168390 (Обнаружение радиоактивных выбросов)

Пассивные методы обнаружения радиоактивных выбросов в атмосферу

Пассивные методы дистанционного обнаружения радиоактивных выбросов в атмосферу, а также экологического мониторинга деятельности ядерно-перерабатывающих предприятий представляют не меньший интерес, чем активные методы. Однако имеют перед ними определённые преимущества, в частности, они не приводят к дополнительному электромагнитному загрязнению среды, менее энергоёмки и более просты при их реализации на практике, поскольку для них не требуется предварительная информация о местонахождении источника радиоактивных выбросов.

Очевидно, что для решения этой задачи пригодна регистрация излучения как радиоактивных изотопов, выбрасываемых в атмосферу, так и вторичного излучения, которое образуется в следствии взаимодействия радиоактивных элементов с атмосферными газами. Излучение первого типа является коротковолновым и принадлежит к оптическому или рентгеновскому диапазонам длин волн. Что касается вторичного излучения, то оно может возникать как оптическом, так и в СВЧ диапазоне длин волн. Поскольку надёжность приёма излучения в СВЧ диапазоне значительно выше, чем в оптическом диапазоне длин волн, то при разработке пассивного метода дистанционного обнаружения радиоактивных выбросов ядерно-перерабатывающих предприятий необходимо учитывать это обстоятельство и среди большого числа атмосферных газов необходимо в качестве индикатора загрязнения выбрать такой, который излучает в СВЧ диапазоне длин волн. Из дальнейшего рассмотрения становится ясным, что такая возможность существует.

2.1. Пассивный дистанционный метод экологического мониторинга радиоактивного загрязнения окружающей среды Е.Т.Протасевича

В 26 предложен метод регистрации радиоактивного загрязнения среды путем измерения излучения в СВЧ- диапазоне длин волн. Его суть сводится к следующему.

Известно, что в районах радиоактивного загрязнения местности ( на атомных электростанциях, в частности, после аварии на Чернобыльской АЭС; в районах выпадения осадков при испытаниях ядерного оружия в атмосфере; на атомных подводных лодках и пр.) наблюдаются продолжительные свечения воздуха. Анализ этих материалов показывает, что имеется также связь между наблюдаемыми свечениями воздуха и метеоусловиями. Постараемся воспользоваться этим обстоятельством при разработке пассивного метода дистанционного обнаружения радиоактивных выбросов в атмосферу.

Известно [27 31], что в приземной атмосфере, подвергнутой ионизирующему воздействию, например, электрическому пробою, существуют условия, которые обеспечивают ее длительное послесвечение. Эти условия связаны в первую очередь с содержанием воды в атмосфере как в паровой, так и в аэрозольной или жидкокапельной фазах. Независимо от вида ионизирующего воздействия ( корпускулярное или электромагнитное ) установлены три стадии трансформации воды в атмосфере, обеспечивающие устойчивое длительное послесвечение воздуха:

1) испарение воды, если последняя в жидкокапельной фазе;

2) разложение молекул воды в паровой фазе;

3) протекание целого комплекса физико-химических реакций [31], в результате которых образуется холодная неравновесная плазма с длительным послесвечением.

Хотя в условиях радиоактивного облучения атмосферы роль первой стадии невелика из-за малого энерговклада источника ионизации, можно предполагать, что как причины свечения воздуха, так и связь этого свечения с метеоусловиями обусловлены протеканием второй и третьей стадии, когда водяной пар уже присутствует в атмосфере (например, весной из-за интенсивного испарения влаги с поверхности земли, при восходе Солнца и прогреве земли в утренние часы конца лета, при ясной, жаркой погоде над поверхностью морей и океанов и пр.)

Относительно первой стадии агрегатно-физико-химических превращений Н₂О следует сделать следующее замечание. В атмосфере , хотя и кратковременно , но часто существуют условия пресыщения водяных паров. В процессе ионизации это должно приводить к смене направлений Н₂О в первой стадии в противоположную сторону. В связи с этим можно ожидать некоторые изменения свечения атмосферы в такое время ( летом в ночные часы ).

Образование свободных атомов водорода идет по каналам реакций (2.1 б), (2.1 г) и (2.3 а), а гидроксила ОН в результате протекания реакций (2.1 б), (2.1 г), (2.2 а), (2.3 б). Атомарный водород и гидроксил ОН принадлежат к числу компонент, активных в СВЧ диапазоне . Образование свободных атомов водорода должно сопровождаться генерацией излучения на частоте 1420 МГц ( длина волны ~ 21,1 см.), которое обусловлено сверхтонким расщеплением основного уровня энергии атома на два близлежащих подуровня. Причиной расщепления является взаимодействие спинов ядра и электрона. В результате слабых соударений атомов водорода в воздухе происходит смена ориентации спина электрона в атоме водорода на противоположную ( с параллельной на антипараллельную, более выгодную в энергетическом отношении). Спонтанное изменение ориентации спина сопровождается возникновением излучения с частотой 1420 МГц.

