Пасивний дистанційний метод екологічного моніторингу радіоактивного забруднення навколишнього середовища

 

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Національний технічний університет України

«Київський політехнічний інститут»

Кафедра «Наукові, аналітичні, екологічні прилади та системи»

 

 

Розрахункова робота

на тему: «Пасивні методи виявлення радіоактивних

викидів в атмосферу»

 

 

Виконала

Студент 4 курсу гр.. ПН-91

Ляшук Д. В..

Перевірив

Порєв В.А.

 

Київ 2012

Зміст

Вступ……………………………………………………………………………….3

1. Пасивний дистанційний метод екологічного моніторингу радіоактивного забруднення навколишнього середовища………………………………………4

2. Винекнення і динаміка опромінення атомарнго водню у шлейфі радіоактивних викидів……………………………………………………………9

3.Негативні фактори, що впливають на можливість реалізації пасивного методу дистанційного контролю за діяльністю ядерно-перероблюючих підприємств………………………………………………………………………12

Висновки……………………………………………………………………........17

Перелік посилань………………………………………………………………...18

Вступ

Пасивні методи дистанційного виявлення радіоактивних викидів в атмосферу, а також екологічного моніторингу діяльності ядерно-переробних підприємств представляють не менший інтерес, ніж активні методи. Однак мають перед ними певні переваги, зокрема, вони не призводять до додаткового електромагнітного забруднення середовища, менш енергоємні і більш прості при їх реалізації на практиці, оскільки для них не потрібна попередня інформація про місцезнаходження джерела радіоактивних викидів. Очевидно, що для вирішення цього завдання придатна реєстрація випромінювання як радіоактивних ізотопів, що викидаються в атмосферу, так і вторинного випромінювання, яке утворюється у слідстві взаємодії радіоактивних елементів з атмосферними газами. Випромінювання першого типу є короткохвильовим і належить до оптичного або рентгенівському діапазонах довжин хвиль. Що стосується вторинного випромінювання, то воно може виникати як оптичному, так і в НВЧ діапазоні довжин хвиль. Оскільки надійність прийому випромінювання в НВЧ діапазоні значно вище, ніж в оптичному діапазоні довжин хвиль, то при розробці пасивного методу дистанційного виявлення радіоактивних викидів ядерно-переробних підприємств необхідно враховувати цю обставину і серед великої кількості атмосферних газів необхідно як індикатор забруднення вибрати такий, який випромінює в НВЧ діапазоні довжин хвиль. З подальшого розгляду стає зрозумілим, що така можливість існує.

 

Запропонований метод реєстрації радіоактивного забруднення середовища шляхом вимірювання випромінювання в НВЧ-діапазоні довжин хвиль. Його суть зводиться до слідуючого.

Відомо, що в районах радіоактивного забруднення місцевості (на атомних електростанціях, зокрема, після аварії на Чорнобильській АЕС, в районах випадання опадів при випробуваннях ядерної зброї в атмосфері; на атомних підводних човнах і пр.) Спостерігаються тривалі світіння повітря. Аналіз цих матеріалів показує, що є також зв'язок між спостерігалося світіння повітря і метеоумовами. Постараємося скористатися цією обставиною при розробці пасивного методу дистанційного виявлення радіоактивних викидів в атмосферу.

Відомо, що в приземної атмосфері, підданою впливу іонізуючого, наприклад, електричного пробою, існують умови, які забезпечують її тривалий післясвічення. Ці умови пов'язані в першу чергу з вмістом води в атмосфері як у паровий, так і в аерозольній або рідкокапельной фазах. Незалежно від виду іонізуючого впливу (корпускулярне або електромагнітне) встановлені три стадії трансформації води в атмосфері, що забезпечують стійкий тривалий післясвічення повітря:

1) випаровування води, якщо остання в рідкокапельной фазі;

2) розкладання молекул води в паровій фазі;

3) перебіг цілого комплексу фізико-хімічних реакцій, в результаті яких утворюється холодна нерівноважна плазма з тривалим післясвіченням.

