168390 (Обнаружение радиоактивных выбросов), страница 2

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

_z = 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 _н 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 2025 км (<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 10¹⁹10²⁰ м^-3. Приведём основные реакции фотолиза.

Разложение метана излучением с длиной волны =110160 нм происходит в результате протекания следующих реакций :

СН₄ + h CH₃ + H , ( 2.5 )

СН₄ + h СН₂ + Н₂ ; Н₂ + h H + H , ( 2.6 )

СH₄ + h 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 + h NH₂ + H < 280 нм , ( 2.8 )

NH₃ + h NH + H₂ < 224 нм , ( 2.9 )

NH₃ + h NH + H + H < 1457 нм , ( 2.10 )

Процессы ( 2.8 ) и ( 2.10 ) являются наиболее вероятными при диссоциации , когда длина волны излучения < 280 нм.

Основной первичный фотохимический процесс при фотодиссоциации формальдегида происходит по схеме

HCHO + h H + HCO ( пороговая длина волны 350 нм ).

Основным первичным процессом при диссоциации молекул воды , когда 105 190 нм является образование атомарного водорода и гидроксила ОН

H₂O + h H + OH < 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 = 84,47 110,8 нм по схеме

Н₂ + h 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.

В свою очередь природный электромагнитный фон может иметь атмосферное либо литосферное происхождение. Кроме того существует ещё и космическое радиоизлучение. Рассмотрение начнём с литосферного электромагнитного фона [40]. Полная классификация электромагнитного фона приведена в табл. 2.3 .

Генерация электромагнитного излучения из литосферы в свободное пространство обусловлена преимущественно двумя механизмами [40,41] :

а) адгезионно - когезионным механизмом генерации , при котором его появление вызвано образованием разрядов между свежезаряженными стенками разрушающихся минералов ;

б) флуктуационным механизмом генерации излучения , который вызван наличием остаточной поляризации минералов , изменяющейся под действием тепловых или радиационных полей , что в свою очередь приводит к перераспределению энергии и появлению в минералах электрических и электромагнитных полей.

Не вдаваясь в подробности протекания перечисленных процессов , отметим лишь , что литосферное электромагнитное излучение регистрируется в диапазоне от 100 кГц до 2.5 МГц , то есть находится далеко от тех частот , которые излучают как атомарный водород , так и гидроксил ОН.

Источниками электромагнитного излучения в атмосфере являются (см. табл. 2.3 ) :

а) грозовые разряды ;

б) предгрозовое радиоизлучение ;

в) непрерывно - шумовое радиоизлучение грозовых облаков и циклонов.

Радиоизлучение линейной молнии исследовалось в работах [ 42 , 43 ]. Оно было регистрировано в узком диапазоне частот ( 0.1 0.2 ) ГГц через 0.1 0.4 с после появления лидера грозового разряда и продолжалось в среднем около 50 нс. Спектральная плотность такого излучения оказалась низкой и составляла 10^-12 10^-10 Вт/см² Гц на расстоянии 1 км от молнии.

Физическая природа двух последних видов излучений обусловлена , с одной стороны , колебаниями поверхностей заряженных капель воды и , с другой стороны , их дроблением коагуляцией. Непрерывно - шумовое радиоизмерение грозовых облаков и циклонов наблюдается на частотах от сотен кГц до сотен МГц.

Излучают радиоволны и различные светящиеся объекты , возникающие в атмосфере и имеющие , как правило , плазменное происхождение ( см. табл. 2.3 ) . Однако все эти явления принадлежат к числу непериодических быстропротекающих процессов и время их жизни значительно меньше , чем время жизни радиоактивного облака ( или шлейфа ) в атмосфере. По этой причине они вряд ли окажут решающее влияние на результаты измерений.

К природному электромагнитному фону относится также космическое радиоизлучение. Для него мощность шума выражается через радиационную температуру , которая соответствует температуре абсолютно чёрного тела , когда суммарные мощности обоих излучений равны. Кривые изменения радиационной температуры шумов от частоты представлены на рис. [ 44 ].

Из рис. 2.5 видно , что мощность шумов различных видов радиоизлучения оказывается меньшей в полосе частот 1.0 10.0 ГГц. Строго говоря , эта величина зависит от времени суток , однако не превышает 10^-21 Вт/м² [ 39 ]. Ослабление радиоизлучения на частоте 1.4 ГГц за счёт поглощения его в атмосфере не превышает 2 дБ при различных углах места приёмной антены [ 45 ]. При = 90 в спокойной атмосфере оно минимально и составляет всего 0.03 дБ. Фоновый аэрозоль не оказывает также заметного влияния на поглощение радиосигналов. Значения коэффициентов ослабления при распространении радиоволн в дожде составляют 0.002 0.010 дБ/км. В [ 36 ] для уменьшения уровня шумов атмосферного водорода измерения предлагается производить в тёмное время суток. Co своей стороны, мы полагаем , что мощность полезного сигнала возрастёт , если измерения проводить не во время дождя , а при относительной влажности воздуха , близкой к 100%. В этом случае резко возрастает выход атомарного водорода и гидроксила ОН при разложении молекул Н₂О , вследствие их радиоактивного облучения.