Кінцевим результатом практично будь-якої аварійної ситуації з викидом радіоактивного палива в навколишнє середовище є радіоактивне забруднення місцевості (грунту, поверхневих вод, приземної атмосфери). Потенційна небезпека такого забруднення визначається двома основними причинами: 1) прямим опроміненням людини від зовнішнього джерела (зовнішнє опромінення); 2) внутрішнім опроміненням при попаданні радіоактивних речовин в організм людини в результаті вдихання або через харчові ланцюги. Характер радіаційної небезпеки залежить від фізичних і радіобіологічних характеристик ядерних палив (табл. 4.8.). Таблиця 4.8 Фізичні і радіобіологічні характеристики ядерних палив Характеристики Уран-235 лутоній-238 напіврозпаду, рік 7,1·10 8 88 364 зпаду я опромінення, а активність, Кі/кг тима концентрація, Кі/л сфері тима густина нення, розп/хв.·см 2 чні органи α, γ 4,76(α); 0,185(γ, 55%) 0,43(γ, 12%) 2,1·10 -3
2·10 -16 2,3·10 -9 <50
кістки, α, γ 5(α); 0,01(γ) 0,044(γ) 1,7·10 -4
3,3·10 -17 1·10 -10 <50
стки, легені Уран-235 і плутоній-238 є, в основному, альфа-випромінювачі з незначним виходом м’якого гамма-випромінювання. Споряджені цим паливом ЯР або РІГ в штатних режимах наземної експлуатації (зберігання, технічне обслуговування, транспортування) шкідливої чи небезпечної радіаційної дії на НПС не виявляють. При руйнуванні ЯЕУ з викидом радіоактивного палива в навколишнє середовище основну небезпеку для людей становить внутрішнє опромінювання альфа-частками, оскільки їх енергія повністю поглинається в критичних органах (довжина пробігу часток в біологічній тканині біля трьох-пятьох десятків мікрометрів). В окремих випадках слід враховувати також гамма-випромінювання. Внаслідок значно більшої в порівнянні з ураном питомої активності плутонію, а також більш сильної дії на критичний орган попадання цього радіонукліда в біосферу особливе небезпечне. Аварія ЯЕУ і виникнення радіаційної небезпеки можливі при таких операціях: 1) транспортування ЯЕУ; 2) знаходження на стартовій площадці; 3) запуск, виведення на задану орбіту; 4) завершення штатного функціонування, виведення на орбіту захоронення або повернення в атмосферу. Перевезення ядерних матеріалів з дотриманням всіх норм радіаційної безпеки являє собою самостійну проблему. Правила їх перевезення регламентуються відповідними нормативними документами. 365 Транспортування ядерних матеріалів може виконуватись автомобільним, залізничним та авіаційним транспортом. Установка перевозиться в спеціальному транспортному контейнері, конструкція якого повинна виключати вихід ядерного палива в навколишнє середовище при дії будь-якого зовнішнього фактора. Щоб запобігти опроміненню персоналу при перевозі і обслуговуванні, ядерний реактор перевозиться не в спорядженому виді. Його збирання відбувається на стартовій площадці, що дозволяє виключити можливість випадкового досягнення реактором критичного або підкритичного стану в будь-якій аварійній ситуації. Вірогідність аварії при транспортуванні характеризується даними табл.4.9. Таблиця 4.9 Вірогідність аварії при транспортуванні ядерних матеріалів на відстань до 1600 км Вірогідність аварії Транспортний засіб невеликої значної жівка ний поїзд 1/230 1/3300 1/5550 1/115000 1/82000 1/42000 Аварії вантажного транспорту можуть призвести до механічних пошкоджень, вибухів і пожеж. При зустрічному ударі ефективна швидкість зіткнення може досягати 60 м/с (понад 200 км/год), а ударне навантаження перевищує 3g, що не є небезпечним для ЯЕУ, розрахованої на значно більші навантаження. Кількість бензину в баках вантажівки (до 400 л) надто мала, щоб створити серйозну небезпеку за тепловими навантаженням при пожежі або вибуху, оскільки космічна ЯЕУ повинна залишатись неушкодженою при більш високих температурах (наприклад, при вибухах ракетного палива на стартовій площадці). Аварії на залізничному транспорті звичайно менш небезпечні, ніж автомобільні. При горінні авіаційного палива може виділитись біля 10 11 Дж тепла, а температура на протязі 30 хвилин підніметься до 1200˚С. Таке полум’я здатне сильно пошкодити оболонку ЯЕУ. При падінні з великої висоти в результаті вибуху літака максимальна швидкість може досягати 100-120 м/с у випадку удару об твердий скельний грунт. 