авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Сов ершенствование методики оценки радиоактив ного облучения насел ения, проживающего на территории подмосков ного угольного бассейна

На правах рукописи

СУГАКО Евгений Александрович СОВ ЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ РАДИОАКТИВ НОГО ОБЛУЧЕНИЯ НАСЕЛ ЕНИЯ, ПРОЖИВАЮЩЕГО НА ТЕРРИТОРИИ ПОДМОСКОВ НОГО УГОЛЬНОГО БАССЕЙНА Специальность: 25.00.36 – Геоэкология АВТОРЕФ ЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула 2007

Работа выполнена на кафедре «Аэрология, охрана труда и окружающей среды» в ГОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор КАЧУРИН Николай Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор ЧАПЛЫГИН Николай Николаевич;

кандидат технических наук, доцент ПРОКОФЬЕВ Леонид Владимирович

Ведущая организация: Федеральное унитарное научно-исследовательское геологическое предприятие «Тульское НИГП»

Защита диссертации состоится «30» мая 2007 г. в 14 часов на заседании диссерта ционного совета Д212.2171.09 при ГОУ ВПО «Тульский государственный уни верситет» по адресу: 300600, г. Тула, пр. Ленина, 92, (6-й учебный корпус ауд.

216).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета

Автореферат разослан « _ » 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Н. П. Иватанова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Общей тенденцией прошедшего двадцатилетия для угольной промышленности было снижение объемов добычи в целом по от расли с 390,7 млн т в 1990 г. до 221,2 млн т в 1998 г. В последнее время наметился рост объемов добычи угля. В соответствии с новой Энергетической стратегией РФ в целях замещения экспортно-значимых газа и мазута прогнозируемые объе мы добычи угля по стране должны составить до 360 млн т в 2010 г. и 430 млн т - в 2020 г. с доведением доли угля в топливно-энергетическом балансе до 22 %.

ОАО «Мосбассуголь», функционирующее на базе Подмосковного угольного бассейна, является единственным в Центральном Федеральном округе России уг ледобывающим предприятием, которое располагает необходимым количеством запасов угля для повышения уровня энергетической безопасности региона. Ис следование регионального рынка сбыта энергетических углей показывает, что спрос на бурые угли в настоящее время имеет тенденцию к росту и по прогнозам при наличии финансирования на освоение новых месторождений в ближайшие 10…15 лет может достигать от 4,0 до 6,0 млн т в год.

Территория Подмосковного угольного бассейна характеризуется сложной экологической ситуацией, напряженность которой дополнительно усугубляется воздействием ионизирующего излучения. Основной составляющей радиационно го фактора на рассматриваемой территории является естественный фон. Относи тельно высокие уровни естественного фона во многом обусловлены наличием скоплений урана и радия, залегающих в угольных пластах по всей территории бассейна, и распространенными на территории ураноносными песками и шахт ными породами, широко применяемыми в прошлом при производстве строитель ных материалов, дорожных покрытий и насыпей.

Необходимо отметить, что многолетняя добыча и использование угля в теп лоэнергетике привели к образованию на территории бассейна мощных отложений золошлаковых о тходов, при этом содержание радионуклидов в летучих золах и шлаковых отложениях в среднем в 2…9 раз выше, нежели в углях.

Данные факторы привели к существенному превышению уровня естествен ного радиационного фона на территории Подмосковного угольного бассейна по сравнению с другими регионами.

Кроме того, существенное влияние на формирование негативной радиоэко логической обстановки оказала авария на Чернобыльской АЭС. К последствиям данной катастрофы относится заражение огромных территорий различными ра дионуклидами. Следует о тметить, что в момент аварии не было достаточной ин формации о динамике и составе выбросов, не проводились точные измерительные работы по определению степени загрязнения пострадавших регионов, что суще ственно осложнило проведение реконструкции дозы облучения. До последнего времени отсутствовали надежные методики, позволяющие определить дозы облу чения населения с учетом миграционных процессов и вкладов короткоживущих радионуклидов, не учитывались естественные радиационные факторы и дополни тельные дозовые нагрузки, обусловленные выделениями радона в атмосферу в ре зультате горных работ.

В связи с этим актуальной научной задачей является совершенствование ме тодики оценки радиоактивного облучения населения, проживающего на террито рии Подмосковного угольного бассейна, позволяющей определить суммарные до зовые нагрузки, обусловленные последствиями Чернобыльской аварии и радо новделениями горных выработок, позволяющей повысить эффективность радио экологического мониторинга перспективных угленосных регионов Центрального Федерального округа РФ (Соответствует п.18 Паспорта специальности).

Целью работы является совершенствование методики оценки радиоактив ного облучения населения, проживающего на территории Подмосковного уголь ного бассейна на основе установления закономерностей формирования и развития радиационного загрязнения окружающей среды горно-промышленного региона, находящегося в зоне следа аварии на Чернобыльской АЭС.

Идея работы заключается в том, что повышение достоверности прогноза дополнительных дозовых нагрузок населения обеспечивается адекватностью ма тематических моделей загрязнения территории вследствие техногенной аварии, шахтных выбросов радона, разработанных с учетом данных натурных наблюде ний на территории Подмосковного угольного бассейна, подвергшейся радиоак тивному загрязнению вследствие аварии на Чернобыльской АЭС.



