Винахід відноситься до охорони навколишнього середовища і призначений для прогнозу вертикальної міграції радіонуклідів в ґрунті. Завданням винаходу є зниження трудомісткості визначення швидкості конвективного перенесення радіонукліда в грунті. Для цього на грунтах, забруднених разовим залповим викидом радіоактивної речовини, визначають питому активність грунту по глибині, по вертикалі вимірюють відстань від поверхні грунту до точок, що відповідають значенням максимальної та мінімальної активності грунту, визначають щільність грунту в цих шарах, а швидкість конвективного переносу визначають шляхом чисельного рішення запропонованого управління з урахуванням раніше визначених параметрів і часу, що пройшов з моменту разового залпового викиду радіоактивного речовини. 1 табл.
ОПИС ВИНАХОДИ До патентів
Винахід відноситься до грунтознавства та охорони навколишнього середовища і може бути використано в службах радіаційно-екологічного моніторингу та практиці агрохімічної служби при оцінці і прогнозі вертикальної міграції радіонуклідів в ґрунті.
Відомий спосіб визначення швидкості фільтрації води, що полягає у визначенні коефіцієнта фільтрації, градієнта тиску рідини в грунті, коефіцієнта режиму фільтрації, а швидкість фільтрації води знаходять із співвідношення:
Vв kф I m м / c, (1) де V ст швидкість фільтрації води, м / c;
kф коефіцієнт фільтрації води (розмірність залежить від чисельного значення коефіцієнта m);
I градієнт тиску рідини в грунті, Па / м;
m коефіцієнт режиму фільтрації.
(Див. Ар'є А. Г. Фізичні основи фільтрації підземних вод. М. Недра, 1984, с. 7-8).
Цей спосіб має наступні недоліки. По-перше, необхідно виконувати велику кількість вимірювань швидкості фільтрації в лабораторних умовах для отримання середнього значення за період, що цікавить часу; по-друге, дослідження проводяться на зразках ґрунту в лабораторних установках при цьому природна структура грунтів порушується, що призводить до зниження достовірності результатів; по-третє, знижується достовірність оцінки швидкості фільтрації рідини, так як не враховується вплив нестаціонарної дифузії домішки на швидкість конвективного переносу.
Найбільш близьким за технічною сутністю і досягається результату є спосіб визначення лінійної швидкості руху стронцію 90 в грунтах, що включає вимірювання розподілу радіонукліда в грунті і середньої лінійної швидкості руху ґрунтової вологи, визначення вологості ґрунту і щільності грунтового розчину, визначення коефіцієнта розподілу радіонукліда, а лінійну швидкість руху стронцію 90 знаходять із співвідношення:
Vл = м / с, (2) де Vл лінійна швидкість руху стронцію 90 в грунті, м / c;
W вологість грунту;
U середня лінійна швидкість руху ґрунтової вологи, м / c;
Kd коефіцієнт розподілу радіонукліда;
γ- щільність ґрунтового розчину, кг / м 3.
(Див. Прохоров В. М. Міграція радіоактивних забруднень в грунтах. М. Енергоіздат, 1981, с. 85-86).
Основними недоліками цього способу є необхідність вимірювання швидкості руху ґрунтової вологи і відсутність інформації про динаміку вертикального профілю радіонукліда. Вимірювання лінійної швидкості грунтової вологи як за величиною, так і за напрямком пов'язано з великими експериментальними труднощами, так як сезонний потік вологи багато разів змінює величину і напрямок. Тому для отримання достовірних оцінок середнього значення лінійної швидкості руху ґрунтової вологи необхідно проводити протягом тривалого часу стежити, що істотно збільшує трудомісткість визначення швидкості конвективного перенесення радіонукліда в грунті.
Слід зазначити, що фізичний зміст лінійної швидкості руху радіонукліда в грунті і швидкості конвективного перенесення радіонукліда в грунті один і той же, але останній термін є загальноприйнятим в теорії енергомасообміну.
Завданням даного винаходу є зниження трудомісткості визначення швидкості конвективного перенесення радіонукліда в грунті, поверхня якої забруднюється залповим викидом радіоактивної речовини.
Завдання винаходу вирішується за рахунок того, що у відомому способі визначення лінійної швидкості руху радіонукліда в грунті, що включає вимір розподілу радіонукліда в грунті, щільність грунту і розрахунок швидкості конвективного перенесення з математичної залежності, що відрізняється тим, що на грунтах, забруднених разовим залповим викидом радіоактивної речовини , визначають питому активність грунту на різних глибинах, по вертикалі вимірюють відстані від зовнішньої поверхні грунту до точок, що відповідають значенням максималь ної і мінімальної активності грунту, визначають щільність грунту в цих шарах, а швидкість конвективного перенесення радіонукліда в грунті знаходять шляхом чисельного рішення рівняння:
×
× exp -0,5. (3) де Ау *. Аy, m значення максимальної та мінімальної питомої активності грунту, Вк / кг;
γп.m. γп * щільність грунту в шарах, що відповідають значенням максимальної та мінімальної активності, кг / м 3;
z * відстань від зовнішньої поверхні грунту до точки її мінімальної активності, м;
zm відстань від зовнішньої поверхні грунту до точки її максимальної активності;
t * час, що минув з моменту залпового викиду радіоактивного речовини на грунт, с;
u швидкість конвективного перенесення радіонукліда в грунті, м / c.
