Федеральное медико - биологическое агентство

ФЕДЕРАЛЬНОЕ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОЕ АГЕНТСТВО
Федеральное государственное бюджетное учреждение
«Государственный научный центр Российской Федерации Федеральный медицинский биофизический центр имени А.И. Бурназяна»
На правах рукописи
Карев Андрей Евгеньевич
АППАРАТУРНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ОЦЕНКИ
ИНГАЛЯЦИОННОГО ПОСТУПЛЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ГАЗОАЭРОЗОЛЬНЫХ СМЕСЕЙ
Специальность 05.26.02
«Безопасность в чрезвычайных ситуациях
(ядерный топливно-энергетический комплекс)»
Диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Научный руководитель:
Доктор технических наук
Шинкарев Сергей Михайлович
МОСКВА-2015
2
Оглавление
Список сокращений .................................................................................................... 6
Оглавление ................................................................................................................... 2
Введение ....................................................................................................................... 6
Глава 1.Физика аэрозолей и газо-аэрозольных смесей ......................................... 17
1.1 Краткая информация об основных дозообразующих нуклидах на
радиационных объектах разного типа ............................................................ 18
1.1.1
Радиохимические и химико-металлургические заводы .............. 18
1.1.2
Сублиматные заводы ...................................................................... 19
1.1.3
Характеристика газоаэрозольных выбросов АЭС ....................... 19
1.2 Распределения аэрозольных частиц по размерам ................................. 22
1.3 Обзор работ, посвященных анализу дисперсного состава
радиоактивных аэрозолей на предприятиях ЯТЦ .......................................... 28
1.4 Методы и устройства для оценки дисперсного состава аэрозолей ....... 30
1.5 Осаждение аэрозолей в респираторном тракте человека ....................... 41
1.5.1 Краткий обзор изучения осаждения аэрозолей в респираторном
тракте .............................................................................................................. 41
1.5.2. Основные механизмы осаждения аэрозольных частиц в
респираторном тракте человека................................................................... 42
1.5.3. Обзор характеристик существующих устройств, моделирующих
осаждение аэрозолей в респираторном тракте человека .......................... 44
1.6 Краткий обзор основных методов и работ в области гидрогазодинамики
............................................................................................................................. 46
1.7 Физико-химические свойства радиоактивных газо-аэрозольных смесей
и анализ их фазового состава ........................................................................... 53
1.8 Обзор существующих методов улавливания радиоактивного рутения из
газовой фазы ...................................................................................................... 57
1.9 Задачи диссертационного исследования .................................................. 58
Глава 2 Обоснование и расчет параметров конструкции импактора-фантома .. 63
2.1 Постановка задачи....................................................................................... 63
3
2.2. Анализ математической модели респираторного тракта (Публикация
66 МКРЗ) и вытекающие требования к конструкции импактора-фантома 64
2.3. Расчет параметров конструкции импактора-фантома............................ 76
2.3.1 Пример расчета эффективного аэродинамического диаметра D50
каскадного элемента импактора-фантома. ................................................. 82
2.4 Численное моделирование осаждения аэрозольных частиц на
коллекторных пластинах каскадных элементов импактора-фантома
респираторного тракта человека ..................................................................... 84
2.4.1 Моделирование и программные средства ......................................... 86
2.4.2 Построение геометрической модели .................................................. 86
2.4.3 Построение расчетной сетки ............................................................... 88
2.4.4 Математическая и физическая модель............................................... 90
2.4.5 Задание граничных условий................................................................ 91
2.4.6 Результаты расчета поля скоростей и перепада давления через
устройство ...................................................................................................... 92
2.4.7 Моделирование и расчет эффективности осаждения частиц в
импакторе-фантоме с помощью Лагранжевой модели ............................. 94
2.5 Разработка конструкции и экспериментальные исследования
характеристик импактора-фантома респираторного тракта человека. ....... 99
2.5.1 Разработка конструкции импактора фантома ................................... 99
2.5.2 Экспериментальное исследование характеристик импакторафантома ........................................................................................................ 108
2.6 Анализ погрешностей экспериментальных данных, полученных с
помощью импактора-фантома. ...................................................................... 117
2.7.
Оценка нижнего порога измерения по различным радионуклидам.
123
2.8 Применение импактора-фантома для анализа дисперсного состава
воздуха производственных помещений предприятия ФГУП «ПО Маяк».
........................................................................................................................... 125
Выводы по главе 2 ........................................................................................... 127
Глава 3 Разработка метода преобразования газовой фракции газоаэрозольных смесей в аэрозольную фракцию...................................................... 129
3.1 Постановка задачи..................................................................................... 129
4
3.2 Описание метода преобразования газовой составляющей газоаэрозольных смесей в аэрозольную фракцию.............................................. 129
3.3 Подбор реагента, для преобразования газовой составляющей газоаэрозольных смесей в аэрозольную фракцию.............................................. 131
3.4 Расчет необходимого объема реагента ................................................... 133
3.4.1
Расчет необходимого количества реагента в случае пробоотбора
газо-аэрозольных смесей рутения .............................................................. 134
3.5 Расчет длины реакционной камеры ........................................................ 136
3.6 Минимизация осаждения аэрозолей на внутренней поверхности
химического реактора ..................................................................................... 137
3.7 Параметры реакционной камеры............................................................. 138
3.8 Выводы по главе 3 ..................................................................................... 138
Глава 4 Численное моделирование и разработка устройства для реализации
метода преобразования газовой фракции газо-аэрозольных смесей в
аэрозольную фракцию ............................................................................................ 140
4.1 Численное моделирование течения воздушного потока в реакционной
камере с помощью программного комплекса STAR-CCM+. ..................... 140
4.1.1 Построение геометрической модели ................................................ 140
4.1.2
Построение расчетной сетки ........................................................ 140
4.1.3
Математическая и физическая модель........................................ 141
4.1.4
Задание граничных условий......................................................... 142
4.1.5 Результаты расчета поля скоростей и перепада давления через
устройство .................................................................................................... 143
4.1.6 Исследование влияния угла расширения диффузора реакционной
камеры на осаждение аэрозолей на внутренней поверхности
химического реактора ................................................................................. 145
4.2 Разработка конструкции устройства для реализации метода
преобразования газовой составляющей газо-аэрозольных смесей в
аэрозольную фракцию с одновременным контролем дисперсности. ........ 146
4.3 Экспериментальные исследования характеристик устройства для
реализации метода преобразования газовой составляющей газоаэрозольных смесей в аэрозольную фракцию с одновременным контролем
дисперсности ................................................................................................... 152
5
4.3.1 Измерение объемной скорости потока через устройство .............. 152
4.3.2 Исследование зависимости скорости расхода реагента от
различных параметров ................................................................................ 153
4.2 Выводы по главе 4 .................................................................................. 155
Глава 5 Разработка алгоритма оценки ингаляционного поступления по
результатам анализа фазового и дисперсного состава радиоактивных газоаэрозольных смесей. ............................................................................................... 156
5.1 Подготовка устройства к работе и отбор пробы .................................... 156
5.2 Разборка устройства и измерение активности отобранной пробы ...... 160
5.3 Оценка ингаляционного поступления .................................................. 160
5.4 Определение характеристик распределения частиц аэрозольной
фракции по размерам ...................................................................................... 161
5.5 Расчет доверительных интервалов для АМАД и g. ............................. 165
5.6 Оценка дозы внутреннего облучения ..................................................... 167
5.7 Программное обеспечение для реализации алгоритма оценки
ингаляционного поступления по результатам анализа фазового и
дисперсного состава радиоактивных газо-аэрозольных смесей. ............... 169
5.8 Выводы по главе 5 ..................................................................................... 173
Заключение .............................................................................................................. 174
Приложение 1 Оценка ингаляционного поступления по результатам анализа
фазового и дисперсного состава на примере газо-аэрозольной смеси
радиоактивного рутения 106Ru ............................................................................... 176
Список литературы ................................................................................................. 182
6
Список сокращений
СFD – computational fluid dynamics, вычислительная гидродинамика
ECAD
–
Effective
cut-off
diameter,
аэродинамический диаметр разделения d50
эффективный
каскадный
EPA – Environmental Protection Agency, агентство по охране окружающей
среды (США)
PM – particle matter, взвешенная частица
АМАД – активностный медианный аэродинамический диаметр
АМТД – активностный медианный термодинамический диаметр
ЛНР – логарифмически-нормальное распределение
МДА – минимальная детектируемая активность
МКР – метод контрольных объемов
ОА – объемная активность
ОЭД – ожидаемая эффективная доза
ПК – программный комплекс
РБГ – радиоактивные благородные газы
СЗЗ – санитарно-защитная зона
СИЗ – средства индивидуальной защиты
7
Введение
Актуальность темы
Оперативное получение информации для корректного расчета дозы
внутреннего облучения человека является важной составляющей в комплексе
мер обеспечения радиационной безопасности персонала радиационноопасных объектов при штатных условиях их работы, а также для оценки
радиационного воздействия на персонал и население в случае радиационных
аварий. На отдельных производствах предприятий ядерного топливноэнергетического комплекса внутреннее облучение лиц из персонала
вследствие ингаляционного поступления радионуклидов может играть
ведущую роль по сравнению с внешним облучением.
Внутреннее облучение, обусловленное ингаляционным поступлением,
может выходить на первый план и в системе обеспечения радиационной
защиты персонала и населения в случае радиационной аварии, как наглядно
показал опыт изучения последствий аварии на АЭС «Фукусима-1»,
произошедшей 11 марта 2011 года. Установлено, что наиболее высокие дозы
облучения лиц, участвовавших в ликвидации последствий данной аварии,
были получены за счет ингаляционного поступления радиоактивных
изотопов йода [106]. Кроме того, в первые месяцы после аварии основные
дозы внутреннего облучения населения, проживающего в Фукусиме и
соседних
префектурах
Японии,
были
получены
только
за
счет
ингаляционного поступления радиоактивных изотопов йода и цезия, как
следствие
эффективного
применения
контрмер,
направленных
на
предотвращение их поступления с пищей и питьевой водой [106]. Следует
подчеркнуть, что в первые месяцы после Чернобыльской аварии 26 апреля
1986 года ведущий вклад (в среднем, более 90%) в дозу внутреннего
облучения населения от радиоактивных изотопов йода и цезия обусловил
8
пероральный путь, поскольку соответствующие контрмеры не были вовремя
приняты [11].
Как правило, определение дозы внутреннего облучения вследствие
ингаляционного
поступления
радионуклидов
сопровождается
существенными неопределенностями и вызывает большие трудности, чем
оценка дозы внешнего облучения. Это справедливо как для оценки доз
персонала в условиях планируемого облучения, так и для оценки доз
облучения персонала и населения в условиях аварийного и существующего
облучения.
В рамках действующей системы радиационной защиты, когда
применяются стандартизованные значения массы органов и тканей, а также
параметров метаболизма условного человека как для взрослых лиц из
персонала, так и для лиц разного возраста из населения, доза внутреннего
облучения определяется, прежде всего, такими характеристиками вдыхаемых
аэрозолей, как радионуклидный состав, дисперсность, растворимость,
зависящая от типа химического соединения при ингаляции, а для
радиоактивных газо-аэрозольных смесей – дополнительно от их фазового
состава (соотношения газ-аэрозоль).
Фазовый и дисперсный состав газо-аэрозольных смесей зависит от ряда
внешних факторов: температуры и влажности окружающей среды, летучести
вещества и т.д. К газо-аэрозольным смесям относятся летучие соединения
радиоактивных изотопов различных химических элементов, в том числе
йода, рутения, урана и других. Для оценки ингаляционного поступления
газо-аэрозольной смеси необходимо раздельное определение активности
газовой и аэрозольной фракций.
Например, ряд технологических операций при регенерации нитридного
топлива, разрабатываемого в рамках формирования новой технологической
платформы атомной энергетики на основе замкнутого топливного цикла с
реакторными
установками
на
быстрых
нейтронах,
сопровождается
9
интенсивным выделением газовой и аэрозольной фракций рутения [14]. Для
обеспечения радиационной безопасности персонала, а также для соблюдения
требований
по
ограничению
выбросов
в
атмосферу
необходим
радиационный контроль объемной активности газовой и аэрозольной
составляющих газо-аэрозольной смеси рутения, как в рабочих помещениях,
так и после систем очистки. Достоверные результаты могут быть получены в
результате анализа дисперсного и фазового состава газо-аэрозольной смеси в
воздухе.
Следует отметить, что изотопы рутения (103Ru,
106
Ru), также как
изотопы йода, способны проникать через дефекты в защитных оболочках
ядерно-энергетических установок в условиях штатной работы и в случае
аварий, при этом в выбросах находятся в аэрозольном и газообразном
состоянии [11]. Таким образом, изучение поведения изотопов рутения в
воздушной среде и оценка их ингаляционного поступления представляют
отдельную исследовательскую задачу, имеющую самостоятельное значение в
области радиационной безопасности.
Одним
из
основных
факторов,
определяющих
ингаляционное
поступление и осаждение частиц радиоактивного аэрозоля в различных
отделах дыхательного тракта, является размер этих частиц. Однако
непосредственное измерение распределения активности аэрозольных частиц
по отделам дыхательного тракта, особенно для случая альфа-излучающих
радионуклидов, невозможно. Поэтому для оценки распределения частиц
используют фантомы, в той или иной степени имитирующие дыхательный
тракт, или расчетные модели, позволяющие на основании предварительно
полученных экспериментальных данных о дисперсности аэрозольных частиц
оценить ингаляционное поступление и рассчитать дозу внутреннего
облучения.
Применение существующих устройств, моделирующих осаждение
частиц
в респираторном
тракте, ввиду их
технической
сложности
10
представляется весьма трудоемким для проведения оперативной оценки
ингаляционного поступления радиоактивных аэрозолей в организм лиц из
персонала в штатных условиях работы предприятия, а также персонала и
населения в случае радиационной аварии.
До сих пор при анализе последствий радиационных аварий и
ретроспективной оценке доз внутреннего облучения персонала и населения
исследователи вынуждены использовать предположения о дисперсности
аэрозольной фракции и соотношении газовой и аэрозольной составляющих,
поскольку отсутствуют мобильные устройства, позволяющие оперативно
получить важные экспериментальные данные об основных характеристиках
ингаляционного поступления. Велика востребованность данных устройств и
для контроля ингаляционного поступления на предприятиях ядерного
топливно-энергетического цикла в условиях их штатной работы.
Таким образом, изложенное выше определяет актуальность решения
важной научной задачи – повышение оперативности и достоверности оценки
дозы
внутреннего
облучения
лиц
из
персонала
и
населения
при
ингаляционном поступлении радиоактивных газо-аэрозольных смесей в
разных
ситуациях
облучения
(в
том
числе
–
аварийных)
путем
экспериментального определения дисперсности аэрозольных частиц и
активности газовой и аэрозольной составляющих с помощью специально
разработанных аппаратурно-методических комплексов.
ЦЕЛЬЮ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ являлась:
Разработка аппаратурно-методического комплекса для оперативной
оценки ингаляционного поступления радиоактивных газо-аэрозольных
смесей на основе раздельного анализа фазового и дисперсного состава смеси
и экспериментального определения объемной активности:
 аэрозольной фракции с учетом фактического распределения активности
аэрозольных частиц по отделам дыхательного тракта и
 газовой фракции путем ее преобразования в аэрозольную фракцию.
11
В соответствии со сформулированной целью диссертации основными
ЗАДАЧАМИ РАБОТЫ являлись:
1. Разработка
устройства,
моделирующего
фракционное
осаждение
аэрозолей в дыхательном тракте человека в соответствии с Публикацией
66 МКРЗ, позволяющего проводить оперативную оценку распределения
активности аэрозольных частиц по отделам дыхательного тракта.
2. Разработка
метода
преобразования
газовой
составляющей
газо-
аэрозольной смеси в аэрозольную фракцию для раздельного измерения
активности газовой и аэрозольной составляющей этой смеси с учетом
дисперсного состава.
3. Разработка устройства для реализации метода преобразования газовой
составляющей газо-аэрозольной смеси в аэрозольную фракцию с
одновременным определением дисперсности, позволяющего повысить
достоверность оперативной оценки дозы внутреннего облучения при
ингаляционном поступлении радиоактивных газо-аэрозольных смесей.
4. Разработка
алгоритма
оценки
ингаляционного
поступления
по
результатам анализа фазового и дисперсного состава радиоактивных газоаэрозольных смесей.
Научная новизна
1. Разработано
устройство
(импактор-фантом
респираторного
тракта
человека), моделирующее фракционное осаждение аэрозолей в отделах
дыхательного тракта человека, позволившее проводить оперативную
оценку распределения активности аэрозольных частиц по отделам
дыхательного тракта. Новизна подтверждена патентом.
2. Впервые разработаны метод преобразования газовой составляющей газоаэрозольной смеси в аэрозольную фракцию и устройство для реализации
данного метода, позволяющее обеспечить одновременное определение
дисперсного
и
фазового
состава
(соотношение
газ-аэрозоль)
радиоактивных газо-аэрозольных смесей, что приводит к снижению
12
неопределенности при оцнке дозы внутреннего облучения. Новизна
подтверждена патентом.
3. Показано, что эффективность преобразования газовой фракции в
аэрозольную зависит от подбора оптимального реагента. Установлено, что
в
качестве
реагента для
преобразования
газовой
фракции
газо-
аэрозольных смесей, содержащих рутений, в аэрозольную фракцию может
быть применен этанол.
Практическая значимость диссертационной работы
1. Разработан
образец
действующего
устройства,
моделирующего
фракционное осаждение аэрозолей в отделах дыхательного тракта.
Применение устройства на участке технологической цепочки завода ПО
«Маяк» позволило устранить систематическое завышение оценки дозы
внутреннего облучения для лиц из персонала в 1,4 раза.
2. Разработан
метод
преобразования
газовой
составляющей
газо-
аэрозольных смесей в аэрозольную фракцию, позволяющий снизить
неопределенность
при
оценке
дозы
внутреннего
облучения
при
ингаляционном поступлении радиоактивных газо-аэрозольных смесей.
Метод отработан на примере газо-аэрозольных смесей рутения.
3. Разработан алгоритм оперативной оценки ингаляционного поступления по
результатам анализа фазового и дисперсного состава радиоактивных газоаэрозольных смесей и программное обеспечение для его реализации.
4. Разработанный аппаратурно-методический комплекс может применяться
для раздельного контроля объемной активности аэрозольной и газовой
фракций радиоактивных газо-аэрозольных смесей при штатной работе
предприятий, а также для верификации параметров моделей по оценке доз
населения при ингаляционном поступлении радионуклидов в результате
радиационных аварий.
5. Разработанные устройства могут использоваться в качестве средств
оперативного радиационного контроля воздушной среды, а также для
13
оценки эффективности работы пылеулавливающего оборудования и
средств индивидуальной защиты органов дыхания.
Положения, выносимые на защиту
1. Переносное
устройство,
моделирующее
фракционное
осаждение
аэрозолей в отделах дыхательного тракта, позволяющее проводить
оперативную оценку ингаляционного поступления и распределения
активности аэрозольных частиц по отделам дыхательного тракта.
2. Метод преобразования газовой составляющей газо-аэрозольных смесей в
аэрозольную фракцию с одновременным контролем дисперсности для
раздельного определения объемной активности газовой и аэрозольной
составляющей этой смеси.
3. Устройство для реализации метода преобразования газовой составляющей
газо-аэрозольных смесей в аэрозольную фракцию с одновременным
контролем
дисперсности,
позволяющее
повысить
достоверность
оперативной оценки дозы внутреннего облучения при ингаляционном
поступлении радиоактивных газо-аэрозольных смесей.
Объем и структура работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, одного
приложения и списка литературы. Работа изложена на 194 страницах
машинописного текста и содержит 71 рисунок и 26 таблиц. Список
литературы включает 109 библиографических ссылок, в том числе 53 - в
отечественных изданиях и 56 – в зарубежных.
Публикации
1. Цовьянов А.Г., Крамер-Агеев Е.А., Фертман Д.Е., Ризин А.И., Карев А.Е.,
Мартынюк
Ю.Н.
«Моделирование
и
разработка
импактора-
фантома респираторного тракта человека», АНРИ, №3 (74), 2013 C. 52 –
60 (РИНЦ)
14
2. Ризин А.И., Фертман Д.Е., Цовьянов А.Г, Карев А.Е. «Радиационный
контроль аэрозолей в субмикронном диапазоне, включая наноаэрозоли.
Прогноз развития», Ядерные измерительно-информационные технологии,
№2 (46), 2013 C.44 – 55 (РИНЦ)
3. Цовьянов А.Г., Карев А.Е. «Метод и устройство для измерения объемной
активности
газовой
и
аэрозольной
фракций
радиоактивных
аэродисперсных систем», Саратовский научно-медицинский журнал.
2013. Т. 9, № 4. С. 821–824.
4. Патент RU 2480730 «Устройство для измерения дисперсности и контроля
объемной активности газовой и аэрозольной фракции радиоактивного
рутения» от 27.04.13, авторы: Цовьянов А.Г., Карев А.Е., Ризин А.И.,
Фертман Д.Е., Камарицкая О.И.
5. Патент RU 2509375 «Импактор-фантом респираторного тракта человека»
от 10.03.2014, авторы: Цовьянов А.Г., Кухта Б.А., Карев А.Е.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и
обсуждались на следующих научных конференциях и симпозиумах:
Научная сессия НИЯУ МИФИ- 2012, 2013 (г. Москва, 2012, 2013),
IV Научно-практическая конференция «Актуальные вопросы обеспечения
радиационной безопасности на современном этапе» (г. Санкт-Петербург,
2012),
восьмая
Всероссийская
конференция
«Проблемы
обеспечения
взрывобезопасности и противодействия терроризму» (г. Санкт-Петербург,
2013), конференция «Девятые Петряновские чтения» (НИФХИ им.Карпова, г.
Москва, 2013), Международная конференция и выставка технологий
фильтрации и сепарации FILTECH (г. Висбаден, Германия, 2013).
В материалах и трудах научных конференций опубликовано 6 работ:
1. А.Г. Цовьянов, А.Е. Карев «Разработка аппаратурно-методического
комплекса для контроля ингаляционного поступления радиоактивных
аэрозолей» // Сборник тезисов докладов девятой международной научно-
15
технической конференции «Безопасность, эффективность и экономика
атомной энергетики», с.170 (Москва, 21–23 мая 2014 года)
2. А.Г. Цовьянов, А.Е. Карев, А.И. Ризин, Д.Е. Фертман «Разработка метода
преобразования радиоактивных газоаэрозольных смесей в дисперсную
фазу и устройство для его реализации» // Проблемы обеспечения
взрывобезопасности и противодействия терроризму. Труды Восьмой
Всероссийской научно-практической конференции / Научные редакторы
В.А. Петров, М.В. Сильников. СПб.: Любавич, 2013. с.120
3. A.G. Tsovyanov, A.E. Karev, E.A. Kramer-Ageev «Instrumental and
methodological complex for monitoring inhalation intake radioactive aerosols»
// FILTECH 2013 p.61, Wiesbaden, Germany, 22-24 October 2013.
4. Ризин А.И., Фертман Д.Е., Цовьянов А.Г., Карев А.Е. «К вопросу об
особенностях радиационного контроля ультрадисперсного аэрозоля» //
Сборник тезисов докладов конференции «Девятые Петряновские чтения»
c.16 (НИФХИ им.Карпова, 18-20 июня 2013, г.Москва)
5. Карев А.Е., Цовьянов А.Г., Моделирование осаждения аэрозольных
частиц в импакторной модели фантома респираторного тракта человека //
Научная сессия НИЯУ МИФИ- 2012, Аннотация докладов Т.1 (г. Москва)
6. Карев А.Е., Цовьянов А.Г., Ризин А.И., Фертман Д.Е. Устройство для
измерения дисперсности и объемной активности аэрозольной и газовой
фракций радиоактивного рутения // Научная сессия НИЯУ МИФИ- 2012,
Аннотация докладов Т.1 (г. Москва)
Личное участие автора в получении результатов исследований,
изложенных в диссертации, выразилось в следующем:
1. Проведен
анализ
математической
модели
респираторного
тракта
(Публикация 66 МКРЗ) с целью определения требований к конструкции
импактора-фантома респираторного тракта человека.
