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

До числа факторів, що визначають можливість реалізації пасивного методу екологічного моніторингу переробних підприємств ядерного циклу по їх викидах в атмосферу і впливають на точність вимірювань, слід віднести

по-перше, наявність в атмосфері фонової концентрації атомарного водню і,

по-друге, природний електромагнітний фон будь-якого походження в НВЧ діапазоні довжин хвиль на висотах, менших 10 км.

Розгляд почнемо з джерел утворення атомарного водню і гідроксилу ОН і їх фонової концентрації в атмосфері. Атомарний водень Н і гідроксил ОН належать до сімейства непарного водню. Для них характерна висока реактивність, яка робить істотний вплив на протікання хімічних процесів в атмосфері. Час життя цих компонентів менше постійних часу їх перенесення. З цієї причини концентрація атомарного водню Н і гідроксилу ОН визначається фотохімічними, а не динамічними процесами. Оскільки основним джерелом їх утворення в атмосфері є фотодисоціація довгоживучих водомістких речовин, то зміст цих компонентів залежить від потоку сонячного випромінювання, іншими словами, від сонячної активності, пори року і дня.

У верхній атмосфері атомарний водень є основним компонентом в сімействі водневих радикалів. Однак при Н <75 км його концентрація стає менше концентрації інших водневих сполук, а при Н <10 км його вмістом в атмосфері вже можна знехтувати. Таке нерівномірний розподіл концентрації атомарного водню по висоті пов'язано, в першу чергу, з існуванням озонового шару, який поглинає основну частку ультрафіолетового шару на висотах 20¸25 км (l<290 нм) і тим самим впливає на процес фотолізу атмосферних газів, відповідальний за утворення Н.

Відзначається, що на підставі численних вимірювань хімічного складу нижньої атмосфери освіту атомарної водню Н обумовлено фотоліз таких з'єднань, як метан СН₄, аміак NH₃, молекулярний водень Н₂, формальдегід НСНО і вода Н₂О, сумарна концентрація яких в атмосфері Землі становить приблизно 10¹⁹¸10²⁰ м^-3. Наведемо основні реакції фотолізу.

Розкладання метану випромінюванням з довжиною хвилі l=110¸160 нм відбувається в результаті протікання наступних реакцій:

     

                  СН₄ + hu ® CH₃ + H ,                                                       ( 2.5 )

  СН₄ + hu ® СН₂ + Н₂ ; Н₂ + hu ® H + H ,                                       ( 2.6 )

                 СH₄ + hu ® CH + H₂ + H ,                                                 ( 2.7 )

Спектр поглинання ультрафіолетового випромінювання в цій області неперервний.

Фотоліз аміаку відбувається під дією ближнього і вакуумного ультрафіолету і складається з трьох основних первинних процесів:

            NH₃ + hu ® NH₂ + H    l < 280 нм ,                             ( 2.8 )

            NH₃ + hu ® NH + H₂    l < 224 нм ,                            ( 2.9 )

         NH₃ + hu ® NH + H + H  l < 1457 нм ,                       ( 2.10 )

Процеси (2.8) і (2.10) є найбільш вірогідними при дисоціації, коли довжина хвилі випромінювання l < 280 нм .Основний первинний фотохімічний процес при фотодисоціації формальдегіда відбувається за схемою:666666666

HCHO + hu ® H + HCO ( орогова довдина хвилі  l ~ 350 нм ).

Основним первинним процесом при дисоціації молекул води, коли l ~ 105 ¸ 190 нм є утворення атомарного водню і гідроксилу ОН:

H₂O + hu ® H + OH           l < 242 нм

Крім того, молекулярний водень Н2 що утворюється в результаті протікання другорядних (тобто не приведених вище) реакцій, може також дисоціювати в атмосфері під дією випромінювання з довжинами хвиль l = 84,47 ¸ 110,8 нм по схемі

                                           Н₂ + hu ® H + H                                          ( 2.11 )

На підставі проведеного розгляду випливає, що існує ряд каналів, по яких в реальній атмосфері утворюється атомарний водень і гідроксил ОН в результаті процесів фотолізу водородосодержащих з'єднань. Рівноважна концентрація атомів Н і радикала ОН визначається процесами народження і рекомбінації. Однак їх фонова концентрація (а отже, і випромінювання в НВЧ діапазоні довжин хвиль) повинні бути меншими за ті, що утворюються в результаті викидів в атмосферу радіоактивних речовин.

Зупинимося тепер на фоновому випромінюванні, яке характерно для висот, менших 10 км. За своїм походженням електромагнітний фон можна розділити на природний і техногенний. Випромінювання атомарного водню і гідроксилу ОН, які є індикаторами радіоактивного забруднення атмосфери, відносяться до категорії техногенного електромагнітного фону. Вище зазначалося, що їх реєстрація можлива лише в разі виділення корисного сигналу на рівні шумів.

У свою чергу природний електромагнітний фон може мати атмосферний або літосферні походження. Крім того існує ще й космічне радіовипромінювання. Розгляд почнемо з літосфери електромагнітного фону. Повна класифікація електромагнітного фону наведено в табл. 2.3.