Основные новые научные результаты, полученные соискателем:

долгосрочный прогноз радиоактивного загрязнения территории Подмос ковного угольного бассейна и обусловленных им дополнительных дозовых нагру зок населения проводился с помощью математической модели турбулентного конвективно-диффузионного переноса радионуклидов в атмосфере с аэрозолями выбросов аварии на Чернобыльской АЭС;

дозовые нагрузки, обусловленные аварией на Чернобыльской АЭС в рас четных точках определялись как суммарное значение всех нагрузок, полученных от отдельных радионуклидов, в том числе и от короткоживущих;

изменение дополнительных дозовых нагрузок населения на загрязненных территориях углепромышленного региона связано с радиоактивным загрязнением окружающей среды и загрязнением приземного слоя атмосферы радоном шахт ных вентиляционных выбросов;

динамика выбросов радона из угольных шахт на рассматриваемой террито рии моделируется комплексом математических зависимостей его массопереноса в пористой среде, подземных водах, воздушных вентиляционных потоках с учетом фактического распределения урана в пределах шахтного поля;

конечные значения дозовых нагрузок в расчетных точках определяются как сумма дозовых нагрузок, обусловленных аварией на Чернобыльской АЭС и на грузок, связанных с радоновыделением шахтных вентиляционных потоков.

Новизна основных научных и практических результатов:

установлены закономерности формирования загрязнения территории Под московного угольного бассейна радиоактивными выбросами аварии на Черно быльской АЭС, отличающиеся тем, что плотность загрязнения и мощность дозы облучения предполагаются пропорциональными распределению концентрации радионуклидов в аэрозоли атмосферного воздуха, сформировавшегося в процессе конвективно-диффузионного переноса выбросов аварии на Чернобыльской АЭС;

разработана математическая модель распространения радионуклидов Чер нобыльской аварии в атмосфере, отличающаяся тем, что рассматривается возвы шенный точечный источник радиоактивных выбросов, поле концентраций кото рого описывается дифференциальными уравнениями турбулентного конвективно диффузионного переноса;

определены численные значения параметров математической модели фор мирования полей радиоактивного загрязнения территории Подмосковного уголь ного бассейна и соответствующей дозы облучения;

разработаны математические модели переноса радона в шахтных выработ ках, позволяющие получить зависимости для определения равновесной концен трации радона и интенсивности валовых выбросов радона;

усовершенствованы методические рекомендации по расчету средней нако пленной эффективной дозы облучения населения, проживающего на территории горно-промышленного региона, дополненные оценками дополнительных дозовых нагрузок, обусловленных радионуклидами аварийных выбросов Чернобыльской АЭС и нагрузок, связанных с радоновыделением шахтных вентиляционных вы бросов.

Практическое значение работы заключается в создании регионального нормативного документа, регламентирующего единый подход к оценке радиоэко логического состояния территории Подмосковного бассейна, что согласовано с отделом радиационной безопасности и реализации эколого-радиологических про грамм Департамента Тульской области по экологии и природным ресурсам.

Разработаны комплекты математических моделей определения выбросов радио нуклидов Чернобыльской аварии, а так же радона шахтных вентиляционных вы бросов для проведения экологической экспертизы. Усовершенствованы структур ные и функциональные схемы мониторинга радиоэкологического состояния тер риторий для периодов существенного снижения экспозиционной дозы облучения населения, фиксируемой в Тульской области.

Реализация работы. Основные научные и практические результаты диссер тационной работы использованы в отделе радиационной безопасности и реализа ции эколого-радиологических программ Департамента Тульской области по эко логии и природным ресурсам. Методика расчета рассеивания радионуклидов и прогноза средней накопленной эффективной дозы облучения внедрена в Центре «Тулагрохимрадиология». Выводы и рекомендации используются в Тульском го сударственном университете при выполнении хоздоговорных и госбюджетных НИР.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и практи ческих рекомендаций подтверждается:

корректной постановкой задач исследований, обоснованным использовани ем классических методов математической физики, теории функций комплексного переменного, теории вероятностей и современными программными средствами;





достаточным объемом данных натурных наблюдений и вычислительных экспериментов, результаты которых свидетельствуют об адекватности разрабо танных моделей (погрешность не превышает 20 %).

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуж дались на научных семинарах кафедры «Аэрологии, охраны труда и окружающей среды» ТулГУ (Тула, 2000 - 2007 г. г.), Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения» (Москва, 2001 г.), Второй Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики (Тула, 2005 г.), XI Международной научно-практической конференции «Экология и жизнь» (Пенза, 2006 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано статей.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из 5 разделов, изложенных на 182 страницах машинописного текста, и содержит 31 иллюстрацию, 27 таблиц, список литературы из 154 наименований.

ОСНОВ НОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Фундаментальные теоретические и практические положения атмосферной диффузии и формирования дозовых нагрузок сформулированы в трудах Р.М.

Алексахина, М.Е. Берлянда, Ю.А. Израэля, А.И. Воейкова, Э.М. Соколова, В.В.

Соколова, Н.М. Качурина, А.А. Кузнецова, А.М. Лебедева и др. Анализ основных научных и практических результатов, полученных сотрудниками ТулГУ, послу жили основой для определения цели, идеи и основных направлений исследова ний*.

