Секція „Екологія”

Підсекція ”Радіаційна безпека і соціально-екологічні проблеми”

Писарєв А.В., к. військ. н., доцент; Молодцов В.А., к. військ. н., доцент;

Тузіков С.А., к.т.н., с.н.с.; Карманний Є.В., к.т.н., доцент;

Лазутський А.Ф., к. військ. н., доцент

Національний університет „Юридична академія України імені Ярослава Мудрого”, м. Харків, Україна

Особливості прогнозування вторинного радіоактивного забруднення при контакті із забрудненими поверхнями різних об'єктів

Постановка проблеми: Вторинним радіоактивним (РА) забрудненням вважається перехід РА речовин з раніше забрудненого об'єкту на чистий (незабруднений) або забруднений у меншій мірі . Досвід Чорнобиля показав, що один і той же об'єкт може за рахунок вторинних процесів забруднюватися кілька разів. У цих умовах вторинне забруднення становиться багатократним. Так, РА речовини можуть з місцевості, споруд, транспорту і особливо доріг, в протилежність первинному РА забрудненню, знову переходити у повітряне середовище, а потім осаджуватися, забруднюючи не лише джерело самого забруднення, але і раніше незабруднені об'єкти .Найбільш ймовірні масові шляхи міграції радіонуклідів (РН), що викликають вторинне забруднення, схематично представлені на рис. 1.

Не виключені, проте, й інші можливості вторинного РА забруднення, наприклад, забруднений нескошений трав'яний покрив переходить у ґрунт , забруднюючи землю. При пожежі в лісі РН перетворюються у дим і золу, забруднюючи повітря і поверхню землі. Дерева уловлюють РА частинки, а дощ змиває їх на землю, потім вони проникають углиб ґрунту, а сприяють цьому процесу хробаки, які переносять РА забруднення на глибину до 30 см. Окрім того РА забруднення, що знаходяться на поверхні землі, розповсюджуються комахами-мурашками, мухами, метеликами тощо. Перенесення РН по харчовому ланцюгу (рис.1) складний і неоднозначний процес, він залежить від форми РН, дисперсного складу, особливостей біомаси та інших умов.

Рис. 1. Можливі шляхи вторинного РА забруднення.

У свою чергу, перехід РА речовин з поверхні землі у повітря може бути викликаний різними причинами: вітром, рухом наземного транспорту, зняттям шару забрудненого ґрунту і його транспортуванням, посадкою і зльотом гелікоптерів та іншими причинами. Підняті у повітря РА частинки розбавляються неактивними частками ґрунту. З цієї причини концентрація РА частинок у повітрі або активність за рахунок пилоутворення буде меншою у порівнянні з об'ємною активністю в процесі осідання РА частинок з РА хмари. Концентрація РА речовин або об’ємна активність приземного повітря після вторинного РА забруднення значно менша у порівнянні з тими ж параметрами первинного забруднення, тому що активні частинки в процесі вторинного забруднення розбавляються принаймні у сотні-тисячі разів частинками ґрунту. У повітрі м. Прип'ять об'ємна активність складала 10^-13 Кі/м³, а за межами 5-ти км зони навколо ЧАЕС концентрація продуктів знизилася до 10 ^-14 Кі/м³, а на території ЧАЕС вона складала 10^{- 11}…10^{- 12} Кі/м³. Подібна об'ємна активність в приземному шарі повітря представляє небезпеку для людей [1].

З метою вивчення вторинного РА забруднення приземного шару повітря проводилося уловлювання РА частинок і аналіз аерозольних проб [2], узятих в липні-вересні 1986 р. в межах 30-км зони. Аналіз показав, що розподіл РА частинок підпорядковується нормально-логарифмічному закону.

Процес переходу частинок, у тому числі і РА, з поверхні землі у повітря зазвичай називають пилоутворенням. Елементарний акт цього процесу можна представити за допомогою рис. 2.

Рис. 2. Пилоутворення під дією повітряного потоку.