2. Рассчитаны параметры импактора-фантома и проведено численное
моделирование
осаждения
аэрозольных
частиц
на
коллекторных
16
пластинах каскадных элементов устройства для определения соответствия
расчитанных параметров
конструкции требованиям, предъявляемым к
характеристикам пробоотбора.
3. Проведено экспериментальное исследование характеристик импакторафантома, проведена верификация численной модели путем сопоставления
экспериментальных данных и результатов численного моделирования по
эффективности осаждения частиц на коллекторных пластинах каскадных
элементов импактора-фантома.
4. Разработан
метод
преобразования
газовой
составляющей
газо-
аэрозольных смесей в аэрозольную фракцию с одновременным контролем
дисперсности. Осуществлен подбор оптимального реагента, выполнен
расчет необходимого количества реагента в случае пробоотбора газоаэрозольных смесей радиоактивного рутения.
5. Рассчитаны
параметры,
проведено
численное
моделирование
и
экспериментальное исследование конструкции устройства для реализации
метода преобразования газовой составляющей газо-аэрозольных смесей в
аэрозольную фракцию с одновременным контролем дисперсности.
6. Разработан алгоритм оперативной оценки ингаляционного поступления по
результатам анализа фазового и дисперсного состава радиоактивных газоаэрозольных смесей и программное обеспечение для его реализации.
Достоверность
научных
положений
и
выводов
обеспечена
использованием современных экспериментальных методов исследований, а
также обеспечена подтверждением ряда полученных результатов данными,
известными из литературы.
17
Глава 1.Физика аэрозолей и газо-аэрозольных смесей
Для
оценки
дозы
внутреннего
облучения
при
ингаляционном
поступлении радиоактивных аэрозолей в человеческий организм широко
применяются
косвенные
методы.
Данные
методы
основаны
на
предварительном отборе проб аэрозолей и последующем расчете дозы. При
этом корректность дозовых оценок во многом зависит от наличия
информации о физико-химических характеристиках аэрозолей, и в частности
- дисперсности частиц. Это обусловлено тем, что в зависимости от
распределения размеров частиц радиоактивного аэрозоля изменяется доля
активности аэрозольных частиц, которая задерживается в различных отделах
дыхательного тракта, что, в свою очередь, влияет на значение формируемой
дозы внутреннего облучения.
Определение
осуществлено
с
дисперсности
помощью
аэрозольных
импакторов
-
частиц
может
измерительных
быть
устройств,
использующих проявление инерционных свойств частиц в неоднородном
поле скоростей газа [40]. Типичный импактор представляет собой прибор, в
корпусе которого последовательно расположены сопла с установленными
напротив них плоскими поверхностями (коллекторными пластинами).
Частицы,
обладающие
инерцией,
сепарируются
за
счет
соударения
(импакции) с поверхностью коллекторной пластины. Диаметр сопел
уменьшается по ходу потока аэрозоля, а линейная скорость струи
увеличивается,
в
результате
чего
на
каждой
следующей
ступени
улавливаются все более мелкие частицы. Значения измеренной массы или
активности (в случае радиоактивных аэрозолей) позволяют построить
гистограммы и восстановить соответствующие кривые распределения
аэрозольных частиц по размерам .
Теоретические и экспериментальные исследования импакторов имеют
многолетнюю историю [82]. Теоретические исследования в основном
18
сводятся к моделированию течения несущей среды и нахождению
предельной траектории, разделяющей потоки импактируемых и проходящих
на следующий каскад частиц [60, 83, 93]. При этом множество различных
факторов, влияющих на эффективность осаждения частиц (расстояние между
срезом сопла и коллекторной плоскостью, формой сопла, чисел Рейнольдса
для сопла и частицы), сильно затрудняет расчеты. Выходом из этой ситуации
может быть применение методов вычислительной гидродинамики (CFD),
которые основаны на численном решении уравнений гидрогазодинамики.
Данные уравнения являются системой нелинейных дифференциальных
уравнений второго порядка и имеют аналитическое решение лишь в очень
простых случаях.
Хотя численные методы решения дифференциальных уравнений в
частных производных разрабатывались ещѐ в начале XX века, интенсивное
развитие CFD-технологий началось с появлением высокопроизводительных
компьютеров, которые стали доступны по цене большинству пользователей в
70-х годах, в это время началось бурное развитие коммерческих программ
вычислительной
гидродинамики. Эти
программы
используются
для
моделирования полей течений сплошных сред и позволяют вычислить
расчетную эффективность улавливания аэрозольных частиц на инерционных
каскадах импактора с учетом вклада различных факторов.
1.1 Краткая информация об основных дозообразующих нуклидах на
радиационных объектах разного типа
1.1.1 Радиохимические и химико-металлургические заводы
Урановый концентрат с обогатительных заводов поступает на
радиохимические и химико-металлургические заводы, целью которых
является дальнейшая очистка U от посторонних примесей, и прежде всего от
химических элементов, имеющих большие сечения захвата тепловых и
резонансных нейтронов. Таковыми являются B, Dy, Cd, Eu, Sm, Gd и
некоторые другие [17]. Основными радиационно-опасными факторами здесь
19
являются β- и тормозное излучение
234
Th,
234m
234
Pa и
Pa, а также α-
излучающие радионуклиды 238U, 234U и 230Th.
Далее процесс идет по двум направлениям в зависимости от
поставленной цели.
Первое направление – изготовление урановых блочков на основе
235
естественного содержания U, не обогащенного
направляются
на
промышленные
реакторы
с
U.
Эти изделия
целью
получения
искусственных делящихся материалов 239Pu или 233U.
Второе направление – изготовление твэлов, обогащенных
235
U,
необходимых для энергетических реакторов. Для этого конечный продукт
данных заводов направляют на разделительные установки.
1.1.2 Сублиматные заводы
Сублиматные заводы предназначены для получения гексафторида урана
(UF6). Технология получения UF6 основана на фторировании оксидов урана
и превращении их в тетрафторид урана, который при повторном
фторировании превращается в UF6 :
UO2 (тверд) + 4HF (газ) _550оС_ UF4 (тверд.) + 2Н2 О (пар)
UF4 (тверд.) + F2 (газ) >_250оС_ UF6
Радиационная обстановка на сублиматном заводе, в первую очередь,
определяется наличием примеси 239Pu [4].
1.1.3 Характеристика газоаэрозольных выбросов АЭС
В процессе эксплуатации АЭС происходит наработка продуктов
деления в топливе. В реакторах большой мощности ежесуточно образуется
несколько килограммов продуктов деления. При этом основная активность
продуктов деления обусловлена короткоживущими осколками ядер. Первым
защитным барьером, удерживающим эти продукты в топливе, являются
оболочка твэла. Вследствие возможной разгерметизации оболочек твэлов
20
продукты деления могут проникать в теплоноситель. Это относится к
газообразным элементам, таким, как Хе, Кr, а также к летучим - I, Ru и др.
Источником радиоактивности в реакторах является наведенная
радиоактивность. Основными продуктами активации теплоносителя и
содержащихся в нем примесей являются радионуклиды таких элементов, как:
Ne, Ar, F, Cl, Na, K, Mn, Co, Fe, Cu, Zn, Ag, 3H, C и др. Все они находятся в
замкнутом герметичном контуре, включающем в себя бак реактора, насосы,
теплообменное оборудование и трубопроводы. Указанное оборудование
является вторым защитным барьером на пути проникновения радиоактивных
веществ в окружающую среду. Протечки теплоносителя могут стать
потенциальным источником радиационной опасности.
Другая часть наведенной радиоактивности - радиоактивные вещества,
образующиеся за счет активации теплоносителя вне первого контура
реактора. К ним относят, например, радиоактивные отходы, получающиеся в
результате активации теплоносителя, охлаждающего графитовую кладку
активной зоны или биологическую защиту.
Третий и четвертый защитные барьеры на пути проникновения
радиоактивных веществ во внешнюю среду - это производственные
помещения первого контура: герметичные боксы и защитная оболочка
реактора с обслуживающими их защитными системами.
В процессе эксплуатации АЭС образующиеся в первом контуре
реактора газы выводятся из контура (либо утечкой теплоносителя, либо
организованной продувкой) на очистку. По ходу они взаимодействует с
конструкционными материалами, участвуют в радиационно-химических
реакциях с теплоносителем и друг с другом, поглощаются ионитовыми
фильтрами, диффундируют через металлические поверхности и т.д.
Основные источники газообразных отходов - система байпасной
очистки теплоносителя первого контура (АЭС с реакторами типа ВВЭР) и
эжектор конденсатора турбины (АЭС с реакторами типа РБМК). Характер
21
газообразных радиоактивных выбросов зависит от типа реактора и системы
обращения с этими отходами: радиоактивные благородные газы (РБГ)
(радионуклиды Kr, Xe), пары 3Н в газообразной форме, активационные газы
(41Ar,
14
C,
13
N,
16
N), галогены и радиоактивные вещества в твердой форме
(продукты деления и активации). В таблице 1 представлен состав
газоаэрозольных выбросов АЭС на базе ВВЭР-100.
Таблица 1 Состав газоаэрозольных выбросов АЭС на базе ВВЭР-1000
Радионуклиды T1/2
Вклад, %
РБГ
Радионуклиды T1/2
Вклад, %
Продукты деления
41
Ar
1,83 час
0,2
89
Sr
50,5 дн
85
Kr
10,7 года
6,0
90
Sr
28,5 года 10-5
85m
4,48 час
5,4
95
Zr
64 дн
1,3 х 10-4
88
76,3 мин
1,0
131
8,04 дн
9 х 10-4
4,2 х 10-4
Kr
Kr
I
10-5
133
Xe
5,2 дн.
72
133
6,6 час
135
Xe
9 час
13
137
30,2 года 5,2 х 10-4
I
Сs
Продукты активации
51
Cr
27,7 дн.
4 х 10-4
54
Mn
312 дн.
5 х 10-4
60
Co
3,3 года
1,5 х 10-4
250 дн.
8,6 х 10-5
110m
Ag
Радионуклиды иода. При реакции деления, а также при распаде
продуктов деления образуется несколько радионуклидов иода. Наибольший
вклад в дозу облучения дают нуклиды с массовыми числами 129, 131, 132,
133, 134 и 135. Для всех из них за исключением 129I в активной зоне реактора
достаточно быстро устанавливается равновесное состояние. Попасть в
окружающую среду радионуклиды иода могут только при разгерметизации
оболочки твэла и первого контура.
22
Как источник облучения наиболее важным нуклидом иода является 131I,
который может существовать либо в аэрозольной, либо в газовой форме.
Соотношение этих форм зависит от многих факторов и различно для разных
АЭС, более того, оно может меняться по пути доставки отходов к сбросным
устройствам. В отходах
131
I представлен молекулярным иодом и иодом в
органических соединениях, главным образом в виде иодистого метила СН3I.
Выбросы
131
I из реактора РБМК существенно ниже, чем из ВВЭР. Это
объясняется тем, что у данного реактора отмечается пониженный выход иода
из негерметичных твэлов в теплоноситель.
Аэрозоли. Часть продуктов деления, продукты распада РБГ и нуклиды
с наведенной активностью образуют аэрозоли, которые с воздушными
потоками могут поступать во внешнюю среду. Количество таких аэрозолей
зависит от типа реактора, его мощности, эффективности систем газоочистки,
водоочистки и ограничивающих барьеров, продолжительности эксплуатации
и т.п.
В составе аэрозолей, выбрасываемых из АЭС с реактором ВВЭР,
идентифицируют несколько десятков радионуклидов. Наиболее типичные из
них:
22,24
131
I,
89,90,91
Sr,
103
Ru,
137
Cs,
141,144
Ce,
51
Cr,
54,55
Mn,
59
Fe,
58,60
Co,
95
Zr,
110m
Ag,
Na, 88Rb, 99Mo и др.
Аэрозоли, образующиеся в результате эксплуатации РБМК, в газовых
выбросах АЭС появляются после разгерметизации оболочки твэла. Их доля
в общей смеси долгоживущих радионуклидов колеблется в широких
пределах (10-80% общей активности) и зависит от состояния активной зоны.
1.2 Распределения аэрозольных частиц по размерам
Аэрозоли представляют собой двухфазную среду, в которой газ
относится к несущей фазе, а аэрозольные частицы - к жидкой или твердой
дисперсной фазе. Теоретические основы механики аэрозолей развиты в
книгах таких авторов, как Фукс Н.А. [48], Райст П. [40], Hinds W.C. [66].
23
В зависимости от размера частиц, аэрозоли условно подразделяют на
высокодисперсные (менее 0,1 мкм), грубодисперсные (более 10 мкм) и с
промежуточной дисперсностью (0,1-10 мкм).
Монодисперсные аэрозоли, состоящие из частиц одинакового размера,
встречаются в природе очень редко, и когда они образуются, то существуют
в течение короткого промежутка времени.
Аэрозоли, состоящие из частиц различных размеров, называются
полидисперсными. Как правило, в природе и в промышленности встречаются
только полидисперсные системы. Ввиду того, что физико-химические
свойства аэрозоля сильно зависят от размера частиц, нахождение функции
распределения частиц по размерам является важнейшей задачей науки об
аэрозолях [11].
Наиболее простая характеристика группы частиц с различными
диаметрами – это сумма диаметров всех частиц, деленная на их полное число
[5]:
̅
∑
∑
(1)
Где
̅ – средний диаметр частиц
di– диаметр i-й группы частиц;
ni – число частиц с диаметром di.
Более точно распределение частиц по размерам можно представить в
виде гистограммы – зависимости количества частиц в i-м интервале ni,
отнесенного к длине этого интервала - Δxi, от аэродинамического диаметра
частиц.
Гистограмма
прямоугольников
представляет
(Рисунок
1).
собой
Площадь
совокупность
каждого
смежных
прямоугольника
пропорциональна числу частиц, размеры которых попадают в данный
интервал.
24
Рисунок 1 Гистограмма распределения аэрозольных частиц по размерам
Если интервалы размеров частиц Δхi становятся очень малыми, то
гистограмма будет приближаться к плавной кривой, которая может быть
аппроксимирована некоторой функциональной зависимостью. Существует
достаточно много эмпирических и полуэмпирических распределений,
описывающих как природные, так и искусственные аэродисперсные системы.
Нормальное
распределение
(распределение
Гаусса)
аэрозольных
частиц по размерам встречается в природе редко (например, аэрозоль,
состоящий из спор некоторых растений). Распределением Гаусса хорошо
аппроксимируется спектр размеров частиц, образующихся в некоторых
генераторах
монодисперсных
аэрозолей,
которые
используют
для
калибровки аэрозольных приборов и при испытаниях фильтров. Понятие
«монодисперсные аэрозоли» весьма условно: размеры таких частиц
подчинены нормальному распределению с малым стандартным отклонением.
Нормальное распределение имеет вид [11]:
( )
∫
(
̅)
√
Где
r – случайная величина;
̅ – средний арифметический радиус частиц;
( )
25
ζ2 – дисперсия.
Логарифмически-нормальное распределение (ЛНР) часто используют
при описании спектра размеров частиц как дисперсионного, так и
конденсационного происхождения. В опубликованной в 1940 г. работе Н. К.
Разумовского указано много случаев, в которых логарифмы размеров частиц
(золотин в золотоносных россыпях,
частицы горных пород при их
дроблении и т.п.) имеют примерно нормальное (гауссовское) распределение
[11]. На эту работу обратил внимание А. Н. Колмогоров, который предложил
математическую
модель
процесса
дробления
частиц,
аналитически
объясняющую возникновение логнормального распределения размеров
частиц при дроблении, а также содержания минералов в отдельных пробах
[21]. Он предположил, что вероятность дробления не зависит от размера, и
показал, что спектр размеров частиц стремится к ЛНР.
Плотность ЛНР имеет вид:
(
( )
)
( )
√
где rg – средний геометрический радиус, βg – геометрическое стандартное
отклонение. Значения этих величин можно найти из анализа данных
эксперимента, представленных в виде гистограммы распределения по
размерам [11]:
∑
( )
∑
∑
.
(
∑
)
/
( )
Типичный график плотности распределения ЛНР представлен на
рисунке 2.
В отличие от распределения Гаусса, график плотности логарифмически
нормального распределения ассиметричен. Отложив по оси абсцисс не
26
значения радиусов, а их логарифмы, можно получить симметричный
«колокол»,
аналогичный
плотности
нормального
распределения.
Полуширина такого «колокола» равна lnσ. Это означает, что размеры
примерно 66,7 % всех частиц попадают в интервал от rg/lnβg до rglnβg.
Рисунок
2
Плотность
логарифмически
нормального
распределения
(медианный радиус rm= 5 мкм, геометрическое стандартное отклонение βg =
2,5)
Однако, несмотря на применимость логарифмически-нормального
распределения к различным аэрозолям, оно выполняется не всегда;
результат Колмогорова справедлив при довольно строгих ограничениях. В
частности,
в
рамках
модели
Колмогорова
для
логнормальности
распределения частиц при дроблении необходимо, чтобы скорость
дробления (уменьшения размеров частиц) была постоянной, т. е. не
зависела от размеров дробящихся частиц. В то же время c уменьшением
размера частицы интенсивность ее соударений с другими частицами или
деталями дробильного агрегата может изменяться, например, уменьшаться в
силу
того,
что
вероятность
столкновения
с
другими
частицами
пропорциональна размерам частицы, и чем частица меньше, тем меньше и
эта вероятность [18]. На это обстоятельство обратил внимание сам
Колмогоров [21]. Кроме того из-за сложности аналитического выражения
27
ЛНР использование его не во всех случаях удобно в теоретических
расчетах [48].
Некоторые
промышленные
пыли
описываются
эмпирическими
распределениями, имеющими узкоспециальное применение [23].
Формула Роллера, применимая к промышленным порошкообразным
материалам с различной дисперсностью:
G(r) = γ∙r1/2exp(-s/r)
(6)
где G(r) – интегральная функция весового распределения частиц, γ, s –
некоторые параметры.
Формула Разина—Раммлера для грубодисперсной пыли и туманов,
полученных механическим распылением:
G(r) = exp (-γ∙rs)
(7)
где G(r) – интегральная функция весового распределения частиц, γ, s –
некоторые параметры.
Формула Нукиямы и Танасавы для капель тумана:
f(r) = γ∙r2exp(-crs)
(8)
В этих формулах: G(r) – интегральная функция весового распределения
частиц, γ, c, s – некоторые параметры.
Однако,
описывая
с
достаточной
точностью
распределение
конкретных аэрозольных частиц в определенном диапазоне размеров, ни
одна из этих формул не имеет общего значения.
Многочисленные исследования естественных аэрозолей, выполненные
различными авторами в различных странах [3, 55, 58], показали, что в
области r > 0,1 мкм распределение числа аэрозольных частиц по размерам
хорошо
аппроксимируется
степенным
законом,
известным
как
распределение Юнге.
Плотность распределения Юнге равна:
f(r) = -C0∙r-ν
(9)
28
где С0 – постоянный коэффициент, определяемый из условий
нормировки распределения и зависящий от средней концентрации частиц, а ν
— показатель степени, изменяющийся, как правило, от 3 до 6 для различных
условий измерения и размерных диапазонов. Распределение Юнге широко
используются при изучении атмосферных аэрозолей.
1.3 Обзор работ, посвященных анализу дисперсного состава
радиоактивных аэрозолей на предприятиях ЯТЦ
Как уже отмечалось ранее, дисперсный состав является важнейшей
характеристикой аэрозолей, определяющей их свойства и поведение. На
первичный дисперсный состав прежде всего влияет способ образования
аэрозолей и состав исходного вещества.
В зависимости от дисперсности частиц и типа химического соединения
при
ингаляции
рассчитываются
дозовые
коэффициенты
внутреннего
облучения ε, представляющие собой константы с размерностью Зв/Бк, то есть
дозы от поступления единичной объемной активности. Согласно данным,
приведенным в Публикации 68 МКРЗ [68] дозовый коэффициент может
существенно изменяться в зависимости от значения АМАД радиоактивного
аэрозоля.
В НРБ-99/2009 [31] приведены дозовые коэффициенты внутреннего
облучения, рассчитанные для аэрозолей с АМАД, равным 1 мкм, и
стандартным геометрическим отклонением βg = 2,5. В расчетах использована
модель органов дыхания, рекомендованная Публикацией 66 МКРЗ [67].
Однако по опубликованным данным различных авторов на практике спектр
размеров аэрозольных частиц может быть иным [11, 32, 61].
В работе Огородникова Б.И. показано, что дисперсный состав
радиоактивных аэрозолей на рабочих местах персонала предприятий,
связанных с переработкой радиоактивных материалов, характеризуется в
основном значением АМАД, равным 5 мкм [32]. В ряде исследований на
плутониевых
предприятиях
[25,
54]
были
выявлены
бимодальные
29
распределения аэрозольных частиц по размерам. Значительная вариация
АМАД (от 0,2 до 8 мкм) аэрозолей альфа- и бета- излучающих нуклидов
наблюдалась в приземном слое воздуха в районе Чернобыльской АЭС после
аварии 1986 г. [12].
В зарубежном обзоре [61] обработаны 160 измерений АМАД,
выполненных в течение более 30 лет на урановых рудниках, на предприятиях
по обогащению топлива, по изготовлению тепловыделяющих элементов, по
переработке и хранению радиоактивных отходов. В этот период была
исследована дисперсность аэрозолей на АЭС, исследовательских реакторах,
хранилищах отработанного топлива и др. Результаты исследований сведены
в таблицу 2.
Следует отметить, что на предприятиях атомной энергетики среднее
значение АМАД составляло около 4 мкм, а на урановых предприятиях оно
может быть и больше.
Таблица 2 Дисперсность радиоактивных аэрозолей в различных отраслях
атомной промышленности [61]
Отрасль
Количество Диапазон
измерений АМАД,
мкм
рабочие 160
0,12 .. 25
Все
места
АЭС
39
Урановая
13
промышленность
Производство
57
ядерного
топлива
Медиана
распределения
АМАД, мкм
4,4
Геометрическое
стандартное
отклонение
1,8
3,9
6,8
1,4
2,4
.. 3,8
1,8
0,28 .. 7,2
0,5 .. 16
0,34
16,5
Отличие фактического значения АМАД от значения 1 мкм ведет к
появлению ошибки при расчете дозы, иногда приводящей как к ее
завышению, так и занижению на 50% . В пределах двух порядков изменения
величины АМАД величина дозового коэффициента изменяется: для α-
30
излучающих нуклидов в 2–3 раза, а для γ-излучающих нуклидов в 1,5–2 раза
(рисунок 3).
Рисунок 3 Зависимость значений дозового коэффициента некоторых
радионуклидов от АМАД
В случае, если дисперсность радиоактивных аэрозолей на рабочих
местах неизвестна, Публикация 66 МКРЗ рекомендует исходить из значения
АМАД = 5 мкм [67].
1.4 Методы и устройства для оценки дисперсного состава аэрозолей
В зависимости от размеров частиц, их формы, фазового состояния,
концентрации и других характеристик в настоящее время используется
целый ряд методов анализа дисперсного состава аэрозолей. Все эти методы
можно разделить на следующие группы [5].
- Измерение размеров индивидуальных частиц (микроскопический анализ).
- Механическое разделение частиц (ситовой анализ).
- Методы седиментации (седиментометрия), основанные на осаждении
частиц под действием силы тяжести или в поле центробежных сил.
31
- Косвенные методы, основанные, на измерении зависящих от размера частиц
оптических, электрических и других характеристик аэрозольных систем
(фотометрия, кондуктометрия и т.д.).
- Методы определения удельной поверхности частиц.
Универсального метода определения дисперсности во всем диапазоне
размеров частиц аэрозоля (от нескольких нм до нескольких десятков мкм) не
существует. К прямым методам определения размеров частиц относятся
оптическая и электронная микроскопия — весьма трудоемкие методы,
используемые, как правило, лишь при детальном исследований структур
частиц. В основе всех косвенных методов анализа лежит интегральное
уравнение Фредгольма I рода [11]:
( ⃗)
∫ (⃗ ) ( )
(
)
где ( )- плотность распределения частиц по размерам; ( ⃗ ) - функция
отклика (ядро уравнения); ( ⃗) - измеряемая с некоторой погрешностью
величина; ⃗ – совокупность параметров; r – радиус частиц.
Общим для всех методов является однозначная зависимость функции
отклика от размера частиц, причем, чем сильнее зависимость, тем лучше
метод может быть реализован практически.
