Вход

Обнаружение радиоактивных выбросов в атмосферу

Реферат по биологии
Дата добавления: 23 января 2002
Язык реферата: Русский
Word, rtf, 260 кб
Реферат можно скачать бесплатно
Скачать
Не подходит данная работа?
Вы можете заказать написание любой учебной работы на любую тему.
Заказать новую работу
Пассивные методы обнаружения радиоактивных выбросов в атмосферу П ассивные методы дистанционного об наружения радиоактивных выбросов в атмосферу , а также экологического мониторинга деятельности ядерно-перерабатывающих предприятий представляют не меньший интерес , чем активные методы . Однако имеют перед ними определённые п р еимущества , в частности , они не приводят к дополнительному электромагнитному з агрязнению среды , менее энергоёмки и более просты при их реализации на практике , п оскольку для них не требуется предварительная информация о местонахождении источника радио актив н ых выбросов. Очевидно , что для решения этой зада чи пригодна регистрация излучения как радиоак тивных изотопов , выбрасываемых в атмосферу , та к и вторичного излучения , которое образуется в следствии взаимодействия радиоактивных эле ментов с атмосферными газам и . Излучение первого типа является коротковолновым и пр инадлежит к оптическому или рентгеновскому ди апазонам длин волн . Что касается вторичного излучения , то оно может возникать как о птическом , так и в СВЧ диапазоне длин волн . Поскольку надёжность приёма и з лучения в СВЧ диапазоне значительно выше , чем в оптическом диапазоне длин волн , то при разработке пассивного метода дистанционн ого обнаружения радиоактивных выбросов ядерно-пер ерабатывающих предприятий необходимо учитывать э то обстоятельство и среди боль ш ог о числа атмосферных газов необходимо в ка честве индикатора загрязнения выбрать такой , который излучает в СВЧ диапазоне длин вол н . Из дальнейшего рассмотрения становится ясн ым , что такая возможность существует . 2.1. Пассивный дистанционный метод экологи ческого мониторинга радиоактивного загрязнен ия окружающей среды Е.Т.Протасевича В 26 предложен метод регистрации радиоактивного заг рязнения среды путем измерения излучения в СВЧ - диапазоне длин волн . Его суть сводится к следующему. Известно , что в районах радиоактивного загрязнения местности ( на атомных электроста нциях , в частности , после аварии на Черноб ыльской АЭС ; в районах выпадения осадков п ри испытаниях ядерного оружия в атмосфере ; на ато мных подводных лодках и пр .) наблюдаются продолжительные свечения воздуха . Анализ этих материалов показывает , что имеетс я также связь между наблюдаемыми свечениями воздуха и метеоусловиями . Постараемся воспол ьзоваться этим обстоятельством при разработке п а ссивного метода дистанционного о бнаружения радиоактивных выбросов в атмосферу. Известно [27 31], что в приземной атмосфере , подве ргнутой ионизирующему воздействию , например , элект рическому пробою , существуют условия , которые обеспечивают ее длительное послесвечение . Эти условия связаны в первую очередь с содержанием воды в атмосфере как в пар овой , так и в аэрозольной или жидкокапельн ой 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 ж идкокапельной 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 облучен ия атмосферы роль первой стадии невелика из-за малого энерговклада источника ионизации , можно предпол агать , что как причины с вечения воздуха , так и связь этого свечени я с метеоусловиями обусловлены протеканием вт орой и третьей стадии , когда водяной пар уже присутствует в атмосфере (например , в есной из-за интенсивного испарения влаги с поверхности земли , п ри восходе Со лнца 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 Н 2 О следует сделать следующее заме чание . В атмосфере , хотя и кратковременн о , но часто существуют условия пресыщения водяных паров . В процессе ионизации это д олжно приводить к смене направлений Н 2 О в первой ст адии в противоположную сторону . В связи с этим можно ожидать некоторые изменения с вечения атмосферы в тако е время ( лето м в ночные часы ). Образование свободных атомов водорода иде т 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 компон ент , активных в СВЧ диапазоне . Образование свободных атомов водорода должно сопровождаться генера цией излучения на частоте 