Современное состояние знаний по рассматриваемой проблеме, цель и идея работы определили необходимость постановки и решения следующих задач:

1. Изучить информацию о динамике выбросов радионуклидов вследствие аварии на Чернобыльской АЭС и характере последующего загрязнения террито рии Подмосковного угольного бассейна и разработать автоматизированные базы данных для хранения и обработки информации.

2. Изучить существующую информацию и провести натурные исследова ния интенсивности радоновыделения в угольных шахтах Подмосковного угольно го бассейна.

3. Разработать математическую модель распространения радионуклидов в атмосфере с выбросами аварии на Чернобыльской АЭС. Провести вычислитель ный эксперимент для оценки параметров и адекватности модели по данным на турных наблюдений на загрязненных территориях Подмосковного угольного бас сейна.

4. Усовершенствовать методические рекомендации по расчету средней на копленной эффективной дозы облучения населения вследствие техногенной ава рии.

5. Разработать физические модели и математическое описание прогноза радоновыделения в атмосферный воздух из шахтных вентиляционных выбросов при подземном способе добычи угля в Подмосковном угольном бассейне.

6. Разработать методические рекомендации по прогнозу дополнительной дозы облучения, обусловленной радоновыделением шахтных вентиляционных выбросов.

* Автор выражает благодарность за консультации при написании работы д-ру техн. наук, проф.

А.М. Лебедеву, канд. техн. наук, доц. Т.С. Свиридовой.

Территория Подмосковного угольного бассейна является регионом с высоким уровнем концентрации металлургических и химических предпри ятий, что в совокупности обуславливает формирование сложной экологиче ской ситуации, напряженность которой дополнительно усугубляется радио активным загрязнением выбросами, связанными с аварией на Чернобыль ской АЭС. Длительный период выбросов, изменение метеообс тановки, сложные процессы «выгорания» радионуклидов разрушенной активной зо ны, где температура доходила до 2500 °С, привели весной 1986 г. к чрезвы чайно сложной картине радиоактивного загрязнения больших территорий страны, неоднороднос ти этого загрязнения как по площадям, так и по ра диоактивному составу. Радиоактивному загрязнению (по данным Госком гидромета СССР) подверглись в РФ четыре облас ти (по последним данным – 16 областей и одна республика, т.е. гораздо больше), в Украине – 8 и в Бе лоруссии – 5 областей. Общая площадь территорий, в разной степени за грязненных цезием-137, составила около 7,0 млн га, в том числе с плотно стью загрязнения от 5 Ки/км и выше - 2,5 млн га.

Для уточнения сложившейся ситуации радиационного загрязнения террито рии Подмосковного угольного бассейна были изучены существующие сведения по распределению поверхностного загрязнения территорий и динамика изменения мощности экспозиционной дозы по территории бассейна, дополненные результа тами натурных наблюдений, проведенных в хо де выполнения исследования. Соз дана база показателей загрязнения (мощность экспозиционной дозы и удельная активность почвы), информация которой проиллюстрирована на рисунках 1…2.

Анализ полученной информации подтвердил достаточно сложный характер картины загрязнения, который обуславливает необходимость разработки матема тической модели формирования и развития радиоактивного загрязнения террито рии с целью обеспечения достаточной с практической точки зрения адекватности прогнозных оценок последствий аварии для населения исследуемой территории.

Таким образом, для определения характера и динамики радиоактивного за грязнения территории необходимо разработать математическую модель распро странения радионуклидов из зоны Чернобыльской АЭС в район исследуемой тер ритории, которое происходило вследствие турбулентного и диффузионного пере носов радионуклидов в атмосфере с аэрозолями выбросов аварии.

Соответствующее распределение концентрации радионуклида в атмосфере описывается дифференциальным уравнением c c c c 2c 2c 2 c +u +v + w = DTX + DT Y + DTZ + I(x,y, z, t), (1) t x y z x 2 y2 z где u, v, w – ортогональные компоненты скорости ветра (u – запад-восток, v – се вер-юг, w – вертикаль);

DT X, DTY, DTZ - средние значения коэффициентов турбулентной диффузии;

I(x,y,z,t) - закономерность, описывающая интенсивность выброса из источника.

820 17 16 15 14 13 12 11 10 1120 1140 116 0 118 0 120 0 122 0 124 Рисунок 1 – Распределение мощности экспозиционной дозы (мкР/ч) по сведениям 1986 г. на территории Подмосковного угольного бассейна 84 82 80 78 76 74 72 1120 1 140 11 60 118 0 1200 1 220 12 Рисунок 2 – Распределение удельной активности почвы (Бк/кг) по сведениям 1986 г. на территории Подмосковного угольного бассейна c = 0;

Решение уравнения (1) с граничным и начальным условиями z z = c(x, y,z,0) = f 0 (x, y, z) получено в следующем виде:

) {exp ( 0, 25a t )+ ( ) q (t) exp ( k ) ( c ( x, y,z,t ) = exp ( k t ) 3 ( t ) t 2 2 1 1 ( ) + 2h exp ( h ) exp ( 0,25x1 + y1 + (z 1 + H1 + )2 (t ) 1 ) d d, + exp 0,25b 2 ( t ) (2) 2 1 + ( z H e ) DTZ 1 1 1 a = x 2 DTX + y 2 DT Y x1 = x DTX y1 = y DTY где,,, 2 + ( z + He ) DT Z 1 1 1 b = x 2 DTX + y2 DTY h = 0,5w;

H1 = H DTZ ;

z1 = z DTZ,, ( );

1 1 k1 = 0, 25 u2 DTX + v2 DTY + w 2 DTZ q1 = I0 ( D TX DTY DTZ ) exp ( 0,5wH1 ) ;

I(t) – мощность выбросов.

