СПОСОБ ОЦЕНКИ КОНЦЕНТРАЦИИ ПЛУТОНИЯ В ВОЗДУХЕ НАД ЗАГРЯЗНЕННОЙ ПОЧВОЙ ПРИ УСЛОВИЯХ РАВНОВЕСНОГО ЕГО СОДЕРЖАНИЯ В ПОЧВЕННО-ВОЗДУШНОЙ СРЕДЕ Российский патент 2001 года по МПК G01T1/167 

Изобретение относится к области радиационной гигиены, в частности к косвенному определению плутония в воздухе в условиях равновесного его содержания в почвенно-воздушной среде при скоростях ветра, не превышающих 15 м•с^-1.

Известен способ косвенного определения концентрации плутония в воздухе над загрязненной почвой по измерению его удельной активности в почве /см. Н. С. Швидко, Н. П. Иванова "Возможности в радиационно-гигиенической оценке "почвенной" компоненты плутония", журнал "Гигиена и санитария", 1992, N 11-12, стр. 56-59/.

Согласно способу концентрация плутония в воздухе над загрязненной почвой определяется по параметрам измеренной активности плутония в почве и параметрам измеренной нагрузки по массе, т.е. по количеству пыли, находящейся в воздухе при равновесных условиях почвенно-воздушной среды. Предполагается, что удельная активность плутония в почве равна удельной активности плутония в воздушной пыли. Кроме того, предполагается, что концентрация плутония в воздухе над загрязненной почвой находится в прямой зависимости от нагрузки по массе, т.е. количества пыли, находящейся в воздухе в равновесных условиях почвенно-воздушной среды.

Способ предусматривает оценку концентрации плутония в воздухе над загрязненной почвой при условиях равновесного его содержания в почвенно-воздушной среде как произведение измеренной удельной активности плутония в почве и нагрузки по массе согласно зависимости
q_В=q_П•(НМ),
где q_В - концентрация плутония в воздухе, Бк•м^-3;
НМ - нагрузка по массе, т.е. количество пыли, находящейся в воздухе в равновесных условиях, кг•м^-3;
q_П - удельная активность плутония в почве, Бк•кг^-1.

Результаты научно-исследовательской работы, выполненной авторами М.Л. Лощиловым, B. А. Кашпаровым, В.П.Процак и др., посвященной изучению распределения концентрации плутония в воздухе в условиях сельскохозяйственных работ, показали, что известный способ не позволяет корректно оценить данные параметры, поскольку удельная активность воздушной пыли q_В.П. не равна удельной активности почвы q_П /материалы Всесоюзной конференции "Проблемы ликвидации последствий аварии на ЧАЭС в агропромышленном производстве - пять лет спустя: итоги, проблемы и перспективы", тезисы, том II - Обнинск, 1991, с. 20/.

Согласно данным другой научно-исследовательской работы, выполненной авторами C. J. Johnson, R.R. Tidball, R.C. Siverson, известный способ также не дает корректного прогноза данного параметра /"Plutonium hazard in respirable dust on the surface of soil", Science.-Aug. 6-1976, N 193. - P. 488-490/.

Авторами данной научно-исследовательской работы было установлено, что концентрация плутония в воздухе от ресуспензии может быть не только непосредственно измерена, но и предсказала с точностью, равной точности измерения. Косвенное предсказание авторы ведут на основании суммирования замеренной удельной активности плутония в пробах поверхности почв определенной местности, взятых на различных глубинах почв.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому способу является способ оценки почвенной компоненты загрязнения воздуха плутонием, выбранный в качестве прототипа / см. Sehmel G.A., "A relationship between plutonium activity densities of airborne and surface soils", "Health Phys." 1983, 45,6, p. 1047-1050.

Способ оценки почвенной компоненты загрязнения воздуха плутонием в условиях равновесного его содержания в почве включает измерения удельной активности плутония в пробах поверхности почвы, нагрузки по массе и последующую оценку концентрации по расчетному параметру, полученному как произведение измеренной удельной активности плутония и нагрузки по массе.