366 Удар спорядженого ЯР об грунт при падінні із значної висоти може викликати зміну геометрії його активної зони (стиснення або розширення тепловиділяючих елементів – твелів). Якщо при цьому не змінюється критичність ЯР за рахунок переміщення стержнів аварійного захисту, може виникнути локальна зона радіоактивного забруднення грунту в районі падіння ЯР за рахунок розпилювання палива при ударі. Те ж саме може відбутися при падінні або ударі РІГ і збиранні твелів. Таким чином, найбільш серйозні для навколишнього середовища транспортно-аварійні ситуації з ЯЕУ можуть виникати в результаті авіаційних катастроф. Тому бажано уникати повітряного транспортування ЯЕУ. Аналогічні за фізичною природою зовнішні навантаження можуть виникнути під час запуску КА з ЯЕУ, підйому і виходу на задану траєкторію. Теплові навантаження можуть бути зумовлені спалахом ракетного палива, детонацією або вибухом. Найбільш важкі умови виникають в момент старту, оскільки згодом двигуни інтенсивно витрачають ракетне паливо. Однак ці навантаження на два-три порядки слабкіші, ніж ті, які виникають при аеродинамічному нагріванні на великих висотах в атмосфері. Механічні навантаження виникають при падінні ЯЕУ з висоти і ударі об грунт з максимальною швидкістю до 100 м/с. Радіоактивне забруднення при радіаційних катастрофах або аваріях на старті зумовлено двома основними принципами: 1) падіння з висоти – удар об грунт може призвести до механічного руйнування ЯЕУ, розкиду неопромінених крупних фрагментів в районі падіння або вибуху; 2) дія високих температур може призвести до пошкодження оболонки, згоряння частини палива, утворенню хмари радіоактивних аерозолів і поширення його зі швидкістю і за напрямками приземного вітру. При аваріях на великих висотах, поверненні з орбіти, вході в атмосферу радіоактивне забруднення грунту виникає в результаті аеродинамічного нагрівання конструкції, згоряння радіоактивного палива і випадіння на землю його аерозолів, що при цьому утворюються. 367 При падінні і ударі об грунт у випадку руйнування ЯЕУ розпилювання ядерного палива проходить, можливо, в два етапи: 1) початкове дроблення при ударі, розкид фрагментів палива, утворення внаслідок цього радіоактивного забруднення грунту в районі падіння; 2) подальше диспергування роздробленого палива в результаті горіння (окислення) часток урану або плутонію, в результаті їх розльоту в середовищі, що містить кисень. Період запуску двигунів РН характеризується потужними турбулентними потоками газів, що виходять із двигунів. Тому частки ядерного палива будуть переміщуватись з частками грунту і продуктами згоряння ракетного палива, осідаючи на площі, яка значно перевищує площу стартового комплексу. Емпіричні залежності, що описують характер радіоактивного забруднення місцевості в районі падіння, мають надто складний вигляд. Вони отримані для аналогічних випадків з ядерними боєприпасами, але з деякими припущеннями можуть бути використані для опису ситуації, що розглядається. Якщо удар відбувається біля поверхні землі, а зона забруднення має форму круга, то в залежності від місцевих метеоумов і значення викинутої активності радіус зони може становити 25-100 м. Значення радіусів зони забруднень обмежується із умови неперевищення допустимої дози випромінювання для α-часток. Переміщення радіоактивної аерозольної хмари в атмосфері описується дифузійним рівнянням Сеттона [18], яке дозволяє визначити концентрацію домішки в залежності від координат джерела викидів, активності джерела і метеоумов. В