107УДК 621.039.75
ОСОБЕННОСТИ РАДИОАКТИВНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПРИ
АВАРИЯХ НА АЭС
Бобович О Л.*, Горбунов СВ.**, к.т.н., доцент. * Центр пропаганды и обучения при Гомельском областном УМЧС
Республики Беларусь; ** Академия гражданской защиты МЧС Российской Федерации
Авария на Чернобыльской АЭС придала проблеме дезактивации новые качества, которые определяются:
массовым характером радиоактивного загрязнения и постоянно действующим источником этих загрязнений;
уникальностью механизма и природы образования, дисперсного и радионук-лидного состава радиоактивных выбросов;
необходимостью комплексного решения дезактивации различных объектов (людей, зданий, дорог, местности и др.);
огромными масштабами дезактивационных работ с привлечением массы людей, разнообразной техники и большого набора различных реагентов;
разработкой и осуществлением профилактических мероприятий, направленных на предотвращение вторичного загрязнения и снижения объема дезактивационных работ.
Необходимость комплексного подхода к проблеме дезактивации побудила авторов рассматривать условия радиоактивных загрязнений как предпосылки дезактивации различных поверхностей, а также ряд других вопросов, без которых представления о дезактивации были бы односторонними.
Радиоактивное загрязнение местности при авариях на АЭС имеет следующие особенности:
1. Радиоактивное загрязнение местности и атмосферы имеет сложную зависимость от исходных параметров ЯЭР (типа и мощности реактора, времени его работы, характера аварии и т. д.) и метеоусловий, вследствие чего прогнозирование его возможных масштабов весьма затруднено, требует разработки специальных методик и носит ориентировочный характер.
2. Естественный спад активности радионуклидов существенно более длителен, чем распад продуктов деления ядерных взрывов.
3. Смесь выбрасываемых из реактора радиоактивных веществ обогащена долгоживущими радионуклидами (плутоний-239, стронций-90, це-зий-137 и др.), причем относительный вклад в общую активность альфа-излучающих изотопов с течением времени будет увеличиваться. В результате большие площади территорий на длительное время окажутся загряз-
ненными биологически опасными радионуклидами, которые в последующем могут быть вовлечены в миграционные процессы на местности.
4. Малые размеры радиоактивных частиц (средний размер около 2 мкм) способствуют их глубокому проникновению в микротрещины и краску, что затрудняет проведение работ по дезактивации [1] (рисунок 1).
Р10'3 Кг/м
dy
мкм
А - активность аэрозольных выбросов; Р - плотность аэрозольных выбросов; d - размеры частиц; I, II, III, IV - группы частиц по размерам; 1,2-изменение плотности РА частиц в зависимости от механизма их образования
Рисунок 1 - Активность и плотность аэрозольных выбросов после Чернобыльской катастрофы в зависимости от размеров частиц
5. Пылеобразование приводит к поступлению в организм человека через органы дыхания мелкодисперсных продуктов деления и, прежде всего, биологически опасных «горячих» частиц.
6. Наличие в атмосфере облака газоаэрозольной смеси радионуклидов, испускающей мощный поток ионизирующих излучений.
7. Осаждение высокоактивных осколков конструкций реактора и графита как на территории АЭС, так и в виде пятен по следу облака.
8. Стационарный характер источника загрязнения, продолжительность выбросов во времени на небольшую высоту (до 1,5-2 км) и частые изменения метеоусловий, в соответствующих слоях атмосферы, приводят к азимутальной неравномерности загрязнения местности, скачкообразному изменению мощности дозы излучения в отдельных районах во времени и образованию радиоактивных зон загрязнения в виде пятен по следу движения облака.
Особенности механизма радиоактивного загрязнении местности при аварии на АЭС.
При авариях на АЭС и массовых радиоактивных загрязнениях большая часть выбросов радиоактивных веществ превращается в аэрозоли, которые обусловливают аэрозольное загрязнение местности в виде радиоактивных веществ, попавших на поверхность объекта.
Радиоактивные аэрозоли образуются в результате следующих процессов [1] (рисунок 2):
- диспергирования веществ, содержащих радиоактивные загрязнения (рисунок 2, 1);
- конденсации и десублимации паров радиоактивных веществ (рисунок 2, 2);
- адсорбции радионуклидов на поверхности частиц (рисунок 2, 3);
- наведенной активности и распада инертных газов с последующей конденсацией продуктов распада (рисунок 2, 4).