Формула (2) достаточно сложна и содержит несобственные интегралы, что существенно затрудняет ее практическое применение. Однако реальные условия распространения выбросов позволили использовать некоторые допущения. Вер тикальную составляющую скорости w приняли равной нулю, так как вертикаль ная составляющая скорости на два-три порядка меньше горизонтальной. Систему координат расположили таким образом, что ось ОX совпала с направлением вет ра, поэтому предположили, что v = 0. С учетом этих допущений формула (2) при няла вид 1 t ( )( ) 2 DT X DT Y DTZ I c(x, y,z,t) = exp 0, 25u 2 t DTX ) ( t ) {exp ( 0,25a ( t ) ) + exp ( 0,25b ( t ) )} d.

( 1 1 exp 0,25u 2 DT X (3) 2 Согласно наблюдениям температура выходящих аэрозолей во время аварии составляла порядка 1700 °С, что соответствует высоте начального подъема аэро золи выбросов равной 300 м. В качестве характеристики источника выброса при няты средние значения активностей радионуклидов.

Рассчитанное поле концентраций радионуклидов в приземном слое атмосфе ры позволяет моделировать последствия загрязнения территории Подмосковного угольного бассейна.

При определении дозовых нагрузок предполагалось, что плотность загрязне ния территории радиоактивными выбросами вследствие аварии на Чернобыль ской АЭС пропорциональна рассчитанной концентрации радионуклида в атмо сферном воздухе: cр асч или = K cр асч, где K – коэффициент пропорциональ ности, учитывающий изменение уровней экспозиционной дозы в послеаварийный период вследствие миграционных процессов.

Согласно существующим методикам расчета мощности дозы, мощность экс & & & позиционной дозы X ~, а, следовательно, X ~ c расч, где X - мощность дозы;

cр асч - рассчитанная концентрация.

& Следовательно, X = Kx c расч, где Kx – коэффициент пропорциональности, учитывающий изменение уровней экспозиционной дозы в послеаварийный пери од вследствие миграционных процессов.

Установлено, что коэффициенты Kx и K изменяются во времени по сле дующим зависимостям:

KX (t) = a X exp ( b X t ), (4) K (t) = a exp ( b t ), (5) где t – время с момента аварии, лет;

аХ и b Х – коэффициенты регрессионной зави симости, определяемые методом наименьших квадратов на основании данных натурных наблюдений в контрольных точках.

Расчетные значения коэффициентов аХ и b Х зависимости (4) и а и b зави симости (5) приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Коэффициенты регрессионных зависимостей KX (t) = a X exp ( b X t ) K (t) = a exp ( b t ) Контрольные районы bХ aX b a Арсеньевский -0.08545 1.6827466 -0.09156 73. Киреевский -0.07078 2.7061557 -0.06217 98. Щекинский -0.06424 1.6879478 -0.08536 73. Среднеобластной -0.107101 2.318037 -0,0797 81, В диссертации получены оценки мощности дозы и плотности загрязнения в расчетных точках, используемые далее для определения поглощенной дозы, кото рая, в свою очередь, является важным составляющим показателя средней накоп ленной эффективной дозы радиоактивного облучения (СНЭД).

При расчете по значениям экспозиционной дозы реконструировали значение мощности поглощенной дозы на интересующий момент времени & Xt = KX (t) c(x, y, t), (6) где c(x, y, t) = c(x, y,t 0 ) exp (t t 0 ) ln 2 T – первичное поле концентрации, кото 1 рое определялось по зависимости (3).

Мощность поглощенной дозы описывается выражением & & D(t) = X(t) Г ln(2,56). (7) На следующем этапе математического моделирования проводился ретро спективный прогноз дозы облучения с течением времени в зависимости от радио нуклидного состава выбросов.

В результате вычислительного эксперимента получено множество дозовых нагрузок в расчетных точках для конкретных радионуклидов. Просуммировав уровни доз от различных радионуклидов для точек с равными координатами, по лучили суммарную дозовую нагрузку в расчетных точках.