Хоча в умовах радіоактивного опромінення атмосфери роль першої стадії невелика через малого енерговклада джерела іонізації, можна припускати, що як причини світіння повітря, так і зв'язок цього свічення з метеоумовами обумовлені протіканням другий і третій стадії, коли водяна пара вже присутня в атмосфері (наприклад , навесні через інтенсивне випаровування вологи з поверхні землі, при сході Сонця і прогріві землі в ранкові години кінця літа, при ясній, спекотної погоди над поверхнею морів і океанів і пр).

Щодо першої стадії агрегатно-фізико-хімічних перетворень Н2О слід зробити наступне зауваження. В атмосфері, хоча і короткочасно, але часто існують умови пересичення водяної пари. У процесі іонізації це повинно приводити до зміни напрямків Н2О в першій стадії в протилежну сторону. У зв'язку з цим можна очікувати деякі зміни світіння атмосфери в такий час (влітку в нічні години).

На відміну від плазмохімічного способу отримання водню з води, в нашому випадку найбільш важливі реакції, у яких виходить не молекулярний, а атомарний водень і гідроксил ОН. Відбувається це в результаті процесів збудження та іонізація [26]:

       ® Н₂О⁺ (а);  Н + ОН⁺   (б);   Н^- + ОН (в);

Н₂О¾                                                                                                                  (2.1)

       ® Н₂О*          Н + ОН (г);      Н₂ + О (г);

а також за рахунок швидких іонно-молекулярних реакцій

Н₂О⁺ + Н₂О ® Н₃О⁺ + ОН     (а);

ОН⁺ + Н₂О ® Н₃О⁺ + О₂             (б);   

які протікають в поєднанні з процесом диссоциативной нейтралізації іона оксония 

                ® Н⁺ +Н₂О          (а);           

Н₃О⁺ + е ¾                                                                                                         (2.3)

                ® Н₂(2Н) + ОН (б);

 

Виникнення вільних атомів водню йде по каналах реакцій (2,1 б), (2,1 г) і (2,3 а), а гідроксилу ОН - в результаті протікання реакцій (2,1 б), (2,1 г), (2,2 а), (2,3 б) . Атомарний водень і гідроксил ОН належать до числа компонент, активних в НВЧ - діапазоні. Освіта вільних атомів водню має супроводжуватися генерацією випромінювання на частоті 1420 МГц (довжина хвилі ~ 21,1 см)., Яке обумовлено надтонким розщепленням основного рівня енергії атома на два прилеглих підрівня. Причиною розщеплення є взаємодія спінів ядра і електрона. В результаті слабких зіткнень атомів водню в повітрі відбувається зміна орієнтації спина електрона в атомі водню на протилежну (з паралельною на антипаралельну, більш вигідну в енергетичному відношенні). Спонтанне зміна орієнтації спина со-супроводжується виникненням випромінювання з частотою 1420 МГц.

Крім частоти 1420 МГц здійснити реєстрацію НВЧ - випромінювання можна також на частотах 1612, 1665, 1667 і 1721 МГц [26]. Ці частоти відповідають вже надтонким переходам в молекулі радикала ОН, який присутній подібно водню практично у всіх реакціях розкладання води, наприклад, (2,1 б), (2,1 в), (2,1 г), (2,2 а) і (2,3 б). Зробимо оцінку можливостей реєстрації зазначеного НВЧ  випромінювання в разі практичної реалізації запропонованого методу. Інтенсивність випромінювання (лінії) визначається ймовірністю радіаційного переходу Аnk і може бути розрахована за формулою [26,33]:
                          S = ћ w_nk A_nk      

де 2pћw - энергия кванта; ћ - постоянная Планка.

Відовідно до [ 34 ] энергія надтонкого розщеплення стабільних рівнів атома водорода (основной терм ¹Н( ² S_1/2), электронний терм ² S_1/2, квантові числа повного моменту F, F¢(1, 0) для n (F, F¢) = 1420, 4057517 МГц ) становить Е (F,F¢) = 47,3797 × 10^-3 см^-1, а ймовірнність переходу А_nk рівна 3×10^-15 с^-1. Тоді інтенсивність виромінення S¢=10^-24×3×10^-15= 3×10^-39 Вт.