табл.4.10 наведені результати розрахунку радіоактивної домішки вздовж центральної осі зони забруднення біля поверхні землі при наступних вихідних даних: маса урану-235 – 30 кг, в радіоактивну хмару переходить не більше 20 % активності, швидкість приземного вітру 3 м/с, висота підйому хмари не більше 50 м. Таблиця 4.10 Концентрація радіоактивної домішки біля поверхні землі R, м 0 00 0 00 00 000 000 Концентрація, Кі/л 0 -13 0 -13 0 -11 0 -11 0 -12 0 -12 0 -13 368 Ширина зони забруднення звичайно визначається границею 10- кратного зниження концентрацій. Результати розрахунків показують, що при найбільш несприятливих умовах зона забруднень, що формується, може розповсюджуватись за напрямком вітру до 10-30 км і мати максимальну ширину до 1-2,5 км. Слід відмітити, що розрахункова схема має ідеалізований характер, описуючи найгірші умови забруднення, оскільки поведінка хмари визначається характером місцевих метеоумов, рельєфом, наявністю опадів. Опади призводять до швидкого вимивання радіоактивної домішки із хмари і скорочення протяжності зони забруднень. Однак на грунті при цьому утворюються локальні “плями” з підвищеним рівнем забруднення. Природний радіоактивний розпад практично не впливає на зміну рівня забруднення з часом внаслідок великих періодів напіврозпаду радіоактивних палив. Зміна хмари з часом в ідеальних умовах визначається швидкістю осадження аерозолів на поверхню землі і швидкістю приземного вітру. Швидкість осадження аерозолів біля поверхні землі складає ~10 -3 -10 -1 см/с для діаметрів часток ~1-10 мкм і 1,2-2,5 см/с для 20-100 мкм. Найбільш вірогідні швидкості падіння в інтервалі 0,1-1 см/с. Тоді швидкість формування радіоактивного забруднення грунту буде залежати від висоти хмари, і, наприклад, для висоти 50 м, при швидкості осадження 1см/с, час осадження буде складати 5·10 3 с, тобто приблизно через 1,5 години зона забруднення грунту формується. Відстань, пройдена часткою за цей час, може бути визначена множенням часу осадження на швидкість вітру так, при швидкості вітру 3 м/с перенесення хмари складає 15 км, тобто зона забруднення утворюється на деякій відстані від місця викиду радіоактивних продуктів. Таким чином, радіоактивне забруднення грунту при механічному руйнування ЯЕУ становить в локальному районі серйозну екологічну небезпеку. Низькоорбітальні КА з ЯЕУ можуть через різні причини припиняти своє нормальне функціонування. При цьому можливе непередбачене входження в атмосферу. Таке входження найбільш вірогідне під час первинного запуску на робочу орбіту або під час виведення на орбіту постійного захоронення. При цьому переважаюча небезпека (95% загального ризику) пов’язана із другою ситуацією. У випадку нештатного повернення ЯЕУ в атмосферу додаткова система радіаційної безпеки (ДСРБ) повинна забезпечувати диспергування 369 установки, повне згоряння ядерного палива і його розпилювання на великих висотах. Більша частина (біля 70%) дисперсних часток ядерного палива осідає на землю в середніх широтах між 30˚ і 60˚ північної і південної широт на площі біля 9,5·10 13 м 2 . Максимальні концентрації радіоактивних забруднювачів в повітрі і на землі спостерігаються приблизно через три місяці після початку випадінь. Потенціальну небезпеку становлять радіонукліди – стронцій-90 та цезій-137, серед всіх продуктів ділення вони мають найбільший період напіврозпаду (28 і 30 років відповідно). Результати розрахунків для теплової потужності ЯР в 150 кВт і тривалості роботи 360 днів наведені на рис. 4.1. Рис.4.1. Концентрація радіонуклідів в повітрі (1) і на землі (2) Як видно з рис.4.1, максимальна концентрація К 1 радіонуклідів в приземній атмосфері (крива 1) складає 1,5·10 -18 Кі/л. Оскільки допустимі концентрації радіонуклідів стронцію і цезію складають 10 -15 -10 -13 Кі/л, то коефіцієнт запасу дорівнює 10 3 . Максимальна густина забруднення К 2 на поверхні