Кроме частоты 1420 МГц осуществить регистрацию СВЧ излучения можно также на частотах 1612, 1665, 1667 и 1721 МГц [26 ]. Эти частоты соответствуют уже сверхтонким переходам в молекуле радикала ОН, который присутствует подобно водороду практически во всех реакциях разложения воды, например, (2.1 б), (2.1 в), (2.1 г), (2.2 а) и (2.3 б).Произведем оценку возможностей регистрации указанного СВЧ излучения в случае практической реализации предлагаемого метода. Интенсивность излучения (линии) определяется вероятностью радиационного перехода А_nk и может быть рассчитана по формуле [ 26,33 ]:

S = _nk A_nk (2.4)

где 2 энергия кванта; постоянная Планка.

Согласно [ 34 ] энергия сверхтонкого расщепления стабильных уровней атома водорода (основной терм ¹Н( ² S_1/2), электронный терм ² S_1/2, квантовые числа полного момента F, F(1, 0) для (F, F) = 1420, 4057517 МГц ) составляет Е (F,F) = 47,3797 10^-3 см^-1, а вероятность перехода А_nk равна 310^-15 с^-1. Тогда интенсивность излучения S=10^-24310^-15= 310^-39 Вт.

В случае, если относительная влажность воздуха 100 %, то молекулы воды составляют приблизительно 3 % от общего объема смеси (воздух + Н₂О), что в пересчёте на концентрацию частиц соответствует ~10¹⁸ молекулам Н₂О в см³. Если допустить, что разложилось всего ~ 1 % от этого числа молекул воды, то это составит ~ 2 10¹⁶ атомов водорода. Отсюда следует, что 1см³ будет излучать ~610^-23 Вт. Опыт работы АЭС показывает, что размер облака (шлейфа) над объектом атомной энергетики составляет ~ 0,5 км³. Тогда не трудно рассчитать, что мощность его излучения равна ~ 310^-8 Вт. Видимо, такая оценка является излишне оптимистичной. В работе [ 36 ] подошли к этому иначе.

Предположив в качестве основного механизма воздействия радиации на атмосферу тормозное излучение электронов, образовавшихся при распаде изотопа ⁸⁵Kr, авторы [ 36 ] рассчитали, что скорость образования атомов водорода в шлейфе выброса будет составлять 1,5 10¹² м^-3 с^-1 . Тогда при допущении, что основным механизмом исчезновения атомов водорода является рекомбинации, константа скорости которой при нормальных атмосферных условиях составляет k ~ 10^-13 10^-14 м³ моль^-1 с^-1 из уравнения

d[H] / dt = 2k[H]²

была рассчитана концентрация атомов водорода [H] в 1 км³ шлейфа выброса, Это величина составляет приблизительно 10 ²¹ 10²² атомов. Отсюда следует, что на частоте 1420 МГц мощность, излучаемая, указанным объемам воздуха, равна ~ 2 10^-17 810^-18 Вт, что на несколько порядков меньше, чем это следует из работы [26 ]. Видимо , такая оценка является излишне пессимистичной и на практике мощность излучения ионизированного объема окажется между двумя этими расчетными значениями. Постараемся ответить на вопрос, является ли достаточным уровень излучения атомарного водорода для его регистрации современными средствами или нет.

Чувствительность современных приемников дециметровых и сантиметровых волн Р_{пр мин}=10^-1310^-14 Вт [ 26 ]. Она была достигнута еще в 1967 году. Сравнение такой чувствительности с уровнем излучения облака позволяет утверждать, что излучение атомарного водорода может быть зарегистрировано современными средствами радиолокации. При этом необходимо иметь в виду еще два важных обстоятельства. Во первых, уровень сигнала убывает пропорционально квадрату расстояния от источника излучения, то есть измерение необходимо производить вблизи объекта атомной энергетики. Во-вторых, надежность приема сигнала на частоте 1420 МГц повышается за счет стационарного характера волнового излучения и наличия минимального уровня помех в интервале частот 10³ 10⁴ МГц [35 ].

Аналогичным образом обстоят дела и с возможностью регистрации радиоизлучения гидроксил ОН.

Остановимся на ширине излучаемых линий. Уширение линии излучения атомарного водорода связано преимущественно с эффектом Доплера, который обусловлен поступательным движением атомов. Скорость такого движения определяется кинетической энергией образовавшихся атомов водорода. Столкновительным механизмом уширения в нашем случае можно пренебречь, поскольку излучение вызвано сверхтонким расщеплением энергетического уровня атома. Согласно измерений , выполненных в [ 37 ], энергия поступательного движения атомов водорода при фотолизе водородосодержащих молекул, не превышает 2 эВ. Откуда следует, что доплеровское уширение линии водорода на частоте 1420 МГц _D 150 кГц. Видимо, это значение _D является завышенным , поскольку из анализа спектров радиоизлучения в астрофизике следуют, что ширина излучаемых линий радикала ОН составляет 10 20 кГц [ 35 ].

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 1.610⁷ 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 610⁸ Бк. Поскольку ⁸⁵Кr принадлежит к числу -активных изотопов , то в результате его распада в одном кубическом метре выбросов образуется 610⁸ 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 ; _у = _у (х), _z = _z (х) - соответственно горизонтальная и вертикальная дисперсия примеси. Значения _y и _z для величин х, лежащих в интервале 10²< x < 10⁴ м , вычислились по формуле Бригса [ 39 ]: _у(х) = ₀х/(1+с₂х)^1/2, _z = a₁x^В1/(1+а₂х^В2), ₀ = =с₁(/₀)^0.2 (здесь - время усреднения , ₀ = 610²с) ; 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 _y и _z в выражении (2.4).