У разі, якщо відносна вологість повітря j @ 100 %, то молекули води складають приблизно 3% від загального обсягу суміші (повітря + Н₂О), що в перерахунку на концентрацію частинок відповідає ~ 10¹⁸ молекулам Н₂О в см³. Якщо допустити, що розклалося всього ~ 1% від цього числа молекул води, то це складе ~ 2 *10¹⁶ атомів водню. Звідси випливає, що 1см³ буде випромінювати ~ 6 * 10^-23 Вт. Досвід роботи АЕС показує, що розмір хмари (шлейфа) над об'єктом атомної енергетики складає ~ 0,5 км3. Тоді не важко розрахувати, що потужність його випромінювання дорівнює ~ 3 * 10^-8 Вт Мабуть, така оцінка є надто оптимістичною. В роботі [36] підійшли до цього інакше.

Припустивши в якості основного механізму впливу радіації на атмосферу гальмівне випромінювання електронів, що утворилися при розпаді ізотопу ⁸⁵Kr, автори [36] розрахували, що швидкість утворення атомів водню в шлейфі викиду становитиме 1,5 *10¹² м-3 * с^-1. Тоді при допущенні, що основним механізмом зникнення атомів водню є рекомбінації, константа швидкості якої при нормальних атмосферних умовах становить ~ 10^-13 ¸10^-14 м³ * моль^-1 * с^-1 з рівняння:

d[H] / dt = 2k[H]²

була розрахована концентрація атомів водню [H] в 1 км³ шлейфу викиду, Це величина складає приблизно 10²¹¸ 10²² атомів. Звідси випливає, що на частоті 1420 МГц потужність, яку випромінює, зазначеним обсягами повітря, дорівнює ~ 2*10^-17¸8 *10^-18 Вт, що на кілька порядків менше, ніж це випливає з роботи [26]. Мабуть, така оцінка є надмірно песимістичною і на практиці потужність випромінювання іонізованого обсягу опиниться між двома цими розрахунковими значеннями. Постараємося відповісти на питання, чи є достатнім рівень випромінювання атомарного водню для його реєстрації сучасними засобами чи ні.

Чутливість сучасних приймачів дециметрових і сантиметрових хвиль Р_{пр хв} = 10^-13 ¸10^-14 Вт . Вона була досягнута ще в 1967 році. Порівняння такої чутливості з рівнем випромінювання хмари дозволяє стверджувати, що випромінювання атомарного водню може бути зареєстровано сучасними засобами радіолокації. При цьому необхідно мати на увазі ще дві важливі обставини. По- перше, рівень сигналу зменшується пропорційно квадрату відстані від джерела випромінювання, тобто вимірювання необхідно проводити поблизу об'єкта атомної енергетики. По-друге, надійність прийому сигналу на частоті 1420 МГц підвищується за рахунок стаціонарного характеру хвильового випромінювання і наявності мінімального рівня перешкод в інтервалі частот 103  104 МГц [35].

Аналогічним чином йдуть справи і з можливістю реєстрації радіовипромінювання гідроксил ОН.

Зупинимося на ширині випромінюваних ліній. Розширенням лінії випромінювання атомарного водню пов'язане переважно з ефектом Доплера, який обумовлений поступальним рухом атомів. Швидкість такого руху визначається кінетичної енергією утворилися атомів водню. Зіткнень механізмом уширення в нашому випадку можна знехтувати, оскільки випромінювання викликане надтонким розщепленням енергетичного рівня атома. Згідно вимірювань, виконаних в , енергія поступального руху атомів водню при фотолізі водородовмісних молекул, не перевищує 2 еВ. Звідки випливає, що доплерівське розширення лінії водню на частоті 1420 МГц n_D £ 150 кГц  D  150 кГц. Мабуть, це значення  D є завищеним, оскільки з аналізу спектрів радіовипромінювання в астрофізиці слідують, що ширина випромінюваних ліній радикала ОН становить 10 ¸ 20 кГц .