Способ основан на экспериментально полученном соотношении между удельной активностью плутония для твердых почвенных частиц, находящихся в воздухе, и для частиц, находящихся на поверхности почв. Авторы известного способа вывели консервативную функциональную зависимость между наблюдаемыми измеренными параметрами максимальной удельной активностью почвенных частиц в воздухе и минимальной удельной активностью частиц на поверхности почвы, загрязненной плутонием. Было установлено, что удельная активность частиц почвы в воздухе A_air колеблется от 10⁰ до 10⁵ фки/г, в то время как удельная активность частиц на поверхности почвы A_surf колеблется в пределах от 10⁰ до 10⁶ фки/г.

Верхний предел концентрации плутония в воздухе для меньших значений удельной активности плутония на частицах поверхности почв описывается уравнением
A_air=3,3•10³•/A_surface/^0,35.

Верхний предел концентрации плутония в воздухе для больших значений удельной активности плутония на частицах поверхности почв описывается уравнением
A_air=1,3•10⁴•/A_surface/^0,17.

Известный способ, выбранный в качестве прототипа, позволяет оценить концентрацию плутония в воздухе, если известны параметры массовых нагрузок частиц почвы в воздухе, например ранее экспериментально установленные и измеренные в течение года для данной местности. В большинстве случаев среднегодовые массовые нагрузки частиц почвы в воздухе составляют для незагрязненного воздуха в условиях низких скоростей ветра от 10 до 260 мкг/м³ в соответствии с национальными стандартами качества окружающего воздуха: NAAQS - 250 мкг/м³. В известном способе оценки для большей надежности /консерватизма/ средняя масса пыли в воздухе предполагается равной 260 мкг/м³
Эти параметры среднегодовой массовой нагрузки почвы в воздухе дают всегда большие результаты, чем измеренные значения, обусловленные ресуспензией. Таким образом, в известном способе базовыми параметрами являются среднегодовая массовая нагрузка, равная 260 мкг/м³ и удельная активность плутония на частицах почвы, находящихся в воздухе, равная 4•10³-1,3•10⁵ фки/г.

Концентрация плутония в воздухе согласно известному способу определяется замером массовой нагрузки и умножением ее на удельную активность плутония на частицах почвы, находящихся в воздухе. Все оцененные параметры среднегодовых концентраций плутония в воздухе от ресуспензии находятся в пределах от 1,0•10^-18 до 3,4• 10^-17 ки/л.

Необходимо отметить, что эти консервативные оценки приводятся как иллюстрации максимальных параметров, которые могут быть предсказаны по массовой нагрузке.

Недостатком известного способа, выбранного в качестве прототипа, является невысокая точность оценки концентрации плутония в воздухе при равновесных условиях по содержанию его в почвенно-воздушной среде. Это объясняется тем, что оценки, полученные известным способом, пригодны скорее для целей планирования, чем для повседневного применения в конкретных условиях той или иной территории, характеризующейся определенными скоростями ветра и физикой ресуспензии.

Невысокая точность оценки концентрации плутония в воздухе, в первую очередь, объясняется тем, что не приводится глубина или глубины слоев почвы, на которых ведут отбор проб для измерения удельной активности плутония. Кроме того, не следует указание на то, что отбор проб поверхности почвы ведут на фиксированной глубине, а это существенно влияет на результаты определения удельной активности плутония в почве по известной плотности поверхностного загрязнения почвы σ, Бк•м^-2. Кроме того, величины удельной активности плутония в воздушной пыли q_В.П., рассчитанные по уравнению: q_В.П.= 3,3•10³(q_П)^0,35 с применением рекомендуемого значения нагрузки по массе, равного 260 мкг м^-3, не позволяют получить точные оценки концентрации плутония с помощью расчетных параметров удельной активности плутония в воздухе q_В ^Р, так как они не совпадают с фактическими параметрами удельной активности плутония в воздухе q_В ^Ф.

Техническим результатом предлагаемого способа оценки концентрации плутония в воздухе над загрязненной почвой при условиях равновесного его содержания в почвенно-воздушной среде является устранение указанных недостатков, а именно, повышение точности оценки концентрации плутония в воздухе за счет выявления корреляции между измеренными значениями удельной активности плутония в фиксированном слое почвы q_П и фиксированного значения нагрузки по массе (НМ).