При проведении расчетов по прогнозным значениям плотности загрязнения сначала, согласно результатам моделирования, определялась плотность загрязне ния 137 Cs в расчетной точке 137 = K (t 0 )c(x, y,t 0). (8) Поглощенная доза, соответствующая территории следа аварии на Черно быльской АЭС, согласно действующей методике, определяется зависимостью l D(t) = 0,024 r(t) 137 137 dSl exp (l t ), & (9) l где r(t) – функция, описывающая влияние миграции РН в почву на мощность по глощенной дозы в возду хе:

r(t) = p exp 0,693tT 1 + p exp 0,693tT 1, (10) 1 1 где p 1 = 0,4;

р 2 = 0,42;

Т1 = 550 дней;

Т2 = 18250 дней;

137 - средняя плотность за грязнения почвы цезием-137 в населенных пунктах (НП) на дату окончания ра диоактивных выпадений, кБк/м 2 ;

1 - средняя плотность загрязнения почвы l-м радионуклидом в НП на дату окончания радиоактивных выпадений, кБк/м;

d l - s удельная мощность поглощённой дозы в воздухе гамма-излучения l-го радионук лида для геометрии плоского тонкого изотропного источника, расположенного на границе раздела воздух – почва, (нГр/ч)/(кБк/м 2), l - постоянная радиоактивного распада l-го радионуклида, сут.;

t - время с момента окончания радиоактивных выпадений, сут.

Для расчета СНЭД внешнего облучения за период с 1986 г. по настоящее время период делился на три временных интервала: I – один год после аварии;

II – 1 t 9,7 лет после аварии;

III – 9,7 t 14,7 лет.

Для периодов II и III характерно то, что учитывался вклад в дозу внешнего облучения жителей только гамма-излучения цезия-137 и цезия-134.

Мощность эффективной дозы для периода I у представителей i-й группы взрослого населения, проживающего в домах k-го типа, рассчитана по зависимо сти & i,k & Eext (t) = D(t) kE k C R i,k (t), (11) & где D(t) - мощность поглощенной дозы в воздухе на высоте одного метра над от крытым целинным участком почвы, мкГр/сут. (10);

k E -коэффициент перехода от поглощенной дозы в воздухе к эффективной дозе у взрослого человека, равный 0,75 мкЗв/мкГр;

k C - коэффициент, учитывающий влияние снежного покрова на величину СНЭД, равный 0,8 для первого периода и 1 – для второго и третьего, от носит. единиц;

R i,k (t) – фактор, отражающий эффект уменьшения дозы внешнего облучения в антропогенной среде i-й группы населения, проживающего в домах k-го типа.

9.7 36 & Для периода II (1 t 9,7): E = k E kC D(t)Ri,k (t)dt. (12) ext i,k 1 36 Расчет накопленной дозы внешнего облучения за III период (9,7 t 14,7) производился согласно выражению 14.7 1 & Ei,k = 0,8 k E k C R i,k D(t)dt. (13) ext 9.71 Внутренняя доза облучения от радионуклидов, поступивших в организм с пищей на интервале времени (t1, t2), определялась по уравнению t Eint (t 1,t 2 ) = dkl Il (t)dt, (14) l t где dkl -дозовый коэффициент для пищевого поступления l-го нуклида в организм взрослого человека, м3в/Бк, Il (t)- суточное поступление l-го нуклида в организм с пищей Бк/сут, Il (t) = Cl,p (t)Vp, (15) p где Cl,p (t) - удельная активность (концентрация l-го нуклида в p-м пищевом про дукте, Бк/кг (л);

Vp - суточное потребление p-го пищевого продукта, кг(л)/сут.

Далее использовали радиоэкологическую модель, основанную на коэффи циенте перехода КПl,p(t) от плотности загрязнения почвы l-го РН, Бк/м 2, к удель ной активности l-го РН в пищевом продукте, Бк/кг(л):

Cl,p(t) = КПl,p(t). l(t). (16) Концентрация l-го радионуклида цезия и стронция в молоке коров Cl,m, вы пасаемых на загрязнённой местности, аппроксимировалась функцией Cl,m(t) = KПl,m(0).1 (t) (exp(-ln2. t / T2) - exp (-ln2 t / T1), (17) где KПl,m(0) – при t = 0 начальный переход l-го нуклида в молоко коровы, после поверхностного загрязнения почвы и растительности, м 2/кг(л);

Т1=2 сут – период, близкий к периоду полувыведения цезия и стронция с молоком коровы;

Т2=15 сут – период, близкий к периоду очистки пастбищной растительности от поверхност ного радиоактивного загрязнения.

Значение поглощенной дозы облучения использовалось для расчета СНЭД и определялось как сумма доз внешнего облучения гамма-излучения радиоактив ных выпадений (Еехt) и дозы внутреннего облучения (Еint):

Ечаэс = Еext + Eint. (18) В результате вычислительного эксперимента диссертантом были получены следующие значения средней накопленной эффективной дозы (таблица 2).

Таблица 2 – Прогнозные значения показателей СНЭД Районы СНЭД, мЗв 1986 1995 2000 2005 Плавский 6,2 23,2 31,7 39,1 42, Чернский 4,9 21,1 26,9 33,2 Арсеньевский 5,9 22,2 29,5 37,3 40, Киреевский 3,4 8,7 15 18,5 20, Богородицкий 3,7 10,9 18,5 22 Донской 3,2 8,4 12,1 16,2 17, Щекинский 2,1 6,9 11,2 15,3 Новомосковский 2,9 7,6 12,3 16,5 18, Узловский 2,2 7,1 11,9 15,9 17, Результаты расчетов представлены на рисунках 3…4.