1420 МГц ( длина вол ны ~ 21,1 см .), которое обусловлено свер хтонким расщеплением основного уровня энергии атома на два близлежащих подуровня . Причиной ра сщепления является взаимодействие спинов ядра и электрона . В результате слабых соударений атомов водорода в воздухе происходит сме на ориентации спина электрона в а томе водорода на противоположную ( с п араллельной на антипараллельную , более выгодную в энергетическом отношении ). Спонтанное изменен ие ориентации спина сопровождается возникновение м излучения с частотой 1420 МГц . Кроме частоты 1420 МГц осуществить регис трацию СВЧ излучения можно также на часто тах 1612, 1665, 1667 и 1721 МГц [26 ]. Эти частоты соответствуют уже сверхтонким переходам в молекуле радик ала ОН , который присутствует подобно водороду практически во всех реакциях ра зложе ния 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 водоро да (ос новной терм 1 Н ( 2 S 1/2 ), электронный терм 2 S 1/2 , квантовые числа полног о момента F, F (1, 0) для (F , F ) = 1420, 4057517 МГц ) составляет Е (F,F ) = 47,3797 10 -3 см -1 , а вероят ность перехода А nk равна 3 10 -15 с -1 . Тогда интенсивность излучения S =10 -24 3 10 -15 = 3 10 -39 Вт. В случа е , если относительная вл ажность воздуха 100 %, то молекулы воды составляют приблизи тельно 3 % от общего объема смеси (воздух + Н 2 О ), что в пересчёте на концентрацию частиц соответствует ~10 18 м олеку лам Н 2 О в см 3 . Если д опустить , что разложилось всего ~ 1 % от этого числа молекул воды , то это составит ~ 2 10 16 атомов водорода . Отсюда следует , что 1см 3 будет излучать ~6 10 -23 Вт . Опыт ра боты АЭС показыва ет , что размер облака (шлейфа ) над объектом атомной энергетики составляет ~ 0,5 км 3 . Тогда не трудно рассчитать , что мощность его излучения ра вна ~ 3 10 -8 Вт . Видимо , такая оценка является излишне оптимистично й . В работе [ 36 ] подошли к этому инач е. Предположив в качестве основного механ изма воздействия радиации на атмосферу тормоз ное излучение электронов , образовавшихся при распаде изотопа 85 Kr, авторы [ 36 ] рассчитали , что скорость обра зования атомов водор ода в шлейфе выбр оса будет составлять 1,5 10 12 м -3 с -1 . Тогда при допуще нии , что основным механизмом исчезновения ато мов водорода является рекомбинации , константа скорости которой при нормаль ных атмосфер ных условиях составляет k ~ 10 -13 10 -14 м 3 моль -1 с -1 из уравнения d[H] / dt = 2k[H] 2 была рассчитана концентрация атомов водор ода [H] в 1 км 3 шлейф а выброса , Это величина составляет приблизительно 10 21 10 22 атомов . Отсюда следует , что н а частоте 1420 МГц мощность , излучаемая , указанным объемам воздуха , равна ~ 2 10 -17 8 10 -18 Вт , что на не сколько порядков меньше , чем это следует и з работы [26 ]. Видимо , такая оценка является и злишне пессимистичной и на практике мощность излучения ионизированного объема окажется между двумя этими расчетными значениями . Постараемся ответить на вопрос , является ли достаточным уровень излучения атомарного водор ода для его регистрации современными средства ми или нет. Чувствительность современных приемников де циметров ых и сантиметровых волн Р пр мин =10 -13 10 -14 Вт [ 26 ]. Она была достигнута еще в 1967 году . Срав нение такой чувствительности с уровнем излуче ния облака позволяет утверждать , что излучени е атомарного водорода может быть зарегис трировано современными средствами радиолокац ии . При этом необходимо иметь в виду е ще два важных обстоятельства . Во первых , уровень сигнала убывает пропорционально квадрату расст ояния от источника излучения , то есть изме рение необходимо производить вблизи объекта атомной энергетики . Во-вторых , надежность прие ма сигнала на частоте 1420 МГц повышается за счет стационарного характера волнового излуч ения и наличия минимального уровня помех в интервале частот 10 3 10 4 МГц [35 ]. Аналогичным образом обстоят дела и с возможностью регистрации радиоизлучения гидрок сил ОН. Остановимся на ширине излучаемых линий . Уширение линии излучения атомарного водород а связано преимущественно с эффектом Доплера , который обусловлен поступательным движение м атомов . Скорость такого движения определяет ся кинетической энергией образовавшихся атомов водорода . Столкновительным механизмом уширения в нашем случае можно пренебречь , поскольку излучение вызвано сверхтонким расщепле н ием энергетического уровня атома . Согласн о измерений , выполненных в [ 37 ], энергия поступат ельного движения атомов водорода при фотолизе водородосодержащих молекул , не превышает 2 эВ . Откуда следует , что доплеровское уширение линии водорода на частоте 1 4 20 МГц D 150 кГц . В идимо , это значение D является завышенным , поскольку из анализа спе ктров радиоизлучения в астрофизике следуют , ч то ширина излучаемых линий рад икала О Н составляет 10 20 кГц [ 35 ]. 