Технический результат достигается тем, что в способе оценки концентрации плутония в воздухе над загрязненной почвой при условиях равновесного его содержания в почвенно-воздушной среде, включающем измерение удельной активности плутония в пробах поверхности почвы, измерение нагрузки по массе и расчет произведения удельной активности плутония и нагрузки по массе, согласно изобретению измерение удельной активности плутония в пробах поверхности почвы ведут на фиксированной глубине, преимущественно равной 5 см, затем по измеренному параметру определяют коррелирующую с ним удельную активность плутония в воздушной пыли по уравнению

где q'_В.П. - удельная активность плутония в воздушной пыли, Бк•кг^-1;
q_П ^0-5 - удельная активность плутония в фиксированном слое почвы глубиной 5 см; Бк•кг^-1;
нагрузку по массе измеряют для данной местности в течение года и принимают равной среднегодовому значению, а для оценки концентрации в качестве измеренной удельной активности плутония в воздухе принимают расчетную удельную активность плутония в воздушной пыли, коррелирующую с измеренной удельной активностью в пробах почвы фиксированной глубины, при этом, если известна плотность загрязнения почвы плутонием, то производят идентификацию источников загрязнения воздуха помимо почвы, а концентрацию оценивают с помощью коэффициента ресуспензии, определяемым по зависимости
,
где K_Р ^Р - коэффициент ресуспензии, м^-1;
q_В ^Р - расчетная концентрация плутония в воздухе; Бк•кг^-1;
σ - плотность загрязнения почвы, Бк•м^-2.

Измерение параметров удельной активности плутония в воздухе q_В ^Ф является операцией достаточно трудоемкой, требующей значительных затрат, а для загрязненных районов и удаленных на значительные расстояния зачастую совершенно невозможной для контролирующего объекта. Поэтому экспериментальное исследование предлагаемого способа было направлено на выявление параметров удельной активности плутония в пробах поверхности почвы q_П на такой фиксированной глубине, где они коррелировали бы с измеренными параметрами удельной активности плутония в воздухе q_В ^Ф с высокой степенью точности.

Отличительной особенностью предлагаемого способа от прототипа является использование для оценки концентрации плутония в воздухе над загрязненной почвой вместо параметров q_В.П. параметров q'_В.П. коррелирующих с q_П ^0-5 при R + r = 0,85 ± 0,11.

Путем многочисленных экспериментальных измерений удельной активности плутония в пробах поверхности почвы q_П было выявлено, что для оценки концентрации плутония в воздухе над загрязненной почвой при условиях равновесного его содержания в почвенно-воздушной среде необходимо вести замер удельной активности плутония в пробах фиксированного слоя почвы глубиной, не превышающей 5 см, преимущественно 5 см.

На большом количестве фактических данных о содержании плутония в почве и воздухе для территорий, находящихся в различных странах, имеющих разнообразные типы почв, различные условия поступления нуклида в окружающую среду и условия ресуспензии, было установлено, что только в пробах почвы глубиной преимущественно 5 см, параметры измеренной удельной активности плутония в воздухе с наибольшей степенью точности связаны с параметрами измеренной удельной активности плутония в почве уравнением регрессии

при коэффициенте корреляции R + r = 0,851 ± 0,11.

Измерение параметров удельной активности плутония в пробах поверхности почвы на глубине, превышающей 5 см, например, равной 5,5 - 6,3 см, а также на глубине, меньшей чем 5 см, например равной 4,3 - 4,8 см, не позволяет получить уточненные расчетные параметры удельной активности плутония в воздухе q'_В.П., так как значителен рост отклонения расчетных параметров от фактических.

Использование для оценки концентрации плутония в воздухе над загрязненной почвой параметров q'_В.П. приближает значения q_В ^Р к q_В ^Ф и значения коэффициента ресуспензии расчетного K_Р ^Р к фактическому K_Р ^Ф при отсутствии других существенных источников загрязнения воздуха кроме почвы. Все рассмотренные при анализе параметры q'_В.П. касаются ситуации старого загрязнения при t больше одного года, в котором соединения плутония относятся к классу τ.

Экспериментальное исследование коэффициентов ресуспензии на базе оценок удельной активности плутония в воздушной пыли q'_В.П. выявило вместо ранее рекомендованного стабильного значения K_Р = 10^-9, м^-1, переменный характер этих величин, зависящих от плотности загрязнения почвы той или иной территории, что, в свою очередь, позволило углубить анализ оценки концентрации плутония в воздухе над загрязненной почвой.

