Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет водного господарства та природокористування

Міграційні процеси радіонуклідів в грунтах під впливом електромагнітного поля та їх вплив на організацію забруднених територій

Дець Т.І.

Бялик І.М.

За останні десятиріччя значні території нашої держави були забруднені різноманітними хімічними сполуками, тяжкими металами, радіонуклідами тощо. Цей процес відбувається в основному через надмірні викиди промислових об'єктів, неправильно організоване сільське господарство та внаслідок аварій і катастроф. Останнім прикладом значного забруднення територій фосфором та його сполуками є трагедія на Львівській залізниці. Проте за масштабами та кількістю забруднених територій в першу чергу необхідно виділити Чорнобильську катастрофу, адже в результаті було викинуто більше 70 МКі радіонуклідів, понад 30% території України зазнало значного радіоактивного забруднення. Тому дослідження процесів міграції радіонуклідів в ґрунті з метою визначення реального стану на забруднених територіях є актуальною проблемою. Це дасть можливість більш якісно та ефективно використовувати радіоактивно забруднені території.

З точки зору оцінки стану навколишнього природного середовища міграційні процеси радіонуклідів досить широко досліджувалися в роботі [1]. Крім того розроблялися комплекси агрохімічних і агротехнічних заходів по зменшенню надходжень радіонуклідів до сільськогосподарської продукції [2, 3 ,5 та ін.]. Проте питання міграції радіонуклідів під впливом різних чинників залишаються актуальними і потребують додаткових досліджень. Так, в роботі [4] було досліджено вплив електромагнітного поля ліній електропередач на міграцію радіонуклідів в ґрунті, а в [6] нами була створена математична модель міграції радіонуклідів в ґрунті, яка дуже добре співпадає з експериментальними даними.

Для аналізу розподілу радіонуклідів в ґрунтах з глибиною під впливом електромагнітного поля необхідно створити математичну модель їх міграції, а також провести експериментальні дослідження. Порівняння експериментальних та теоретичних результатів дасть характеристику достовірності отриманої моделі.

Для експериментального дослідження міграції радіонуклідів були відібрані зразки дерново-підзолистого ґрунту на радіоактивно забрудненій території, яка постраждала внаслідок аварії на Чорнобильській АЕС. Проби відбиралися з двох шурфів, розташованих від осі високовольтної лінії електропередач (напруга 750 кВ) на відстані 10 (шурф №1) та 25 (шурф №2) метрів, на глибинах в такому порядку: 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50 см і з поверхні [6]. Таким чином вважатимемо, що на міграцію радіонуклідів в першому шурфі впливає електромагнітне поле, а в другому - ні.

Для отриманих зразків ґрунту проводили вимірювання загальної -активності на радіометрі та - спектри радіонуклідів, на сцинтиляційному -спектрометрі. Результати вимірювань оброблялись за допомогою комп'ютера (табл.1 і 2). Для дослідження - спектрів в зразок ґрунту №2 вводився розчин 137Cs з відомою активністю. В - спектрах зразків ґрунту була виявлена чітка смуга 137Cs, а також смуги малої інтенсивності, які відповідають слідам інших радіонуклідів. Аналіз отриманих результатів показав, що розподіл - та - активності з глибиною подібний. На рис. 1 приведена залежність - активності від глибини ґрунту

Таблиця 1 Результати вимірювань загальної -активності

Кожен з графіків містить три смуги І, ІІ і ІІІ питомої активності. Смуга І відповідає підвищеній активності ґрунту з максимумом на глибині 42 см і пов'язана з міграцією найбільш рухливих іонів радіонукліду. Це можуть бути вільні іони або фізично адсорбовані з невеликою енергією зв'язку.

Ними можуть бути фізично адсорбовані іони з середньою енергією зв'язку.

Таблиця 2 Результати вимірювань - активності 137Cs

Смуга ІІІ відповідає підвищеній активності в при поверхневому шарі ґрунту і пов'язана з міграцією малорухливих іонів. Ними можуть бути хімічно зв'язані іони з великою енергією зв'язку.

Із властивостей радіонуклідів відомо, що на їх поведінку в ґрунті найбільш впливає знак заряду іона, його маса та радіус, здатність до гідролізу, сорбції, хімічні властивості. В цілому, чим вище заряд іона та менше його радіус, тим сильніше він вбирається ґрунтом. Процеси сорбції радіонуклідів підкоряються фізико-хімічним законам.

Рис. 1. Залежність питомої - активності ґрунту від глибини для проб взятих на відстані 25м від лінії електропередачі - крива 1 [6], і для проб, взятих під лінією електропередачі - крива - 2.