Известны методы, основанные на искусственной зарядке частиц и
измерении их подвижности в электрическом поле [101]. Фотоэлектрические
методы основаны на регистрации излучения, отраженного от частицы. Их
недостаток состоит в том, что функция отклика зависит не только от размера
частицы, но и от показателя преломления (состоящего из рассеивающей и
поглощающей компонент) и угла наблюдения.
Поэтому при измерении
одинаковых размерных спектров аэрозолей латекса и сажи будут получены
разные результаты. Измеренный с помощью фотоэлектрических методов
размер
частицы
называется
оптическим
эквивалентным
диаметром
(радиусом) [10], и часто в силу вышеуказанных причин не соответствует
32
другим характеристикам размеров. Общий недостаток таких методов состоит
в том, что при измерениях невозможно разделить интересующие частицы и
аэрозольный фон. В связи с этим представляется логичным такое проведение
измерений,
когда
разделение
на
размерные
фракции
происходит
непосредственно в пробоотборном устройстве, после чего можно определить
химический (радионуклидный) состав каждой фракции. Этот принцип
присущ методам, основанным на диффузионном (диффузионные батареи) и
аэродинамическом разделении частиц вследствие их седиментации или
инерционном осаждении на препятствии. Наиболее распространенным
инерционным осадителем является импактор [11, 28].
Импакторы состоят из последовательно расположенных каскадов
(общее их число составляет обычно 5-6), на каждом из которых происходит
осаждение той или иной размерной фракции аэрозолей. В качестве
препятствия используют плоские поверхности, а в качестве заключительного
каскада устанавливают аэрозольный фильтр.
Отбирая пробы аэрозолей с помощью этих устройств и измеряя
активность проб на каскадах, получают гистограммы распределения
активности по аэродинамическим диаметрам частиц, а также параметры
этого распределения. Если распределение активности по размерам частиц
дисперсной фазы аэрозоля является логарифмически нормальным, то
основными
параметрами
аэродинамический
диаметр
являются
(АМАД)
и
активностный
медианный
геометрическое
стандартное
отклонение βg. АМАД – это значение аэродинамического диаметра частиц
дисперсной
фазы
радиоактивного
активности
указанного
аэрозоля
аэрозоля,
приходится
указывающее,
на
частицы,
что
50%
имеющие
аэродинамический диаметр меньше, чем АМАД, а 50% - на частицы,
имеющие
аэродинамический
диаметр
больше,
чем
АМАД
[28].
Геометрическое стандартное отклонение βg – мера разброса значений
аэродинамических диаметров частиц относительно значения АМАД. Зная эти
33
параметры (АМАД и βg), можно оценить распределение осаждающихся
аэрозольных частиц по отделам респираторного тракта человека (и
соответственно – провести оценку распределения дозы внутреннего
облучения по органам и тканям). Однако если распределение активности по
размерам частиц дисперсной фазы аэрозоля не является логарифмически
нормальным, то для оценки распределения дозы по органам и тканям
респираторного тракта человека возникает необходимость применения
устройства,
позволяющего
смоделировать
фракционное
осаждение
аэрозольных частиц в каждом из отделов респираторного тракта.
Описания различных типов импакторов и основы их расчета приведены
в работах Н.А. Фукса [63] и Марпла [84]. Каскадные импакторы эффективны
для исследований в размерном диапазоне 1...10 мкм, но некоторые
конструктивные доработки позволяют снизить минимальный размер до 0,4
мкм. В импакторах низкого давления возможен анализ частиц в диапазоне
0,03-0,7 мкм [108].
Для разделения аэрозоля по размерным фракциям объемная скорость
воздуха в импакторе должна быть фиксированной. Как правило, она
составляет несколько десятков л/мин. Для отборов проб с низким
содержанием дисперсных примесей используют импакторы с гораздо
большей производительностью (сотни л/мин), при этом вес и габариты таких
моделей существенно возрастают, а для обеспечения представительности
пробы применяют мощные побудители расхода. После окончания отбора
пробы импактор разбирают, и осадок, задержанный на каждом каскаде,
анализируют.
Использование
импакторов
аэрозольного
мониторинга
требует
для
выполнения
высокой
задач
квалификации
экспериментаторов.
Первый каскадный импактор сконструировал в 1945 г. К. Мей [85]. С
этого
времени
импакторы
получили
широкое
распространение
при
исследовании аэрозолей. Область размеров частиц, наиболее эффективно
34
улавливаемых импактором Мея, составляла 1 – 50 мкм, однако, он мог
улавливать и более крупные частицы. В импакторе Мея поток воздуха
изменял направление на 900 от каскада к каскаду, перед соплами которых
устанавливались предметные стекла для взятия проб аэрозолей. Диаметры
отверстий
сопел
последовательно
уменьшались,
что
способствовало
увеличению скорости прокачиваемого воздуха и, следовательно, увеличению
эффективности улавливания на предметные стекла более мелких частиц.
Отверстия в соплах импактора Мея изготавливались в форме щелей,
что обеспечивало отложение аэрозольных частиц на сборных пластинках в
виде пятна прямоугольной формы и облегчало тем самым их последующий
микроскопический анализ. Впоследствии импактор Мея модифицировался
рядом авторов [96, 97].
Из импакторов прямоточной конструкции следует отметить импактор
Бателли, теория которого подробно описана в работе Р.Митчела и
Дж.Пильчера [87]. Этот прибор состоит из шести последовательных
каскадов, каждый из которых представляет собой сопло и сборную
пластинку. Частицы, содержащиеся в потоке исследуемого воздуха,
наталкиваются на пластинку, находящуюся на его пути, если их инерция
достаточна для преодоления действия воздушного потока. Так как каждое
последующее сопло меньше предыдущего, то скорость воздушного потока и,
следовательно, частиц увеличивается от каскада к каскаду.
В исследованиях аэрозолей, проводимых в США, довольно большое
распространение получил четырех каскадный импактор Ландгрена [80]. В
этом импакторе
аэрозольные частицы собираются на поверхности
вращающихся сборных цилиндров, расположенных перед соплами каскадов.
Поверхность
цилиндра
покрывается
тонкой
пленкой
из
материала,
улавливающего частицы; обычно используется тефлоновая пленка, толщиной
около
0,025
мм. На выходе импактора после четвертого
каскада
устанавливается высокоэффективный фильтр из тефлона или стекловолокна.
35
Объемная скорость воздушного потока в импакторе может изменяться в
интервале значений от 0,014 до 0,14 м3/мин, за пределами которого при
объемной
скорости
ϑ
<
0,014
м3/мин
становится
существенным
гравитационный фактор, а при ϑ> 0,14 м3/мин – осаждение частиц на стенках
камеры.
В 1974 г. Агентство по защите окружающей среды CША приступило к
использованию виртуального импактора с вилообразным разделением
воздушного потока для пробоотбора аэрозольных частиц на сети станций.
Этот импактор, подробное описание которого приводится Т. Дзюбеем и Р.
Стивенсоном [62, 78, 100], сконструирован с учетом разделения аэрозолей по
степени влияния их на здоровье человека. Импактор разделяет и собирает
частицы в двух диапазонах размеров: частицы с диаметром менее 3,5 мкм,
которые могут проникать глубоко в дыхательную систему, и частицы в
диапазоне размеров от 3,5 до 10 мкм, которые в основном задерживаются в
верхних дыхательных путях. Виртуальный импактор основан на принципе
фильтрации
воздуха
через
мембранные
фильтры,
которые
затем
анализируются методом рентгено-флюоресцентной спектроскопии с целью
определения химического состава атмосферных частиц.
В обычных импакторах нижний предел обнаружения частиц составляет
0,4 мкм, что налагает определенные ограничения на использование их при
изучении субмикронных частиц. Область исследуемых частиц может быть
существенно расширена в сторону малых размеров при использовании
импакторов, в которых дополнительный захват частиц происходит за счет
понижения давления в системе. Возможность создания такого импактора
была показана С. Штерном, Г. Целлером и А. Шекманом [99] и практически
осуществлена
А.
Макферлендом,
Г.
Неем
и
К.
Эриксоном
[86].
Эффективность захвата частиц в импакторе η является функцией трех
безразмерных параметров.
36
(
где
(
)
)
- инерционный параметр, L/Dc–отношение расстояния от входа сопла
до коллекторной пластины к диаметру выходного отверстия сопла, Rec–число
Рейнольдса в сопле.
Наибольшее влияние на величину
оказывает инерционный параметр
, с возрастанием которого увеличивается
. В случае, если приходится
иметь дело с мелкими частицами, размеры которых сравнимы с длиной
свободного пробега молекул среды, инерционный параметр
берется с
поправкой Каннингема, учитывающей дискретное молекулярное строение
среды:
(
где С – поправка Каниннгема,
скорость воздушного потока,
и
)
–плотность и диаметр частиц,
- вязкость воздуха,
-
- диаметр сопла.
Коэффициент С возрастает с увеличением средней длины свободного
пробега молекул газа и выражется, согласно Милликену, формулой:
(
)
(
)
)
где λ – средняя длина свободного пробега молекул газа, равная 0,0685 мкм
при стандартных давлении и температуре T;
A, Q, b – постоянные величины.
Для больших величин λ/Dч, т.е. когда размер частицы меньше длины
свободного пробега молекулы газовой среды, С≈ 2λ/Dч(A+Q). Для
идеального газа величина λ обратно пропорциональна давлению:
λ = 1,7∙10-5T/p
(13)
Отсюда следует, что инерционный параметр
эффективность инерционного захвата
давления в системе.
, а следовательно, и
увеличиваются с уменьшением
37
С помощью импактора, разработанного А. Макферлендом и др.[86] за
счет понижения давления удается улавливать частицы размером до 0,05 мкм.
Этот прибор работает при объемной скорости воздушного потока 0,028
м3/мин и состоит из двух частей. Одна часть имеет четыре каскада, в которых
проводится разделение частиц по размерам диаметром примерно от 10 мкм и
более до 1,21 мкм. Другая часть, состоящая из трех каскадов и фильтра на
выходе, служит для улавливания мелких частиц диаметром до 0,05 мкм.
Первые четыре каскада импактора функционируют при атмосферном
давлении, в трех остальных создается пониженное давление до 1/30 атм.
Перепад давления создается посредством дроссельного устройства, которое
служит также для поддержания во всей системе объемной скорости
воздушного потока 0,028 м3/мин и разделяет прибор на две части. Вся
система
работает
таким
образом,
что
единственным
переменным
параметром, который следует контролировать, является уровень давления в
камере расширения. Эта величина измеряется с помощью прецизионного
прибора и поддерживается равной 24,3 мм.рт.ст., что обеспечивает объемную
скорость воздушного потока на входе 0,028 м3/мин. Подложки на сборных
пластинах импактора представляют собой фильтровальную ткань из
стекловолокна. После отбора проб они подвергаются гравиметрическому
анализу.
При характеристике загрязнения воздуха аэрозольными частицами
большую роль приобретают методы пробоотбора частиц, позволяющие
разделять аэрозоли на фракции по степени проникновения их в органы
дыхания [26]. Управление по охране окружающей среды (ЕРА) США
применяет разделение частиц пыли на две фракции: PM10 и PM2,5, где PM10
– фракция частиц с аэродинамическими диаметром меньше 10 мкм, которые
проникают в дыхательную систему человека за гортань, а PM2,5 – фракция
частиц с аэродинамическими диаметрами меньше 2,5 мкм, которые
проникают в альвеолярные отделы дыхательной системы. В результате,
38
измеряя концентрацию всего двух фракций, можно судить о влиянии
радиоактивных аэрозольных частиц на организм в целом. За рубежом этот
подход получил широкое распространение, что подтверждается созданием
широкого спектра новых моделей импакторов и пробоотборных устройств
[108]. Во всех этих устройствах отделение заданных фракций из потока
аспирируемого воздуха достигается за счет импакции или циклонной
сепарации.
Известен разработанный EPA импактор для пробоотбора фракции
PM2,5 [91], имеющий импакционную корзину, на дне и стенках которой
происходит
осаждение
аэрозольных
частиц;
данная
конструкция
обеспечивает оперативность измерений, однако, к недостаткам устройства
относится односопельность, которая может приводить к неравномерности
распределения осадка, а также тот факт, что осаждение требуемой фракции
производят при числе Рейнольдса для сопла больше 3000, что может
приводить к возникновению турбулентных завихрений, препятствующих
осаждению частиц, кроме того, невозможен пробоотбор фракции PM10.
Баклеем (Buckley) и др. [56] был разработан индивидуальный импактор
для пробоотбора фракции PM10, работающий при величине объемного
расхода 4 л/мин, это помогло решить проблему возникновения турбулентных
завихрений, но значительно увеличило время отбора пробы. К достоинствам
данного устройства стоит отнести небольшие габариты и массу (диаметр – 5
см, высота – 2,1 см, масса– 70 г), к недостаткам данного устройства стоит
отнести односопельность и однокаскадность, следствием которой является
невозможность пробоотбора фракции PM2,5.
Известен пробоотборник, разработанный Сальтером и др.[105, 107],
состоящий из четырех односопельных каскадных элементов, расположенных
параллельно (рисунок 4). К достоинствам данного устройства можно отнести
небольшие размеры и возможность пробоотбора фракций PM10 и PM2,5, к
39
недостаткам устройства относятся невысокий объемный расход (8 л/мин) и
односопельность.
Кенни и Стэнклиф (Kenny и Stancliffe) [72] разработали конический
ингаляционный пробоотборник c пластинкой из пористого пластика для
пробоотбора фракции PM2,5. К недостаткам данного устройства стоит
отнести невозможность пробоотбора размерной фракции PM10, а также
резьбовое соединение крышки и корпуса, которое из-за недостаточной
герметичности может приводить к подсосу воздуха во время пробоотбора.
Рисунок 4 Схема компоновки параллельного четырехкаскадного импактора
[105]
Известен индивидуальный импактор по патенту РФ на изобретение №
2290624 [34], включающий корпус с соплом, коллекторные пластины и
фильтр. К достоинствам этой конструкции можно отнести то, что внутренние
камеры, образованные корпусом и коллекторными пластинами, выполненные
с закругленными поверхностями, обеспечивают уменьшение турбулентности
воздушного потока и то, что коллекторные пластины играют роль разгонных
сопел. К недостаткам рассматриваемого устройства следует отнести
односопельность каскадных элементов, приводящую к увеличению времени
отбора пробы, и к неравномерности распределения осажденных частиц на
40
поверхности коллектора, что в свою очередь ведет к увеличению ошибки при
радиометрии осажденных на коллекторе аэрозольных частиц.
Метод
определения дисперсности аэрозолей с помощью пакета
фильтров основан на селективности улавливания частиц с помощью
волокнистых фильтрующих материалов при таких скоростях пробоотбора,
когда основным механизмом фильтрации является инерционное осаждение
аэрозольных частиц на волокнах [11]. Сущность метода состоит в
формировании пробы
аэрозоля путем последовательного осаждения
аэрозольных частиц из потока на фильтрах (разделение частиц на фракции
по аэродинамическим диаметрам), определении активности радионуклида
(радионуклидов) на каждом фильтре (Аi) и обработке результатов измерений.
Для определения АМАД в диапазоне размеров частиц от 0,1 до 2 мкм
достаточно использовать 3 фильтра, расположенные по ходу воздушного
потока
в
порядке
возрастания
их
стандартного
аэродинамического
сопротивления [p]. Последний фильтр должен улавливать все частицы,
прошедшие
через два
первых
слоя,
чтобы
определить
количество
задержанных 1-м и 2-м фильтрами частиц в долях от суммарной активности
осажденной дисперсной фракции аэрозоля.
Конструкционные элементы пакета фильтров представлены на рисунке
5. Измерение активности радионуклидов в пробе проводят обычным
способом с использованием спектрометрической или радиометрической
аппаратуры. Определение параметров функции плотности распределения
частиц по размерам в области от 0,1 до 2 мкм проводится на базе функции
логарифмически нормального распределения по заранее рассчитанным
номограммам или путем использования вычислительной программы поиска
параметров ЛНР по долям вещества, уловленным каждым фильтром
фильтрующей композиции.
Метод определения дисперсности аэрозолей с помощью пакета
фильтров применяли для исследования аэрозолей в технологических
41
коммуникациях промышленных установок [43] и ядерных реакторов [13], а
также для изучения размеров естественных радиоактивных аэрозолей 7Be,
212
Pb [79] и атмосферных аэрозолей над Москвой [33].
Рисунок 5 Конструкционные элементы пакета фильтров
1.5 Осаждение аэрозолей в респираторном тракте человека
1.5.1 Краткий обзор изучения осаждения аэрозолей в респираторном
тракте
Дыхательный тракт представляет собой систему, с помощью которой
осуществляется газообмен между организмом и внешней средой, происходит
обогащение крови кислородом и одновременное удаление некоторых
продуктов,
возникающих
в
результате
окислительных
процессов,
происходящих в организме [1].
Для изучения осаждения аэрозолей в дыхательных путях применялись
три основных метода [48]. Один основан на микроскопическом исследовании
срезов с легких, бронхов и т.д.; особенно удобно при этом применение
флуоресцирующей (например, виллемитовой) пыли и наблюдение при
ультрафиолетовом освещении [59]. Таким путем было установлено, что
число и размер осадившихся частиц регулярно убывает по мере перехода к
42
более глубоким частям дыхательной системы и что особенно много частиц
осаждается
у
разветвлений
и
поворотов
дыхательных
путей.
Это
свидетельствует о том, что здесь большую роль играет инерционное
осаждение.
Для
количественных
определений
наилучшим
является
метод
радиоактивных индикаторов, т.е. применение аэрозолей, которым сообщена
известная радиоактивность. В опытах с животными из их трупов вырезали
отдельные части дыхательной системы и количество осадившегося на них
аэрозоля определяли одним из обычных способов.
Общую эффективность осаждения в дыхательных путях также
определяли
по
отношению
концентраций
частиц
во
вдыхаемом
и
выдыхаемом воздухе. Для того чтобы найти распределение осадка измеряли
концентрацию аэрозоля в отдельных фракциях выдыхаемого воздуха [76]:
первая фракция содержала воздух, находившийся в верхних дыхательных
путях, последняя – воздух, находившийся в альвеолах.
Специально для изучения осаждения в носовых каналах применяли два
довольно несовершенных метода. В одном из них человек вдыхал аэрозоль
через нос и сейчас же выдыхал его через рот; при этом принималось, что
осаждением в более глубоких частях дыхательной системы можно
пренебречь, т.е. осаждение происходит только в носовой полости [75]. В
опытах с животными перерезали трахею убитого животного, соединяли
верхний отрезок трахеи с насосом и засасывали аэрозоль через нос [48].
1.5.2. Основные механизмы осаждения аэрозольных частиц в
респираторном тракте человека
Место и интенсивность осаждения частиц в дыхательных путях
человека определяются механизмами физических процессов, а также
морфологическими и физиологическими параметрами дыхательных путей.
Существует пять главных механизмов осаждения вдыхаемых частиц [16]:
43
1) Седиментация, обусловленная действием на частицы гравитационных
сил;
2) Инерционное столкновение, характеризующее поведение массивных
частиц в воздухе;
3) Задержание, которое имеет место, когда края частицы соприкасаются с
поверхностью дыхательных путей, что приводит к ее осаждению;
4) Диффузия, обусловленная хаотичным (броуновским) движением малых
частиц;
5) Электростатическое притяжение (если частицы несут заряд).
В большинстве случаев последним механизмом пренебрегают, хотя он
может влиять, если субъект находится в среде частиц с высоким зарядом.
Гигроскопичность частиц также может влиять на их осаждение, усиливая его
за счет столкновений и седиментации.
Для верхних дыхательных путей характерно инерционное осаждение,
где частицы, размером более 1 мкм, при резкой смене направления
воздушного потока задерживаются на слизистых оболочках.
Для частиц диаметром более 4 мкм эффективность осаждения в
носовой полости составляет только 50%, и при дальнейшем уменьшении
размера частиц увеличивается доля тех частиц, которые проходят через
дыхательные пути и попадают в систему разветвляющихся бронхиол и
альвеол [1]. Поскольку в этих частях легких воздух движется с малой
скоростью, основную роль в осаждении частиц играют уже седиментация и
диффузия.
В
нижних
дыхательных
задерживаются частицы размером
путях
наиболее
эффективно
1 мкм. При дальнейшем уменьшении
размера частиц эффективность осаждения падает, в результате чего
примерно 80% частиц диаметром около 0,3 мкм выдыхаются обратно [44].
Частицы диаметром менее 0,1 мкм задерживаются в легочных альвеолах,
вследствие броуновского движения и диффузии [67].
44
1.5.3. Обзор характеристик существующих устройств, моделирующих
осаждение аэрозолей в респираторном тракте человека
Известна модель трахеобронхиального дерева, предложенная С.
Глуховым и соавторами [15], состоящая из 150 сочленяющихся между собой
латунных трубок, различных по длине и диаметру (рисунок 6). На концы
самых мелких трубочек, диаметр которых 2 мм, надеваются мешочки из
эластичного материала, заполненные поролоном. Модель помещается в
герметичный кожух с двумя штуцерами, один из которых моделирует
трахею. Второй штуцер соединяется с циклическим насосом – устройством,
создающим в корпусе модели попеременно положительное и отрицательное
давление (имитация выдоха и вдоха соответственно). После окончания
отбора пробы модель разбирается и осевшие аэрозольные частицы
вымываются дистиллированной водой из всех трубочек. С помощью
химических методов (титрование и др.) можно определить количество
вещества, задержанное каждой ступенью трахео-бронхиального дерева.
1 – корпус, 2 – трубки,
3 – резиновые мешочки,
4 – трубка, имитирующие
трахею , 5 – насадка, 6 штуцер
Рисунок 6 Модель трахео-бронхиальвеолярного дерева [15]
В статье Ю.Е. Залмазонова и др.[19] описаны конструкция и принцип
действия модели дыхательной системы человека, состоящей из герметичного
корпуса, в который помещен набор дисков, диаметром 140 мм каждый,
45
сочлененных
плоскими
сторонами.
В
дисках
выполнена
система
сообщающихся отверстий четырех различных длин и диаметров (от одного
отверстия диаметром 12 мм в верхнем диске до 343 отверстий диаметром 1,5
мм в нижнем). Таким образом, система отверстий в четырех дисках
моделирует половину трахео-бронхиального дерева от главного бронха до
бронхов третьего порядка включительно (рисунок 7).
Перед экспериментом внутренняя поверхность отверстий покрывается
тонким слоем смазки (имитация слизи в дыхательной системе). Последний
диск сочленяется с пластиной поропласта, моделирующей легкие, которая
помещена в резиновый сильфон. На крышке и корпусе модели имеются два
штуцера для отбора проб аэрозолей и подключения к циклическому насосу.
Диски изготовлялись двух типов: из обычного полиметилметакрилата, а
также
из
сцинтиллирующих
материалов.
Применение
дисков
из
сцинтиллирующих материалов позволяло по окончании пробоотбора
измерять
количество
трахеобронхиального
осажденной
дерева
при
активности
на
каждой
измерении
скорости
счета
радиометрической сцинтилляционной установке.
1 – корпус,
2 – набор дисков, 3 – система
сообщающихся
отверстий,
4
–
поропласт, 5 – сильфон, 6,7 –
штуцера.
Рисунок 7 Устройство модели дыхательной системы [19].
ступени
на
46
Краткий
1.6
обзор
основных
методов
и
работ
в
области
гидрогазодинамики
Для создания и модернизации конструкций средств пробоотбора
аэрозолей, моделирования распространения газо-аэрозольных выбросов в
различных геометриях и ряда других задач необходимо исследовать
динамику
двухфазных
дисперсных
потоков.
Современная
аэрогидродинамика широко использует разнообразные численные методы и
алгоритмы решения уравнений, реализация эффективного решения которых
связана с прогрессом компьютерных технологий. Появилась относительно
новая область науки - вычислительная гидродинамика (CFD – computational
fluid dynamic) [50].
Базой любого исследования в области вычислительной гидродинамики
является формулировка основных уравнений гидро/газодинамики потоков, а
именно:
1) уравнение неразрывности
(
где
– компоненты вектора скорости, м/c;
)
– декартовы координаты, м;  -
плотность, кг/м3, t – время, с.
Первый член описывает нестационарность потока, второй член
представляет собой конвективный перенос. Для несжимаемых жидкостей
уравнение неразрывности запишется в виде:
(
)
(
)
2) уравнение сохранения импульса
где первый член описывает нестационарность потока, второй конвективный перенос, третий и четвертый члены – поверхностные силы
(градиент давления и молекулярную диффузию), пятый - массовые силы
47
(гравитацию);
- компоненты тензора рейнольдсовых напряжений, м2/c2;
- ускорение свободного падения, м/c2.