2.2. ОБРАЗОВАНИЕ И ДИНАМИКА ИЗ ЛУЧЕНИЙ АТОМАРНОГО ВОДОРОДА В ШЛЕЙФЕ РАДИОАКТ ИВНЫХ 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 схе ме , следует , что изотоп 85 Kr по суммарной активности в ш лейфе выбросов преобладает над другими радиоа ктивными элементами . По этой прич ине а вторы работы [ 36 ] в своих расчётах ориентируются на изотоп 85 Kr. Его годовой выброс составляет 1.6 10 7 Кюри для радиохимическо го завода производительностью 1500 т /год [ 38 ]. Тогда в пересчёте на стационарный источник в ыбросов 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 в ыбросов составляет приблизительно 6 10 8 Бк. Поскольку 85 К r принадлежит к числу -активны х изотопов , то в результате его распада в одном кубическом метре выбросов образует ся 6 10 8 электронов в секунду с энергией 0.67 Мэв . Распространение шл ейфа в атмосфере сопровождается увеличени ем его объёма вследствие вертикальной и г оризонтальной диффузий , которые протекают на фоне действия ветра. Для оценки концентрации радионуклидов в шлейфе в работе [ 36 ] использовалась модель гауссовой диффузии от непрерывного источник а [ 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 концентраци я при м есей в выбросе N описывается формулой , (2.4) где Q - мощность источника ; у = у (х ), z = z (х ) - соответственно горизонтальна я и вертикальная дисперсия примеси . Зн ачения y и z для величин х , лежащих в интервале 10 2 < x < 10 4 м , вычислились по формуле Бригса [ 39 ]: у (х ) = 0 х /(1+с 2 х ) 1/2 , z = a 1 x В 1 /(1+а 2 х В 2 ), 0 = =с 1 ( / 0 ) 0.2 (здесь - время усреднения , 0 = 6 10 2 с ) ; Н - высота источника промышленного выброса ( трубы ); V - скорость ветр а . Значения а 1 , а 2 , в 1 , в 2 , с 1 , и с 2 приведены в табл . 2.1. На рис .2.1. представлена зависимость высот ы о бласти максимальной концентрации приме си для вертикальной плоскости сечения шлейфа от расстояния до источника выбросов при различной стратифакции пограничного слоя атм осферы . Из рис . 2.1 видно , что оптимальной для мониторинга областью является участок шле й фа , лежащий на расстоянии от 500 м до 10 км от источника выбросов . Из ср авнения рис .2.1а ) и 2.1б ) также следует , что значительное влияние на характер распростран ения шлейфа оказывают неровности подстилающей поверхности , в частности , деревья , городские ст р оения и пр . Влияние таких н еровностей можно учесть с помощью изменения параметра шероховатости поверхности , величина которого определяет значения y и z в выражении (2.4). На рис . 2.2 показана фо рма шлейфа при параметрах шероховатости , характерных как для лесистой местности , так и для гор одских окраин . В этом случае вертикальная дисперсия примеси определялась из выражения z = a 1 х (1+ a 2 х ) В 2 В [36] все расчеты провод ились 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 [ 3 9 ] ) наиболее часто реализуется в неустойчивые периоды времен года : весной , осен ью . Из рис . 2.2 следует , что в случае шеро ховатости поверхности заметно уменьшение оптимал ьного участка шлейфа по сравнению с его размерами , характерными для ровной подстилающ е й поверхности . В результате этого в случае шероховатой поверхности активному радиационному облучению будут подвергаться б ольшие объемы атмосферного воздуха. Таким образом , на основании проведенных расчетов [ 36 ] с учетом параметров приемной ан тенны можно определить наиболее удобное размещение и направление антенны для детек тирования СВЧ излучений атмосферного водорода Н и гидроксила ОН , генерируемых из шлей фа радиоактивных выбросов , в конкретной метео рологической обстановке . Для узконаправленных ант енн с д иаграммой направленности при близительно по 10 оптимальное расстояние от антенны