ий к ск З ао 840 37. к о рс ног 32. Яс 27. 800 а Т ул вск 22. ско о вомй Но ско я он Дз лов а 780 б на 17. Ду У о ки н к евс Ще ир е К 12. к 760 иц род о го Б 7. 740 к о авс ьев Пл се н Ар 2. 1060 1080 1100 1120 1140 1160 1180 1200 1220 Рисунок 3 – Распределение СНЭД (мЗв) в 2000 г.

на территории Подмосковного угольного бассейна Население территории горно-промышленного региона подвержено дополни тельным дозовым нагрузкам, обусловленным загрязнением приземного слоя ат мосферы радоном шахтных вентиляционных выбросов. Источником выделения радона в породоугольном массиве является рассеянный уран. Так как период по лураспада урана в зависимости от вида изотопа может составлять от 2,48 10 5 до 4,51109 лет, то интенсивность источника радоновыделений в поры и трещины горного массива была принята как постоянная величина. Радон, оказавшийся в свободном состоянии, диффундирует по порам и трещинам к поверхности обна жения горного массива. Этот процесс сопровождается частичной сорбцией радона и его естественным радиоактивным распадом. Однозначно определить вид диф фузионного переноса невозможно и следует предположить, что одновременно протекают процессы молекулярной, кнудсеновской и фольмеровской диффузии.

Следовательно, диффузионное сопротивление определяется величиной коэффи циента эффективной диффузии радона в породоугольном массиве.

ки й 850 кс З ао ск гор сн о Я 37. 800 а Т ул ск 32. ков ос вомй о Но ск ая 27. Доно в а н Дуб Уз л о к ин ск Ще ее в 22. Ки р и цк ро д 17. ого 750 Б 12. к ево а вс ен ь Пл Арс 7. 2. 1050 1100 1150 1200 Рисунок 4 – Прогнозируемое распределение СНЭД (мЗв) в 2008 г.

на территории Подмосковного угольного бассейна Физическая модель движения радона в горном массиве позволила использо вать известное уравнение диффузии для описания рассматриваемого процесса:

y CR n = D 2 Cy n + IR n R n C Rn Kc ( Kp C y p Cy n ), (19) y t x R Rn R Cy n t =0 = C y n н = const ;

0 t, 0 x, R R = CR n * = const;

limCR n, (20) Cy n y y R x =0 x y где CRn – концентрация свободного радона в порах и трещинах угольного пласта;

D – коэффициент эффективной диффузии радона в угольном пласте;

IRn – источ ник выделения радона в поры и трещины угольного пласта в результате радиоак тивного распада урана;

Kc – константа скорости сорбции радона веществом угля;

y Kр – константа равновесия процесса сорбции радона углем;

CRn p – равновесная концентрация радона в твердой фазе;

CRn н – начальная концентрация радона, на y хо дящегося в свободном состоянии.

Решение уравнения позволило получить следующую зависимость для опре деления скорости радоновыделения IуRn с поверхности обнажения угольного пла ста:

} ) { ( Iy Rn = D ( Cy n н Cу n* ) ( t ) exp ( t ) + I Rn 12 CR n * erf t. (21) R R Анализ зависимости (21) показал, что скорость радоновыделения, уменьша ясь во времени, достаточно быстро стремится к постоянному значению:

IR n * = lim IR n = const. В состоянии динамического равновесия скорость радоновыде t ления определяем по выражению IR n * = I Rn ( D 1 ) 2 Cу n * D.

(22) R Вторым важным источником радоновыделения в атмосферу горных вырабо ток являются подземные шахтные воды, протекающие по дренажным каналам.

Уравнение, моделирующее динамику содержания потока радона в потоке шахт ных вод, имеет следующий вид:

в CR n + Uв Cв n = K Rn C в ( KR n + Rn ) C в, (23) t R Rn Rn где - пространственная координата, начало отсчета которой находится в точке поступления воды в дренажный канал;

t - время.

Начальное и граничное условия:

Cв n t =0 = C в n =0 = C в 0 = const. (24) R R Rn Решения задач (23)…(24):

Cв n = Cв n 0 exp ( t ) + KR n Cв n *1 (1 exp ( t ) ), (t );

(25) R R R Cв n = Cв n 0 (1 exp ( ) exp ( t ) + Cв n н exp ( ) R R R KR n C в *1 (1 exp ( ) ) exp ( t ), (t ). (26) Rn Зависимость (26) описывает нестационарное одномерное поле концентраций радона в потоке воды при условии активного перемешивания, которое позволяет считать концентрацию в живом сечении потока зависящей лишь от фактора вре мени. Вид зависимости (26) свидетельствует о том, что термодинамическая сис тема «Rn – H2O» при больших значениях t стремится к стационарному состоянию, характеризующемуся продольным профилем концентраций радона:

CR n = lim C Rn. В состоянии динамического равновесия продольный профиль в в t концентраций радона в воде определяется по следующей зависимости:

Cв n = CвRn 0 exp ( ( KR n + R n ) Uв 1 ). (27) R Зависимость (27) использована в качестве базовой математической модели для расчета радоновыделений в шахтный воздух из подземных вод. Из уравнения (26) при условии C в n t 0 и с учетом зависимости (27) получено соотношение, R позволяющее рассчитать массу радона, выделяющегося в возду х из единичного объема воды jR n в точке :

в jR n = Uв C R n Cв n, (28) R n R C в = {( K R n +R n )} CвRn 0 exp ( ( KR n + R n ) Uв 1 ).