3
▼
® О о ° О
2 °оГо°0о
£ О О О О <о
° О О ооо°о°
О 0 _ 0 о ° о
1Ш
1 - диспергирование; 2 - конденсация и десублимация; 3 - адсорбция; 4 - наведенная активность, распад инертных газов с последующей конденсацией продуктов распада
Рисунок 2 - Процессы образования радиоактивных аэрозолей
При этом размер, форма и удельная активность являются важнейшими параметрами радиоактивных аэрозолей.
Радиоактивные частицы аварийных выбросов обычно имеют неправильную форму. Распределение частиц по размерам и активности при аварии на АЭС подчиняется логарифмически-нормальному закону [2]. Средний диаметр частицы - около 2 мкм.
Средняя активность частицы - 10"14—10"16 Ки.
Распределение частиц по активности и размерам приведено на рисунке 1. Тем не менее встречаются частицы, активность которых в сотни и даже тысячи раз выше активности обычных частиц. Такие частицы называются «горячими».
Размер «горячих» частиц 0,7-2 мкм, а концентрация - одна частица на 1-14 м3 воздуха. Источниками «горячих» частиц являются уран-234, 235 [3].
Выбросы радиоактивных веществ в атмосферу определяются сочетанием различных механизмов образования аэрозолей.
По размерам частиц все выбросы условно можно разделить на 4 группы (рисунок 1). Образование частиц I, II и частично III группы в первый и частично во второй период выбросов происходит вследствие диспергирования ядерного топлива и продуктов деления в результате парового взрыва при контакте топлива с теплоносителем, разрушения технологических каналов и разгерметизации реактора.
Образование частиц IV и частично III группы происходит, в основном, в период горения графита и окисления топлива в результате выброса радиоактивных веществ вследствие эффекта трубы воздушным потоком из нижних помещений реактора.
Выбросы частиц I группы, помимо диспергированного топлива и продуктов деления, содержат высокоактивные куски углерода и элементы конструкций реактора.
Некоторая доля частиц I и II группы представляет собой зерна диоксида урана и плутония, обедненных изотопами цезия, что характерно для таблеток центральной части ТВЭЛов.
Частицы III группы образуются в результате разрушения периферийных частей топливных таблеток во время аварий и окисления на воздухе урана и плутония. Кроме этого происходит конденсация и десублима-ция паров радионуклидов, адсорбция их на аэрозольных частицах, а также экстрагирование радионуклидов паром с последующей конденсацией пара совместно с радионуклидами. Активность частиц этой группы рассредоточена по всей массе частиц.
Частицы IV группы возникают главным образом за счет конденсации и десублимации паров и газов. При их слипании образуются агрегаты, которые в последующем переходят в III группу частиц [1].
Радиоактивные загрязнения в виде твердых, жидких и газообразных веществ после попадания на поверхность объектов закрепляются на ней, так как между радиоактивными веществами и поверхностью возникает связь, которая удерживает эти вещества.
В зависимости от степени физико-химического взаимодействия между загрязненной поверхностью и носителем активности для поверхностных загрязнений имеет место адгезионный, адсорбционный и ионообменный процессы [1] (рисунок 3). ,
а
тг
СТжг газ Т/^жидкост ь
* У У///
а
те. тело
тж
~777,
I
отр
"Л
-У/А
Е
отр
Fag
шттш,
4
1 -- жидкости; 2 - частицы; 3 - структурированные тела; 4 - адсорбция; 5 - обмен Рисунок 3 - Поверхностное радиоактивное загрязнение за счет адгезии
Характерной особенностью при адгезионном загрязнении является наличие границы раздела фаз между радиоактивными веществами и поверхностью.
При адсорбции происходит концентрирование вещества на поверхности раздела фаз.
При физической адсорбции молекулы радионуклидов сохраняют свою индивидуальность, так как взаимодействие их с поверхностью обусловлено силами межмолекулярного взаимодействия (силы Ван-дер-Вальса).
При хемосорбции молекулы (ионы) радионуклидов, а также их соединения образуют с адсорбентом поверхностные химические соединения.
При ионном обмене происходит обратимый, а иногда и необратимый, процесс эквивалентного (стехиометрического) обмена между ионами радионуклидов и загрязненной поверхностью. Ионообменная адсорбция
является основным процессом, определяющим радиоактивное загрязнение почвы.
