Теоретична частина. Контроль вмісту радіоактивних аерозолів в атмосфері приміщень є одним з важливих завдань забезпечення життєдіяльності людей

Контроль вмісту радіоактивних аерозолів в атмосфері приміщень є одним з важливих завдань забезпечення життєдіяльності людей.

Аерозоль – дисперсна частинка, яка складається з дрібних твердих або рідких частинок, які підвішені в газовому середовищі (як правило в повітрі). Аерозолі, дискретна доза яких складається з крапельок рідини, називаються туманами, а у випадку твердої дискретної фази – димом; пил відносять до грубодискретних аерозолів. Розміри частинок в аерозолях змінюються від 10^{-7 мм до декількох мм. Радіоактивними називаються аерозолі з радіоактивною дисперсною фазою.}

Класифікація аерозолів. В залежності від природи аерозолі поділяються на природні і штучні.

Штучні радіоактивні аерозолі, що містять продукти розпаду, утворюються при ядерних вибухах. Вони утворюються також при технологічних або аварійних викидах підприємств атомної промисловості, на уранових шахтах і в збагачувальних цехах, у приміщеннях реакторів, прискорювачів і в радіохімічних лабораторіях.

Природні радіоактивні аерозолі виникають у наступних випадках:

1) за рахунок радіонуклідів, що виділяються з поверхні грунту в атмосферу. Це продукти розпаду радону ²²²Rn, торону ²²⁰Rn і актиону ²¹⁹Rn. Усі продукти розпаду є важкими металами і тому існують тільки у формі твердих частинок;

2) при взаємодії частинок космічного випромінювання з ядрами атомів хімічних елементів повітря. Це 3H, 14C, 7Be, 36Cl, 39Cl, 22Na, 33P, 35S, 32P та інші радіонукліди. Тритій в атмосфері присутній, в основному, у формі ТНО у водяній парі, 14C – у вигляді вуглекислого газу, інші ж нукліди можуть існувати у формі твердих частинок і виявлятися у дощовій воді;

3) при захопленні вітром з поверхні радіоактивного пилу, що містить уран, радій, калій. Аерозоль, що містить 40K надходить також при випаровуванні крапель морської води;

4) при проникненні в атмосферу з космічним пилом, метеоритами, текститами (наприклад, 26Al, 10Be, 60Co).

Радіоактивні аерозолі в атмосфері можуть існувати або у своїй первинній формі (первинні частинки), або утворюватися після захоплення радіонуклідів нейтральними аерозолями, що знаходяться в атмосфері. Найбільш часто зустрічається останній тип радіоактивних аерозольних частинок.

Нижня межа розмірів частинок обумовлена тим, що частинки з радіусом менше 0,01 мкм протягом декількох годин осідають на частинках більшого розміру. З умови рівноваги між двома протилежними процесами, що впливають на рух частинок в атмосфері (турбулентне перемішування, спрямоване вгору і осадження в полі тяжіння Землі), максимальний лінійний розмір частинок складає 10-20 мкм.

Найбільші концентрації в нижній тропосфері мають радон і продукти його розпаду (табл. 1.1, 1.2). Від 50 до 90% атомів RaA+RaB+RaC, а також торій Th знаходяться на частинках із радіусом 10^-6 ÷ 10^{-7 см.}

Таблиця 1.1.

Концентрації радону, торію і продуктів їх розпаду в земному повітрі.

Нукліди	Над сушею	Над океаном поблизу берегів	Центральні райони океану	На островах в океані
222Rn, RaA, RaB, RaC				--
RaD		--	--	--
RaF		--	--	--
220Th		--	--	--
ThB		--	--

В чисельнику – середнє значення; в знаменнику – межі коливань.

Таблиця 1.2.

Зміна вмісту Rn та Th в повітрі над сушею зі збільшенням висоти h.

h, м
Rn, %			--		--	--
Th, %		--					0,5	--	--

Аерозолі відіграють значну позитивну роль у житті людини. Хмари – важлива «ланка» в «колообігу» води в природі; поглинаючи сонячні промені і теплове випромінювання Землі, вони сповільняють і жару і холод.

Опилення багатьох рослин, у тому числі і «злаків», здійснюється аерозолями з кольрової аерозолі. Боротьба зі шкідниками і хворобами культурних рослин і лісів ведеться за допомогою аерозолів з ядохімікатів.

Разом з тим деякі аерозолі приносять велику шкоду. Велику небезпеку несуть радіоактивні аерозолі, які утворюються під час атомних вибухів, під час добування і переробки розщеплюючих матеріалів.