Генерація електромагнітного випромінювання з літосфери у вільний про-странство обумовлена ​​переважно двома механізмами:

а) адгезійно - когезіонной механізмом генерації, при якому його поява викликана утворенням розрядів між свіжозаряженними стінками мінералів , які руйнуються;

б) флуктуаційним механізмом генерації випромінювання, який викликаний наявністю залишкової поляризації мінералів, що змінюється під дією теплових або радіаційних полів, що в свою чергу призводить до перерозподілу енергії і появи в мінералах електричних та електромагнітних полів.

Не вдаючись у подробиці протікання перерахованих процесів, зазначимо лише, що літосферні електромагнітне випромінювання реєструється в діапазоні від 100 кГц до 2.5 МГц, тобто перебуває далеко від тих частот, які випромінюють як атомарний водень, так і гідроксил ОН.

Джерелами електромагнітного випромінювання в атмосфері є (див. табл. 2.3):

а) грозові розряди;

б) передгрозове радіовипромінювання;

в) безперервно - шумове радіовипромінювання грозових хмар і циклонів.

Воно було реєстровано у вузькому діапазоні частот частот ( 0.1 ¸ 0.2 ) ГГц через 0.1 ¸ 0.4 с після появи лідера грозового розряду і тривало в середньому близько 50 нс. Спектральна щільність такого випромінювання виявилася низькою і становила 10^-12 ¸ 10^-10  Вт/см² Гц на відстані 1 км від блискавки.

Фізична природа двох останніх видів випромінювань обумовлена, з одного боку, коливаннями поверхонь заряджених крапель води і, з іншого боку, їх дробленням коагуляцією. Безперервно - шумове радіовимірювань грозових хмар і циклонів спостерігається на частотах від сотень кГц до сотень МГц.

Таблица 2.1.

Значения а₁, а₂ , в₁ , в₂ , c₁ и c₂ для различных классов устойчивости

    

 Класс

устойчивости

 

 

       s_y

 

c₁              c₂

 

                     s_z

 

   a₁       a₂          в₁        в₂

      3

0.11

10^-4

0.1120

9.5×10^-4

  0.920  

0.718

      4

0.08

  10^-4

0.0980

1.35×10^-3

0.889

0.668

      5

0.06

10^-4

0.0609

1.96×10^-3

0.895

0.684

 

Таблица 2.2.

Значения а₁, а₂ ,в₂ , c₁ и c₂ для вычисления горизонтальной

s_у  и вертикальной дисперсии примеси s_z  в зависимости от класса  

устойчивости

    

 Класс

устойчивости

 

 

       s_y

 

c₁              c₂

 

                   s_z

 

a₁             a₂                   b₂             

      3

0.22

4 10^-4

0.20

   0

 0

      4

0.16

4 10^-4

0.14

3 10^-4

 -0.5

      5

0.11

4 10^-4

0.08

1.5 10^-4

 -0.5

Висновки

Випромінюють радіохвилі і різні світимі об'єкти, що виникають в атмосфері і мають, як правило, плазмове походження (див. табл. 2.3). Однак всі ці явища належать до числа неперіодичних бистропротікаючих процесів і час їхнього життя значно менше, ніж час життя радіоактивної хмари (або шлейфа) в атмосфері. З цієї причини вони навряд чи нададуть вирішальний вплив на результати вимірювань.

 природного електромагнітному фону відноситься також космічне радіовипромінювання. Для нього потужність шуму виражається через радіаційну температуру, яка відповідає температурі абсолютно чорного тіла, коли сумарні потужності обох випромінювань рівні.

Потужність шумів різних видів радіовипромінювання виявляється меншою в смузі частот 1.0 ¸ 10.0 ГГц. Строго кажучи, ця величина залежить від часу доби, проте не перевищує 10^-21 Вт/м² . Ослаблення радіовипромінювання на частоті 1.4 Ггц за рахунок поглинання його в атмосфері не перевищує 2 дБ при різних кутах місця приймальні антени . При j = 90° в спокійній атмосфері воно мінімально і складає всього 0.03 дБ. Фоновий аерозоль не надає також помітного впливу на поглинання радіосигналів. Значення коефіцієнтів ослаблення при поширенні радіохвиль в дощ становлять 0.002 ¸ 0.010 дБ/км.. В  для зменшення рівня шумів атмосферного водню вимірювання пропонується проводити в темний час доби. Зі свого боку, потужність корисного сигналу зросте, якщо виміру проводити не під час дощу, а при відносній вологості повітря, близькій до 100%. У цьому випадку різко зростає вихід атомарного водню і гідроксилу ОН при розкладанні молекул Н₂О, внаслідок їх радіоактивного опромінення.

 

 

Перелік посилань

1. Протасевич Е.Т. Метод определения радиоактивного загрязнения окружающей среды по свечению воздуха // Оптика атмосферы и океана. - 1994. - Т.7, N 5. - С. 697-700.

2. Рациг А.А., Смирнов Б.М. Справочник по атомной и молекулярной физике. - М.: Атомиздат, 1980 - 240с.

3. Пенин С.Т., Чистякова Л.К. Формирование и динамика излучений атомарного водорода в атмосфере и шлейфе выбросов ядерно-перерабатывающих предприятий // Оптика атмосферы и океана. - 1997. - Т.10,N 1. - С. 73-81.