где Uв Rn Скорость выделения радона в возду х I вRn определяем по формуле ( )S L, Iв R n = jRn (29) jR n k k =0 = L k где Lk - длина дренажного канала.

Представленные модели радоновыделений позволили разработать методику оценки распределения концентрации радона шахтных выбросов в приземном слое атмосферы и обусловленных этим дополнительных дозовых нагрузок населения.

Для определения скорости радоновыделения Iу n с поверхности обнажения R угольного пласта в момент времени ( j ) (при расчете СНЭД для радона интенсив ность средняя для календарного года ( j ) ) использовали зависимость I у ( j ) = ( D Rn 1 ) 2 I Rn ( j ) CR n* D Rn, (30) Rn где IR n ( j ) – интенсивность источника радоновыделения;

CR n* – концентрация ра дона на поверхности угольного пласта;

D – коэффициент диффузии радона в по родоугольном массиве;

Rn – постоянная радиоактивного распада.

Расчет проводили отдельно для каждого года j периода наблюдения.

Суммарная скорость радоновыделения из породоугольного массива Iу ( j ) = IRn ( j ) S( j ), у (31) S где S ( j ) – площадь обнажения угольного пласта в момент времени j.

Интенсивность выделения радона в воздух из подземных вод определяли по формуле ( ) I в ( j ) = jRn j Rn =L S K L K, (32) Rn =0 K где LK – длина канала;

SK – сечение канала;

jRn =0 – скорость выделения радона из единичного объема воды:

в ( С ) Cв ;

= U в (33) jR n Rn =l R n Rn =l где Uв – скорость течения воды:

в (С ) = (K Rn + Rn )СвR n 0 exp ( ( K Rn + Rn ) l Uв 1 ) ;

Uв (34) R n =l где l – расстояние от начала канала;

KRn – коэффициент массообмена для радона;

Св 0 – концентрация радона в воде на входе в дренажный канал.

Rn Суммарную интенсивность радоновыделения в воздух рассчитывали по вы ражению I ( j ) = IS ( j ) + Iв ( j ).

у Rn Rn С помощью программы «Эколог-ПРО» было рассчитано рассеивание радона шахтных выбросов в приземном слое атмосферы и концентрация радона в кон трольных точках СRn (x, y, j ).

Удельную активность радона в приземном слое воздуха определяли по вы ражению a Rn (x, y, j ) = 4,83 1018 CRn (x, y, j ) ( A T1 / 2 ), (35) где A – атомная масса радона;

T1/2 – период полураспада радона.

Оценка дозы внешнего облучения, обусловленная излучением радона (мЗв) E ext ( j ) = 2 a Rn (x, y, j ) 0 1, (36) Rn где Г=59,18 10-18, Гр м2/(с Бк), 0 = 0,11 10-3 м-1 – линейный коэффициент ослаб ления -излучения радона в воздухе для энергии 0,510 МэВ.

Оценку среднегодовой эффективной дозы (СГЭД) внутреннего облучения, обусловленной излучением радона, определили следующим образом:

E int ( j ) = k a Rn (x, y, j ), (37) Rn где k - дозовый коэффициент для -излучения радона, равный 0,3 мЗв м3 / Бк.

Суммарная СГЭД внутреннего и внешнего облучения определяется ERn ( j ) = E ext ( j ) + ERn ( j ).

int (38) Rn Накопленная доза, обусловленная радоновыделением, определяется по сле дующему соотношению n ER n = ER n ( j ), (39) j= где n – количество лет наблюдения.

Суммарное значение СНЭД, обусловленной всеми радионуклидами, опреде ляли как сумму значений СНЭД радионуклидов аварии на ЧАЭС и СНЭД, обу словленной шахтным радоновыделением:

E = EЧА ЭС + ER n. (40) Алгоритм разработанной методики прогнозной оценки СНЭД приведен на рисунке 5.

Прогнозные оценки СНЭД и прогнозные значения плотности загрязнения радионуклидами, определенные на основе предложенных математических моде лей, являясь нормативными показателями, могут быть использованы для разра ботки эффективных природоохранных мероприятий, проводимых на загрязнен ных территориях вследствие повышения уровня их соответствия действующим факторам формирования экологической обстановки на этих территориях.

Рисунок 5 – Алгоритм методики прогнозной оценки СНЭД для территории горно-промышленного региона ЗАКЛЮЧЕНИЕ Таким образом, в диссертационной работе на основе экспериментальных и теоретических исследований установлены новые и уточнены существующие за кономерности техногенного загрязнения окружающей среды аварийными и шахт ными выбросами радионуклидов, что позволяет решить актуальную научную за дачу совершенствования методики оценки суммарных дозовых нагрузок радио активного облучения населения, проживающего на территории Подмосковного угольного бассейна, в целях повышения эффективности радиоэкологического мо ниторинга перспективных угленосных регионов Центрального Федерального ок руга РФ.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в сле дующем:

1. На основании данных натурных наблюдений динамики радиоактивного загрязнения в контрольных точках сформирована база данных показателей за грязнения ряда районов горно-промышленного региона, расположенного на тер ритории радиоактивного следа аварии на ЧАЭС. Анализ полученной информации о динамике аварии показал, что радиоактивное загрязнение данной территории происходило вследствие конвективно-диффузионного переноса радионуклидов с аэрозолями выбросов в атмосферном воздухе.