Як видно з рис. 1. кожен з графіків містить три смуги І, ІІ і ІІІ. Смуга ІІ для кривої 2 малої інтенсивності і виражена слабо.

Смуга І відповідає підвищеній активності ґрунту з максимумом на глибині 42 см. Смуга ІІ відповідає підвищеній активності ґрунту з максимумом на глибині біля 20 см. Смуга ІІІ відповідає підвищеній активності в приповерхневому шарі ґрунту. Смуга І пов'язана з міграцією найбільш рухливих іонів радіонукліду. Це можуть бути вільні іони або фізично адсорбовані з невеликою енергією зв'язку. Смуга ІІ пов'язана з міграцією іонів радіонукліду середньої рухливості. Ними можуть бути фізично адсорбовані іони з середньою енергією зв'язку. Смуга ІІІ пов'язана з міграцією малорухливих іонів. Ними можуть бути хімічно зв'язані іони з великою енергією зв'язку.

Вплив електричного поля лінії електропередачі проявляється в загальному зменшенні питомої активності ґрунту (рис. 1., крива 2). Найбільш суттєво електричне поле зменшує активність смуги ІІ з максимумом в області 20 см.

При передачі електроенергії навколо лінії електропередач виникає електричне й магнітне поле. Розрахуємо лінію електропередач змінного струму. Нехай в деякій точці простору напруженість електричного поля рівна:

де: Е0 - амплітудне значення напруженості електричного поля, - циклічна частота змінного струму, t - час. На іон цезію чи стронцію з боку електричного поля буде діяти кулонівська сила:

Нехай в деякій точці простору індукція магнітного поля рівна:

де: В0 - амплітудне значення індукції магнітного поля. На іон цезію чи стронцію з боку магнітного поля може діяти сила Лоренца:

де: V - швидкість руху іона.

Розрахунки показують, що в даних умовах сила Лоренца значно менша від кулонівської і нею можна знехтувати. Тому надалі будемо враховувати лише електричну силу. З формули (2) випливає, що електрична сила змінюється за гармонічним законом. Тому іон під дією змінного електричного поля буде здійснювати гармонічні коливання навколо деякого положення рівноваги і не буде здійснювати макроскопічні переміщення. Таким чином, електричне і магнітне поля лінії електропередач змінного струму безпосередньо не впливають на процеси міграції радіонуклідів в ґрунті.

Визначимо енергію вимушених коливань іона під дією змінного електричного поля. Запишемо диференціальне рівняння коливань на основі другого закону Ньютона: радіонуклід електромагнітний забруднений іон

де: m - маса іона, k - коефіцієнт квазіпружної сили в центрі адсорбції, r - коефіцієнт опору, х - зміщення іона від положення рівноваги.

Введемо позначення:

Тоді диференціальне рівняння (5) набере вигляду:

Розв'язавши дане диференціальне рівняння, одержимо:

Розглянемо стаціонарний випадок (t 1/). В цьому випадку перший доданок виразу (8) прямує до нуля і вираз (8) набере вигляду:

де:

Продиференціюємо вираз (3.20.) і визначимо швидкість коливань іона:

Максимальне значення швидкості рівне:

Енергія вимушених коливань іона рівна максимальній кінетичній енергії коливань іона:

Підставимо (12) в (13) і одержимо:

Функція Больцмана заповнення центрів адсорбції іонами радіонукліду при наявності змінного електричного поля набере вигляду:

Із Формули (15) випливає, що змінне електричне поле збільшує імовірність десорбції іонів радіонукліду і переходу їх із зв'язаного у вільний стан. Внаслідок цього збільшується швидкість міграції іонів радіонукліду в глиб ґрунту.

Розподіл активності радіонукліду з глибиною ґрунту визначається за формулою:

где: - постійна радіоактивного розпаду радіонукліду внаслідок його природного розпаду.

Величина а обчислюється за формулою:

На рис. 2. приведені теоретичні розрахунки розподілу питомої активності ґрунту з глибиною при дії на ґрунт електричного поля лінії електропередач. Пунктирними лініями показані розрахунки для фізично адсорбованих радіонуклідів з малою енергією зв'язку (крива І), для фізично адсорбованих радіонуклідів з середньою енергією зв'язку (крива ІІ), і для фізично зв'язаних радіонуклідів (крива ІІІ).

