способ определения коэффициента диффузии радионуклида в почве

Формула изобретения

Способ определения коэффициента диффузии радионуклида в почве, включающий введение радионуклида в почву, измерение распределения радионуклида по глубине почвы через промежуток времени и расчет коэффициента диффузии по математической зависимости, отличающийся тем, что на почвах, загрязненных разовым залповым выбросом радиоактивного вещества, по вертикали измеряют расстояние от внешней поверхности почвы до точки с максимальной концентрацией радионуклида, определяют скорость конвективного переноса радионуклида, а коэффициент D диффузии радионуклида в почве находят из следующего соотношения:

D = (Z²_m-U²t²_*)(Z_m+

+0,5Ut_*)U^-1t^-_*²,

где D коэффициент диффузии радионуклида в почве, м²/с;

Z_m расстояние от внешней поверхности почвы до точки с максимальной концентрацией радионуклида, м;

U скорость конвективного переноса радионуклида в почве, м/с;

t_* время, прошедшее с момента залпового выброса радиоактивного вещества на внешнюю поверхность почвы, с.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к почвоведению и охране окружающей среды и может быть использовано в службах радиационно-экологического мониторинга и практике агрохимических служб при оценке и прогнозе вертикальной миграции радионуклидов в почве.

Известен способ определения коэффициента диффузии радона в пленочных материалах, по которому исследуемым материалом разделяют две камеры, в одну из которых вводят радон, а коэффициент диффузии определяют по соотношению радиоактивностей газа в камерах после прекращения их изменения во времени (авт.св. СССР N 1392454, кл. G 01 N 13/00, 1988).

Недостатком данного способа является ограниченность класса изучаемых веществ, а именно невозможность определения коэффициента диффузии радионуклидов в почвах.

Известен способ определения коэффициента диффузии в жидкости, заключающийся в измерении средней скорости перемещения молекул жидкости, силы, приложенной к молекулам жидкости, температуры жидкости, определения коэффициента подвижности как отношения средней скорости молекул к силе, приложенной к молекулам, а коэффициент диффузии находят из соотношения

D qkT, (1) где D коэффициент диффузии в жидкости, м²/с;

q коэффициент подвижности;

k постоянная Больцмана, Дж/К;

Т температура жидкости, К.

(Арье А. Г. Физические основы фильтрации подземных вод. М. Недра, 1984, с. 22).

Недостатками этого способа являются, во-первых, необходимость измерения средней скорости молекул и сил, приложенных к молекулам, что сделать в натурных условиях практически невозможно; во-вторых, не учитывается распределение примесей в системе "жидкость твердая фаза", что приводит к неадекватным оценкам, снижающим достоверность результатов определения коэффициента диффузии; в-третьих, не учитывается реальное распределение диффундирующей примеси, что также снижает достоверность получаемых результатов.

Известен способ определения коэффициента диффузии радионуклидов в почве, который взят в качестве прототипа, согласно которому на поверхность предварительно перемешанной изолированной почвы вносили ⁹⁰Sr, а затем в течение 6-8 лет отбирали пробы почвы и измеряли распределение ⁹⁰Sr по глубине, а коэффициент диффузии радионуклида в почве определяли по математической зависимости.

Основные недостатки этого способа заключаются в следующем.

Принимаются допущения о том, что скорость конвективного переноса равна нулю, а константа скорости изменения содержания радионуклида в почве полагается равной постоянной естественного радиоактивного распада; нарушается естественная структура почвы в процессе перемешивания. Эти недостатки, во-первых, не позволяют использовать этот способ для определения коэффициентов диффузии радионуклидов в почвах, загрязненных залповым выбросом радиоактивного вещества, по данным натурных наблюдений, во-вторых, являются причиной трудоемких лабораторных исследований, результаты которых можно использовать только для условий, близких к условиям проведения лабораторного опыта.

Задачей изобретения является обеспечение возможности использования данных натурных наблюдений для определения коэффициента диффузии радионуклида в почве, загрязненной залповым выбросом радиоактивного вещества.

