Файл: Быховский, А. В. Горячие аэрозольные частицы при техническом использовании атомной энергии.pdf

пенную роль, а плотность частиц и их удельная актив­ ность близки к тем же характеристикам основного ма­ териала. При высоких температурах первичные частицы могут спекаться, образуя прочные агрегаты. При меха­ ническом диспергировании твердых тел существенное влияние на характеристики образующихся частиц оказы­ вает взаимодействие между высокодисперсными части­ цами, предельным случаем которого является обнару­ женный советскими учеными эффект образования так называемых молекулярноплотных агрегатов [214]. Обра­ зовавшиеся агрегаты частиц обладают, как правило, меньшей плотностью и удельной активностью, чем ис­ ходный материал.

Дисперсность аэрозолей, образующихся при диспер­ гировании, зависит от температуры, скорости газового потока, его влажности и других причин, влияние кото­ рых сложно и с трудом поддается количественной оцен­ ке. Так, установлено, что доля двуокиси облученного ура­ на в респирабельном диапазоне размеров (менее 10 мкм) возрастает с увеличением числа Рейнольдса газового потока, но уменьшается с увеличением температуры [215]. В процессе изучения окисления плутония показано, что в воздухе при обычной температуре доля двуокиси плу­ тония в респирабельном диапазоне размеров составляла около 50%, а при температуре 300° С падала примерно до 2%; при комнатной температуре массовый средний диаметр увеличивается от 0,5 мкм в сухих условиях приблизительно до 10 мкм в очень влажных.

Особо следует выделить образование радиоактивных частиц при диспергировании радиоактивного загрязне­ ния различных поверхностей. Количественной характери­

1 Термин «коэффициент вторичного диспергирования» неудачен, поскольку диспергируемые аэрозольные частицы необязательно тож­ дественны с частицами, образовавшими радиоактивное загрязнение. В связи с этим более удачным, на наш взгляд, является термин «коэффициент диспергирования поверхностного загрязнения».

60

Процесс перехода радиоактивных частиц, находя­ щихся на поверхностях, во взвешенное состояние зависит от множества факторов, среди которых наиболее су­ щественны:

а) физико-химические свойства частиц, образующих загрязнение (дисперсность, форма химического соедине­ ния и т. п.);

б) физико-химические и структурные свойства по­ верхности (смачиваемость, пористость, химическая ак­ тивность, электрозаряженность и т. п.);

в) состояние поверхности (вибрация, влажность, температура);

г) линейные скорости воздушных потоков вблизи по­ верхности.

Микроскопические частицы в воздушной (газовой) среде удерживаются на поверхности не только за счет собственного веса и молекулярных сил, но и под дейст­ вием двойного электрического слоя, образующегося в зоне контакта, кулоновского взаимодействия и других факторов, определяемых свойствами окружающей среды [217]. Из-за наличия множества факторов, влияние кото­ рых учесть весьма трудно, в настоящее время не пред­ ставляется возможным указать сколько-нибудь надеж­ ный аналитический метод оценки образования аэрозолей

показатель диспергирования или относительная доля частиц, диспергируемых с поверхности в единицу вре­ мени Xd, значение которого зависит от таких механиче­ ских факторов, как вибрация технологического оборудо­ вания и строительных конструкций здания (от работы насосов, вентиляторов и др.), перемещение внутрицехо­ вого транспорта и персонала и т. п. На этом фоне влия­ ние прочих факторов (скорости воздушного потока над поверхностью, температуры и др.) порою не удается выявить. Поэтому наиболее перспективным путем для оценки роли различных механизмов перехода радиоак­ тивных частиц с поверхностей в воздушную среду яв­ ляются исследования в производственных условиях с учетом реального комплекса разнообразных причин.

Значения К, по данным работ [219—222], лежат в широком диапазоне — от ІО-10 до ІО-3 м~х, обнаруживая

61

сильную зависимость от природы и способа обработки поверхности, дисперсности*-!! химической формы загряз­ няющего материала, интенсивности механического воз­ действия и т. и., причем наибольшее значение коэффи­ циента К отмечено в помещениях, где проводили опера­ ции с загрязненной спецодеждой. По данным советских исследователей, коэффициент перехода поверхностного за­ грязнения в воздух составляет: для полония (1,6-^-4,3 )х

Х І0-5 ж-1 [223], для радия (4,9-f-7,l) - ІО'5 ж-1 [224, 225].

Возможность перехода находящихся на поверхности частиц в воздушный поток тем меньше, чем выше их плотность: сила аэродинамического сопротивления F, стремящаяся перевести частицу в аэрозольное состоя­ ние, по аналогии с законом Стокса может быть принята пропорциональной диаметру частицы d и средней скорости воздушного потока, обтекающего частицу,

Оср! F ~ d v eр.

В пограничном слое воздушного потока толщиной в несколько микрометров скорость в первом приближении изменяется линейно с увеличением расстояния от по­

равными эквивалентными аэродинамическими диаметра­

ми da = d y r р и, следовательно, в отношении инерцион­ ного осаждения ведут себя одинаковым образом.