Суцільною лінією показаний теоретично розрахований загальний розподіл активності. Точками показані експериментальні дані. Як видно з рис. 2. теоретичні розрахунки добре узгоджуються з експериментальними даними

Рис. 3. Залежність питомої активності ґрунту від глибини в області дії електричного поля. Суцільна лінія - теоретична залежність., * - експериментальні дані).

Співставлення теоретичних розрахунків з експериментальними даними дозволило визначити коефіцієнт дифузії і швидкість дрейфу радіонуклідів. Числові значення цих величин представлені в табл. 3.

Таблиця 3 Коефіцієнт дифузії та швидкість дрейфу радіонуклідів

Слід зазначити, що дана математична модель міграції вглиб ґрунту стосується не лише радіонуклідів, а також і будь-яких інших іонів забруднюючих речовин, що в початковий момент часу знаходяться на поверхні, наприклад, внаслідок одноразового сильного забруднення.

Отже, нами експериментально досліджено міграцію радіонуклідів 137Cs i 90Sr в ґрунті забрудненому радіонуклідами внаслідок аварії на Чорнобильській АЕС. Встановлено, що внаслідок дифузії і дрейфу в дерново-підзолистому ґрунті утворились три шари підвищеної активності - один в приповерхневому шарі, другий в шарі ґрунту на глибині біля 20 см і третій в шарі ґрунту на глибині біля 40 см. Також експериментально досліджено вплив електричного поля лінії електропередач змінного струму на міграцію радіонуклідів 137Cs i 90Sr в ґрунті. Встановлено, що електричне поле стимулює міграцію радіонуклідів вглиб ґрунту внаслідок чого його загальна активність зменшилась в 2 рази. Внаслідок дії електричного поля велика активність залишилась лише в приповерхневому шарі ґрунту. Нами була розроблена фізична й математична модель міграції радіонуклідів в ґрунті і впливу зовнішнього електричного поля на процеси міграції. Модель враховує процеси дифузії , дрейфу адсорбції і десорбції радіонуклідів. Вплив змінного електричного поля проявляється через процеси десорбції. Встановлено, що в процесах міграції беруть участь три групи радіонуклідів з різною енергією зв'язку. Процеси міграції цих груп приводять до утворення в шарах ґрунту підвищеної активності на різній глибині - в приповерхневому шарі, на глибині 20 см і на глибині 40 см. Обчислені коефіцієнти дифузії і швидкості дрейфу для цих груп радіонуклідів Таким чином, створені математичні моделі міграції радіонуклідів в ґрунті, отримали експериментальне підтвердження і можуть бути використані для раціонального використання радіоактивно забруднених територій. Особливо велике значення результати цих досліджень можуть мати при організації сільського господарства на територіях забруднених внаслідок катастрофи на Чорнобильській АЕС та біля інших атомних станцій, де існують викиди радіонуклідів в навколишнє природне середовище.

Література

1. Клименко М.О. Надходження радіонуклідів до рослинної продукції та розрахунок сумарних ефективних еквівалентних доз опромінення населення // Вісник РДТУ. Вип. 2(1). - Рівне, 1999. - С.45-51.

2. Коваль С.І. До питання використання торфових ґрунтів забруднених радіонуклідами // Вісник РДТУ. Вип. 5(7). - Рівне 2000. - С.17-22.

3. Бувальцев М.Н., Клименко М.О., Клименко О.М. Особливості міграції в ґрунтах Полісся // Вісник УДУВГП. Вип. 4(17). - Рівне 2002. - С.3-8.

4. Бялик І.М., Бялик М.В., Черняга П.Г. Екологічний моніторинг міграції радіонуклідів в дерново-підзолистих ґрунтах // Геоінформаційний моніторинг навколишнього середовища - GPS і GIS - технології.: 41. наук. доп. VI Міжн. наук.-техн. симпоз. (Алушта, верес. 2001). - Л., 2001. - С. 11-12.

5. Ведення сільськогосподарського виробництва на територіях, забруднених радіоактивними елементами / Міністерство сільського господарства України, - К. 1994. ст.53.

6. Дець Т.І., Бялик І.М. Міграційні процеси в ґрунтах та їх вплив на організацію забруднених територій //Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва. Вип. 1(13). - Львів 2007. - С. 284-289.

Анотація

Створена математичну модель міграції радіонуклідів в ґрунтах під впливом електромагнітного поля з метою її використання для раціональної організації забруднених територій. Проведені експериментальні дослідження, результати яких підтверджують правильність математичної моделі.

Mathematical model have been developed of radionuklides migration in soils under influence of electromagnetic field for the reason use in rational organization polluted territory. They are organized experimental prospecting which results validate the mathematical model.

Размещено на Allbest.ru