Пилоутворення визначається, з одного боку, швидкістю повітряного потоку, а з іншого ‑ станом верхнього шару ґрунту, що містить РА частинки. Окрім швидкості повітряного потоку над поверхнею землі слід розрізняти, так звані, критичні швидкості пилоутворення : перша критична швидкість ν'_кр визначається подоланням ваги і аутогезії частинок, тобто сили взаємодії між частинками, а друга критична швидкість ν''_кр ‑ підйом частинок на висоту Н. Перша стадія процесу є необхідною, але недостатньою. Якщо не буде реалізована друга критична швидкість, то станеться переміщення частинок (це переміщення на рис. 2 показано пунктирною стрілкою), а не перехід частинок у зважений стан. В цілому процес пилоутворення під дією повітряного потоку залежить від багатьох чинників, серед них найважливішими являються: структура пограничного шару повітряного потоку у поверхні землі, розмір і форма пилових частинок, нерівності місцевості тощо.

Окрім вітру пилоутворення в суху погоду викликане рухом транспорту по ґрунтовому шляху у результаті дії скатів автомобілів на верхній пилоподібний шар ґрунту і утворення вихрових потоків за рухомим транспортом. Пилоутворення відбувається при русі транспорту по магістралях, покритих асфальтом або бетоном.

Так, при інтенсивності руху в середньому за добу 3000 автомобілів верхній шар асфальтово-бетонного покриття завтовшки в 1 мм впродовж року зношується і переходить в повітря у вигляді аерозолів. Для цементно-бетонних покриттів знос за рік значно менший і складає 0,1 мм. До кінця доби масова концентрація дорожнього пилу може досягти 130 міліграм/м³ [3].

Рівень вторинного РА забруднення приземного шару повітря може бути зафіксований різним шляхом.

Інтенсивність пилоутворення можна оцінити вмістом пилу в одиниці об'єму повітря і залежно від маси повітря, що пройшло через джерело пилоутворення в одиницю часу і наступну розмірність, що має, таку розмірність:

Загальна інтенсивність пилоутворення від РА забрудненої місцевості дорівнює:

G = G₁ + G₂ + G₃ + G_4, (1)

де: G₁, G₂, G₃, G₄ ‑ відповідно інтенсивність пилоутворення за рахунок руху транспорту, під дією вітру, робіт, що проводяться на забрудненій місцевості та інших причин. Кількісно інтенсивність пилоутворення на щебенево-гравійових шляхах досягала 1,2·10^-3 кг/с, а на ґрунтових ‑ 0,33 кг/с [4].

Інтенсивність пилоутворення можна віднести до одиниці площі, з якою має місце це пилоутворення, і характеризувати за допомогою приведеного параметра G', що має розмірність, кг/м^2· с.

Інтенсивність пилоутворення і значення параметрів G і G₁, що характеризують цей процес, визначають перехід в приземний шар повітря пилу в сукупності його активної і інертної компоненти. Тому параметри G і G' не повною мірою відзначають РА забруднення повітряного середовища.

Забруднення повітря за рахунок переходу РА речовин із забруднених об’єктів, у тому числі і місцевості, кількісно можна оцінити за допомогою коефіцієнту диспергування. Коефіцієнт диспергування дорівнює відношенню концентрації РА речовин в одиниці об'єму повітря ν_А до забруднення поверхні з розрахунку на одиницю площі S₁ тобто

(2)

Якщо ν_А і S₁ виміряються в одиницях, що характеризують активність, наприклад Кі/м³ і Кі/м² відповідно, то коефіцієнт диспергування виміряється у м^-1.

У разі забруднення поверхні РА частинками, як це мало місце в Чорнобилі, значення коефіцієнту диспергування можна представити таким чином:

, (3)

де: ν_А ‑ рахункова концентрація РА частинок у повітрі ‑ число частинок в одиниці об'єму;

N_s ‑ число активних частинок на одиниці поверхні, що генерує в повітрі РА частинки.

У разі, коли забруднення повітря в приміщенні походить від забруднених стін, коефіцієнт диспергування дорівнює:

, (4)

де: ξ ‑ ймовірність переведення РА речовин із забрудненої поверхні у повітря;

ε ‑ кратність обміну повітря в приміщенні за наявності вентиляції;

S ‑ поверхня, забруднена РА речовинами;

w ‑ об'єм приміщення.