Питому активність грунту визначають наступним чином: відбирають пробу грунту і вимірюють її масу; вимірюють активність радіонукліда, що міститься в пробі ґрунту; виконують розрахунок по формулі
Ay, i = В к / кг (4) де Ayi питома активність i-ї проби грунту, Бк / кг;
Ai активність радіонукліда, що міститься в i-й пробі грунту, Бк;
Mi маса i-ї проби грунту, кг.
Вимірювання маси проби грунту і активності радіонукліда, що міститься в цій пробі, здійснюють відповідно до вимог діючих Державних стандартів. Вимірювання часу, що пройшов з моменту залпового викиду радіоактивного речовини на поверхню грунту, і відстаней до точок з максимальною і мінімальною питомими активностями грунту також здійснюють стандартними методами. Для отримання теоретичного розподілу радіонукліда в грунті вирішується диференціальне рівняння
+ u D λC, (5) для наступних умов:
C (z, O) 0, -D + uC () l m C ≠ ∞, (6) де C (z, t) концентрація радіонукліда в грунті, г / кг;
z вертикальна координата, м;
t поточний час процесу міграції радіонукліда, с;
D коефіцієнт дифузії радіонукліда в грунті, м 2 / c;
λ- константа швидкості зміни змісту радіонукліда в грунті
Q маса радіонукліда, який випав на одиничну площу поверхні грунту в одиницю часу при залповий викид радіоактивної речовини, г / (м 2 ˙с);
δ (t) дельта функція Дірака.
Рішення рівняння (5) для умови (6), з точністю достатньою в практичних розрахунках, можна записати у вигляді:
C (z, t) exp [- (0,5u 2 t -1 +
+λ) t] exp [-0,5zD -1 (0,5zt -1 + u)] г / м 3. (7)
Координата точки, що відповідає максимальній питомої активності грунту, визначається з умови dC / dz 0. Обчисливши похідну функції (7) по z і прирівнявши її до нуля, отримаємо
D (zm 2 u 2 t * 2) м 2 / c. (8)
Концентрація радіонукліду і питома активність грунту пов'язані між собою співвідношенням
Ay = Бк / кг, (9) де kA активність одиничної маси радіонукліда, Бк / г;
γп середня щільність грунту в відібраній пробі, кг / м 3.
Практична реалізація запропонованого способу визначення швидкості конвективного перенесення радіонукліда в грунті здійснена в Центрі хімізації та сільськогосподарської радіоекології "Тульський" для територій Тульської області, забрудненої продуктами викиду при аварії на ЧАЕС. Були визначені значення швидкості конвективного перенесення 137 Cs в ґрунті, які використані для прогнозу радіаційно-екологічної обстановки на забруднених територіях. При цьому час, витрачений на визначення кожного значення швидкості конвективного перенесення радіонукліда в ґрунті не перевищувало 5 діб, а трудомісткість досліджень знизилася в 9 разів. Дослідження виконані для різних господарств, при цьому розрізи, через які здійснювалося визначення швидкості конвективного перенесення радіонукліда, знаходяться на грунтах, що відрізняються один від одного за своїми фізико-хімічними властивостями. Результати практичної реалізації запропонованого способу представлені в таблиці.
ФОРМУЛА ВИНАХОДУ
СПОСІБ ВИЗНАЧЕННЯ ШВИДКОСТІ конвективного переносу радіонуклідів у ґрунтах, що включає визначення розподілу радіонукліда в грунті і щільності ґрунту і розрахунок швидкості конвективного перенесення радіонукліда з математичної залежності, що відрізняється тим, що на грунтах, забруднених разовим залповим викидом радіоактивної речовини, визначають питому активність грунту на різних глибинах, по вертикалі вимірюють відстані від зовнішньої поверхні грунту до точок, що відповідають значенням максимальної та мінімальної активності грунту, лотность грунту визначають в шарах, що відповідають значенням максимальної та мінімальної активності, а швидкість конвективного перенесення радіонукліда в грунті знаходять шляхом чисельного рішення рівняння
де Aу *. Aуm - значення максимальної та мінімальної питомої активності грунту, Бк / кг;
γп, m. γп * - щільність грунту в шарах, що відповідають значенням максимальної та мінімальної активності, кг / м 3;
z * - відстань від зовнішньої поверхні грунту до точки її мінімальної активності, м;
zm - відстань від зовнішньої поверхні грунту до точки її максимальної активності, м;
t * - час, що минув з моменту залпового викиду радіоактивного речовини на грунт, с;
u - швидкість конвективного перенесення радіонукліда в грунті, м / с.