Пил, який містить кремнезем, викликає важке захворювання легень – силікоз. Не менш небезпечний берилієвий, свинцевий, хромовий пил, тому боротьба з виробничим пилом – одне з важливих завдань промислової гігієни.

Бактеріальні аерозолі, які містять хворобоутворюючі мікроорганізми і які утворюються під час кашлю та чхання хворих, можуть бути джерелом інфекційних хвороб, в тому числі і грипу. Природні тумани перешкоджають посадці літаків. Пилові бурі – справжнє лихо для жарких, сухих безлісих місцевостей.

Збір атмосферних радіоактивних аерозолів. Осадження дисперсної фази з певного об’єму повітря. Як правило, перед початком вимірювання концентрації радіоактивних аєрозолів робиться осадження дисперсної фази з певного об’єму повітря, що використовується потім для визначення активності аерозолю та інших його властивостей.

Для γ-активних аерозолів звичайно застосовують мембранні фільтри, при використанні яких переважна частина аерозолів осаджується в дуже тонкому поверхневому шарі фільтра. Для вимірювання β і γ-активних аерозолів найбільш часто застосовують паперові і шарові волокнисті фільтри.

Якість фільтру оцінюється його коефіцієнтом ефективності k:

(1)

де A₀ – концентрація аерозолю до фільтру; A_h – концентрація аерозоля після проходження фільтру товщиною h.

Інакше:

(2)

де k_ф – коефіцієнт фільтрації – відносна зміна активної концентрації аерозолю при проходженні його через шар фільтра одиничної товщини.

Концентрація аерозольних частинок у фільтрі на глибині x:

(3)

Однак розподіл осаджених аерозольних частинок за товщиною фільтру залежить від його марки і не завжди відповідає експоненціальному закону.

Для випадку монодисперсних аерозолів при послідовному з’єднанні трьох фільтрів добуток активностей частинок Q ₁ і Q ₃, що осіли на першому і третьому фільтрах, повинен дорівнювати квадрату активності частинок Q ₂², що осіли на другому фільтрі, тобто

Q ₁ · Q ₃ = Q ₂² (4)

Відхилення від цьго правила може послужити грубою оцінкою порушення монодисперсності.

З урахуванням схеми розпаду радону (рис. 1) можна вважати потужності фільтру за α- випроміненням W _α і β- випроміненням W _β на будь-який момент часу t' після припинення прокачування рівними:

W _α'= Q '_А+ Q '_С; W _β'= Q '_В+ Q '_С (5)

Рис. 1.1. Схема розпаду радону

Визначення світлосили радіометру при вимірюванні кількості α-частинок, які випромінюються в одиницю часу аерозолями, що осіли у фільтрі. Світлосила радіометру в даному випадку залежить від характеру поглинання α-частинок і розподілу активного пилу в матеріалі, що фільтрує. Для монодисперсного пилу і фільтра, який має рівномірну густину, відповідно до (1-3), кількість активного пилу, затриманого в елементарному шарі фільтру dx на глибині x, складає:

, (6)

де - активність фільтру у повітрі, що прокачується через фільтр. Залежність швидкості рахунку сцинтиляційного радіометру від товщини поглинача над α-джерелом являє собою пряму лінію і може бути записана у такому вигляді:

, (7)

де - відношення швидкостей рахунку від еталонного джерела з поглиначем товщиною x і без нього, δ - мінімальна товщина шару поглинача, при якій α-частинки практично не реєструються.

З (7) випливає, що:

(8)

Співвідношення між швидкістю випромінювання α-частинок елементарним шаром фільтра на глибині x і швидкістю їх рахунку радіометром, на основі (6) і (7), дорівнює:

, (9)

де α-ефективність рахунку α-частинок при відсутності поглинача.

У випадку, коли товщина фільтру h > δ, швидкість рахунку α-частинок J _α:

(10)

Оскільки коефіцієнт використання α-випромінення:

, (11)

де Q – кількість α-частинок, які випромінюються в одиницю часу аерозолями, що осіли у фільтрі, то

(12)

або

(13)

З (2) випливає, що

(14)

Отже світлосилу радіометра у випадку h > δ можна визначити за формулою:

(15)

Якщо позначити 1- k = ε (коефіцієнт проскакування), то

(16)

У випадку h < δ:

(17)

Якщо h = δ, то

(18)

Мета цієї роботи – збір і радіометричний аналіз природних радіоактивних аерозолів в атмосфері приміщення.