Так, например, оценка удельной активности плутония в воздушной пыли q'_В.П. показала, что коэффициент ресуспензии уменьшается на четыре порядка при возрастании плотности загрязнения почвы на пять порядков величины. Это обусловлено значительным увеличением фактора обогащения удельной активности плутония в воздушной пыли (Ф.О.) относительно 5 см слоя почвы. При σ = 10⁶, Бк•м² фактор обогащения (Ф.О.) = 0,03, а при σ = 7,4 Бк•м^-2, (Ф.О.) = 140. Благодаря этому рост концентрации нуклида в воздухе отстает от роста плотности загрязнения почвы. Так, при изменении плотности загрязнения почвы σ от 7,4 до 10⁶, Бк•м^-2, величины концентрации плутония в воздухе изменяются всего от 1,2 до 32,7 мкБк•м^-3 и при этом близки к фактически измеренным, а следовательно, и расчетные величины коэффициентов ресуспензии близки к фактическим величинам. Полученная зависимость объясняет рост величины коэффициента ресуспензии K_Р с удалением от источника для многих ситуаций.

Результаты способа оценки концентрации плутония в воздухе над загрязненной почвой были сопоставлены с фактическими данными, полученными в результате статистической обработки научно-технических источников информации. Данные, полученные по предлагаемому способу и статистические данные совпали /см. таблицу/.

Использование измеренной в конкретной местности среднегодовой нагрузки по массе (НМ) вместо используемой ранее, равной 260 мкг/м³, позволит корректно оценить концентрацию плутония в воздухе над загрязненной плутонием почвой без непосредственного измерения проб воздуха.

Если известна плотность загрязнения почвы плутонием σ, Бк•м^-2, то можно производить идентификацию источников загрязнения воздуха помимо почвы по расчетному коэффициенту ресуспензии K_Р ^Р.

Такой способ оценки возможен в случае дальнего ветрового переноса, аварийного выброса, при нарушении моратория на испытания и т.д.

Предлагаемый способ обладает новизной и изобретательским уровнем, так как при проведении поиска по источникам научно- технической и патентной документации заявителем не выявлены сведения, в которых бы для оценки концентрации плутония в воздухе над загрязненной почвой при условиях равновесного его содержания в почвенно-воздушной среде, измеряли удельную активность плутония в пробах поверхности почвы на фиксированной глубине, не превышающей 5 см, затем по измеренному параметру определяли коррелирующую с ним удельную активность плутония в воздушной пыли по уравнению

где q'_В.П. - удельная активность плутония в воздушной пыли, Бк•кг^-1;
q_П ^0-5 - удельная активность плутония в фиксированном слое почвы глубиной 5 см, Бк•кг^-1;
нагрузку по массе измеряли бы для данной местности в течение года и принимали равной среднегодовому значению, а для оценки концентрации в качестве измеренной удельной активности плутония в воздухе принимали расчетную удельную активность плутония в воздушной пыли, коррелирующую с измеренной удельной активностью в пробах почвы фиксированной глубины, при этой, если известна плотность загрязнения почвы плутонием, то производили бы идентификацию источников загрязнения воздуха помимо почвы, а концентрацию оценивали с помощью коэффициента ресуспензии, определяемого по зависимости

где K_Р ^Р - коэффициент ресуспензии, м^-1;
q_В ^Р - расчетная концентрация плутония в воздухе, Бк•кг^-1;
σ - плотность загрязнения почвы, Бк•м^-2.

Предлагаемый способ оценки концентрации плутония в воздухе над загрязненной почвой при условиях равновесного его содержания в почвенно-воздушной среде осуществляется следующим образом.

Известными методами измеряют удельную активность плутония в пробах поверхности почвы глубиной 5 см: q_П ^0-5.

По уравнению регрессии, полученному путем обобщения данных для различных загрязненных территорий, определяют удельную активность плутония в воздушной пыли; q'_В.П.
Используя q'_В.П. (Бк•кг^-1) и среднегодовое значение H•M, равное 5•10^-8 (кг•м^-3), либо измеренное для конкретной местности среднегодовое значение Н•М, рассчитывают концентрацию плутония в воздухе над загрязненной почвой: q_В ^Р (Бк•м^-3) по уравнению
q_В ^Р=q'_В.П.•НМ.