3) уравнение сохранения энергии
(
)
Первый член описывает нестационарность потока, второй - конвективный
перенос, третий - перенос за счет теплопроводности и определяется
уравнением Фурье для переноса энергии
(где
- коэффициент
теплопроводности), четвертый – диссипацию энергии, пятый - приток или
убытие энергии за счет химических реакций, радиации и т.д.
4) уравнение состояния (например, в случае идеального газа):
(5)
где p – давление, Па;
- плотность, кг/м3; R – универсальная газовая
постоянная, R = 8,31 Дж/моль∙К; Т – абсолютная температура, K.
Вышеназванные уравнения описывают базовую модель течения среды,
которая в зависимости от особенностей решаемой задачи может быть
дополнена уравнениями для моделей турбулентности, переноса веществ,
химических
реакций,
учета
многофазности,
электромагнитных
взаимодействий и т. д.
В настоящий момент создано большое количество разнообразных
моделей для расчѐта турбулентных течений. Они отличаются друг от друга
точностью описания течения и сложностью решения [53].
Наиболее
универсальными
моделями
в
инженерных
расчетах
турбулентных потоков являются модели с двумя дифференциальными
уравнениями. Первая такая модель была предложена Колмогоровым (1942 г.)
[73]. Эта модель содержит уравнение переноса кинетической энергии k и
удельной скорости диссипации энергии . Ниже приведена одна из
распространенных моделей k- типа, предложенная Вилкоксом [109]:
48
̅
̅
̅
̅
(
0(
̅
⃗⃗
⃗⃗
)
0(
(
)
(
)
(
)
1
)
1
)
(21)
где ⃗⃗ – компоненты вектора скорости,  – динамическая вязкость среды, t –
турбулентная вязкость, k – турбулентная кинетическая энергия,
– удельная
скорость диссипации турбулентной кинетической энергии; ij – компоненты
тензора рейнольдсовых напряжений; δij – символ Кронекера (i = j → δij= 1; i ≠
j → δij= 0); модельные константы:
Наиболее
популярной
= 9/100;
моделью
= 3/40;
= 5/9;
турбулентности
= ½; = ½.
с
двумя
дифференциальными уравнениями является k -  модель, предложенная Чоу
(1945 г.) [52] и получившая дальнейшее развитие в исследованиях Лаундера Джонса (1972) [53]:
⃗⃗
⃗⃗
⃗⃗
⃗
0(
⃗⃗
)
0(
1
)
1
(
)
(
)
(
)
где ⃗⃗ – компоненты вектора скорости,  – динамическая вязкость газовой
среды, t – турбулентная вязкость, k – турбулентная кинетическая энергия, 
– скорость диссипации турбулентной кинетической энергии; Рейнольдсовые
напряжения ij определяются также как и в k- модели, по формуле (21);
49
модельные константы:
= 1,44;
= 1,92;
= 0,09; k=1,0;  = 1,3.
При моделировании двухфазных течений используют два метода:
метод Лагранжа и метод Эйлера. В первом методе рассчитываются
траектории и характеристики индивидуальных частиц в определенные
промежутки времени. Во втором методе дискретная фаза (частицы)
рассматривается как сплошная среда (континуум), а общее течение - как
смесь двух или более жидкостей. Уравнение движения аэрозольной частицы
при использовании Лагранжевой модели представляется в следующем виде:
⃗⃗
⃗
⃗
(
- масса частицы, ⃗ - аэродинамическая сила, ⃗
где
остальных сил, ⃗⃗
⃗
⃗
)
- сумма всех
⃗⃗ - вектор скорости частицы.
Если процессами седиментации, электростатики и действием давления
на частицу можно пренебречь, то ⃗ = 0. Тогда, уравнение (25) с учетом
только аэродинамической силы можно представить в виде:
⃗⃗
где
| ⃗⃗
⃗⃗ | ( ⃗⃗
⃗⃗ )
(
)
– масса частицы, ⃗⃗ –cкорость частицы, ⃗⃗– скорость газовой среды,
–
плотность частицы, Ap – площадь поперечного сечения частицы, Rep – число
Рейнольдса для частицы, Сd – безразмерный коэффициент сопротивления при
малых числах Рейнольдса равный 24/Rep;
| ⃗⃗
⃗⃗ |
(
)
Кроме вышеперечисленного, моделирование двухфазных течений
требует
дополнительно
корректного
учета
и
описания
эффектов
столкновений частиц, коагуляции, распада, испарения и т.д.
Таким образом, для широкого спектра задач, связанных с описанием
большинства природных и технологических процессов, определяющие
уравнения для течений, представляющих практический интерес, оказываются
50
обычно столь сложными, что получить их аналитическое решение
невозможно, и необходимо строить численное решение. При использовании
вычислительных методов исходные дифференциальные уравнения в частных
производных заменяются системой алгебраических уравнений, а для
получения решений используют вычислительную технику [47].
Существуют различные методы построения решения данной системы
уравнений: метод конечных разностей, контрольных объемов, конечных
элементов. В случае моделирования реального процесса производится так
называемая дискретизация пространства и времени, таким образом, что
геометрия процесса разбивается на расчетные ячейки, выбранные особым
образом, а время процесса — на расчетные временные интервалы.
Число узловых точек расчетной сетки, необходимое для построения
достаточно точного решения зависит от размерности, геометрической
сложности и величины градиентов изменения искомых переменных. В
каждой из узловых точек необходимо запоминать каждую из искомых
переменных, а также некоторые вспомогательные переменные. При
рассмотрении турбулентного сжимаемого трехмерного течения указанный
подход может привести к необходимости введения от 5 до 30 переменных.
Для обеспечения эффективного расчета все эти переменные должны
храниться в памяти компьютера. Если учесть, что для большинства задач
гидродинамики определяющие уравнения являются нелинейными, процесс
построения численного решения ведется обычно посредством итераций.
Иначе говоря, решение для каждого искомого переменного в каждой узловой
точке
последовательно
подправляется
посредством
обращения
к
дискретизованным уравнениям. Процесс построения итераций оказывается
нередко эквивалентным продвижению решения на некоторый малый шаг во
времени. Число итераций или шагов во времени может варьироваться от
нескольких сот до нескольких тысяч.
51
Основная идея метода контрольных объемов (МКР) заключается в
разбиении расчетной области на непересекающиеся, но граничащие друг с
другом контрольные объемы, чтобы каждый узел расчетной сетки
содержался в одном контрольном объеме. Дифференциальное уравнение
интегрируется
по
каждому контрольному объему.
При
вычислении
интегралов используются кусочные профили, которые описывают изменение
переменной между узлами. В результате такого интегрирования получается
дискретный аналог дифференциального уравнения, в который входят
значения переменной в нескольких соседних узлах [52]. Метод контрольных
объемов
используется
в
профессиональном
пакете
STAR-CCM+,
позволяющем решать различные задачи механики жидкости и газа.
Любое применение вычислительной гидродинамики состоит из
последовательных
этапов,
которые
выполняются
с
использованием
специального программного обеспечения:
1. Подготовительный этап. На данном этапе формируется геометрия
модели, формулируются необходимые физические условия, геометрия
дискретизируется,
задаются
начальные
и
граничные
условия
дифференциальных уравнений;
2. Расчѐт. На данном этапе вычислительная машина, подчиняясь
заданному алгоритму, численно решает основные уравнения с точки
зрения
базовых
физических
параметров
(скорость,
давление,
плотность, температура, энтальпия и т. д.), а также записывает
результаты решения в память;
3. Анализ. Результаты решения отображаются в виде графиков, таблиц, а
также контурных/векторных схем, привязанных к исходной геометрии.
Для решения задач CFD в настоящее время существует
множество
компьютерных программ, из которых наиболее известны FLOW-3D, Flow
Vision, ANSYS, Fluent, STAR-CCM+, STAR-CD.
52
В работе [95] проводилось CFD моделирование осаждения аэрозольных
частиц в модели импактора типа jet-in-well. В отличие от обычного
импактора в импакторе типа jet-in-well импакция частиц происходит не
только на коллекторной плоскости, но и на стенках пробоотборной корзины,
кроме того данный импактор является односопельным (рисунок 8). При
моделировании варьировалось отношение диаметра пробоотборной корзины
к диаметру разгонного сопла сопельной пластины в диапазоне от 3 до 15.
Моделировалось пропускание через устройство монодисперсных аэрозолей с
аэродинамическим диаметром частиц от 5 мкм до 15 мкм. Моделирование
проводилось с помощью программного комплекса CFX 5.7.1. В результате
было установлено, что импакция на стенке пробоотборной корзины
начиналась при отношении диаметра пробоотборной корзины к диаметру
сопла, равном 8, и возрастала с уменьшением данного отношения.
Результаты
моделирования
были
подтверждены
экспериментальными
данными.
Рисунок 8 Принципиальная схема импактора типа jet-in-well.
В работе G. Kulkarni и др. [64] было проведено CFD моделирование и
экспериментальное исследование характеристик виртуального импактора.
Определенные в результате эксперимента эффективные аэродинамические
диаметры разделения варьировались от 2,2 мкм до 4,8 мкм и оказались в
хорошем соответствии с результатами CFD моделирования с погрешностью
53
±0,4 мкм.Таким образом, в результате эксперимента и CFD-моделирования
были получены идентичные кривые эффективности осаждения частиц. CFDмоделирование проводилось с помощью программного комплекса Fluent.
В работе С. Полякова [38] c помощью программного пакета ANSYS
CFX анализировалась эффективность пылеулавливания вихревого аппарата
ВЗП-M 200 (аппарат со встречно-закрученными потоками). Целью расчета
являлось определение относительной эффективности улавливания частиц
дисперсной
фазы.
В
первом
варианте
расчета
рассматривалась
эффективность аппарата по улавливанию частиц с аэродинамическим
диаметром 10 мкм, во втором случае рассматривалась эффективность по
улавливанию частиц с диаметром 30 мкм. Для описания движения частиц
дисперсной фазы в данной работе была выбрана модель Эйлера. Движение
сплошной
среды
также
описывалось
в
рамках
модели
Эйлера.
Турбулентность считалась общей для двух фаз и описывалась k-ε-моделью.
Для анализа эффективности осаждения использовался профиль объемной
концентрации частиц на выходном патрубке аппарата, при этом ядро потока
характеризовалось низкой концентрацией частиц, а периферийная часть —
высокой, что было подтверждено экспериментально. Сделан вывод о том, что
основным показателем, влияющим на эффективность улавливания частиц,
является диаметр аппарата.
1.7 Физико-химические свойства радиоактивных газо-аэрозольных
смесей и анализ их фазового состава
Многие аэрозоли сопровождаются газообразными веществами,
которые
находятся
в
определенном
равновесии
с
веществами,
содержащимися в аэрозольных частицах, и количество их зависит в основном
от летучести вещества и температуры окружающей среды.
В
таблице
неорганических
3
приведены
соединений
свойства
долгоживущих
некоторых
α-активных
химических
нуклидов,
температура плавления и кипения которых ниже 100°С и, соответственно,
54
упругости паров при насыщении в нормальных условиях, превышают
предельно допустимые нормы.
Среди альфа-активных аэрозольных систем следует выделить аэрозоли,
содержащие гексафториды урана и плутония, а также полоний [11].
Гексафторидные соединения, встречаются в промышленных выбросах
и представляют собой сложные аэрозольные системы, в которых под воздействием газовой среды и температуры протекают процессы взаимного
перехода α-активного вещества из частиц в газообразное состояние.
При обычных условиях гексафторид урана UF6 представляет собой
бесцветное кристаллическое вещество, возгоняющееся при атмосферном
давлении без плавления. Температура возгонки UF6 при 760 мм.рт.ст.
составляет 56,5 оС.
При более высоких давлениях UF6 плавится с образованием
прозрачной,
тяжелой
и
подвижной
жидкости.
Плотность
твердого
гексафторида урана равна 5,06 г/см3, жидкого – 3,6 г/см3. Минимальное
давление, при котором UF6 существует в жидком состоянии – 1134 мм.рт.ст.,
минимальная температура – +64 оС. Гексафторид урана является одним из
наиболее химически активных соединений урана, он является сильнейшим
окислителем, превосходя по своей окислительной способности даже
элементный фтор [27].
Таблица 3 Химические неорганические соединения долгоживущих αактивных нуклидов, у которых упругость паров при насыщении в
нормальных условиях превышает предельно допустимые нормы
55
Наименование Химическая
Температура
соединения
плавления, 0С кипения, 0С
формула
Температура
Литература
соединения
Гексафторид
UF6
64,5
урана
Возгоняется
[39]
при 56,6
Гексафторид
NpF6
53
55,2
[39]
PuF6
51
62,3
[39]
H2Po
-36
35,5 - 37
[90]
нептуния
Гексафторид
плутония
Гидрид
полония
Аэрозоли, образующиеся при производстве препаратов
210
Po и при
эксплуатации облученных свинцово-висмутовых и свинцово-литиевой с
примесью висмута эвтектик, могут сопровождаться газообразной фазой
полония [7]. Проведенные исследования аэрозолей
препаратов металлического
210
210
Po, образующихся из
Po, высаженного на медном порошке,
показали, что во влажном воздухе содержится газообразная фракция
210
Po.
Эта фракция по своим физико-химическим свойствам напоминает гидрид
полония [36, 45].
В случае β-активных нуклидов список таких аэрозольных систем
значительно расширяется. Большое значение приобретают органические
соединения, обладающие высокой летучестью. К таким аэрозолям относятся
те, которые содержат радиоактивный йод, рутений, ртуть, теллур и другие
радионуклиды.
Радионуклиды йода являются одними из основных компонентов в
продуктах деления ядерного топлива и содержатся в выбросах ядерных
реакторов и предприятий атомной промышленности. Газообразный йод
может находиться в воздухе в виде паров молекулярного иода (I 2), иодистого
56
водорода (HI), гипоиодной (иодоводородной) кислоты (HOI) и органических
соединений, таких как СН3I и др. [24].
Допустимая
радионуклидов —
объемная
131
активность
одного
из
самых
опасных
I равна 1,1∙103 Бк/м3 [31]. Эта величина соответствует
ничтожному количеству радиоактивного йода — всего 2,4・10-13 г/м3. При
этом известно, что в атмосфере постоянно присутствует стабильный изотоп
иода (127I), средняя концентрация которого равна 10-6 г/м3 [11], то есть даже в
случае предельно допустимого загрязнения воздуха на один радиоактивный
атом иода будет приходиться более миллиона стабильных.
Между атомами происходит обмен, который приводит также к
изменению фазового состояния веществ. Характер взаимодействия между
газообразной и дисперсной фазами в системе определяется законами
молекулярной диффузии отдельных атомов и молекул к частицам и силами
Ван-дер-Ваальса, удерживающими их на аэрозольных частицах.
Газообразные соединения йода обладают различными сорбционными
свойствами. Такие соединения, как I2, HI хорошо сорбируются, а СН3I и,
очевидно, HOI [6] относятся к трудносорбируемым соединениям, которые
затрудняют улавливание и очистку воздуха от радионуклидов иода.
Известно, что радионуклиды рутения (103Ru, 106Ru) способны проникать
через защитные оболочки ядерно-энергетических установок и в выбросах
находятся в аэрозольном и газообразном состоянии. В атмосферном воздухе
аэрозоли радиоактивного рутения могут сопровождаться газообразной
четырехокисью рутения RuO4, так как температура плавления RuO4 равна
25,4 °С [11]. В воздух производственных помещений и окружающую среду
радиоактивный рутений может попадать как в виде RuO2, так и в виде RuO4.
Двуокись рутения RuO2 является твердым веществом, и ее обычно
улавливают посредством фильтрации. Четырехокись рутения RuO4 может
присутствовать в воздушной среде в виде газовой и аэрозольной фракций,
находящихся в нестабильном равновесии. Например, при исследовании
57
загрязненности
атмосферы
после
Чернобыльской
аварии
в
воздухе
былиобнаружены газообразные продукты 103Ru, 106Ru и даже изотопа теллура
—
132
Te. Однако доля летучего соединения рутения была значительно
меньше, чем у иода, и не превышала 13 % в период 8-19 мая 1986 года [8].
1.8 Обзор существующих методов улавливания радиоактивного рутения
из газовой фазы
Известен способ улавливания рутения, содержащегося в газовых
выбросах,
и
устройство
для
его
осуществления,
запатентованный
французской фирмой «Компани женераль де матьер нюклеэр» [35]. Согласно
этому способу четырехокись рутения улавливается за счет ее химического
восстановления до двуокиси рутения при взаимодействии с раствором или
водной
пастой,
содержащими,
по
меньшей
мере,
один
полимер
алкиленгликоля и/или, по меньшей мере, один сополимер алкиленгликоля, в
котором алкилен или алкилены содержат от 2 до 6 атомов углерода. Способ
согласно изобретению может применяться либо в установке для промывки
газов, либо для изготовления патрона для улавливания рутения. Такой патрон
может содержать подложку, образованную волокнами, или стекловатой, или
стальным волокнистым материалом, на которую наносят раствор или пасту.
Способ и устройство изначально предназначены для использования в
стационарных вентиляционных очистительных комплексах. Кроме того, этот
способ не позволяет количественно оценить соотношение аэрозольной и
газовой составляющих радиоактивного рутения в воздухе.
Известен способ измерения количества летучего рутения, согласно
которому газ, содержащий RuO2 и RuO4, из основного трубопровода
отводится в пробоотборную трубу, газовая проба под действием вакуумного
насоса направляется на 1-й фильтр для осаждения, содержащегося в ней
RuO2, затем к пробе добавляется восстановитель (газ NO), и она направляется
на 2-й фильтр для осаждения вновь образовавшегося RuO2, затем проба через
58
измеритель расхода газа возвращается в основной трубопровод, количество
осажденного RuO2 на обоих фильтрах определяется инструментально [70].
Этот
способ
позволяет
количественно
оценить
соотношение
аэрозольной и газовой составляющих радиоактивного рутения в воздухе, но
его недостатком является неудобство работы с газообразной и токсичной
окисью азота и возвращение пробы, содержащей окислы азота, в основной
трубопровод, кроме того, для реализации данного способа предполагается
использование стационарного оборудования.
1.9 Задачи диссертационного исследования
Из анализа литературных источников следует, что существует
достаточно
много
эмпирических
и
полуэмпирических
зависимостей,
описывающих распределение природных и искусственных аэрозолей по
размерам частиц. Часто при описании спектра размеров частиц как
дисперсионного, так и конденсационного происхождения используют
логнормальное распределение.
Из
обзора
работ,
посвященных
анализу
дисперсного
состава
радиоактивных аэрозолей на предприятиях ЯТЦ, следует, что на рабочих
местах персонала предприятий, связанных с производством, переработкой
радиоактивных материалов, дисперсный состав радиоактивных аэрозолей
характеризуется в основном значением АМАД, близким к 5 мкм. В ряде
исследований на плутониевых предприятиях выявлены бимодальные
распределения
аэрозольных
частиц
по
размерам.
Значительная
вариабельность значений АМАД (от 0,2 до 8 мкм) аэрозолей альфа- и бетаизлучающих нуклидов наблюдалась также в приземном слое воздуха вблизи
ЧАЭС после аварии в 1986 г. Следует отметить, что в действующих Нормах
радиационной
безопасности
приведены
дозовые
коэффициенты,
рассчитанные для аэрозолей с АМАД, равным 1 мкм. Неучет фактического
значения АМАД радиоактивного аэрозоля и использование приведенных в
НРБ-99/2009
значений
дозовых
коэффициентов
может
приводить к
59
систематическому завышению или занижению дозы внутреннего облучения,
достигающему 2-3 раз. Таким образом, информация о дисперсном составе
радиоактивных аэрозолей на рабочих местах имеет важное значение для
адекватной оценки дозы внутреннего облучения.
Из
обзора
методов
и
устройств,
разработанных
для
оценки
дисперсного состава аэрозолей можно сделать вывод, что наибольшее
распространение и практическую значимость в России и за рубежом
получили методы, использующие каскадные импакторы - устройства, на
каскадах которых происходит инерционное разделение частиц по размерам.
В основном каскадные импакторы используются как стационарные или
переносные средства отбора проб аэрозолей в диапазоне размеров частиц от
0,4 до 10 мкм.
Из обзора работ, посвященных изучению осаждения аэрозолей в
респираторном тракте человека, следует, что поскольку экспериментальное
определение распределения активности радиоактивных аэрозольных частиц
непосредственно в дыхательном тракте практически невозможно, то для
оценки такого распределения используют устройства, в той или иной степени
имитирующие респираторный тракт, или применяют расчетные модели,
позволяющие на основании предварительно полученных экспериментальных
данных о дисперсности аэрозольных частиц оценить дозу внутреннего
облучения.
Из анализа
физико-химических свойств радиоактивных газо-
аэрозольных смесей следует, что к данным соединениям относятся летучие
соединения радиоактивных изотопов различных химических элементов, в
том числе иода, урана, рутения и других. Радиологическая опасность летучих
соединений рутения особенно актуальна для ряда технологических операций
при
регенерации
нитридного
топлива,
разрабатываемого
в
рамках
формирования новой технологической платформы атомной энергетики на
основе замкнутого топливного цикла с реакторными установками на
60
быстрых
нейтронах,
так
как
данные
технологические
операции
сопровождаются интенсивным выделением газовой и аэрозольной фракций
рутения, подлежащих очистке. Кроме того, изотопы рутения (103Ru,
106
Ru),
также как изотопы иода, способны проникать через дефекты в защитных
оболочках ядерно-энергетических установок в условиях штатной работы и в
случае аварий, при этом в выбросах находятся в аэрозольном и газообразном
состоянии. Таким образом, изучение поведения изотопов рутения в
воздушной среде, и оценка их ингаляционного поступления представляют
отдельную исследовательскую задачу, имеющую самостоятельное значение в
области радиационной безопасности.
Обзор методов улавливания радиоактивного рутения показал, что
существующие методы предназначены только для их использования при
радиационном
контроле
работы
стационарных
вентиляционных
очистительных комплексов, однако, они не позволяют количественно
оценивать
соотношение
аэрозольной
и
газовой
составляющих
радиоактивного рутения в воздухе.
Из обзора работ в области вычислительной гидродинамики можно
констатировать, что в настоящее время существует много компьютерных
программ, в которых реализованы физические модели и математические
алгоритмы, позволяющие эффективно решать задачи динамики двухфазных
дисперсных потоков, связанные, например, с расчетом характеристик
пробоотборных устройств и моделированием распространения выбросов
радиоактивных
аэрозолей
в воздушной
среде. Данное программное
обеспечение может быть использовано для моделирования поля течения
газовой
среды, содержащей
аэрозольные частицы
или
для
оценки
эффективности осаждения частиц на инерционных каскадах импактора.
Обзор
характеристик
существующих
устройств,
моделирующих
осаждение аэрозолей в респираторном тракте человека, показал, что ввиду их
технической сложности, представляется весьма трудоемким применение
61
таких устройств для получения фактических данных о дисперсности частиц
при оперативной оценке ингаляционного поступления радиоактивных
аэрозолей в организм лиц из персонала в штатных условиях работы
предприятия, а также при оценке ингаляционного поступления в организм
лиз из персонала и населения в случае радиационной аварии. Представляется
целесообразным для решения таких задач использовать импактор, в котором
каждый каскад моделирует осаждение частиц в определенном отделе
дыхательного тракта.
Необходимо подчеркнуть, что до сих пор при анализе последствий
радиационных аварий и ретроспективной оценке доз внутреннего облучения
персонала
и
населения
исследователи
вынуждены
использовать
предположения о дисперсности аэрозольной фракции и соотношении газовой
и аэрозольной составляющих, поскольку отсутствуют мобильные устройства,
позволяющие оперативно получить важные экспериментальные данные об
основных характеристиках ингаляционного поступления.
Таким образом, изложенные аргументы обосновывают цель данной
работы, которая заключалась в разработке аппаратурно-методического
комплекса
для
радиоактивных
оперативной
оценки
газо-аэрозольных
ингаляционного
смесей
на
основе
поступления
раздельного
экспериментального определения объемной активности:
 аэрозольной фракции с учетом фактического распределения активности
аэрозольных частиц по отделам дыхательного тракта и
 газовой фракции путем ее преобразования в аэрозольную фракцию.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
задачи:
1. Разработать
устройство,
моделирующее
фракционное
осаждение
аэрозолей в дыхательном тракте человека, и позволяющее проводить
оперативную оценку распределения активности аэрозольных частиц по
отделам дыхательного тракта.