до шлейфа составляет 25 - 27км . На этом расс тоянии можно осуществлять контроль за наиболе е перспективным участком шлейфа выбросов , кот орый удале н на расстоянии от 500м д о 10км от источника. ОТРИЦАТЕЛЬНЫЕ ФАКТОРЫ , ВЛИЯЮЩИЕ НА ВОЗМОЖНОСТЬ РЕАЛИЗАЦИИ ПАССИВНОГО МЕТОДА ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ ЗА ДЕЯТЕЛЬНОСТЬЮ ЯДЕРН О-ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ. К числу факторов , определяющих возможность реализац ии пассивного метода экологического мониторинга перерабатывающих пре дприятий ядерного цикла по их выбросам в атмосферу и влияющих на точность измерен ий , следует отнести во-первых , наличие в атмосфере фоновой концентрации атомарного водорода и , во-вторых , природный электромагнитный фо н любого происхождения в СВЧ диапазоне дл ин волн на высотах , меньших 10 км. Рассмотрение начнём с источников образова ния 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 вод орода . Для них характерна высокая реактивност ь , которая оказывает существенное влияние на протекание химических процессов в атмосфере . Время жизни этих к о мпонентов меньше постоянных времени их переноса . По этой причине концентрация атомарного водорода Н и гидроксила ОН определяется фотохимич ескими , а не динамическими процессами . Посколь ку основным источником их образования в а тмосфере является фотодиссоци а ция дол гоживущих водосодержащих веществ , то содержание этих компонентов зависит от потока солнечн ого излучения , другими словами , от солнечной активности , времени года и дня . Из ри с . 2.3. также следует , что на высотах , меньших 60 км , постоянная врем е ни жизни атомарного водорода н стремится к нулю. На рис . 2.4. приведены расчёты концентраций водородных радикалов в зависимости от высо ты [ 39 ]. В верхней атмосфере атомарный водород является основным компонентом в семействе водородных радикалов . Однако при Н < 75 км его концентрация становится меньше конце нтрации других водородных соединений , а при Н < 10 км его содержанием в атмосфере уже можно пренебречь . Такое неравномерное распре деление концентрации атомарного водорода по высоте связано , в первую очередь , с существованием озонового слоя , который п оглощает основную долю ультрафиолетового слоя на высотах 20 25 км ( <290 нм ) и тем самым влияет на процесс фотолиз а атмосферных газов , отв етственный за образование Н. В [ 36 , 39 ] отмечается , что на основании мно гочисленных измерений химического состава нижней атмосферы образование атомарного водорода Н обусловлено фотолизом таких соединений , как метан СН 4 , аммиа к NH 3 , молекулярный водород Н 2 , формальдегид НСНО и вода Н 2 О , суммарна я концентрация которых в атмосфере Земли составляет приблизительно 10 19 10 20 м -3 . Приведём основные реакции фо толиза . Разложение метана излучением с дли ной волны =110 160 нм происходит в результате проте кания следующих реакций : СН 4 + h CH 3 + H , ( 2.5 ) СН 4 + h СН 2 + Н 2 ; Н 2 + h H + H , ( 2.6 ) С H 4 + h CH + H 2 + H , ( 2.7 ) Спектр поглощения у льтрафиолетового и злучения в этой области непрерывен. Фотолиз аммиака происходит под действием ближнего и вакуумного ультрафиолета и со стоит из трёх основных первичных процессов : NH 3 + h NH 2 + H < 280 нм , ( 2.8 ) NH 3 + h NH + H 2 < 224 нм , ( 2.9 ) NH 3 + h NH + H + H < 1457 нм , ( 2.10 ) Процессы ( 2.8 ) и ( 2.10 ) являются наиболее вероятн ыми при диссоциации , когда длина волны из лучения < 280 нм. Основной первичный фотохимический процесс при фотодиссоциации формальдегида происходит по схеме HCHO + h H + HCO ( поро говая длина волны 350 нм ). Основным первичным процесс ом при диссоциации молекул воды , когда 105 190 нм является образование ато марного водорода и гидроксила ОН H 2 O + h H + OH < 242 нм. Кроме того , молекулярный водород Н 2 образующийся в результате протекания второстепенных ( то есть не приведённых выше ) реакций , может также диссоциировать в атмосфере под действием изл учения с длинами волн = 84,47 110,8 нм по схеме Н 2 + h H + H ( 2.11 ) На основании проведённого рассмотрения сл едует , что суще ствует ряд каналов , по которым в реальной атмосфере образуется атомарный водород и гидроксил ОН в резуль тате процессов фотолиза водородосодержащих соеди нений . Равновесная концентрация