При попадании радиоактивных веществ вглубь материала происходит глубинное (объемное - для жидкой фазы) радиоактивное загрязнение (рисунок 4).
О
6
1 - в результате диффузии; 2 - в результате попадания мелких частиц в глубинные поверхности; 3 - в результате капиллярного смачивания; 4 - в результате капиллярной конденсации в порах; 5 - в результате молекулярного заполнения пор; 6 - в результате проникновения в глубь капиллярно-пористого тела
Рисунок 4 - Глубинные радиоактивные загрязнения
При этом радиоактивные вещества могут попасть в глубь материала объекта вследствие диффузии (рисунок 4, 1), проникновения в поры и неровности поверхности (рисунок 4, 2-5), а также вследствие проникновения в капиллярно-пористые дисперсные системы и материалы [1] (рисунок 4, 6).
Процессы поверхностного и глубинного загрязнений проявляются в совокупности, при этом возможно сочетание различных механизмов загрязнения в определенной последовательности. В свою очередь механизм радиоактивного загрязнения зависит от формы существования радионуклидов, входящих в состав твердых частиц, растворов, молекул, ионов, химических соединений и коллоидных частиц.
Так, в сухую погоду радиоактивные загрязнения будут в основном поверхностными. В то же время частицы небольших размеров, в том числе «горячие», будут проникать в выемки шероховатой поверхности, обусловливая глубинные загрязнения.
При загрязнении поверхностей каплями, содержащими радиоактивные вещества, первоначально будет происходить адгезия капель к твердой поверхности, которая в дальнейшем приведет к адсорбции радионуклидов на поверхности, ионному обмену, диффузии и капиллярному смачиванию.
Помимо физико-химических процессов, определяющих связь радиоактивных загрязнений с поверхностями объектов, степень радиоактивного загрязнения в значительной степени зависит и от топографии. Радиоактивное загрязнение объектов зависит от их расположения на местности относительно аварийного ЯЭР, особенностей первичного и вторичного загрязнений.
При движении газоаэрозольного облака после его выброса из реактора происходит оседание радиоактивных частиц. В этом суть первичного радиоактивного загрязнения. При этом выделяют 4 зоны радиоактивных загрязнений [4].
I зона - зона ближних выпадений радиоактивных частиц. Зона обусловлена соединением в основном частиц I группы с кусками различного происхождения (ТВЭЛы, графит, бетон и т. д.). Мощность дозы излучения на границах зоны может составить от 1800 до 5 мр/ч.
II зона - зона региональных радиоактивных загрязнений. Зона обусловлена оседанием в основном частиц II и III групп. Мощность дозы излучения на границах зоны составит от 5 до 0,05 мр/ч.
III зона - зона дальних радиоактивных загрязнений. Зона обусловлена оседанием частиц в основном III и IV групп. Мощность дозы излучения не на много превысит фоновые значения.
IV зона - зона трансграничных загрязнений. Зона обусловлена в основном частицами IV группы.
Вторичным (иногда многократным) радиоактивным загрязнением считается переход радиоактивных веществ с ранее загрязненного объекта на чистый или загрязненный в меньшей степени объект. Так радиоактивные загрязнения местности, сооружений, транспорта, почвы и дорог могут переходить в воздушную среду, а затем осаждаться, вызывая радиоактивные загрязнения ранее «чистых» объектов [3] (рисунок 5).
Рисунок 5 - Возможные направления вторичного радиоактивного загрязнения
Некоторые звенья цепи в условиях массового радиоактивного загрязнения после Чернобыльской катастрофы приобрели порой более важное значение по сравнению с первичным радиоактивным загрязнением. По масштабам и последствиям особое значение приобретает загрязнение местности как источник вторичного загрязнения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Зимон, А.Д. Дезактивация / А.Д. Зимон, В.К. Пикалов. - М: ИЗДАТ, 1994. -336 с.
2. Поляков, A.C. Особенности дезактивации после Чернобыльской катастрофы / A.C. Поляков [и др.]. -М.: Всес. НИИ неорганич. материалов, 1991.
3. Луянас, В.Ю. Физика атмосферы / В.Ю. Луянас, Н.К. Шпиркауекайте. - 1989. -№ 14.-С 1-19.
4. Михеев, О.С. Радиационная обстановка в ближней зоне Чернобыльской АЭС и динамика ее изменения: учеб. пособие / О.С. Михеев [и др.]. - М.: ВАХЗ, 1990.
Поступила в редакцию 31 мая 2006 г.