62
2. Разработать
метод
преобразования
газовой
составляющей
газо-
аэрозольной смеси в аэрозольную фракцию для раздельного измерения
активности газовой и аэрозольной составляющей этой смеси.
3. Разработать устройство для реализации метода преобразования газовой
составляющей газо-аэрозольной смеси в аэрозольную фракцию с
одновременным определением дисперсности, позволяющее повысить
достоверность оперативной оценки дозы внутреннего облучения при
ингаляционном поступлении радиоактивных газо-аэрозольных смесей.
4. Разработать
алгоритм
оценки
ингаляционного
поступления
по
результатам анализа фазового и дисперсного состава радиоактивных газоаэрозольных смесей.
63
Глава 2 Обоснование и расчет параметров конструкции импакторафантома
2.1 Постановка задачи
Динамика поступления радиоактивных веществ в организм человека
при дыхании существенно зависит от характеристик аэрозольных частиц,
таких, как дисперсность, агрегатное состояние, химический состав. Одним из
основных факторов, определяющих дозовые нагрузки на организм при
осаждении частиц радиоактивного аэрозоля в дыхательном тракте, является
распределение
активности
по
аэродинамическим
диаметрам
частиц.
Экспериментальное определение распределения активности аэрозольных
частиц в дыхательном тракте человека практически невозможно (особенно в
случае альфа-излучающих радионуклидов), поэтому для оценки дозы
внутреннего облучения используются устройства, в той или иной степени
имитирующие респираторный тракт, или расчетные модели, позволяющие на
основании предварительно полученных экспериментальных данных о
дисперсности аэрозольных частиц оценить дозу внутреннего облучения.
Применение существующих устройств, моделирующих осаждение
аэрозолей в респираторном тракте человека для рутинного контроля
ингаляционного поступления радиоактивных аэрозолей при нормальных
условиях работы радиационно-опасных объектов, а также для оценки
радиационного воздействия на персонал и население в случае радиационных
аварий, представляется весьма трудоемким (что было показано в главе 1
раздел 1.5.3). Поэтому для решения данной задачи представляется
целесообразным
использовать
импактор,
в
котором
каждый
каскад
моделирует осаждение частиц в определенном отделе дыхательного тракта.
Таким образом, задача данной главы состояла в разработке устройства,
моделирующего фракционное осаждение аэрозолей в дыхательном тракте
человека, позволяющее проводить оперативную оценку распределения
активности аэрозольных частиц по отделам дыхательного тракта.
64
Необходимость в таком устройстве возникает прежде всего, когда
распределение активности по размерам частиц дисперсной фазы аэрозоля не
соответствует логарифмически-нормальному закону, так как в этом случае
определение
параметров
логнормального
распределения
(АМАД
и
геометрическое стандартное отклонение βg) невозможно.
В разделе 2.2 представлен анализ математической модели осаждения
аэрозолей в респираторном тракте Публикации 66 МКРЗ [67], в результате
которого были установлены основные требования к конструкции импакторафантома. В соответствии с данными требованиями в разделе 2.3 представлен
проведенный автором расчет параметров импактора по базовым формулам,
известным
из
фундаментальных
теоретических
работ
в
области
респираторного
тракта
инерционного осаждения аэрозолей [63, 81].
2.2.
Анализ
математической
модели
(Публикация 66 МКРЗ) и вытекающие требования к конструкции
импактора-фантома
Модель
осаждения,
разработанная
МКРЗ
[67],
описывает
распределение вдыхаемых твердых частиц в различных анатомических
областях тела, характерных для возраста и пола субъекта и различных
физиологических параметров. Модель осаждения является одним из шести
элементов общей модели дыхательных путей человека для радиологической
защиты вместе с морфометрией, физиологией дыхания, радиационной
биологией, обезвреживанием и дозиметрией [16]. Респираторный тракт в
Публикации 66 представлен в виде 4 анатомических отделов:
1. Экстраторакальный отдел (ET), состоящий из передней части
носового хода (ET1), и задней части носового хода (ET2) (носовые ходы,
носо- и ротоглотка, гортань).
2. Трахеобронхиальный отдел (BB), включающий трахею и бронхи.
65
3. Бронхиолярный отдел (bb), состоящий из первичных бронхиол и
терминальных бронхиол.
4. Альвеолярный отдел (AI), состоящий из респираторных бронхиол и
альвеол и др.
Отложение аэрозоля на дыхательных поверхностях определяется как
анатомо-физиологическими характеристиками данного человека, так и
физико-химическими
радионуклид.
свойствами
Необходимый
для
самого
аэрозоля,
выполнения
содержащего
расчетов
осаждения
математический аппарат содержится в Публикации 66. Дыхательная система
формально описывается для расчета осаждения как набор последовательно
расположенных фильтров (рисунок 9), обладающих специфическими
эффективностями улавливания аэрозольных частиц.
Рисунок 9 Респираторный тракт как система
фильтров.
Каждый
фильтр
характеризуется
двумя
параметрами
–
эффективностью фильтрации η и объѐмом . Эффективность фильтрации i-го
фильтра, ηi, определяется как доля тех аэрозольных частиц, которые
отложились на фильтре, по отношению к общему числу частиц, поступивших
в него, т.е.
66
(28)
а объѐм является функцией пола и возраста (рисунок 10).
а
в
б
Рисунок 10 Объѐм отделов респираторного тракта как функция пола и
возраста по Публикации 66 МКРЗ, а) – экстраторакальный отдел ET, б) –
трахеобронхиальный отдел BB, в) – бронхиолярный отдел bb.
Принимается, что процесс отложения радиоактивного аэрозоля на
стенках воздухоносных путей определяется двумя различными процессами:
аэродинамическим и термодинамическим. В первом случае частицы аэрозоля
(диаметром больше 1 мкм) перемещаются током воздуха и характеризуются
эквивалентным
аэродинамическим
диаметром
dae
(диаметр
сферы
плотностью, равной 1 г/см3, котораяв условиях спокойного воздуха за счет
силы гравитации имеет скорость осаждения, равную скорости осаждения
частицы
в
анализируемом
воздухе
при
преобладающих
значениях
температуры, давления и относительной влажности). Во втором случае
частицы аэрозоля (диаметром меньше 1 мкм) перемещаются посредством
броуновского
движения
и
характеризуются
эквивалентным
термодинамическим диаметром dth (диаметр частицы с плотностью, равной 1
г/см3, имеющей тот же коэффициент диффузии в воздухе при нормальных
условиях, что и у данной частицы).
67
Суммарная эффективность фильтрации определяется для каждого
отдела следующим выражением:
  ae2  th2
(29)
где
– эффективность фильтрации для аэродинамического диаметра
частицы;
- эффективность фильтрации для термодинамического диаметра
частицы.
Эффективность
фильтрации
(для
аэродинамического
и
термодинамического диаметра частицы) рассчитывается по эмпирической
формуле Рудольфа:
  1  exp(aR p ) ,
(30)
где a, R и p – параметры, значения которых приведены в Публикации 66 для
диаметров обоих типов (аэродинамического и термодинамического) для
каждого отдела респираторного тракта, как для входящего, так и для
выходящего токов воздуха.
Кроме того, в модели осаждения вводится понятие префильтра
(нулевой фильтр на рисунке 9), эффективность которого является величиной
обратной
ингалибельности
(т.е.
доли
активности,
содержащейся
в
амбиентном объѐме воздуха, которая поступает в экстраторакальный отдел).
Эффективность префильтра определяется по формуле:
(
(
[
]
(
)
(31)
где dae – аэродинамический диаметр частицы, u – скорость ветра.
Подставляя эмпирические коэффициенты, содержащиеся в Публикации
66, в формулу (28), получаем следующие формулы для эффективности
осаждения аэрозольных частиц с аэродинамическим диаметром dae и с
термодинамическим диаметром dth в различных отделах респираторного
тракта:
68
(
)
(
(
)
(
(
)
(
(
)
((
(
(
)
(
(
(
(
(
)
(
)
0
(
)
( [
(
)
[
(
)
[ (
) ))
(
)
(33)
) )
)
)
(
)(
)
(
)+ )] (
) (32)
)
(
)
)
)
(
((
)
(
(
(
)
)(
[
(*
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(37)
((
)
] [
(
)
]
)
)(
)
]
)
1
(
)
(
)
(40)
]
(41)
где
dae – аэродинамический диаметр частицы, мкм;
dth – термодинамический диаметр частицы, мкм;
D – коэффициент диффузии Броуновской частицы, см2∙с-1;
V – скорость дыхания мл/с,
SFt – параметр, учитывающий индивидуальные анатомические различия и
равный 1,65/d0, где d0–диаметр трахеи (1,65 см для условного работника).
SFb – параметр, равный 0,165/d9, где d9–диаметр 9-й генерации бронхов (d9
=0,165 см для условного работника);
69
SFA – параметр, равный 0,051/d16, где d16–диаметр 16-й генерации
респираторных бронхиол (d16 =0,051 см для условного работника);
tB – время, за которое воздух проходит через трахею и бронхи:
(
где
(
) (
)
(42)
) – анатомическое мертвое пространство (объем) трахеи и бронхов,
л; FRC - функциональная остаточная емкость легких, равная объему воздуха,
который остается в легких после каждого выдоха, л; VT – тидальный объем
легких, л;
tb – время, за которое воздух проходит через бронхиолы:
(
) (
)
(43)
где VD(bb) - анатомическое мертвое пространство (объем) бронхиол, л.
dae – аэродинамический диаметр частицы;
tA – время, в течение
интерстициальном отделе:
,
(
)
[
(
которого
)
(
воздух
)] (
остается
)-
в
альвеолярно-
(
)
Где
VD(ET) – объем экстраторакалього отдела, л; VD(BB) – объем трахеи и
бронхов, л; VD(bb) - объем бронхиол, л; VT – тидальный объем легких, л; FRC
- функциональная остаточная емкость легких, равная объему воздуха,
который остается в легких после каждого выдоха, л; V - скорость дыхания
мл/с.
Объем каждого фильтра в системе:
70
(
)
(
)
(
)
(45)
Волюметрическая фракция
, характеризующая долю воздуха, доходящего
до данного отдела респираторной системы, определяется по формуле:
∑
.
/
(46)
Или расписывая для каждого фильтра:
(
)
(
(
)
(
))
(
(
)
(
)
(47)
(
))
Доля осажденных частиц на определенном фильтре определяется формулой:
(48)
где DEi – доля осажденных аэрозольных частиц; i – эффективность
фильтрации; i – волюметрическая фракция, характеризующая долю воздуха,
доходящего до данного отдела респираторной системы.
Или, расписывая подробно для каждого фильтра:
71
(
)
(
)(
.
.
)
(
)
(
)
(
.
(
/
)(
(
)
)
)(
(
/
(
(
(
.
.
(
)
(
(
)
/
(
)
)
)(
(
/
)(
)(
(
/
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
)
)(
)(
)
)
)(
)(
)
)
)(
)
(
)
)(
)
(
(
)
)
[(
)(
)(
)
(
)]
(
)
[(
)(
)(
)
(
)]
(
)
И, наконец, доля осажденных аэрозольных частиц в определенном отделе
респираторного тракта вычисляется по следующим формулам:
D(ET1) = DE1 + DE9
(58)
D(ET2) = DE2 + DE8
(59)
D(BB) = DE3 + DE7
(60)
D(bb) = DE4 + DE6
(61)
D(AI) = DE5
(62)
И, соответственно, доля общего числа осажденных аэрозольных частиц
в респираторном тракте:
72
D(Total) = D(ET1) + D(ET2) + D(BB) + D(bb) + D(AI)
(63)
Для определения требований к конструкции импактора-фантома
диссертантом был выполнен расчет осаждения аэрозолей в респираторном
тракте «условного работника» в условиях легкой работы (характеристики
которого приведены в таблице 4) при дыхании через нос. Расчет проводился
по формулам, представленным в Публикации 66 МКРЗ, которые были
описаны выше.
Результаты
расчетов
отложения
аэрозолей,
выполненные
диссертантом, представлены в таблице 5, по данным которой, диссертантом
был построен график на рисунке 10.
Таблица 4 Характеристики дыхания «условного работника» согласно
Публикации 66 МКРЗ
Профессонально - легкая
физическая работа
Характер
нагрузки
Продо Интен- Суммарно
Интен- Суммарно
лсивнос
е
Продол- сивнос
е
жител
ть
потреблен жительть
потреблен
ьдыхани
ие
ность,
дыхан
ие
ность,
я,
воздуха,
час
ия,
воздуха,
3
3
3
час
м /час
м
м /час
м3
Сидячая
2,5
деятельнос
(~31%)
ть
Легкая
работа
5,5
(~69%)
0,54
1,35
1,5
8,25
Тяжелая
работа
Всего
Профессонально - тяжелая
физическая работа
8
9,6
7
(87,5%)
1,5
10,5
1
(12,5%)
3
3
8
13,5
73
Таблица 5 Результаты расчета доли отложения аэрозолей в различных
отделах дыхательного тракта для условного работника в условиях легкой
работы при дыхании через нос
Доля осажденных аэрозолей
dae
0,01
0,03
0,10
0,30
1,00
3,00
5,00
10,00
15,00
20,00
ET1
1,71E-01
6,57E-02
2,77E-02
1,48E-02
7,60E-02
2,38E-01
3,36E-01
3,77E-01
3,34E-01
2,99E-01
ET2
1,84E-01
7,05E-02
2,83E-02
1,34E-02
9,75E-02
4,01E-01
4,72E-01
4,30E-01
3,57E-01
3,12E-01
0,50
0,45
0,40
0,35
0,30
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
0,10
BB
3,96E-04
4,08E-04
4,77E-04
6,45E-04
5,06E-03
2,38E-02
2,66E-02
1,70E-02
8,41E-03
4,16E-03
1,00
bb
3,50E-01
1,86E-01
7,98E-02
3,10E-02
1,56E-02
3,14E-02
2,37E-02
5,99E-03
7,93E-04
5,38E-05
AI
2,21E-01
5,43E-01
3,77E-01
1,47E-01
1,85E-01
2,14E-01
8,89E-02
5,48E-03
2,04E-04
3,73E-06
TOTAL
9,26E-01
8,66E-01
5,13E-01
2,07E-01
3,79E-01
9,07E-01
9,47E-01
8,36E-01
7,00E-01
6,15E-01
10,00
Аэродинамический диаметр, мкм
ET1
ET2
BB
bb
AI
Рисунок 11 График зависимости доли осажденных аэрозолей от
аэродинамического диаметра частиц для различных отделов респираторного
тракта в соответствии с Публикацией 66 МКРЗ
74
Доля осажденных
аэрозолей
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
0
1
10
Аэродинамический диаметр, мкм
Рисунок 12 График зависимости доли общего числа осажденных
аэрозольных частиц в респираторном тракте D(Total) от аэродинамического
диаметра частиц
Из анализа графиков на рисунке 11 следует, что региональное
отложение аэрозолей в респираторном тракте нельзя строго разбить на
определенные
размерные
фракции,
что
затрудняет
моделирование
респираторного тракта с помощью импактора. Однако, из литературы по
аэрозольной
биологически
терапии
(метод
активных
лечения,
веществ
в
основанный
виде
наприменении
аэрозолей
в
лечебно-
профилактических целях) [51] известно, что при выборе аэрозолей и
генерирующих их аппаратов придерживаются следующего положения: все
аэрозоли, предназначенные для бронхолегочной системы, должны как можно
меньше
осаждаться
в
экстраторакальном
отделе.
Аэрозоли
же,
предназначенные для верхних дыхательных путей, не должны достигать
легких. Аэрозоль должен доставляться в целевые регионы воздухоносных
путей и легких. В соответствии с этим приняты следующие условные
размеры частиц для аэрозольтерапии различных отделов респираторной
системы: 5—30 мкм — верхние дыхательные пути; 2—5 мкм — нижние
дыхательные пути; 0,5—2 мкм — альвеолы [51, 92].
75
Таким образом, из анализа модели осаждения аэрозолей, содержащейся
в Публикации 66 МКРЗ, с учетом анализа данных из источников по
ингаляционной терапии, были определены граничные диаметры фракций
частиц (таблица 6), осаждающихся в различных отделах респираторного
тракта человека, активность которых необходимо контролировать для оценки
распределения ОЭДВО по органам и тканям респираторного тракта.
Соответственно конструкция импактора-фантома должно обеспечивать
пробоотбор указанных фракций аэрозольных частиц.
Таблица 6 Фракции аэрозольных частиц, осаждающиеся в различных отделах
дыхательного тракта, определенные из анализа модели осаждения аэрозолей
Публикации 66 МКРЗ [67] c учетом данных из литературы по аэрозольной
терапии [51]
№
Фракция
частиц,
мкм
Отдел
тракта
0
Больше 9
Передняя часть носового
хода
ET1
1
9 – 5,8
Задняя
хода
ET2
2
5,8 – 4,7
Трахея и бронхи
BB
3
4,7 – 3,3
Первичные бронхиолы
bb
4
3,3 – 1,1
Терминальные
бронхиолы
bb
5
1,1 – 0,43
Респираторные
бронхиолы
Al
дыхательного
часть
носового
Камера
публикации 66
по
76
№
Фракция
частиц,
мкм
Отдел
тракта
6
Меньше 0,43
Альвеолы
дыхательного
Камера
публикации 66
по
Al
График зависимости доли общего числа осажденных аэрозольных
частиц в респираторном тракте D(Total) от их аэродинамического диаметра
(рисунок 12) дает общее представление о механизмах осаждения аэрозолей в
респираторном тракте. В диапазоне размеров 0,1 – 1 мкм частицы
осаждаются одновременно за счет седиментации и диффузии. Для более
крупных частиц характерно инерционное осаждение, которое происходит на
слизистых оболочках дыхательного тракта при резкой смене направления
воздушного
потока.
Осаждение
в
экстраторакальных
и
верхних
бронхиальных воздушных путях происходит только за счет импакции [65].
2.3. Расчет параметров конструкции импактора-фантома
Разделение частиц аэрозоля на фракции происходит в процессе отбора
пробы на каскадных элементах импактора. Каждый каскадный элемент
включает
в
себя:
сопельную
пластину,
коллекторную
пластину
и
разделительное кольцо (рисунок 13). Верхняя пластина с цилиндрическими
отверстиями образует сопла.
Геометрические размеры отверстий (ширина сопла W, глубина сопла
T) формируют струю воздуха, с заданной линейной скоростью и
направленную
перпендикулярно
поверхности
нижней
пластины
–
коллектора, на котором происходит осаждение аэрозолей (рисунок 14).
Коллектор имеет одно центральное отверстие для прохождения потока
воздуха на следующую ступень. На каждой ступени происходит разделение
частиц
на
2
фракции:
крупные
частицы
(преимущественно
те,
аэродинамический диаметр которых больше, чем эффективный диаметр
77
разделения данного каскадного элемента D50) под действием сил инерции
смещаются с линий тока и, ударяясь о пластину, осаждаются на ней (для
предотвращения сдувания частиц с пластины ее смазывают тонким слоем
вязкого масла или технического вазелина), а мелкие частицы остаются в
потоке воздуха и поступают на следующий каскадный элемент импактора,
имеющий меньший эффективный диаметр D50, или на фильтр.
Рисунок 1 Поперечный разрез ступени Рисунок 14 Принципиальная схема
импактора-фантома
ступени импактора
Для описания движения частиц в импакторе используется число
Стокса. Это безразмерный параметр, равный отношению инерционного
пробега частицы к радиусу сопла и вычисляемый по формуле [40]:
(
)
Где L – длина инерционного пробега частицы, R – радиус сопла, V–
линейная скорость в сопле, η – время релаксации.
Релаксацией называется постепенный переход какой-либо системы из
неравновесного в равновесное состояние и связанное с этим исчезновение
внутренних напряжений. Применительно к аэрозолям под релаксацией понимается процесс перехода частиц дисперсной фазы в состояние равновесия
с дисперсионной средой. Частица, внесенная в газовый поток, по причине
присущей ей инерции, приобретает значение вектора-скорости, равное
вектору-скорости потока, не мгновенно, а через некоторое время, называемое
78
временем релаксации. Одним из видов релаксированного состояния частицы
является ее оседание (седиментация) в массе газа под действием силы
тяжести с равномерной скоростью [9]. Время релаксации аэрозольной
частицы вычисляется по формуле:
(
где dp – диаметр частицы,
–плотность частицы,
)
– динамическая вязкость,
– поправка Каннингема.
Подставляя (65) в (64), получаем следующее выражение для числа Стокса:
(
)
При Stk = 0 (у частиц с бесконечно малой массой) частица точно следует
по линии тока, не соприкасаясь с поверхностью обтекаемого тела. Такое же
явление будет наблюдаться и при достаточно малых значениях числа Стокса.
Существует определенное минимальное, так называемое критическое
значение числа Стокса Stkкр, при котором инерция частицы оказывается
достаточной, чтобы преодолеть увлечение ее газовым потоком, и она
достигает поверхности подложки. Таким образом, захват частицы телом
возможен при условии Stk > Stkкр. Экспериментально установлено, что для
импакторов с круглым отверстием Stk кр = 1/8 [40].
Эффективность осаждения частиц εi на коллекторной пластине i-го
каскадного элемента импактора определяется как отношение числа частиц
данного аэродинамического диаметра, осевших на коллекторной пластине iго каскадного элемента, к числу частиц этого же диаметра, находившихся в
струе воздуха, направленной на данный каскадный элемент, и вычисляется
[74] по формуле:
εi = N1/N2,
(67)
79
где N1 – число частиц данного аэродинамического диаметра, осевших на
коллекторной пластине i-го каскадного элемента;
N2 – число частиц того же диаметра, находившихся в струе воздуха,
направленной на данный каскадный элемент.
Аэродинамический диаметр, соответствующий i(x)=0,5, называется
эффективным диаметром разделения D50 или ЕСАD (Effective Cut-off
Aerodynamic
Diameter).
Типичная
кривая
эффективности
осаждения
каскадного элемента импактора от аэродинамического диаметра частиц
представлена на рисунке 15.
Рисунок 15 Типичная кривая эффективности осаждения каскадного элемента
импактора от аэродинамического диаметра частиц
Параметр √
,
обозначается √
√
√
соответствующий
50%
эффективности
осаждения,
и вычисляется по формуле:
(
)
где 0 = 1 г/ см3; Cс – поправка Каннингема; D50 – эффективный каскадный
аэродинамический диаметр; V – линейная скорость воздуха в соплах;  динамическая вязкость воздуха; W – диаметр сопла.
Линейная скорость в разгонных соплах каскадов определяется по формуле :
80
(
(
)
)
Где Q – объемный расход, м3/с; S – площадь сопла; N – число сопел; W –
диаметр сопла.
Число Рейнольдса для круглого отверстия определяется по формуле :
(
Где
)
– плотность воздуха, равная 1,2∙10-3 г/см3, µ - вязкость воздуха,
равная 1,8∙10-4 г/см∙с, W – диаметр сопла, см; V - линейная скорость в
разгонных соплах каскадов, см/с.
На рисунках 16, 17 представлены зависимости значения параметра
√
от числа Рейнольдса Re и от зазора между срезом сопла и подложкой
S/W для прямоугольного и круглого сопел [81]. Из этих зависимостей видно
слабое влияние S/W и Re на характеристики импактора за исключением
области малых значений параметров, из чего вытекает конструктивное
условие: S/W > 1.
Рисунок 2 Зависимость значения параметра √
прямоугольного и круглого отверстий [81].
от числа Рейнольдса для
81
Рисунок 3 Зависимость значения параметра √
сопла и подложкой [70]
от зазора между срезом
Эффективный каскадный аэродинамический диаметр разделения D50
рассчитывается по формуле:
√
где √
√
(
)
– корень из числа Стокса, соответствующего аэродинамическому
диаметру частицы с эффективностью осаждения 50%; W - диаметр сопла, м;
ρч - плотность частиц аэрозоля, кг/м3; V - линейная скорость движения
частиц в сопле, м/с; Сс - поправка Каннингема ≥1, учитывающая увеличение
подвижности частиц, размер которых сравним со средней длиной пробега
молекул газа.