На основі приведених узагальнень [1] коефіцієнт диспергування при дії повітряного потоку на відкритій місцевості складає 3·10^-4 м^-1, при швидкості вітру 5 м/с і висоти від поверхні землі 0,3…0,6 м, а на закритій місцевості він знижується до 1·10^-5 м^-1. При видаленні РА забруднень з одягу в процесі діяльності людини або її імітації коефіцієнт диспергування може досягати 10^-4 м^-1. У закритих приміщеннях, коли виключена дія повітряного потоку, а рух повітря здійснюється за рахунок конвективних струмів коефіцієнт диспергування стає мінімальним і рівним 10^-7…10^-10 м^-1.

При розрахунку коефіцієнта диспергування за формулами (2) - (4) не врахований час, що характеризує процес переходу РА речовин із забрудненого об'єкту в повітря. З урахуванням цього приведений коефіцієнт диспергування можна виразити таким чином:

(5)

Звичайний час диспергування обчислюють в годинах, тоді розмірність коефіцієнта диспергування рівна м^-1·ч^-1.

У звичайних умовах він коливається від 1,0·10¹¹ до 3,35·10¹¹ Бк/рік у даному випадку йдеться про величину пропорційну наведеному коефіцієнтові диспергування).

В процесі різноманітної діяльності люди можуть стикатися із забрудненими поверхнями транспортних засобів, споруд та інших об'єктів. В результаті відбувається перенесення РА речовин. Кількісно цей процес характеризується долею перенесеної активності при контакті із забрудненими поверхнями і виражається за допомогою коефіцієнту перенесення, який дорівнює

(6)

де: А_з, А_в, ‑ активність із розрахунку на одиницю поверхні, Кі/м² або Бк/м², що забруднюється і вихідної поверхні.

Іноді коефіцієнт перенесення виражається у відсотках. Переносима кількість РА речовин, що визначає вторинне забруднення, залежить від рельєфу і стану контактуючих поверхонь, природи РА забруднень, тиску, з яким прижимаються один до одного контактуючі тіла тощо.

Середні значення коефіцієнту перенесення РА частинок, діаметр яких не перевищував 50 мкм, залежно від тиску контакту характеризуються даними, що наведені в таблиці 1.

Таблиця 1. Середні значення коефіцієнту перенесення РА частинок.

Навантаження, кПа	15	100	260
Коефіцієнт перенесення:
на одяг	0,05	0,30	0,50
на шкіру незахищену	0,20	0,70	0,85

Висновки: Навантаження 15, 100 і 260 кПа відповідають різній мірі притиску контактуючих поверхонь, а саме контакт без помітного зусилля, зіткнення під час роботи і навантаження під дією маси людини. При контакті із замасленою, забрудненою і такою, що має поглиблення поверхнями коефіцієнта перенесення може знижуватися приблизно на 15% у порівнянні з приведеними даними.

При збільшенні часу контакту, при зсуві стичних поверхонь значення коефіцієнта перенесення можуть збільшуватися.

Спостерігається зростання коефіцієнту перенесення із збільшенням розмірів частинок ‑ при контакті легше переносяться відносно великі частки, які є носіями відносно більшої активності.

Таким чином, значення коефіцієнтів диспергування і перенесення, які визначаються експериментальним і розрахунковим шляхами, дозволяють прогнозувати вторинне РА забруднення при контакті із забрудненими поверхнями різних об'єктів.

Література:

1. Зимон А Д., Пикалов В.К. Дезактивация. – М.: Атомиздат, 1994. – 336 с.

2. Чернобыль – пять трудных лет. Обзор под ред. Ю.В. Сивинчева, В.А. Качалова. – М.: ИздАТ, 1992. – 186 с.

3. Пригода Ю Г., Гордыня Н. П., Богословская Л.Г. Гигиеническая оценка загрязнения атмосферного воздуха от покрытий автомобильных дорог // Гигиена и санитария. 1987. – № 7. – С. 13-16.

4. Berezhnof V.I., Valetova N.R., Dunаес G.E. // J. Radional and Nucl. Chem. Art. 1991. Vol 50, №2. P. 445…454.