Примеры конкретного осуществления предлагаемого способа
В таблице приведены примеры оценки концентрации плутония в воздухе над загрязненной почвой при условиях равновесного его содержания на территориях предприятий атомной промышленности, где ведется мониторинг плутония в воздухе. Знание концентрации плутония в воздухе поможет вычленять свежие выпадения нуклида от непланируемого выброса, либо от других источников поступления плутония на рассматриваемую территорию и определить их вклад в суммарную тактическую концентрацию q_В ^Ф. Это хорошо иллюстрируется данными по глобальным выпадениям плутония в Нью-Йорке и выпадениям в районе Саванна-Риверского производства, где соотношения коэффициентов ресуспензии K_Р ^Ф/K_Р ^Р в годы моратория /1966-1968 гг./ для Нью-Йорка и для территорий за пределами промплощадки SRS в 1970-е годы были близки к единице, а в годы ядерных испытаний /1961-1963 гг./ составляли от 2,1 до 20,5. Это говорит о почвенном пути загрязнения нуклидом воздуха Нью-Йорка в 1966-1968 гг. и воздуха района SRS в 1970-е годы, когда параметры q_В ^Р были близки к параметрам q_В ^Ф, а также - о свежих глобальных выпадениях, которые формировали концентрации в воздухе, превышавшие параметры q_В ^Р в 2,1-20,5 раз в 1961-1963 гг.

Вводимые ограничения
Предлагаемый способ является корректным в ситуациях с преобладанием одного источника или суммы источников одинакового характера существенного загрязнения почвы плутонием воздушным путем:
- глобальные выпадения;
- аварии с пожаром, ядерные взрывы;
- выбросы при нормальной многолетней эксплуатации предприятий атомной промышленности.

Во всех этих ситуациях плутоний в почве находится в виде соединений класса τ.

Предлагаемый способ оценки концентрации плутония в воздухе над загрязненной почвой при условиях равновесного его содержания в почвенно-воздушной среде позволит по сравнению с прототипом:
- повысить точность оценки концентрации плутония в воздухе по измеренным значениям удельной активности плутония в фиксированном слое почвы;
- осуществлять оценку без отбора проб воздуха;
- снизить затраты и стоимость оценки.

Изобретение относится к области радиационной гигиены, в частности к косвенному определению плутония в воздухе в условиях равновесного его содержания в почвенно-воздушной среде. Способ включает измерение удельной активности плутония в пробах поверхности почвы, измерение нагрузки по массе и расчет произведения удельной активности плутония и нагрузки по массе. Измерение удельной активности плутония в пробах поверхности почвы ведут на фиксированной глубине, преимущественно равной 5 см, затем по измеренному параметру определяют коррелирующую с ним удельную активность плутония в воздушной пыли по уравнению: где q'в.п. - удельная активность плутония в воздушной пыли, Бк•кг^-1; q_n ^0-5 - удельная активность плутония в фиксированном слое почвы глубиной 5 см, Бк•кг^-1. Техническим результатом является повышение точности оценки концентрации плутония в воздухе, снижение затрат и стоимости оценки. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ оценки концентрации плутония в воздухе над загрязненной почвой при условиях равновесного его содержания в почвенно-воздушной среде, включающий измерение удельной активности плутония в пробах поверхности почвы, измерение нагрузки по массе и расчет произведения удельной активности плутония и нагрузки по массе, отличающийся тем, что измерение удельной активности плутония в пробах поверхности почвы ведут на фиксированной глубине, затем по измеренному параметру определяют коррелирующую с ним удельную активность плутония в воздушной пыли по уравнению

где q'_В.П. - удельная активность плутония в воздушной пыли, Бк • кг^-1;
q_п ^0-5 - удельная активность плутония в фиксированном слое почвы глубиной 5 см, Бк • кг^-1,
нагрузку по массе измеряют для данной местности в течение года и принимают равной среднегодовому значению, а для оценки концентрации плутония в воздухе используют расчетную удельную активность плутония в воздушной пыли, коррелирующую с измеренной удельной активностью в пробах почвы фиксированной глубины. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что фиксированная глубина измерения удельной активности плутония в пробах поверхности почвы преимущественно равна 5 см.