Отделы дыхательного тракта в импакторе-фантоме дифференцированы
в соответствии с классификацией отделов дыхательного тракта, принятой в
Публикации 66 МКРЗ [67]. На рисунке 18 показано соответствие каскадных
элементов импактора-фантома отделам респираторного тракта человека,
выделенным в соответствии с Публикацией 66. Значения эффективных
аэродинамических диаметров разделения D50 каскадных элементов были
определены в результате анализа математической модели осаждения
аэрозолей, преставленной в Публикации 66, который был описан в разделе
2.2.
82
Рисунок 18 Соответствие каскадных элементов импактора-фантома отделам
респираторного тракта человека, выделенным в соответствии с Публикацией
66 МКРЗ
Расчеты D50 проводились для значения объемного расхода через
устройство, равного 20 л/мин, что соответствует средней скорости дыхания
человека в соответствии с «Нормами радиационной безопасности» (НРБ99/2009) СанПиН 2.6.1.2523-09, п. 4.2 [31] (или скорости дыхания условного
работника в условиях «легкой работы» согласно Публикации 66).
2.3.1 Пример расчета эффективного аэродинамического диаметра D50
каскадного элемента импактора-фантома.
Пусть диаметр круглого сопла каскадного элемента импакторафантома равен W = 1,7 мм, количество сопел N = 24, а скорость прокачки
воздуха Q=20 л/мин = 3,3∙10-4 м3/c.
Линейная скорость в разгонных соплах будет (см.формулу (69)):
(
(
)
83
Число Рейнольдса (см.формулу (70)):
По
таблице 7
значение √
(полученной
из графика на
рисунке
17)
находим
.
Таблица 7 Зависимость параметра √
Re
√
от значений числа Рейнольдса Re
10000
3000
500
0.450
0.475
0.495
В данном случае (Re = 694) √
= 0,49.
Используя формулу (71) рассчитывают D50:
√
В таблице 8 приведены размеры и значения D50 (мкм) для каскадных
элементов
импактора-фантома,
приведенными выше формулами.
рассчитанные
в
соответствии
с
84
Таблица 8 Параметры каскадных элементов и
значения эффективных
аэродинамических диаметров разделения D50 (мкм), рассчитанные для
импактора-фантома
№
Диаметр Число Толщина Расстояние
каск сопел W, сопелN сопла, T, от сопла до
D50, мкм
ада мм
подложки
мм
S, мм
Число
Рейнольдса
Re
0
18
1
20
9
23
1573
1
3,35
24
3
4
9
352
2
2,5
24
3
3
5,8
472
3
2,15
24
2
3
4,7
549
4
1,7
24
2
3
3,3
694
5
0,8
24
1
3
1,1
1474
6
0,56
12
1
3
0,43
3932
2.4 Численное моделирование осаждения аэрозольных частиц на
коллекторных пластинах каскадных элементов импактора-фантома
респираторного тракта человека
Многообразие различных факторов, влияющих на эффективность
осаждения частиц в импакторах (расстояние между срезом сопла и
подложкой, формой сопла, чисел Рейнольдса для сопла и частицы), сильно
затрудняет расчеты параметров данных устройств. Современные технологии
численного моделирования турбулентных потоков (CFD), основанные на
численном
решении
уравнений
гидрогазодинамики,
позволяют
проанализировать вклад различных факторов и вычислить расчетную
эффективность улавливания аэрозольных частиц на инерционных каскадах
импактора.
85
Основная масса моделируемых с помощью CFD методов явлений
описывается
нелинейными
уравнениями
в
частных
производных.
Существует следующие типы численных методов, применяемых для решения
этих уравнений:
 Метод конечных разностей
 Метод конечного объема
 Метод конечных элементов
Как правило, все методы реализуются в два этапа. На первом этапе все
уравнения в частных производных сводятся к алгебраическим выражениям,
из которых затем и получаются значения зависимых переменных (скорость,
давление, температура и т. д.) для конечного количества точек в пределах
области
решения.
Этот
этап
по-другому
называют
дискретизацией
уравнений. На втором этапе производится решение алгебраических
выражений с помощью приемлемого алгоритма расчета. Каждый тип CFD
моделирования, реализует свой способ дискретизации основных уравнений.
При использовании метода контрольных обьемов вся область решения
разбивается на большое число многогранных контрольных объемов – или
ячеек. Последние взаимно связываются между собой по граням ячеек.
Структура, сформированная путем соединения ячеек всех вместе, именуется
расчетной сеткой.
Решение задач вычислительной гидродинамики включает в себя
следующие этапы, которые выполняются с использованием специального
программного обеспечения:
1. Построение расчетной модели.
- построение геометрической модели;
- построение расчетной сетки;
- задание математической и физической модели;
- задание начальных и граничных условий;
86
2. Проведение расчета;
3. Визуализация и анализ полученных результатов.
2.4.1 Моделирование и программные средства
Для исследования осаждения аэрозольных частиц в трехмерной модели
импактора-фантома был выбран программный комплекс STAR-CCM+ от
компании CD Adapco, предназначенный для решения задач механики
сплошных сред. Программный комплекс обладает мощными средствами
построения расчетных сеток: от восстановления целостности поверхности
(surface wrapping) до создания сеток из многогранных ячеек. Использование
этих новых средств построения сеток позволяет значительно сократить время
решения задачи. Программа обладает большим набором физических
моделей: ламинарные
и
турбулентные
течения,
ньютоновские
и
неньютоновские жидкости, многофазные потоки, кавитация, горение,
течения с большими числами Маха, сопряженный теплообмен, а также
модели для расчетов теплообменников и вентиляторов. Программа имеет
мощные средства визуализации. STAR-CCM+
позволяет работать с
моделями, состоящими из 1 млрд. и более ячеек: в отличие от всех других
CFD-пакетов, STAR-CCM+ специально
предназначен
для
выполнения
масштабируемых параллельных вычислений на сколь угодно больших
расчетных сетках.
2.4.2 Построение геометрической модели
По расчитанным в разделе 2.3 размерам, которые представлены в
таблице 8 с помощью программы SolidWorks была построена трехмерная
модель внутреннего объема импактора-фантома (рисунок 19).
87
Рисунок 19 Трехмерная модель внутреннего объема импактора-фантома
В Star-CCM+ для расчета используется только объем, занятый газом,
т.е. внутренний объем. В результате каждый каскадный элемент импактора,
состоящий из сопельной пластины, разделительного кольца и коллекторной
пластины (рисунок 20 а), преобразуется в фигуру, изображенную на рисунке
20 б. Импактор-фантом состоит из шести расположенных последовательно
каскадных элементов, а также двух штуцеров на входе и выходе.
а
б
Рисунок 20 Поперечный срез каскадного элемент импактора фантома (а) и
его внутренний объем (а)
Программный комплекс SolidWorks представляет собой систему
трехмерного
твердотельного
проектирования
механических
узлов
и
конструкций. Процесс построения модели основывается на создании
88
объемных геометрических элементов и выполнения различных операций
между ними. Модель собирается из стандартных элементов и может быть
отредактирована путем добавления (удаления) этих элементов, либо - путем
изменения характерных параметров элементов.
2.4.3 Построение расчетной сетки
Модель внутреннего объема импактора-фантома, построенная с
помощью программы SolidWorks, была импортирована в программный
комплекс Star-CCM+ для построения высококачественной объемной сетки.
Основная цель построения сетки – описание граничных поверхностей
расчетной области и разбиение этих объемов на ячейки, используемые для
численного решения дифференциальных уравнений математической модели.
Cетка включает в себя следующие компоненты: вершины, грани и
ячейки. Вершина – это точка в трехмерном пространстве, определяемая
тремя координатами и имеющая порядковый номер для идентификации.
Грань включает в себя упорядоченный набор точек, таким образом, что они
определяют поверхность в трехмерном пространстве. В STAR-CCM+ грани
могут иметь любое количество точек. Для того, чтобы определить
трехмерную ячейку могут быть использованы четыре или более грани.
Ячейка – это упорядоченный набор граней, которые определяют
замкнутый объем в пространстве. В Star-CCM+ ячейки могут иметь любое
количество граней, пока их не будет достаточно для создания замкнутого
объема. В трехмерном пространстве допускаются ячейки с произвольной
многогранной поверхностью (рисунок 21).
89
Рисунок 21 Формы многогранных ячеек, используемых в Star-CCM+.
Основной
особенностью Star-CCM+ является
полуавтоматическое
построение сетки. Для построение расчетной сетки в данной работе
использовались:
- генератор поверхностной сетки;
- генератор многогранных ячеек;
- генератор призматического слоя.
Генератор поверхностной сетки используется для того, чтобы заново
триангулировать (разбить на треугольники) существующую поверхность.
Это позволяет улучшить качество поверхностей и оптимизировать их для
построения объемной сетки.
Усовершенствованная автоматическая технология построения сеток
создает многогранные или, чаще всего, шестигранные контрольные объемы
обеспечивая комбинацию скорости, контроля и точности: расчетная сетка,
составленная из многогранных ячеек требует меньший объем памяти и
ускоряет решение задачи. Важным, для точности CFD моделирования,
элементом создания сеток является пристеночная область, или сетка из
вытянутых (удлиненных) призматических ячеек. Star-CCM+ автоматически
производит такие пристеночные сетки высокого качества на всех стенках
расчетной области. Расчетная сетка в данной работе включала в себя 1094810
ячеек.
90
2.4.4 Математическая и физическая модель
При моделировании использовались следующие допущения:
- Воздух считается несжимаемой жидкостью (плотность постоянна);
- Поле течения – стационарное;
- Режим течения – турбулентный;
-
Для
моделирования
турбулентности
применялась
k-
модель
турбулентности;
- Поле течения находится при нормальных условиях воздушной среды, т.е.
при температуре +20 ºС и давлении 1 атм.
Математическая модель для описания гидродинамических процессов,
происходящих в импакторе-фантоме, состояла из системы уравнений,
описывающих стационарное турбулентное движение несжимаемой вязкой
жидкости и включала в себя:
Уравнение Навье-Стокса:
( ⃗⃗ ⃗⃗)⃗⃗⃗⃗
⃗⃗
⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗
(
)
Где , P,  - плотность, давление и динамическая вязкость газовой среды, а
⃗
⃗
⃗⃗ – вектор скорости газовой среды.
Уравнения, описывающие поле течения, используемые в κ–ε модели
турбулентности:
⃗⃗
⃗⃗
⃗⃗
⃗
0(
⃗⃗
)
0(
1
)
1
(
)
(
)
91
(
(
⃗⃗
⃗⃗
)
(76)
)
где ⃗⃗ – компоненты вектора скорости,  – динамическая вязкость газовой
среды, t – турбулентная вязкость, k – турбулентная кинетическая энергия, 
– скорость диссипации турбулентной кинетической энергии; ij – компоненты
тензора рейнольдсовых напряжений; δij – символ Кронекера (i = j → δij= 1; i ≠
j → δij= 0);
модельные константы:
= 1,44;
= 1,92;
= 0,09; k=1,0;  = 1,3.
2.4.5 Задание граничных условий
В расчете были приняты следующие граничные условия (рисунок 22):
– стагнация на входе - условие входа потока среды в расчетную область с
фиксированным перепадом давления и компонентами линейной скорости
{ux, uy, uz}, ux= 0, uy= 0, uz ≠ 0, p = 101325 Па;
- поток массы на выходе, равный 4·10-4 кг/с при объемном расходе 20
л/мин - условие выхода потока среды из расчетной области, ux ≠ 0, uy ≠ 0,
uz ≠ 0, p = 0.
92
Рисунок 4 Общий вид расчетной области с указанием граничных условий: 1 Стагнация на входе
(P0 = 101325 Па), 2 - поток массы на выходе при
объемном расходе 20 л/мин.
2.4.6 Результаты расчета поля скоростей и перепада давления через
устройство
В результате расчета были получены значения средних линейных
скоростей в разгонных соплах инерционных каскадов (таблица 9) Пример
поля скоростей в поперечном срезе четвертого каскада представлен на
рисунке 23.
Вычисленные с помощью программы линейные скорости в соплах в
пределах 5% погрешности совпали со значениями, рассчитанными по
формуле (69). Также был определен перепад давления через устройство
(рисунок 24), который составил 1492 мм.вод.ст.
93
Таблица 9 Сравнение результатов расчетов средних значений линейных
скоростей в соплах каскадов импактора-фантома, выполненных с помощью
Star-CCM+ со значениями, рассчитанными по формуле (69)
Средняя линейная скорость в соплах
Номер
V, м/с
каскада
Расчет
по
Расчет с помощью
формуле (69)
Star-CCM+
0
1,31
1,32
1
1,58
1,64
2
2,83
2,96
3
3,83
4,57
4
6,12
6,32
5
27,6
30,7
6
98
101
Рисунок 23 Поле скоростей в поперечном срезе четвертого каскада
импактора-фантома с отображением расчетной сетки
94
Рисунок 24 Поле давления
2.4.7 Моделирование и расчет эффективности осаждения частиц в
импакторе-фантоме с помощью Лагранжевой модели
При моделировании осаждения частиц в импакторе-фантоме в
программу загружалась трехмерная модель внутреннего объема отдельного
каскада. При этом задавались следующие граничные условия (рисунок 25):
скорость на входе (velocity inlet) (подразумаевает задание вектора скорости и
температуры входящего потока); и давление на выходе (pressure outlet),
определяющее статическое давление потока на выходной границе; для
моделирования инерционного осаждения частиц на коллекторной плоскости
задавалось граничное условие «стенка с выпуском» – осадившимися
считались частицы, траектории которых пересекли коллекторную плоскость.
95
Рисунок 25 Задание граничных условий на расчетной области модели каскада
импактора-фантома (поперечный срез), 1 – скорость на входе, 2 – давление
на выходе, 3 – «стенка с выпуском».
В качестве значений линейных скоростей на входе в расчетную область
каскада использовались данные из таблицы 9, полученные в результате
расчета поля скоростей в устройстве. Для описания движения частиц
дисперсной фазы была выбрана Лагранжева модель, которая позволяет
решить задачу об эффективности улавливания частиц статистически [38].
Полученное этим способом решение для всех частиц строится по принципу
обобщения поведения в потоке небольшой группы частиц (порядка 1000).
Уравнение
(77)
использовалось
для
вычисления
траекторий
аэрозольных частиц, на основе рассчитанных полей течения, с учетом
влияния инерционных сил потока в разгонных соплах.
⃗⃗
где
| ⃗⃗
⃗⃗ | ( ⃗⃗
⃗⃗ )
(
)
– масса частицы, ⃗⃗ –cкорость частицы, ⃗⃗– скорость газовой среды,
–
плотность частицы, Ap – площадь поперечного сечения частицы, Rep – число
Рейнольдса для частицы, Сd – безразмерный коэффициент сопротивления при
малых числах Рейнольдса равный 24/Rep;
| ⃗⃗
⃗⃗ |
(
)
96
Проводилось моделирование пропускания через каскадные элементы
монодисперсных аэрозолей в диапазоне размеров от 0,6 мкм до 20 мкм,
плотность частиц ρp=2050 кг/м3, концентрация N = 106 част/м3.
Частицы дисперсной Лагранжевой фазы вводятся в вычислительную
область через инжектор. Инжектор определяет начальное состояние частиц и
включает в себя набор следующих параметров: диаметр частиц, скорость
частиц и скорость потока массы. Скорость потока массы вычислялась
следующим образом:
Пример расчета скорости потока массы
Пусть через каскад моделируется пропускание монодисперсного
аэрозоля с аэродинамическими диаметрами частиц d = 5 мкм и плотностью
частиц ρp=2050 кг/м3.
Тогда объем одной сферической частицы:
(
)
Масса одной частицы:
Тогда поток массы при скорости потока частиц N = 106 част/сек:
В результате расчета определялось количество частиц, осадившихся на
коллекторной пластине; затем по формуле (79) вычислялась эффективность
осаждения частиц для отдельного каскадного элемента.
εi = N1/N2, (79)
где N1 – число частиц данного аэродинамического диаметра, осевших на
коллекторной пластине i-го каскадного элемента;
97
N2 – число частиц того же диаметра, находившихся в струе воздуха,
направленной на данный каскадный элемент.
На рисунке 26 представлены рассчитанные траектории движения
частиц в импакторе-фантоме на примере четвертого каскада и частиц
диаметром 5 мкм. На рисунке 27 представлены следы осажденных частиц на
коллекторной пластине первого каскадного элемента.
Рисунок 5 Рассчитанные траектории Рисунок 6 Следы осажденных
движения частиц в импакторе-фантоме частиц на коллекторной пластине
(каскад №4, диаметр частиц – 5 мкм)
первого каскада, полученные в
результате моделирования
Были построены графики зависимости эффективности осаждения
частиц на каскадных элементах от аэродинамического диаметра частиц
(рисунок
28),
по
которым
были
определены
эффективные
аэродинамические диаметры разделения каскадов D50 (таблица 12). В
пределах 10% погрешности расчеты с использованием Star-CCM+ совпали с
требуемыми значениями D50, определенными из Публикации 66 МКРЗ.
Расчетные (идеальные) кривые эффективности осаждения на рисунке 28
были построены, используя формулу (80) [71].
(
)
(
)
(
)
(
)
98
где dae – аэродинамический диаметр частицы,  и  - коэффициенты,
значения которых приведены в таблице 10.
Таблица 10 Значения коэффициентов для построения расчетных кривых
эффективности осаждения частиц на каскадных элементах импактора [71]
Номер каскада


D50
1
-15,09
1,66
9
2
-12,42
2,09
5,8
3
-11,43
2,42
4,7
4
-10,16
3,17
3,3
5
-9,13
8,69
1,1
6
-5,95
13,85
0,47
Эффективность осаждения
1,2
Расчетные
1,0
кривые
Каскад 1
Каскад 2
0,8
Каскад 3
Каскад 4
Каскад 5
0,6
Каскад 6
Результаты
1
0,4
3
моделирова
ния
0,2
2
4
5
6
0,0
0,1
1
10
Аэродинамический диаметр, мкм
99
Рисунок 28 График зависимости эффективностей осаждения от
аэродинамического диаметра частиц, полученных в результате
моделирования с помощью ПК Star-CCM+ для различных каскадов.
2.5 Разработка конструкции и экспериментальные исследования
характеристик импактора-фантома респираторного тракта человека.
В данном разделе описана разработка конструкции импакторафантома, а также экспериментальное исследование характеристик данного
устройства. Проведено сравнение экспериментальных результатов по
эффективности осаждения частиц на каскадных элементах импакторафантома
со
значениями
эффективностей
осаждения,
полученных
в
результате численного моделирования с помощью программы Star-CCM+
(процесс численного моделирования был описан в разделе 2.4).
2.5.1 Разработка конструкции импактора фантома
В отличие от обычного импактора, у которого эффективные
аэродинамические
диаметры
разделения
каскадов
D50
равномерно
распределены по всему диапазону контролируемых размеров частиц, у
импактора-фантома
каждый
каскад
по
характеристике
осаждения
соответствует определенной камере респираторного тракта. В результате
количество каскадов в конструкции устройства определяется набором камер
осаждения в модели респираторного тракта Публикации 66 МКРЗ [67]. Как
уже упоминалось ранее, необходимость в таком устройстве возникает прежде
всего, когда распределение активности по размерам частиц дисперсной фазы
аэрозоля не соответствует логарифмически-нормальному закону (например, в
ряде исследований [54, 61] на плутониевых предприятиях были выявлены
бимодальные распределения аэрозольных частиц по размерам).
Общий вид устройства представлен на рисунке 29 а. Импактор-фантом
(рисунок 29 б) состоит из нижней части корпуса 1, верхней части корпуса 2,
пробоотборной корзины 3 и каскадных элементов, размещенных в
пробоотборной корзине, что обеспечивает оперативность их замены.
100
Каждый каскадный элемент включает в себя сопельную пластину,
коллекторную пластину и разделительное фторопластовое кольцо (рисунок
30).
а
б
Рисунок 29 Общий вид (а) и поперечный срез (б) импактора-фантома
респираторного тракта-человека
Рисунок 30 Каскадные элементы импактора-фантома (1 – сопельная
пластина, 2 – разделительное кольцо, 3 – коллекторная пластина)
101
Использование в конструкции коллекторных пластин, имеющих форму
тонких плоских дисков, в центре которых находится круглое отверстие для
прохождения воздушного потока на следующий каскадный элемент или
фильтр, позволяет размещать их в стандартных спектрометрических и
радиометрических приборах при анализе активности фракций аэрозоля.
Сопельные пластины (рисунок 31) представляют собой плоские диски с
разгонными
соплами,
концентрическим
равномерному
равномерно
окружностям.
распределению
распределенными
по
Многосопельность
осажденных
аэрозольных
нескольким
способствует
частиц
по
поверхности коллекторных пластин всех каскадных элементов. Кроме того,
диаметр сопельного отверстия на сопельной пластине не превышает
толщины сопельной пластины, что повышает избирательность каждого
каскадного элемента к размеру осаждаемых аэрозольных частиц. Для
правильного функционирования импактора все поверхности пластин должны
быть отполироваными, отверстия верхней пластины раззенкованы в верхней
части (0,2  450), допуск на диаметр отверстий не должен превышать + 5 %.
а)
б)
Рисунок 31 а) сопельная пластина с сопельными отверстиями,
распределенными по трем концентрическим окружностям; б) сопельная
пластина с сопельными отверстиями, распределенными по одной окружности
Выбором
материала
разделительного
кольца
(фторопласт)
обеспечивается герметичность внутреннего пространства и стабильность
расстояния между соплом и коллектором. Для повышения эффективности
удержания аэрозольных частиц на коллекторной пластине поверхность
102
коллектора покрывается равномерным тонким слоем технического вазелина
или масла (желательно термостойкого).
Первый каскадный элемент импактора-фантома (рисунок 32) состоит
из сопельной пластины 4, разделительного кольца 5, коллекторной пластины
6, на которой происходит инерционное осаждение размерной фракции
аэрозолей, осаждающейся в передней части носового хода человека
(подотдел ET1 экстраторакального отдела ET в дозиметрической модели
Публикации 66 МКРЗ [67]) и разделительного кольца 7, которое отделяет
коллекторную пластину 6 первого каскадного элемента от сопельной
пластины 8 второго каскадного элемента (рисунок 32).
Второй каскадный элемент состоит из сопельной пластины 8,
разделительного кольца 9, коллекторной пластины 10, на которой
происходит
инерционное
осаждение
размерной
фракции
аэрозолей,
осаждающейся в задней части носового хода человека (подотдел ET2
экстраторакального отдела ET в дозиметрической модели Публикации 66
МКРЗ) и разделительного кольца 11, которое отделяет коллекторную
пластину 10 второго каскадного элемента от сопельной пластины 12 третьего
каскадного элемента импактора-фантома (рисунок 32).
Третий каскадный элемент состоит из сопельной пластины 12,
разделительного кольца 13, коллекторной пластины 14, на которой
происходит
инерционное
осаждение
размерной
фракции
аэрозолей,
оседающей в трахее и бронхах (трахеобронхиальный отдел BB в
дозиметрической модели Публикации 66 МКРЗ) и разделительного кольца
15, отделяющего коллекторную пластину 14 третьего каскадного элемента от
сопельной пластины 16 четвертого каскадного элемента (рисунок 32).
Четвертый каскадный элемент состоит из сопельной пластины 16,
разделительного кольца 17, коллекторной пластины 18, на которой
происходит
инерционное
осаждение
размерной
фракции
аэрозолей,
осаждающейся в первичных бронхиолах (бронхиолярный отдел bb в
103
дозиметрической модели Публикации 66 МКРЗ) и разделительного кольца
19, отделяющего коллекторную пластину 18 четвертого каскадного элемента
от сопельной пластины 20 пятого каскадного элемента (рисунок 32).
Пятый каскадный элемент состоит из сопельной пластины 20,
разделительного кольца 21, коллекторной пластины 22, на которой
происходит осаждение размерной фракции аэрозолей, осаждающейся в
терминальных бронхиолах (бронхиолярный отдел bb в дозиметрической
модели Публикации 66 МКРЗ) и разделительного кольца 23, отделяющего
коллекторную пластину 22 пятого каскадного элемента от сопельной
пластины 24 шестого каскадного элемента (рисунок 32).
