книги из ГПНТБ / Быховский, А. В. Горячие аэрозольные частицы при техническом использовании атомной энергии

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),

для SrO 2068° С (Т = 2430° С) [235]. Но даже при таких высоких температурах образуется весьма тонко­ дисперсный аэрозоль с ничтожной весовой концентра­ цией. При повышении температуры и, следовательно, давлении пара возрастают размер и концентрация ча­ стиц, а также степень их агрегации.

В последующем образовании крупных высокоактив­ ных частиц немаловажную роль играет процесс коагуля­ ции. Для малых частиц константа коагуляции невелика (около 10“э см3/сек), однако при коагуляции частиц диаметром 0,002 мкм с частицами диаметром 2 мкм это значение возрастает в 2 -ІО4 раза [9]. Поэтому мелкие частицы и агрегаты в несколько молекул в присутствии крупных частиц коагулируют до тех пор, пока вероят­ ность их столкновения не уменьшится из-за снижения их концентрации.

Конденсационное образование радиоактивных аэро­ золей в атомной технике 1 особенно важно при авариях быстрых реакторов-размножителей, в которых исполь­ зуют в качестве теплоносителя жидкие металлы, напри­ мер натрий. При внезапном прекращении циркуляции натрия или при его локальной утечке может произойти быстрый разогрев активной зоны и ее разрушение. Ава­ рии на быстрых реакторах могут сопровождаться горе­ нием натрия и ядерного горючего, что приводит к обра­ зованию больших количеств радиоактивных аэрозолей. Удельная активность натриевого теплоносителя дейст­ вующих экспериментальных быстрых реакторов состав­ ляет обычно ІО-3—10~2 кюри/г по 24Na, ІО“6—ІО-5 кюри/г по 22Na, ІО“5—ІО“4 кюри/г по продуктам деления (глав­ ным образом галогенам). Что касается удельной актив­

ХІО“7 кюри/г и для 232Th— 1,1-ІО"7 кюри/г, т. е. в слу­ чае 239Ри и 233U возникающие аэрозольные частицы мо­ гут рассматриваться как горячие. Меньший масштаб ра­ диационной опасности присущ утечкам радиоактивного натрия, содержащего продукты деления, при разуплотне­ ниях первого контура и сгорании этого материала в боксах, где размещено оборудование первого контура.

1 При очень высоких пересыщениях большинство частиц обра­ зуется благодаря спонтанной конденсации, а не конденсации на при­ сутствующих посторонних ядрах, в том числе и на ионах газа.

66

В недавних работах Н. А. Фукса и А. Г. Сутугина [234, 236] дается подробный анализ современного со­ стояния вопроса конденсационного образования аэродисперсных систем.

Как известно, размер частиц, образующихся при спонтанной конденсации, зависит прежде всего от ско­ рости образования конденсационных зародышей и их роста за счет конденсации на них пара. Из современной теории спонтанной конденсации следует, что с ростом пересыщения первая из этих скоростей возрастает гораз­ до быстрее, чем вторая, т. е. с увеличением пересыщения должны образовываться более мелкие частицы [236]. Большое значение имеет и время, за которое создается пересыщение, т. е. скорость охлаждения паро-газовой смеси. При медленном охлаждении фактическая скорость пересыщения остается все время незначительной, так как пар, конденсируясь на уже образовавшихся части­ цах, посторонних ядрах конденции и стенках, непрерыв­ но удаляется из системы, поэтому образуются грубодис­ персные аэрозоли. При достаточно высокой удельной активности вовлеченных в систему материалов такой процесс может привести к образованию горячих частиц.

Схема расчета процесса образования конденсацион­ ных аэрозолей, учитывающая одновременное протекание зародышеобразования, конденсационного роста частиц и их коагуляции, дана в работе [234]. Авторы указывают, что точное аналитическое вычисление распределения ча­ стиц по размерам в коагулирующем аэрозоле в тех слу­ чаях, когда образуются частицы, в десятки и сотни раз превышающие по массе первичные, невозможно даже с помощью самых быстродействующих машин. Помимо коагуляции факторами, резко осложняющими теорети­ ческое рассмотрение процесса образования аэродисперс­ ной системы при конденсации, являются форма и строе­ ние первичных частиц, а также изменения, происходя­ щие в структуре вторичных частиц.

