Пример: Транспортная логистика
Я ищу:
На главную  |  Добавить в избранное  

Экология /

Пассивные методы обнаружения радиоактивных выбросов в атмосферу

←предыдущая  следующая→
1 2 



Скачать реферат


Глава 2. 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 актив-ные методы. Однако имеют перед ними определённые преимущества, в частно-сти, 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 излуче-ния, 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 ка-сается вторичного излучения, то оно может возникать как оптическом, так и в СВЧ диапазоне длин волн. Поскольку надёжность приёма излучения в СВЧ диа-пазоне значительно выше, чем в оптическом диапазоне длин волн, то при разра-ботке пассивного метода дистанционного обнаружения радиоактивных выбросов ядерно-перерабатывающих предприятий необходимо учитывать это обстоятель-ство и среди большого числа атмосферных газов необходимо в качестве индика-тора загрязнения выбрать такой, который излучает в СВЧ диапазоне длин волн. Из дальнейшего рассмотрения становится ясным, что такая возможность сущест-вует.

2.1. Пассивный дистанционный метод экологического мониторинга

радиоактивного загрязнения окружающей среды Е.Т.Протасевича

В 26 предложен метод регистрации радиоактивного загрязнения среды пу-тем измерения излучения в СВЧ- диапазоне длин волн. Его суть сводится к сле-дующему.

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. Ана-лиз этих материалов показывает, что имеется также связь между наблюдаемыми свечениями воздуха и метеоусловиями. Постараемся воспользоваться этим об-стоятельством 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 оче-редь с содержанием воды в атмосфере как в паровой, так и в аэрозольной или жидкокапельной фазах. Независимо от вида ионизирующего воздействия ( кор-пускулярное или электромагнитное ) установлены три стадии трансформации во-ды 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 результа-те которых образуется холодная неравновесная плазма с длительным послесвече-нием.

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 при-сутствует 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 противополож-ную сторону. В связи с этим можно ожидать некоторые изменения свечения ат-мосферы в такое время ( летом в ночные часы ).

В отличие от плазмохимического способа получения водорода из воды, в на-шем случае наиболее важны реакции, в которых получается не молекулярный , а атомарный водород и гидроксил ОН. Происходит это в результате процессов воз-буждение и ионизация [26]:

 Н2О+ (а); Н + ОН+ (б); Н + ОН (в);

Н2О (2.1)

 Н2О* Н + ОН (г); Н2 + О (г);

а также за счет быстрых ионно-молекулярных реакций

Н2О+ + Н2О  Н3О+ + ОН (а);

ОН+ + Н2О  Н3О+ + О2 (б); (2.2)

которые протекают в сочетании с процессом диссоциативной нейтрализации ио-на оксония

 Н+ +Н2О (а);

Н3О+ + е  (2.3)

 Н2(2Н) + ОН (б);

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 ком-понент, активных в СВЧ  диапазоне . Образование свободных атомов водорода должно сопровождаться генерацией излучения на частоте 1420 МГц ( длина вол-ны ~ 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 соударе-ний 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 ориента-ции 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 по-добно 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 радиаци-онного перехода Аnk и может быть рассчитана по формуле [ 26,33 ]:

S = ћ nk Ank (2.4)

где 2ћ  энергия кванта; ћ  постоянная Планка.

Согласно [ 34 ] энергия сверхтонкого расщепления стабильных уровней атома водорода (основной терм 1Н( 2 S1/2), электронный терм 2 S1/2, 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 Аnk равна 310-15 с-1. Тогда ин-тенсивность излучения S=10-24310-15= 310-39 Вт.

В случае, если относительная влажность воздуха   100 %, то молекулы во-ды составляют приблизительно 3 % от общего объема смеси (воздух + Н2О), что в пересчёте на концентрацию частиц соответствует ~1018 молекулам Н2О в см3. Ес-ли допустить, что разложилось всего ~ 1 % от этого числа молекул воды, то это составит ~ 2 1016 атомов водорода. Отсюда следует, что 1см3 будет излучать ~610-23 Вт. Опыт работы АЭС показывает, что размер облака (шлейфа) над объ-ектом атомной энергетики составляет ~ 0,5 км3. Тогда не трудно рассчитать, что мощность его излучения равна ~ 310-8 Вт. Видимо, такая оценка является излиш-не оптимистичной. В работе [ 36 ] подошли к этому иначе.

Предположив в качестве основного механизма воздействия радиации на ат-мосферу 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  810-18 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 рас-четными значениями. Постараемся ответить на вопрос, является ли достаточным уровень излучения

←предыдущая  следующая→
1 2 



Copyright © 2005—2007 «Mark5»