Рисунок 32 Схема компоновки пробоотборной корзины устройства
Шестой каскадный элемент состоит из сопельной пластины 24,
разделительного кольца 25, коллекторной пластины 26, на которой
происходит
инерционное
осаждающейся
в
осаждение
респираторных
размерной
фракции
бронхиолах
аэрозолей,
(альвеолярно-
104
интерстициальный отдел AI) и разделительного кольца 27, отделяющего
коллекторную пластину 26 шестого каскадного элемента от седьмого
каскадного элемента (фильтра) 28, на котором происходит осаждение
размерной фракции аэрозолей, осаждающейся в альвеолах(альвеолярноинтерстициальный отдел AI в дозиметрической модели Публикации66
МКРЗ)(рисунок 32).
Пробоотборная корзина 3 (рисунок 32) представляет собой полый
цилиндр, открытый сверху и имеющий снизу крестовину для фиксации
фильтра и других каскадных элементов. Пробоотборная корзина имеет две
выемки по боковым стенкам для удобства установки каскадных элементов
(рисунок 33).
К верхней части корпуса 2 (рисунок 29 б), посредством резьбового
соединения присоединяется штуцер 29, обе части корпуса соединяются при
помощи крепежных винтов 30, для уплотнения используются прокладки 31,
32. В нижней части корпуса 1 находится штуцер 33 для подсоединения
побудителя расхода (рисунок 29 б).
Рисунок 33 Корпус устройства и пробоотборная корзина с каскадными
элементами
Подготовка устройства к работе осуществляется в следующем порядке:
производят компоновку пробоотборной корзины 3 в соответствии со схемой
на рисунке 32, предварительно нанеся на поверхности коллекторных пластин
6, 10, 14, 18, 22, 26 вязкое вещество; помещают прокладку 32 в нижнюю
105
часть корпуса 1 (рисунок 29 б); затем помещают скомпонованную
пробоотборную корзину 3 в нижнюю часть корпуса 1, которую соединяют с
верхней частью корпуса 2 при помощи крепежных винтов 30, для уплотнения
используется прокладка 31 (рисунок 29 б).
К штуцеру 33 в нижней части корпуса подсоединяется побудитель
расхода 34, снабженный расходомером 35, как показано на схеме
подключения устройства (рисунок 34). Отбор радиоактивного аэрозоля
осуществляется при помощи побудителя расхода, который обеспечивает
объемный расход, не выходящий за допустимые пределы (20 л/мин), что
соответствует средней скорости дыхания человека в соответствии с
«Нормами радиационной безопасности» (НРБ-99/2009) СанПиН 2.6.1.252309, п.4.2 [31].
Рисунок 34. Схема подключения устройства
Импактор-фантом устанавливается по месту отбора пробы, затем
включается побудитель расхода 34, воздух, содержащий аэрозольные
частицы, поступает в устройство через штуцер 29 и формируется в поток с
заданными пространственно-скоростными параметрами.
Попадая внутрь устройства, частицы аэрозоля движутся вместе с
воздушным потоком с линейной скоростью, задаваемой размерами и
количеством сопельных отверстий сопельной пластины 4 (рисунок 32).
Резкое изменение направления движения потока после прохождения потоком
сопельных отверстий сопельной пластины 4 первого каскадного элемента
106
приводит к тому, что в силу своей инерции наиболее массивные частицы не
успевают изменить направление своего движения и осаждаются в вязком
веществе, покрывающем коллекторную пластину 6 первого каскадного
элемента, при этом на коллекторной пластине 6 первого каскадного элемента
происходит
инерционное
осаждение
размерной
фракции
аэрозолей,
осаждающейся в передней части носового хода человека (подотдел ET1
экстраторакального отдела ET в дозиметрической модели Публикации 66
МКРЗ [67]).
Далее воздушные потоки через сопельные отверстия
сопельной
пластины 8 поступают на второй каскадный элемент, где они вновь изменяют
направление и направляются к отверстию, расположенному в центре
коллекторной пластины 10, при этом на поверхности коллекторной пластины
10 второго каскадного элемента происходит инерционное осаждение
размерной фракции аэрозолей, осаждающейся в задней части носового хода
человека (подотдел ET2 экстраторакального отдела ET в дозиметрической
модели Публикации 66 МКРЗ).
Затем воздушные потоки через сопельные отверстия сопельной
пластины 12 поступают на третий каскадный элемент
и еще раз, резко
изменяют направление в сторону отверстия в центре коллекторной пластины
14, при этом на коллекторной пластине 14 третьего каскадного элемента
происходит осаждение размерной фракции аэрозолей, оседающей в трахее и
бронхах (трахеобронхиальный отдел BB в дозиметрической модели
Публикации 66 МКРЗ).
Далее воздушные потоки через сопельные отверстия сопельной
пластины 16 поступают на четвертый каскадный элемент, где они резко
изменяют направление и направляются к отверстию в центре коллекторной
пластины 18, при этом на коллекторной пластине 18 четвертого каскадного
элемента происходит инерционное осаждение размерной фракции аэрозолей,
107
осаждающейся в первичных бронхиолах (бронхиолярный отдел bb в
дозиметрической модели Публикации 66 МКРЗ).
Затем воздушные потоки через сопельные отверстия сопельной
пластины 20 поступают на пятый каскадный элемент, резко изменяют
направление в сторону отверстия в центре коллекторной пластины 22, при
этом на коллекторной пластине 22 пятого каскадного элемента происходит
осаждение размерной фракции аэрозолей, осаждающейся в терминальных
бронхиолах
(бронхиолярный
отдел
bb
в
дозиметрической
модели
Публикации 66 МКРЗ).
После чего воздушные потоки через разгонные отверстия сопельной
пластины 24 поступают на шестой каскадный элемент, где соединяются в
центре коллекторной пластины 26 в один поток, при этом на поверхности
коллекторной пластины 26 шестого каскадного элемента происходит
инерционное осаждение размерной фракции аэрозолей, осаждающейся в
респираторных бронхиолах (альвеолярно-интерстициальный отдел AI в
дозиметрической модели Публикации 66 МКРЗ).
После
коллекторной
пластины
шестого
каскадного
элемента
воздушный поток направляется к фильтру 28, оставшиеся в воздушном
потоке аэрозольные частицы оседают на фильтре 28, так происходит
осаждение размерной фракции аэрозолей, которая в респираторном тракте
человека оседает в альвеолах (альвеолярно-интерстициальный отдел AI в
дозиметрической модели Публикации 66 МКРЗ), после этого воздушный
поток выходит через штуцер 33 в нижней части корпуса устройства.
Длительность отбора пробы определяется характером решаемой
задачи, после чего побудитель расхода 34 отключается. Импактор-фантом 36
разбирается: верхняя часть корпуса 2 отсоединяется, корзина 3 с каскадными
элементами вынимается или заменяется на новую. Каскадные элементы с
осторожностью
активности,
извлекаются
накопленной
на
из
пробоотборной
коллекторных
корзины.
пластинах
Измерение
и
фильтре,
108
производится
с
помощью
спектрометрических
и
радиометрических
приборов.
Технология изготовления импактора-фантома отработана на базе ООО
НПП «Доза». Метрологическое обеспечение предлагаемого устройства, при
его промышленном производстве и проведении испытаний для установления
типа средства измерений подпадает под компетенцию Вторичного эталона
искусственных радиоактивных аэрозолей ВЭТ-39/1 ОАО «СНИИП» ГК
«РОСАТОМ» [94].
2.5.2 Экспериментальное исследование характеристик импакторафантома
2.5.2.1 Описание экспериментальной установки
Для
экспериментальной
проверки
результатов
численного
моделирования была собрана установка, изображенная на рисунке 35.
Импактор-фантом включает в себя шесть расположенных последовательно
каскадных элементов, в данном же эксперименте поочередно исследовалась
эффективность осаждения на отдельном каскаде. Таким образом, собранный
импактор-фантом
с
одним
каскадным
элементом
устанавливался
на
лабораторном штативе 5 в камере 1 размером 200 x 71 x56 см, обтянутой
полиэтиленовой пленкой для создания замкнутого объема. Посредством двух
изокинетических трубок 4 импактор-фантом 3 был подключен к двум
синхронизированным лазерным счетчикам аэрозолей 6 фирмы HandHeld 3016,
которыми измерялась дисперсность аэрозолей на входе и выходе.
109
Рисунок 35 Принципиальная схема экспериментальной установки: 1 –
камера; 2 – крышка камеры; 3 – импактор; 4 – трубки для изокинетического
отбора аэрозолей; 5 – лабораторный штатив; 6 – лазерные счетчики
аэрозолей; 7 – вентилятор; 8 – пластиковый дозатор с полидисперсным
кварцевым песком; 9 – побудитель расхода.
Через
собранный
с
заданными
параметрами
импактор-фантом
прокачивались аэрозоли при объемном расходе 3,33∙104 м/c (20 л/мин) с
помощью
побудителя
использовался
расхода
полидисперсный
9.
В
качестве
кварцевый
песок,
источника
аэрозолей
распылявшийся
из
дозатора 8, подвешенного к крышке камеры 2. На дне камеры был
установлен вентилятор 7 для создания стационарного поля аэрозолей.
Данные о дисперсности аэрозолей на входе и выходе из импактора,
полученные посредством счетчиков 6 для каждого отдельного каскадного
элемента переносились на компьютер для дальнейшей обработки.
110
Внешний вид экспериментальной установки представлен на рисунке
36. На рисунке 37 показан стенд с импактором-фантомом в камере, вид
сверху.
Рисунок 36 Внешний вид
экспериментальной установки
Рисунок 37 Стенд с импакторомфантомом в камере, вид сверху
Счѐтчик HANDHELD 3016 (рисунок 38) имеет шесть счетных каналов
(размерных диапазонов, по которым ведется счет частиц), начиная с 0,3 мкм;
счетчик работает при объемном расходе 2,83 л/мин, оснащен сенсорным
экраном.
Все функции прибора контролируются микропроцессором. Данные
измерений могут быть представлены в интегральной или дифференциальной
форме.
Номер
модели
показывает
минимальный
размер
частиц,
определяемых счѐтчиком. Номер ''3016'' показывает, что минимальный
размер определяемых частиц 0,3 мкм при скорости пробоотбора 0,1 фут3/мин
(2,83 л/мин) и 6 счѐтных каналах.
Счѐтчики HANDHELD используют для определения частиц лазерный
источник света и фокусирующую оптическую систему. Частицы рассеивают
свет от лазерного диода. Фокусирующая оптическая система улавливает и
направляет свет на фотодиод, который превращает рассеиваемый частицами
111
свет в электрические импульсы. По величине импульса определяется размер
частицы.
Импульсы
подсчитываются,
а
их
амплитуда
служит
характеристикой размеров частиц. Результаты отображаются как количество
частиц в канале, соответствующем определенному размеру (рисунок 39).
Рисунок 38 Счетчики аэрозолей
HandHeld 3016
Рисунок 39 Рабочий экран счетчика
аэрозолей HandHeld 3016
При отборе проб измеряемая концентрация и распределение частиц по
размерам
должны
как
можно
точнее
соответствовать
фактическим
концентрации и дисперсности аэрозоля. Есть несколько причин, приводящих
к различию измеряемой и фактической концентрации. Одна из них –
гравитационное или инерционное осаждение в пробе, поскольку при
движении газа в пробоотборной трубке может происходить потеря крупных
частиц. Кроме того, осаждение или селективный отбор на входной части
пробоотборника может приводить к увеличению или занижению количества
крупных частиц. Если пробоотборник размещен соосно с потоком и скорость
отбора равна скорости потока, то пробоотбор называют изокинетическим, а
концентрации в пробе и в исследуемом газе в этом случае должны совпадать.
Изокинетичность пробоотбора в данном эксперименте необходимо
было соблюдать для правильного измерения счетной концентрации
112
аэрозольных частиц лазерными счетчиками. Изокинетичность пробоотбора
обеспечивалась с помощью трубок для изокинетического пробоотбора, схема
которых представлена на рисунке 40. Параметры трубок были рассчитаны по
следующей формуле:
(
)
где V1 – объемная скорость потока, V2 – объемная скорость пробоотбора, S1 –
поперечная площадь потока, S2 – поперечная площадь пробоотбора.
Рисунок 40 Трубки для изокинетического пробоотбора, принципиальная
схема и внешний вид
Характеристики дисперсного состава аэрозолей в камере представлены
в таблице 11 и на рисунке 41.
Таблица 11Дисперсность аэрозоля в камере
Размер частиц D, мкм
0.3
0.5
1
2.5
5
10
Число частиц N
35801
5347
1476
3585
1125
336
lgN
4,55
3,72
3,16
3,55
3,05
2,53
113
Рисунок 41 Гистограмма дисперсности аэрозоля в камере
2.5.2.2 Результаты экспериментального исследования параметров и
характеристик импактора-фантома. Сравнение с моделью.
С помощью полученных экспериментальных данных о дисперсном
составе частиц на входе и выходе из импактора-фантома были построены
графики зависимости эффективности осаждения от аэродинамического
диаметра частиц (рисунок 42), по которым были определены эффективные
аэродинамические диаметры разделения каскадов D50 (таблица 12).
Эффективность осаждения частиц на каскадном элементе импакторафантома рассчитывалась по формуле:
(
)
(
)
где: N1 – количество частиц на входе в импактор; N2 – количество частиц на
выходе из импактора
114
Эффективность осаждения
1,2
1,0
0,8
0,6
каскад 6
5
4
3
2
1
0,4
0,2
0,0
0,1
1
Аэродинамический диаметр, мкм
- Экспериментальные данные
10
Результаты
Расчетные
моделирова-
кривые
ния
Рисунок 42 Графики зависимости эффективности осаждения каскадов от
аэродинамического диаметра частиц
По графику на рисунке 42 и по данным таблицы 12 можно заключить,
что экспериментальные данные находятся в хорошем согласии с расчетами
по STAR-CCM+. Таким образом, из сравнения результатов численного
моделирования с экспериментом следует, что использование программного
комплекса STAR-СCM+ для моделирования трехмерного течения в
импакторе-фантоме позволяет рассчитать кривые эффективности осаждения
аэрозольных частиц с приемлемой точностью при скоростных режимах,
близких к скорости дыхания человека, а также учесть особенности
конструкции при моделировании отдельных каскадов.
115
Таблица 12 Сравнение результатов расчетов эффективных аэродинамических
диаметров разделения D50, выполненных с помощью Star-CCM+ с
требуемыми значениями в соответствии с Публикацией 66 МКРЗ и с
экспериментальными значениями.
Эффективный аэродинамический диаметр разделения D50, мкм
Требуемое
Значение,
значение
вычисленное
Номер
каскада
(в соответствии с
Публикацией
МКРЗ)
66
Экспериментальное
в
значение
результате
численного
моделирования с
помощью
STAR-CCM+
1
9
8,9
9,2
2
5,8
5,5
5,6
3
4,7
4
4,3
4
3,3
3,2
3,1
5
1,1
1
1,17
6
0,43
0,46
0,45
Также с помощью диффиренциального водяного манометра было
определено
аэродинамическое
сопротивление
подключения представлена на рисунке 43).
устройства
(схема
116
1
3
2
1 - Ротаметр
2 - Дифференциальный
водяной манометр
3 - Импактор
4 - Вентиль
5 - Побудитель расхода
воздуха
5
4
Рисунок 43 Схема подключения импактора-фантома при измерении
зависимости аэродинамического сопротивления устройства от величины
объемного расхода
Экспериментальный
сопротивления
график
импактора-фантома
зависимости
от
величины
аэродинамического
объемного
расхода
представлен на рисунке 44.
Сопротивление, мм.вод.ст
1200
1000
800
600
400
200
0
0
5
10
15
20
25
Расход, л/мин
Рисунок
44
Экспериментальная
зависимость
аэродинамического
сопротивления импактора-фантома от величины объемного расхода
117
Значение аэродинамического сопротивления устройства при объемном
расходе 20 л/мин в пределах 20% погрешности совпало со значением,
полученным в результате моделирования с помощью Star-CCM+.
2.6 Анализ погрешностей экспериментальных данных, полученных с
помощью импактора-фантома.
Из зарубежных источников [71] известно, что кривая эффективности
осаждения частиц на коллекторной пластине импактора достаточно хорошо
аппроксимируется логистической функцией:
(
( )
)
(
(
)
)
где х – аэродинамический диаметр частиц, мкм; a1, b1 – эмпирические
коэффициенты.
Это также было подтверждено в результате экспериментальных
исследований характеристик импактора-фантома (раздел 2.5.2).
Тогда, полагая, что распределение активности по аэродинамическим
диаметрам
аэрозольных
частиц,
поступающих
в
импактор-фантом,
подчиняется логнормальному закону, получаем формулу для функции
плотности распределения активности по аэродинамическим диаметрам
частиц, осажденных на коллекторной пластине предосадителя (нулевой
каскад в таблице 8, который используется для отсекания фракции
грубодисперсных частиц с аэродинамическим диаметром более 23 мкм):
z0(x) =
( )∙f(x)
(84)
где f(x) – функция плотности логнормального распределения, которая имеет
вид:
(
( )
√
(
))
(85)
где AMAD – активностный медианный аэродинамический диаметр, g –
геометрическое стандартное отклонение.
118
Тогда плотность распределения активности по размерам
частиц,
осажденных на других коллекторных пластинах импактора-фантома:
z1(x) =
( )∙[f(x) – z0(x)]
(86)
z2(x) =
( )∙[f(x) – (z0(x) + z1(x))]
(87)
z3(x) =
( )∙[f(x) – (z0(x) + z1(x) + z2(x))]
(88)
z4(x) =
( )∙[f(x) – (z0(x) + z1(x)+ z2(x)+ z3(x))]
(89)
z5(x) =
( )∙[f(x) – (z0(x) + z1(x)+ z2(x)+ z3(x)+ z4(x))]
(90)
z6(x) =
( )∙[f(x) – (z0(x) + z1(x)+ z2(x)+ z3(x)+ z4(x) + z5(x))]
(91)
Или в общем виде:
( )
( )
( )
( ) ( ( )
∑
( ))
(
)
( ), i = 0
где i – номер каскадного элемента
f(x) – плотность распределения ЛНР с данным АМАД и βg
Значения D50 каскадов вместе с эмпирическими коэффициентами ai, bi
(получены в результате экпериментального исследования характеристик
импактора-фантома), представлены в таблице 13.
Таблица 1 Значения D50 каскадов вместе с эмпирическими коэффициентами
ai ,
b i,
полученные
в
результате
характеристик импактора-фантома
№
каскада
0
1
2
3
4
D50,
мкм
23
9
5,8
4,7
3,3
ai
bi
-27,5
-15,09
-12,42
-11,43
-10,16
1,2
1,66
2,09
2,42
3,17
экспериментального
исследования
119
№
каскада
5
6
D50,
мкм
1,1
0,43
ai
bi
-9,13
-5,95
8,69
13,85
На рисунках 45, 46 представлены графики плотностей распределения
частиц, осажденных на коллекторных пластинах каскадных элементов
импактора-фантома в случае, когда в импактор поступает аэрозоль,
распределение
частиц
по
размерам
которого
аппроксимируется
логнормальным законом со следующими характеристиками: АМАД = 5 мкм,
g = 2,5 (рисунок 45) и АМАД = 2 мкм, g = 2,5 (рисунок 46)
Рисунок 45 Плотности распределения частиц, осажденных на коллекторных
пластинах каскадных элементов импактора-фантома для случая АМАД = 5
мкм g = 2,5
120
Рисунок 46 Плотности распределения частиц, осажденных на коллекторных
пластинах каскадных элементов импактора-фантома для случая АМАД = 2
мкм g = 2,5
Значения
граничных
диаметров
осаждаемых
на
коллекторных
пластинах фракций аэрозольных частиц определяются значениями D50
каскадных элементов импактора-фантома и представлены в таблице 14:
Таблица 2 Значения граничных диаметров фракций аэрозольных частиц,
осаждаемых на коллекторных пластинах
№
D50,
каскада мкм
Фракция частиц, Обозначение
мкм
отдела
Отдел
респираторного
в тракта
Публикации
66
0
23
больше 23
1
9
23 – 9
ET1
Передняя часть носового
хода
2
5,8
9 – 5,8
ET2
Задняя часть носового
хода
3
4,7
5,8 – 4,7
BB
Трахея и бронхи
121
№
D50,
каскада мкм
Фракция частиц, Обозначение
мкм
отдела
Отдел
респираторного
в тракта
Публикации
66
4
3,3
4,7 – 3,3
bb
Первичные бронхиолы
5
1,1
3,3 – 1,1
bb
Терминальные
бронхиолы
6
0,43
1,1 – 0,43
Al
Респираторные
бронхиолы
Фильтр -
меньше 0,43
Al
Альвеолы
В идеальном случае кривая эффективности осаждения аэрозольных
частиц на каскадном элементе импактора от аэродинамического диаметра
частиц имеет вид вертикальной прямой, однако на практике эта зависимость
имеют иную форму (рисунок 47), что приводит к возникновению
погрешностей при определении граничных диаметров осаждаемых фракций.
Рисунок 47 Кривая эффективности осаждения третьего каскадного элемента
импактора-фантома.
Если на вход импактора-фантома поступает аэрозоль с плотностью
логнормального распределения активности по аэродинамическим диаметрам
122
частиц
f(x),
то
погрешность
определения
плотности
распределения
активности аэрозольных частиц, осажденных на i-м каскадном элементе
определяется по формуле:
.
∫
( )
( )
∫
/
(93)
где zi(x) – плотность распределения частиц, осажденных на коллекторной
пластине i-го каскадного элемента;
d50i – эффективный каскадный аэродинамический диаметр i-го каскадного
элемента.
Вычисленые по формуле (93) значения погрешностей для различных
каскадных элементов представлены в таблице 15.
Таблица 3 Погрешности (%) определения плотности распределения
активности по размерам аэрозольных частиц для различных АМАД и g
АМАД,
мкм
g
2,5
Погрешность, %
Каскад Каскад Каскад Каскад Каскад Каскад
1
2
3
4
5
6
1
3
-15
-2
6
6
10
6
0
2
-16
-6
2
7
2,5
0
3
-16
-5
5
11
6
1
3
-17
-6
1
7
2,5
-2
0
-19
-11
2
10
6
0
3
-17
-10
0
5
2,5
-14
-5
-11
-18
-3
8
6
0
2
-16
-10
-2
3
5
2
1
123
Таким образом, показано, что если в качестве границ интервалов взять
соответствующие d50i, то для любого распределения частиц, лежащего в
интервале
0,43
–
30
мкм,
погрешность
определения
плотности
распределения активности аэрозольных частиц по размерам не превысит
19%.
2.7.
Оценка нижнего порога измерения по различным радионуклидам.
Была выполнена оценка нижнего порога измерения на ППД Canberra с
широкополосным германиевым детектором (серия BeGe) по различным
радионуклидам, т.е. при каком значении объемной активности радионуклида
в воздушной среде возможно получить достоверные значения активности на
каждом каскаде импактора-фантома.
Расчет минимальной детектируемой активности был выполнен с
помощью
программного
комплекса
Genie-2000.
Для
расчета
МДА
применялся метод Курье.
В расчете на единицу массы (или объема) МДА определяется как:
(
)
Где:
LD – предел регистрации, минимальный сигнал, который может быть
достоверно зарегистрирован;
Tl – живое время измерения в секундах;
’ – эффективность с поправкой на ослабление;
y – выход при энергии пика ;
V – масса (или объем) образца;
Kc – коэффициент поправки на распад нуклида во время измерения;
Kw – коэффициент поправки на распад нуклида со времени отбора
пробы до начала измерения;
Kx – коэффициент поправки на распад во время осаждения на
воздушных фильтрах;
124
Cf – массовый (или объемный) коэффициент преобразования для
приведения вычисленной величины активности к оригинальной массе
образца, если измерявшаяся масса является только частью всего
образца;
Uf – коэффициент для преобразования активности в Бк или в
выбранную для отчета единицу.
Подробное описание данного метода содержится в техническом
описании к спектрометрической системе Genie-2000.
Для
расчета
использовались
значения
объемных
активностей
радионуклидов, наблюдавшиеся при аварии на ЧАЭС, а также значения
объемных активностей при штатной работе на расстоянии 3-4 км от АЭС.
Таблица 16 Оценка нижнего порога измерения по разным нуклидам.