Как известно, следует различать два типа первичных частиц [9]:

а) кристаллические первичные частицы, образую­ щиеся в том случае, когда отношение энергии активации диффузии молекул к фактору kT достаточно мало и возможна перегруппировка молекул в кристаллическую форму;

б) аморфные первичные частицы, образующиеся в

5* 67

условиях, когда это отношение слишком велико, чтобы допустить такую перегруппировку.

Первичные частицы, возникающие при сгорании большинства металлов в воздухе, имеют форму кристал­ лов окиси, не видимых в оптическом микроскопе, но лег­ ко различимых в электронном микроскопе. Например, дымы окиси кадмия, полученные в дуговом разряде, имеют кристаллическое строение, причем первичные ча­ стицы представляют собой кристаллики додекаэдрической формы размером около 0,05 мкм [237]. По данным работы [238], металлы при сжигании дают частицы сфе­ рической или близкой к ней формы в случае окислов с высокой температурой кристаллизации (алюминий, ти­ тан, цирконий, тантал), многогранные для окислов с низкой температурой кристаллизации (медь, цинк, кад­ мий, олово, теллур, кобальт) либо обоих типов (молиб­ ден, сурьма). Форма частицы зависит не только от тем­ пературы, при которой она образуется при конденсации пара, но и от скорости конденсации. Если скорость по­ ступления молекул к растущей частице мала и в то же время температура достаточно высока, чтобы обеспечить высокую степень подвижности молекул, может происхо­ дить кристаллизация.

В общем случае при коагуляции твердых частиц об­ разуются рыхлые агрегаты различной плотности с ни­ чтожной площадью контакта между частицами и, как правило, весьма непрочные. Однако в первой стадии конденсации, когда температура системы весьма высока, атомы или ионы в частицах обладают достаточной под­ вижностью и вследствие их перемещения может про­ исходить интенсивное спекание частиц и рекристаллиза­ ция в агрегатах [236]. Как известно, грубые частицы спекаются при температурах выше «точки Таммана» (равной 0,6 температуры плавления по абсолютной тем­ пературной шкале), однако в очень мелких частицах спекание может происходить при значительно более низких температурах [239].

В большинстве случаев сгорания металлов начав­ шаяся при высокой температуре коагуляция может про­ должаться и в процессе постепенного охлаждения систе­ мы, так что в составе образовавшегося аэрозоля могут присутствовать как плотные, слившиеся, спекшиеся или рекристаллизованные «первичные» агрегаты, так и рых­ лые или цепочечные агрегаты [240].

68

Существенными факторами, влияющими на размеры и структуру образующихся аэрозольных частиц, явля­ ются состав и давление газообразной среды, в которой происходит конденсация. Если снижать давление газооб­ разной среды и предотвращать окисление, можно полу­ чить компактные частицы из веществ, которые в других условиях дали бы рыхлые агрегаты. Например, наблю­ дается возрастание размера сферических частиц цинка, образующихся при сгорании в водороде и азоте при по­ нижении давления от 700 до 50 мм рт. ст. [9].

Изложенное выше вынуждает сделать вывод о не­ возможности точного аналитического расчета характери­ стик аэродисперсных систем, образующихся конденса­ ционным путем, и признать экспериментальные данные единственно надежными.

Интересным примером в области использования атом­ ной энергии, когда образование аэрозолей происходит вследствие реакции в паровой фазе, является'гидролиз гексафторида урана UFfi в уранилфторид UO0F2 на га­ зодиффузионных предприятиях. Уранилфторид возни­ кает в виде тонкодисперсного тумана с диаметром ча­

стицы в этом процессе не возникают. Известно, что ра­ диационное действие таких аэпозолей на организм невелико по сравнению с общей химической токсич­ ностью негидролизованного гексафторида урана.

2.3. НЕЙТРОННАЯ АКТИВАЦИЯ ПЕРВОНАЧАЛЬНО НЕАКТИВНЫХ ЧАСТИЦ

Неактивные частицы, например материалов первого контура, прокорродировавших вне активной зоны, нахо­ дясь вблизи активной зоны реактора, сухой сборки мультипликатора и других источников мощных нейтрон­ ных потоков, в результате активации могут приобрести высокую удельную активность.

Расчет показывает [211], что активность частицы не­ ржавеющей стали 1Х18Н9Т размером 10 мкм. приобре­ таемая ею в результате активации в нейтронном потоке плотностью ІО12 нейтрон!{см2-сек), даже при относитель­ но небольших временах активации (1—10 ч) составляет (0,7ч-3,1) • ІО-10 кюри, причем основной вклад в актив­ ность вносит 56Мп.

69