Задача изобретения решается за счет того, что в известном способе определения коэффициента диффузии радионуклида в почве, включающем внесение радионуклида в почву, измерение распределения радионуклида по глубине почвы через промежуток времени и расчет коэффициента диффузии по математической зависимости, на почвах, загрязненных разовым залповым выбросом радиоактивного вещества, по вертикали измеряют расстояние от внешней поверхности почвы до точки с максимальной концентрацией радионуклида, определяют скорость конвективного переноса радионуклида, а коэффициент диффузии радионуклида в почве находят из следующего соотношения:

D ( z _m ² u ² t _* ² )

( z_m + 0,5 u t _* ) u^-1t_*^-2, (2) где D коэффициент диффузии радионуклида в почве, м²/с;

z_m расстояние от внешней поверхности почвы до точки с максимальной концентрацией радионуклида, м;

u скорость конвективного переноса радионуклида в почве, м/с.

t_* время, прошедшее с момента залпового выброса радиоактивного вещества на почву, с.

Измерение содержания радионуклида в почве основывается на определении удельной активности почвы, так как концентрацию радионуклида в почве находят из соотношения

C_i k_A^-1 A _{y ,i п} г / м³ (3) где k_A активность единичной массы радионуклида, Бк/г;

A_{y, i} удельная активность почвы в i-й точке почвенного слоя, Бк/кг;

_п- средняя плотность почвы в отобранной пробе, кг/м³.

Удельную активность почвы определяют следующим образом.

Отбирают пробу почвы и измеряют ее массу, измеряют активность радионуклида, содержащегося в пробе почвы, выполняют расчет по формуле

A_y,i= Бк/кг (4) где А_i активность радионуклида, содержащегося в i-й точке почвенного слоя, Бк;

M_i масса i-й пробы почвы, кг.

Измерения массы пробы почвы и активности радионуклида, содержащегося в этой пробе, определение плотности почвы, в интересующих точках, осуществляют в соответствии с требованиями действующих государственных стандартов. Измерения времени, прошедшего с момента залпового выброса радиоактивного вещества на поверхность почвы, и расстояния до точки с максимальной удельной активностью почвы также осуществляют стандартными методами.

Определение скорости конвективного переноса радионуклида в почве осуществляют любым известным способом, например, по величине средней линейной скорости фильтрации почвенного раствора (Прохоров В.М. Миграция радиоактивных загрязнений в почвах. М. 1981, с. 85-86).

Соотношение для расчета коэффициента диффузии радионуклида в почве следует из решения дифференциального уравнения

+ u D C,

(5) для следующих условий:

C(z,O) 0, -D + uC (t), iC

(6) где С(z, t) концентрация радионуклида в почве, г/кг;

z вертикальная координата, м;

t текущее время процесса миграции радионуклида, с;

D коэффициент диффузии радионуклида в почве, м²/с;

константа скорости изменения содержания радионуклида в почве;

Q масса радионуклида, выпавшего на единичную площадь поверхности почвы в единицу времени при залповом выбросе радиоактивного вещества, г/(м² с);

(t) дельта функция Дирака.

Решение уравнения (5) для условий (6) с точностью, достаточной в практических расчетах, можно записать в виде

)x(0,5 u²t^-1+

Координата точки, соответствующей максимальной удельной активности почвы, определяется из условия dC/dz 0. Вычислив производную функцию (7) z и приравняв ее к нулю, получим

D ( z_m ² u ² t _* ² ) ( z_m + 0,5u t _* ) x

x u ^-1 t _* ^-2 м² / c (8)

Практическая реализация предлагаемого способа определения коэффициента диффузии радионуклида в почве осуществлена в Центре химизации и сельскохозяйственной радиоэкологии "Тульский" для территорий Тульской области, загрязненной продуктами выброса при аварии на ЧАЭС. Были определены значения коэффициента диффузии ¹³⁷Сs в почве, которые использованы для прогноза радиационно-экологической обстановки на загрязненных территориях. Исследования выполнены для различных хозяйств по данным натурных наблюдений за распределением ¹³⁷Сs в почвах, загрязненных разовым залповым выбросом радиоактивного вещества. Почвенные разрезы, по которым осуществлялось определение коэффициента диффузии, находятся на почвах, отличающихся друг от друга по своим физико-химическим свойствам. Результаты практической реализации предлагаемого способа представлены в таблице.