2. Предложена прогнозная модель динамики формирования радиоактивного загрязнения исследуемой территории, отличающаяся тем, что показатели радио активного загрязнения предполагаются пропорциональными распределениям концентраций радионуклидов в аэрозоли приземного слоя воздуха, сформиро вавшейся вследствие конвективно-диффузионного переноса радионуклидов в ат мосфере с аварийными выбросами точечного источника. В ходе вычислительного эксперимента получены оценки параметров математической модели, адекватные данным натурных наблюдений в контрольных точках загрязненных территорий в контрольных точках участка территории Подмосковного угольного бассейна.

3. На основании математической модели и данных наблюдений разработана методика оценки масштабов загрязнения территории и величины дополнительных дозовых нагрузок населения вследствие техногенной аварии, позволяющая рас считывать прогнозные оценки последствий радиоактивного загрязнения, необхо димые для разработки и планирования природоохранных мероприятий.

4. Определены значения дозовых коэффициентов КХ и К, учитывающих изменение характера загрязнения вследствие миграции радионуклидов для трех временных интервалов послеаварийного периода и установлена экспоненциаль ная зависимость значений дозовых коэффициентов от времени.

5. Предложена математическая модель диффузии радона в угольном пласте, аналитическое решение которой позволяет получить значение равновесной скоро сти радоновыделения.

6. Предложена математическая модель динамики концентрации радона в водном потоке, в результате решения которой получена зависимость для опреде ления скорости выделения радона из подземных шахтных вод.

7. Разработанная математическая модель переноса радона в шахтных выра ботках позволила получить зависимость для определения равновесной концен трации радона в вентиляционном выбросе шахт, интенсивность и валовые выбро сы радона в приземный слой атмосферы.

8. На основе предложенных математических моделей процессов радоновы деления разработаны усовершенствованные методические рекомендации по оцен ке распределения радона шахтных вентиляционных выбросов в приземном слое атмосферы прилегающих территорий и оценке, на их основе, дополнительных до зовых нагрузок населения, обусловленных излучением радона.

9. Предложена методика оценки радиоактивного облучения населения, про живающего на территории горно-промышленного региона, дополненная оценка ми дозовых нагрузок, обусловленных различными радионуклидами аварийных выбросов ЧАЭС и получаемых на основе установленных закономерностей рас пределения этих радионуклидов на загрязненной территории, и оценками допол нительных дозовых нагрузок, связанных с излучением радона шахтных вентиля ционных выбросов.

10. Разработан алгоритм методики прогнозной оценки СНЭД для территории горно-промышленного региона.

11. Результаты исследований использованы в Центре «Тулагрохимрадиоло гия», в Тульском государственном университете при выполнении хоздоговорных и госбюджетных НИР.

Основные научные и практические результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Соколов Э.М., Кузнецов А.А., Лебедев А.М., Сугако Е.А. Оценивание влияния экологического состояния при использовании комплексного критерия оценки качества окружающей среды // Известия ТулГУ. Сер. Экономические и соци ально-экологические проблемы природопользования. Вып. 5. – Тула: ТулГУ, 2000. – С. 172-178.

2. Качурин Н.М., Сугако Е.А. Проблемы формирования дозовых нагрузок населе ния в первые недели аварии на Чернобыльской АЭС // Сборник трудов моло дых ученых. – Тула: ТулГУ, 2001. – С. 51-54.

3. Качурин Н.М., Сугако Е.А. Влияние элементов распада радионуклидов при аварии на Чернобыльской АЭС на формирование дозовых нагрузок // Между народная молодежная научная конференция. «XXVII Гагаринские чтения»:

Сборник тезисов докладов. – М., 2001. – С. 163-167.

4. Кузнецов А.А., Лебедев А.М., Сугако Е.А. Оценивание влияния отдельных по казателей загрязнения при использовании комплексного критерия оценки каче ства окружающей среды // Известия ТулГУ. Сер. Экономические и социально экологические проблемы природопользования. Вып. 1. – Тула: ТулГУ, 2000. – С. 124-127.

5. Свиридова Т.С., Сугако Е.А., Гучек Н.Е. Анализ зависимости заболеваемости населения от полученных дозовых нагрузок на примере Плавского района Тульской области // Социально-экономические и экологические проблемы гор ной промышленности, строительства и энергетики / 2-я Международная конфе ренция по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики. – М.;

Тула, 2005. – С. 173-175.

6. Качурин Н.М., Грязев М.В., Сугако Е.А. Оценка экологических последствий для населения загрязнения территории атмосферными выбросами техногенной аварии (на примере аварии на Чернобыльской АЭС) // Геотехнологии и защита окружающей среды – Академия горных наук. №2, 2006 – С.11-31.

7. Сугако Е.А., Лебедев А.М., Гучек Н.Е. Оценка дополнительного экологическо го риска при загрязнении окружающей среды выбросами техногенной аварии. // Экология и жизнь / XI Международная научно-практическая конференция. – Пенза, 2006. – С.125-127.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.