атомов Н и радикала ОН определяется процессами рождения и рекомбинации. Однако их фоновая кон центрация ( а следовательно , и излучение в СВЧ диапазоне длин волн ) должны быть мень ше тех , что образуются в результате выбро сов в атмосферу радиоактивных веществ . Остановимся теперь на фоновом излучении , которое характерно для в ысот , меньши х 10 км . По своему происхождению электромагнитны й фон можно разделить на природный и техногенный . Излучения атомарного водорода и гидроксила ОН , являющиеся индикаторами радиоактив ного загрязнения атмосферы , относятся к катег ории техногенног о электромагнитного фон а . Выше отмечалось , что их регистрация воз можна лишь в случае выделения полезного с игнала на уровне шумов. В свою очередь природный электромагнитный фон может иметь атмосферное либо литосфе рное происхождение . Кроме того существует ещ ё и космическое радиоизлучение . Рассмотре ние начнём с литосферного электромагнитного ф она [40]. Полная классификация электромагнитного фона приведена в табл . 2.3 . Генерация электромагнитного излучения из литосферы в свободное пространство обусловлена преи мущественно двумя механизмами [40,41] : а ) адгезионно - когезионным механизмом генерации , при кото ром его появление вызвано образованием разряд ов между свежезаряженными стенками разрушающихся минералов ; б ) флуктуационным механизмом генерации излучения , ко торый вызван наличием остаточной поляризации минералов , изменяющейся под действием тепловых или радиационных полей , что в свою очер едь приводит к перераспределению энергии и появлению в минералах электрических и элек тромагнитных полей. Не вдаваясь в по дробности протека ния перечисленных процессов , отметим лишь , что литосферное электромагнитное излучение регистри руется в диапазоне от 100 кГц до 2.5 МГц , то есть находится далеко от тех частот , которые излучают как атомарный водород , так и гидроксил О Н. Источниками электромагнитного излучения в атмосфере являются (см . табл . 2.3 ) : а ) грозовые разряды ; б ) предгрозовое радиоизлучение ; в ) непрерывно - шумовое радиоизлучение гроз овых облаков и циклонов. Радиоизлучение линейной молнии исследовалось в раб отах [ 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 продолжа лось в среднем около 50 нс . Спектральная п лотность такого излучения оказалась низко й и составляла 10 -12 10 -10 Вт /см 2 Гц на расстоянии 1 км от молнии. Физическая природа двух последних видов излучений обусловлена , с одной стороны , к олебаниями поверхностей заряженны х 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 светящиес я объекты , возникающие в атмосфере и имеющие , как правило , плазменное происхождение ( см . табл . 2.3 ) . Однако все эти явления пр инадлежат к числу непериодических быстропротекаю щих процессов и время их жизни значительн о меньше , чем время жизни радиоактивного облака ( или шлейфа ) в атм о сфере . По этой причине они вряд ли окажут решающее влияние на результаты измерений. К природному электромагнитному фону относ ится также космическое радиоизлучение . Для не го мощность шума выражается через радиационну ю температуру , которая соответствует тем п ературе абсолютно чёрного тела , когда суммарн ые мощности обоих излучений равны . Кривые изменения радиационной температуры шумов от ч астоты представлены на рис . [ 44 ]. Из рис . 2.5 видно , что мощность шумов различных видов радиоизлучения оказывается мень шей в полосе частот 1.0 10.0 ГГц . Строго говоря , эта величина зависит от времени суток , однако не превышает 10 -21 Вт /м 2 [ 39 ]. Ослабление радиоизлучения на частоте 1.4 ГГц за счёт поглощения его в атмосфер е не превышает 2 дБ при различных у глах места приёмной антены [ 45 ]. При = 90 в спокойной атмосфере оно минимально и составляет всего 0.03 дБ . Фонов ый аэрозоль не оказывает так же заметн ого влияния на поглощение радиосигналов . Знач ения коэффициентов ослабления при распространени и радиоволн в дожде составляют 0.002 0.010 дБ /км . В [ 36 ] для уменьшения уровня шумов атмосферного во дорода измерения пре длагается 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 ре зко возрастает выхо д атомарного вод орода и гидроксила ОН при разложении моле кул Н 2 О , всл едствие их радиоактивного облучения.
© Рефератбанк, 2002 - 2017