землі 4·10 -10 Кі/м 2 (крива 2), що відповідає максимальній потужності експозиційної дози біля 4·10 -2 мкР/год або додатковій річній дозі 120 мР. Таким чином, додаткова доза складає лише біля 0,33% від рівня природного фону. Середня доза для населення від радіоактивних випадінь, зумовлених випробуваннями ядерної зброї, оцінюється приблизно в 4 % від рівня фону. Розрахунки для ЯР з тепловою потужністю 1 МВт і тривалістю роботи 3 роки показали, що навіть при високій тепловій потужності ЯЕУ сумарна максимально можлива річна еквівалентна доза внутрішнього та зовнішнього опромінення населення Землі не перевищить 2·10 -4 бер (0,2 370 мбер), що більше, ніж на два порядки менше еквівалентної дози від природних джерел. Велику небезпеку можуть становити фракції часток з розмірами 50- 100 мкм. Ці частки на протязі перших декількох годин після утворення осідають на землю в районі руйнування ЯЕУ. Вони мають високу активність, погано розсіюються повітряними масами і можуть створювати локальне забруднення земної поверхні високої густини. Залежність потужності еквівалентної дози від часу для подібного випадку при одиничних густині забруднення і тепловій потужності ЯР наведена в табл. 4.11. Оскільки реальні поверхневі масові густини забруднення можуть складати 10 -6 -10 -10 кг/м 2 , та наведені в табл. 4.11 значення зменшуються на відповідне число порядків. Таблиця 4.11 Зміна часом потужності дози при одиничних густині забруднення і тепловій потужності ЯР ність дози, бер/год Річні дози в залежності від відстані до осі смуги забруднення для екстремального випадку, що розглядається, показані на рис.4.2 (крива 1– діаметр часток 200 мкм, 2 – 500 мкм, 3 – 800 мкм). Графіки на рис.4.2 визначають ступінь радіаційної небезпеки в середині зони забруднення при відсутності витримки зупиненого ЯР. Витримка реактора, не змінюючи загальної картини розподілення доз, знижує їх абсолютні значення у відповідне число разів. Якщо спектр розмірів часток знаходиться в діапазоні 10-100 мкм, то основним механізмом самоочищення атмосфери від них є гравітаційне осідання. Осідаюча хмара часток таких розмірів розсіюється в тропосфері як хмара зважених аерозолів. Результати розрахунків свідчать: 1) максимум густини випадінь приходиться на район, де осідають частки розміром біля 30 мкм; 2) випадіння максимальної густини слід чекати через дві доби від моменту руйнування ЯЕУ в районі біля 2 тис. км на схід і 500 км на південь від місця руйнування; 3) ширина смуги забруднення земної поверхні в максимумі густини випадінь складе біля 300 км; 4) річна доза зовнішнього опромінення в максимумі густини випадінь при мегаватних теплових потужностей ЯЕУ не перевищують 0,07-0,2 гранично допустимої дози. Екологічні наслідки двох відомих аварій КА з ЯЕУ можна охарактеризувати наступним чином. В квітні 1964 р. КА “Транзит” з РІГ не вийшов на орбіту і зруйнувався на висоті біля 45 км в Південній півкулі. РІГ містив 1 кг плутонію-238 активністю 17000 Кі. До кінця 1971 р., коли практично весь плутоній осів на землю, розрахункова концентрація радіонукліду в поверхневих водах океану в шарі 0-100 м складала 5·10 -16 Кі/л. На поверхні землі в поясі 40˚-50˚ південної широти густина забруднення грунту склала біля 10 -9 Кі/м 2 . Навіть в Північній півкулі випадіння цього радіонукліду повинні були перевищити 10 -10 Кі/м 2 , що дозволяє реєструвати сучасна радіометрична апаратура. В грудні 1982 р. КА “Космос-1402” з ЯР припинив активне існування. За командою із Землі ЯР був виключений і ДСРБ розділила ЯЕУ на три фрагменти, які згоріли при вході в щільні шари атмосфери, не загостривши радіаційну обстановку на землі.
Рис. 4.2. Зміна річної дози із збільшенням відстані до осі смуги забруднення при різних діаметрах часток
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Радіоактивне забруднення грунту» з дисципліни «Екологія, авіація і космос»