Вертикальные воздушные токи в лабораторных поме­ щениях столь велики, что во взвешенном состоянии остаются частицы размером в десятки микрометров. Так, в обычном помещении Ок-Риджской национальной ла­ боратории средняя вертикальная компонента скорости воздуха в зоне дыхания (на высоте от 1 до 2 ж) соста­ вила 5 см/сек, а квадрат средней интенсивности верти­ кальной турбулентности при отсутствии искусственных источников возмущения потока, таких, как открытая дверь или двигающиеся в комнате предметы, достигал 0,003 м21сек2 [227]. При таком вертикальном токе теоре­ тически может удерживаться во взвешенном состоянии сферическая частица с единичной плотностью диаметром 42 мкм. Правда, измерения запыленности комнатного воздуха показывают, что такие крупные частицы во

62

взвешенном состоянии, как правило, не обнаруживаются (например, по данным работы [228]), однако с возмож­ ностью присутствия в воздухе очень крупных радиоак­ тивных частиц приходится считаться. Так, при исследо­ вании загрязнения спецодежды персонала, работающего в помещении для переработки высокорадиоактивных веществ, были обнаружены две высокоактивные частицы (активностью до 1,8-10~7 кюри), содержащие 60Со и смесь продуктов деления [229]. По оценке авторов, одна такая горячая частица может обусловить мощность дозы облучения кожи, которая в 15 раз превышает рекомен­ дованную МКРЗ.

Возможность облучения кожных покровов высокоак­ тивными частицами на радиохимическом предприятии рассмотрена также в работе [230]. Измерения на водном фантоме, имитирующем резиновую защитную перчатку, с помощью многочисленных термолюминесцентных дози­ метров показали, что мощность дозы облучения в пре­

Высокорадиоактивные частицы были неожиданно об­ наружены при изучении аэрозолей, загрязняющих воз­

20—30 мкм от 2 до 3-103 кюри/см3. При весьма широ­

17 мкм, а аэродинамический медианный диаметр по ак­ тивности — 30—60 мкм.

Следует заметить, что в атомной промышленности и технике образование крупных, высокоактивных частиц при механическом измельчении или распылении жидких и твердых материалов с высокой удельной активностью распространено особенно широко. Обычно присутствуют и мелкие частицы, число которых, однако, мало, и их наличие почти не отражается на поведении аэродисперс­ ной системы в целом.

На рис. 2.1 показана схема образования радиоактив­ ных отходов на различных стадиях получения, исполь­ зования и регенерации ядерного горючего, где видно, что

63

удельная активность веществ, используемых или обра­ зующихся в ядерном реакторе, при выдержке твэлов, регенерации ядерного горючего, а также при применении высокоактивных радиоизотопов в промышленности, тех­ нике II медицине может превышать 0,01 кюри/г. Именно на этих стадиях и возможно диспергационное образова­ ние горячих аэрозольных частиц, которое необходимо учитывать в целях правильной интерпретации радиаци­ онногигиенической обстановки в каждом конкретном случае. Данные, характеризующие концентрации и ха­ рактеристики радиоактивных частиц в воздушной среде помещений ядерных реакторов, радиохимических пред­ приятий и каньонов мощных изотопных гамма-устано­ вок, приведены в гл. 5—7 настоящей монографии.

2.2. ОБРАЗОВАНИЕ ВЫСОКОАКТИВНЫХ АЭРОЗОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ ПРИ СПОНТАННОЙ КОНДЕНСАЦИИ ПАРОВ РАДИОАКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ

Образование радиоактивных аэрозолей путем спон­ танной конденсации (на молекулах и молекулярных аг­ регатах самого пересыщенного пара веществ, имеющих низкое давление пара) при техническом использовании атомной энергии не слишком распространено в связи с чрезвычайно малой массой радиоактивного материала, обычно участвующего в таких процессах.

Применение теории Френкеля [232] к оценке образо­ вания аэрозолей двуокиси полония показало, что даже при концентрации 1010 молекул/см3 (или 3-10“5 кюри/л) лишь 0,1% Ро02 конденсируется в зародыши [233].

Уместно отметить, что применимость теории Френке­ ля для описания процесса конденсации неоднократно подвергалась сомнению, что в первую очередь обуслов­ лено трудностями выражения свободной энергии образо­ вания зародыша через физические свойства, присущие макроскопическим объемам жидкости [234].

Считается установленным, что конденсационные аэрозоли из неорганических веществ образуются, как правило, при высокотемпературных процессах, когда давление их паров достигает порядка ІО-6—10~5ммрт. ст. Например, температура, при которой давление паров достигает ІО“5 ммрт.ст., составляет: для золота 1083°С (температура плавления 7’=1063°С), для кобальта

1249°С (Т = 1478°С), для железа 1094°С (Г= 1535°С),