединений , а при Н < 10 км его содержанием в атмосфере уже можно пренебречь. Такое неравномерное распределение концентрации атомарного водорода по высоте связано , в первую очередь , с существованием озонового слоя , который поглощает основную долю ультрафиолетового слоя на высотах 20¸25 км (l<290 нм) и тем самым влияет на процесс фотолиза атмосферных газов , ответственный за образование Н.
В [ 36 , 39 ] отмечается , что на основании многочисленных измерений химического состава нижней атмосферы образование атомарного водорода Н обусловлено фотолизом таких соединений , как метан СН4 , аммиак NH3 , молекулярный водород Н2 , формальдегид НСНО и вода Н2О , суммарная концентрация которых в атмосфере Земли составляет приблизительно 1019¸1020 м-3. Приведём основные реакции фотолиза.
Разложение метана излучением с длиной волны l=110¸160 нм происходит в результате протекания следующих реакций :
СН4 + hu® CH3 + H , ( 2.5 )
СН4 + hu® СН2 + Н2 ; Н2 + hu® H + H , ( 2.6 )
СH4 + hu® CH + H2 + H , ( 2.7 )
Спектр поглощения ультрафиолетового излучения в этой области непрерывен.
Фотолиз аммиака происходит под действием ближнего и вакуумного ультрафиолета и состоит из трёх основных первичных процессов :
NH3 + hu® NH2 + H l < 280 нм , ( 2.8 )
NH3 + hu® NH + H2l < 224 нм , ( 2.9 )
NH3 + hu® NH + H + H l < 1457 нм , ( 2.10 )
Процессы ( 2.8 ) и ( 2.10 ) являются наиболее вероятными при диссоциации , когда длина волны излучения l < 280 нм.
Основной первичный фотохимический процесс при фотодиссоциации формальдегида происходит по схеме
HCHO + hu® H + HCO ( пороговая длина волны l~ 350 нм ).
Основным первичным процессом при диссоциации молекул воды , когда l~ 105 ¸ 190 нм является образование атомарного водорода и гидроксила ОН
H2O + hu® H + OH l < 242 нм.
Кроме того , молекулярный водород Н2 образующийся в результате протекания второстепенных ( то есть не приведённых выше ) реакций , может также диссоциировать в атмосфере под действием излучения с длинами волн l = 84,47 ¸ 110,8 нм по схеме
Н2 + hu® H + H ( 2.11 )
На основании проведённого рассмотрения следует , что существует ряд каналов , по которым в реальной атмосфере образуется атомарный водород и гидроксил ОН в результате процессов фотолиза водородосодержащих соединений. Равновесная концентрация атомов Н и радикала ОН определяется процессами рождения и рекомбинации. Однако их фоновая концентрация ( а следовательно , и излучение в СВЧ диапазоне длин волн ) должны быть меньше тех , что образуются в результате выбросов в атмосферу радиоактивных веществ.
Остановимся теперь на фоновом излучении , которое характерно для высот , меньших 10 км. По своему происхождению электромагнитный фон можно разделить на природный и техногенный. Излучения атомарного водорода и гидроксила ОН , являющиеся индикаторами радиоактивного загрязнения атмосферы , относятся к категории техногенного электромагнитного фона. Выше отмечалось , что их регистрация возможна лишь в случае выделения полезного сигнала на уровне шумов.