Нуклид
I-131
МДА, Бк Тип ситуации Объемная
активность,
Бк/м3
штатная
(3-4 км от
16·10-6
АЭС)
0,87
аварийная
Штатная
(3-4 км от
АЭС)
Cs-137
Время отбора
38967 сут
5,1
(4,6e-3 ДОА)
2,9 ч
10·10-6
4027 сут
0,85
(5e-4 ДОА)
1,14 час
0,25
(1,5e-5 ДОА)
0,25
0,001ДОА
5,8 час
0,056
Аварийная
Ru-103
8,38e-2
аварийная
Ru-106
8,38e-2
аварийная
5,8 час
125
Таким образом, из анализа таблицы 16 следует, что в случае АЭС
применение импактора-фантома целесообразно
лишь
при
аварийных
ситуациях.
2.8 Применение импактора-фантома для анализа дисперсного состава
воздуха производственных помещений предприятия ФГУП «ПО Маяк».
В 2013 г. лабораторией радиационно-гигиенических исследований
было выполнено исследование по отбору проб аэрозолей на технологических
участках производственных помещений одного из заводов ФГУП «ПО
«Маяк» по производству радионуклидов на цепочке Н. Результаты
представлены
в
отчете
«Исследование
особенностей
формирования
аэродисперсных систем на предприятии ФГУП ПО «Маяк», НИР «Защита»,
исх. № 5-02/2091 от 5.11.2014.
Цепочка «Н» выпускает:
- источники нейтронного излучения на основе плутония-239,
плутония-238 и америция-241;
- источники гамма-излучения на основе америция-241;
Выход аэрозолей в операторскую в основном обусловлен разрывом
каландрованных перчаток – 1-5 случаев в год.
Для решения экспериментальных задач с помощью разных типов
импакторов (АИП-2, каскадный импактор Андерсена, импактор-фантом
респираторного тракта человека) были отобраны пробы воздуха в
операторских и ремонтных зонах.
Импактор АИП-2 защищен патентом РФ (RU 2239815),
прошел
испытания и внесен в Государственный реестр средств измерений
(сертификат федерального агентства по техническому регулированию и
метрологии RU.E.27.002.A №19112), аттестован на знак качества по
результатам
характеристик
экспертной
оценки
Всероссийской
единство измерений».
функциональных
и
выставочно-конкурсной
метрологических
программы
«За
126
Каскадный импактор Андерсена является одной из первых моделей
импакторов и на данный момент считается негласным мировым эталоном.
Впервые он был сконструирован А. Андерсеном в 1956 году, и впоследствии
не раз модифицировался.
Таким
образом,
сопоставление
экспериментальных
данных,
полученных с помощью импактора-фантома, с результатами импактора
АИП-2 и каскадного импактора Андерсена могло служить в качестве
верификации импактора-фантома.
В таблице 17 представлены результаты оценки дисперсности аэрозолей
в производственных помещениях.
Таблица 17 Результаты оценки дисперсности аэрозолей в производственных
помещениях одного из предприятий ФГУП «ПО «Маяк».
Цепо Место
Импактор
АМАД,
g
чка
отбора
мкм
5,3
2,7
АИП-2
5,6
3,9
Импактор-фантом 4,9
7,2
Каскадный
импактор
Андерсена
4,2
РЕМЗОНА
АИП-2
ОПЕРАТОРСКАЯ
Н
5,2
Из таблицы видно, что результаты определения АМАД с помощью
различных моделей импакторов находятся в хорошем соответствии между
собой.
Таким образом приведенные в таблице 17 характеристики аэрозолей
позволяют рекомендовать для оценки дозы внутреннего облучения персонала
127
использовать дозовый коэффициент для
241
Am тип П с АМАД 5 мкм: 2,7e-5
Зв/Бк. Обычно при отсутствии экспериментальных данных используют
значения дозового коэффициента, соответствующего АМАД, равного 1 мкм
(3,9е-5 Зв/Бк). Применение для аэрозолей
241
Am дозового коэффициента,
соответствующего 5 мкм, позволило устранить систематическое завышение в
1,4 раза оценки дозы внутреннего облучения для лиц из персонала.
Выводы по главе 2
1. Разработано
устройство
(импактор-фантом),
моделирующее
фракционное осаждение аэрозолей в дыхательном тракте человека,
впервые
позволяющее
поступление
и
оперативно
распределение
оценивать
активности
ингаляционное
частиц
аэрозольной
составляющей радиоактивных газо-аэрозольных смесей по отделам
дыхательного
тракта
существующего
в
условиях
облучений.
планируемого,
Использование
аварийного
данного
и
устройства
повышает достоверность оценки ингаляционного поступления путем
определения характеристик радиоактивного аэрозоля, поступающего в
организм человека, что в конечном итоге приводит к повышению
достоверности оценки ожидаемой эффективной дозы и эквивалентной
дозы внутреннего облучения.
2. На основе анализа математической модели Публикации 66 МКРЗ
установлены граничные диаметры фракций аэрозольных частиц,
осаждающихся в различных отделах дыхательного тракта; определены
требования к конструкции устройства для обеспечения пробоотбора
данных фракций.
3. Экспериментальное исследование характеристик импактора-фантома
показало, что эффективность осаждения аэрозольных частиц на
коллекторных
пластинах
каскадных
элементов
в
пределах
неопределенности ( 20%) совпадает с результатами численного
моделирования, что позволяет использовать программный комплекс
128
STAR-ССM+ для расчета эффективности осаждения инерционных
частиц в импакторе-фантоме при скоростных режимах, близких к
скорости дыхания человека.
4. Показано,
что
если
в
качестве
границ
интервалов
взять
соответствующие значения эффективных каскадных аэродинамических
диаметров, то для любого распределения частиц, лежащего в интервале
0,43 – 30 мкм, погрешность определения плотности распределения
активности аэрозольных частиц по размерам не превысит 19%.
5. Проведена оценка нижнего порога измерения по различным нуклидам
для случая использования полупроводникового спектрометра Canberra
с широкополосным германиевым детектором (серия BeGe) по
различным радионуклидам: I-131, Cs-137, Ru-103, Ru-106. Полученные
результаты показали, что на АЭС применение импактора-фантома
целесообразно лишь при аварийных ситуациях.
6. Применение устройства на участке технологической цепочки ПО
«Маяк» позволило устранить систематическое завышение в 1,4 раза
оценки дозы внутреннего облучения для лиц из персонала.
129
Глава 3 Разработка метода преобразования газовой фракции газоаэрозольных смесей в аэрозольную фракцию
3.1 Постановка задачи
В
силу
своей
природы
аэрозоли
чрезвычайно
подвижны
и
неустойчивы. В них непрерывно происходят изменения дисперсного и
фазового состава. Динамика этих изменений зависит от физико-химических
процессов, протекающих в системе. Между газовой средой и частицами
происходит постоянное взаимодействие, которое влияет на состояние частиц
и приводит к изменениям как дисперсного, так и фазового состава аэрозолей
[11].
Некоторые радиоактивные вещества и их соединения могут находиться
в воздухе одновременно в дисперсном и газообразном состоянии, например
соединения радиоактивного йода, ртути, рутения и других радионуклидов.
Для определения объемной активности пробы, содержащей данные
радионуклиды, необходимо измерение их активности во всех агрегатных
состояниях одновременно.
Данная глава посвящена разработке метода преобразования газовой
составляющей
одновременным
газо-аэрозольных
контролем
смесей
в
дисперсности.
аэрозольную
Метод
фракцию
предназначен
с
для
раздельного измерения объемной активности газовой и аэрозольной
составляющей этой смеси.
3.2 Описание метода преобразования газовой составляющей газоаэрозольных смесей в аэрозольную фракцию.
Разработанный метод основан на химическом преобразовании газовой
составляющей газо-аэрозольной смеси в аэрозольную фракцию и включает в
себя:
1) Отделение аэрозольной фракции от газовой инерционным осаждением
на каскадных элементах импактора-фантома;
130
2) Химическое преобразование газовой составляющей газо-аэрозольной
смеси в аэрозольную фракцию путем ввода паров реагента в газовый
поток;
3) Осаждение полученных частиц на фильтр.
Устройство для реализации предлагаемого метода (рисунок 48),
состоит из расположенных последовательно импактора-фантома 1 и
химического реактора 2, и присоединенной к реактору емкости для реагента
3, преобразующего газовую составляющую газо-аэрозольной смеси в
аэрозольную фракцию.
Импактор-фантом 1 применяется для
определения
объемной
активности
анализа дисперсности и
аэрозольной
составляющей
газо-
аэрозольной смеси (обеспечивает получение образцов для исследования на
гамма-/альфа-спектрометрической установке). Информация о дисперсности
аэрозольной составляющей радиоактивной газо-аэрозольной смеси позволяет
проводить оценку дозы внутреннего облучения с учетом дисперсного
состава, повышая точность и адекватность данной оценки.
С помощью химического реактора 2, в котором газовая составляющая
газо-аэрозольной смеси, содержащаяся в пробе, преобразуется в аэрозольную
фракцию, определяется объемная активность исследуемого радионуклида в
газовой фракции. Химический реактор 2 представляет собой полую емкость,
на входе в которую расположены два штуцера: штуцер 4 для подачи
незначительной части газового потока в емкость с реагентом 3 и штуцер 5
для подачи паров реагента из емкости 3 в реактор 2. На выходе из реактора
находится фильтр, улавливающий образовавшийся частицы, и сетка,
предотвращающая разрыв фильтра. Активность исследуемого радионуклида,
осажденного на фильтре, определяется с помощью гамма- (либо альфа)спектрометрической установки.
131
Рисунок 48 Схема устройства для реализации метода преобразования газовой
составляющей
газо-аэрозольных
смесей
в
аэрозольную
фракцию
с
одновременным контролем дисперсности
3.3 Подбор реагента, для преобразования газовой составляющей газоаэрозольных смесей в аэрозольную фракцию.
Возможности метода преобразования газовой составляющей газоаэрозольных смесей в аэрозольную фракцию были исследованы на примере
смеси летучих и аэрозольных окислов радиоактивного рутения (103Ru, 106Ru).
Известен способ очистки газов от рутения, основанный на смешивании
газообразного
тетраоксида
рутения
RuO4
с
окисью
углерода
CO,
предварительно нагретых до температуры не ниже 50 0С, в количестве не
менее 0,45 кг CO на 1 кг RuO4 [30]. В смеси происходит реакция
RuO4 + 2CO = RuO2 + 2CO2
(94)
Образующийся аэрозоль двуокиси рутения RuO2 частично оседает на
стенках реактора, а оставшаяся часть выносится газовым потоком на
аэрозольные фильтры.
132
Ниже приведены некоторые характеристики испытаний [30]:
Температура, С
Поток газа, л/час
Концентрация
СО, %
25
60
100
120
100
100
100
100
8
5
8
8
Количество
прореагировавшего
рутения, %
0
96,5
Более 99,9
Более 99,9
К недостаткам применения окиси углерода CO в качестве реагента
стоит отнести
необходимость
предварительного
нагрева
реагента и
газообразного тетраоксида рутения до температуры не менее 50 0С, что
приводит к усложнению конструкции устройства и проблематичности
использования его в реальных производственных условиях.
Известны способы очистки газов от рутения путем пропускания его
через слой сорбента, представляющего собой огнеупорный кирпич,
импрегнированный окислами железа, сетку из нержавеющей стали или
силикагель
[2].
На
огнеупорном
кирпиче
сравнительно
небольшие
коэффициенты очистки (50 – 100) достигаются за счет применения очень
высоких температур (до 800 0С), что нерационально. Кроме того, емкость
этого сорбента по рутению крайне мала. Применение сетки из нержавеющей
стали нецелесообразно из-за низких коэффициентов очистки и малой
емкости (8 г рутения на 1 м3 насадки). В случае силикагеля при низких
температурах достигается достаточно высокий коэффициент очистки.
Однако из-за малой емкости
сорбента (0,29 г/м3 насадки) необходимо
применять большие объемы колонн, регенерация которых приводит к
образованию значительных количеств жидких радиоактивных отходов.
В качестве реагента целесообразным представляется применение
этанола поскольку известно, что тетраоксид рутения RuO4 активно
взаимодействует с этанолом, при этом образуется двуокись рутения RuO2 и
продукты окисления этанола [104]. Реакции имеют вид:
133
RuO4 + 2C2H5OH → RuO2 + 2CH3COH + 2H2O
(84)
RuO4 + C2H5OH → RuO2 + CH3CO2H + H2O
(85)
Широкая распространенность, доступность и удобство применения
этанола не требуют комментариев.
3.4 Расчет необходимого объема реагента
На рисунке 49 изображена схема подачи реагента в реакционную
камеру, обеспечивающая поток паров реагента из емкости, достаточный для
достижения необходимой концентрации реагента в реакционной камере. На
рисунке 49: СR – концентрация реагента в растворе; СR0 – концентрация
паров реагента в емкости; СR1 – концентрация реагента в реакционной
камере; СG – концентрация газа в реакционной камере; h – толщина раствора
реагента; VR – объем раствора реагента; r1 – радиус входа реакционной
камеры; r2 – радиус трубок подачи регента; w0 – средняя скорость потока в
реакционной камере; w1 – скорость потока через емкость; w2 – скорость
потока на входе реакционной камеры.
Рисунок 49 Схема подачи паров реагента в реакционную камеру
134
В емкости должно содержаться количество реагента, необходимое для
поддержания реакции в течение всего времени отбора пробы, даже при
максимальной возможной концентрации газа. Из уравнения химической
реакции выбранного реагента и исследуемого газа вычисляется количество
молей реагента, необходимое для полной реакции одного моля газа (k).
Достаточная концентрация реагента в реакционной камере:
СR1 = CG∙μR/k∙μG (87)
где: μR – грамм-моль реагента, г; μG – грамм-моль газа, г; CR1 – концентрация
реагента в реакционной камере, г/см3; СG – значение максимальной
ожидаемой концентрации газа, г/см3.
Соотношение параметров устройства подачи реагента определяется по
формуле:
r22/r12 = CR1/CR0 (88)
где r1 – радиус входа реакционной камеры, r2 - радиус трубок для подачи
паров реагента, CR0 – концентрация паров реагента в емкости, г/см3.
Удельный расход реагента uv, г/c, вычисляется по формуле:
uv = w2∙CR0 (89)
где w2 – скорость потока через емкость с реагентом, w2 = w0r22/(r12 + r22),
w0 – скорость потока в реакционной камере, которую можно приравнять к
средней скорости потока w0 = u.
3.4.1 Расчет необходимого количества реагента в случае пробоотбора
газо-аэрозольных смесей рутения
Предположим, что на вход устройства поступает чистый газообразный
тетраоксид рутения RuO4 . В этом случае максимальная ожидаемая
концентрация газа на входе составит:
CG = M(RuO4)/Vm (90)
135
где M(RuO4) – молярная масса тетроксида рутения, 170 г/моль
Vm - молярный объем, 22,4 л/моль.
В этом случае значение CG составит 7,6e-3 г/см3
1) Рассчитаем достаточную концентрацию паров реагента (этанола) в
реакционной камере по формуле (91):
СR1 = CG∙μR/k∙μG (91)
где: μR–грамм-моль реагента, г; μG
–
грамм-моль вещества, г; CR1 –
концентрация реагента в реакционной камере, г/см3; СG – значение
максимальной ожидаемой концентрации газа, г/см3. k – количество
молей реагента, необходимое для полной реакции одного моля газа.
При CG = 7,6e-3 г/см3, μR = 46 г, μG= 167 г, k = 2 (расчет
выполняется для реакции (84)) концентрация паров реагента в
реакционной камере составит CR1 = 4,18e-3 г/см3;
2) Соотношение параметров устройства подачи реагента:
r22/r12 = CR1/CR0 (92)
где r1 – радиус входа реакционной камеры, r2 - радиус трубок для
подачи паров реагента, CR0 – концентрация паров реагента в емкости,
г/см3.
При r1 = 0,8см, r2 = 0,4см, CR1 = 4,18e-3 г/см3, концентрация паров
реагента в емкости CR0 = 1e-3 г/см3.
3) Удельный расход реагента uv, г/c:
uv = w2∙CR0 (93)
где w2 – скорость потока через емкость с реагентом, w2 = w0r22/(r12 + r22),
w0 – скорость потока в реакционной камере, которую можно
приравнять к средней скорости потока w0 = u. При w0 = 20 л/мин, r1 =
0,8 см, r2 = 0,4 см,
СR0 = 1e-3 г/см3, удельный расход реагента uv = 0,28 г/c.
136
4) Масса реагента, которая потребуется для работы устройства в течение
времени отбора t = 3600 c определяется выражением:
m = uv∙t
(94)
В данном примере при uv = 0,28 г/c, масса реагента составит m = 1003 г
5) Необходимый объем реагента:
V=m/ρ
(95)
При m = 169 г и ρ(С2H5OH) = 0,78г/см3, необходимый объем реагента
для работы устройства в течение часа составит V = 1286 см3 или 1,3 л.
Стоит заметить, что фактические ожидаемые концентрации рутения
будут значительно ниже. Например, при объемной активности тетраоксида
рутения (103Ru) равной 1000ДОА, ожидаемая концентрация газа на входе
устройства составит всего 1,7e-13 г/см3.
3.5 Расчет длины реакционной камеры
Достаточность
времени
реакции
достигается
выбором
такого
соотношения объема реакционной камеры и объемной скорости, которое
обеспечивает полноту реакции. Если t0 - время, за которое в реакцию вступило
99,99% вещества (исследуемого газа), то получаем условие:
t0 ≤ t = V / w = (x∙π∙r2)/w
(96)
где V – объем реакционной камеры, см3;
t – время прохождения реакции в реакционной камере, с;
x – длина реакционной камеры, см.
r – внутренний радиус рекционной камеры, см.
.
137
3.6 Минимизация осаждения аэрозолей на внутренней поверхности
химического реактора
Минимизация осаждения аэрозолей на внутренней поверхности
химического
реактора
достигается
за счет
уменьшения
вероятности
возникновения вихрей на входе в реакционную камеру и организации
ламинарного потока в реакционной камере (рисунок 50). В этом случае
воздействием неровностей внутренней поверхности можно пренебречь и
осаждение образовавшегося аэрозоля на внутренней поверхности будет
минимально.
Опытным путем установлено, что число Рейнольдса, при котором
переход от ламинарного потока к турбулентному начинает влиять на
осаждение, имеет значение Re = 2300 [49]. Для камеры в форме трубы [89]:
(97)
(98)
где: u – средняя скорость потока, для трубы u = w/πr2, см/с;
x – длина реакционной камеры, см.
r – внутренний радиус трубы, см.
υ - кинематическая вязкость воздуха, υ=0,15см2/с;
w – объемный расход (объемная скорость), см3/с;
Следовательно:
(103)
т.е. x ≤ 1083 r2/w.
Данное соотношение выполняется при x = 26 см, r = 3,5 см и w = 20 л/мин.
138
Рисунок 50 Схема образования вихрей в реакционной камере
3.7 Параметры реакционной камеры
Параметры реакционной камеры, полученные в результате расчетов
представлены в таблице 18.
Таблица 18 Параметры реакционной камеры устройства для реализации
метода преобразования газовой составляющей газо-аэрозольных смесей в
аэрозольную фракцию с одновременным контролем дисперсности
Параметр
Длина реакционной камеры
Радиус входа реакционной камеры
Радиус трубок для подачи реагента
Внутренний радиус реакционной
камеры
Объемный расход
Значение
26 см
0,8 см
0,4 см
3,5 см
20 л/мин
3.8 Выводы по главе 3
1. Разработан метод преобразования газовой составляющей газо-аэрозольной
смеси в аэрозольную фракцию для раздельного измерения активности
газовой и аэрозольной составляющей этой смеси с одновременным контролем
дисперсности,
что
в
итоге
приводит
к
более
корректной
оценке
ингаляционного поступления. Метод включает в себя:
1) Отделение аэрозольной фракции от газовой инерционным осаждением
на коллекторных пластинах каскадных элементов импактора-фантома;
139
2) Химическое преобразование газовой составляющей газо-аэрозольной
смеси в аэрозольную фракцию путем ввода паров реагента в газовый
поток;
3) Осаждение полученных аэрозольных частиц на фильтр.
2.Определены
требования
для
расчета
оптимальных
характеристик
устройства для реализации данного метода. Показано, что минимизация
осаждения аэрозолей на внутренней поверхности химического реактора
достигается за счет уменьшения вероятности возникновения вихрей на входе
в реакционную камеру и организации ламинарного потока в реакционной
камере.
3.Показано,
аэрозольную
что
эффективность
фракцию
зависит
преобразования
от
подбора
газовой
фракции
оптимального
в
реагента.
Установлено, что в качестве реагента для преобразования газовой фракции
газо-аэрозольныхсмесей, содержащих рутений, в аэрозольную фракцию
может быть применен этанол.
4.В результате расчетов определено необходимое количество реагента для
работы
устройства
в
течение
часа
при
максимальной
ожидаемой
концентрации газа (предположение, что на вход устройства поступает чистый
газообразный тетраоксид рутения RuO4): 1,3 л этанола в случае пробоотбора
газо-аэрозольных смесей рутения.
140
Глава 4 Численное моделирование и разработка устройства для
реализации метода преобразования газовой фракции газо-аэрозольных
смесей в аэрозольную фракцию
В данной главе проводилось численное моделирование течения
воздушной среды в устройстве для реализации метода преобразования
газовой составляющей газо-аэрозольных смесей в аэрозольную фракцию с
одновременным
контролем
дисперсности
с
помощью
программного
комплекса Star-CCM+, а также разработка конструкции и экспериментальное
исследование характеристик данного устройства.
4.1 Численное моделирование течения воздушного потока в
реакционной камере с помощью программного комплекса STAR-CCM+.
4.1.1 Построение геометрической модели
Трехмерная
модель
внутреннего
преобразования
газовой
составляющей
объема
устройства
газо-аэрозольных
смесей
для
в
аэрозольную фракцию с одновременным контролем дисперсности (рисунок
51) была построена в программе SolidWorks на основе расчетных данных,
представленных в таблице 16. Для упрощения геометрии модели импакторфантом был заменен конусом (в первую очередь исследовалось поле
скоростей в реакционной камере устройства, исследование поля скоростей в
импакторе-фантоме было проведено в главе 3). Для упрощения расчетов
использовалась только половина геометрической модели (при задании
граничных условий применялось условие симметрии поля течения).
4.1.2 Построение расчетной сетки
Модель внутреннего объема устройства, построенная с помощью
программы SolidWorks, была импортирована в программный комплекс StarCCM+ для построения высококачественной объемной сетки. При построении
расчетной сетки использовались:
- генератор поверхностной сетки;
141
- генератор многогранных ячек;
- генератор призматического слоя.
Расчетная сетка включала в себя 640 536 ячеек.
4.1.3 Математическая и физическая модель
При моделировании использовались следующие допущения:
- Воздух считается несжимаемой жидкостью (плотность постоянна);
- Поле течения – стационарное;
- Режим течения – турбулентный;
-
Для
моделирования
турбулентности
применялась
k-
модель
турбулентности;
- Поле течения находится при нормальных условиях воздушной среды, т.е.
температуре +20 ºС и давлении 1 атм.
Математическая модель для описания гидродинамических процессов,
происходящих в устройстве, состояла из системы уравнений, описывающих
стационарное турбулентное движение несжимаемой вязкой жидкости, и
включала в себя:
Уравнение Навье-Стокса:
( ⃗⃗ ⃗⃗)⃗⃗⃗⃗
⃗⃗
⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗
(
)
Где , P,  - плотность, давление и динамическая вязкость газовой среды, а
⃗
⃗
⃗⃗ – вектор скорости газовой среды.
Уравнения, описывающие поле течения, используемые в κ–ε модели
турбулентности:
⃗⃗
⃗⃗
⃗⃗
⃗
0(
⃗⃗
)
0(
1
)
1
(
)
(
)
142
(
(
⃗⃗
⃗⃗
)
)
(103)
где ⃗⃗ – компоненты вектора скорости,  – динамическая вязкость газовой
среды, t – турбулентная вязкость, k – турбулентная кинетическая энергия, 
– скорость диссипации турбулентной кинетической энергии; ij – компоненты
тензора рейнольдсовых напряжений; δij – символ Кронекера (i = j → δij= 1; i ≠
j → δij= 0);
модельные константы:
= 1,44;
= 1,92;
= 0,09; k=1,0;  = 1,3.
4.1.4 Задание граничных условий
В расчете были приняты следующие граничные условия (рисунок 51):
– стагнация на входе - условие входа потока среды в расчетную область с
фиксированным перепадом давления и компонентами линейной скорости{ux,
uy, uz}, ux= 0, uy= 0, uz ≠ 0, p = 101325 Па;
- поток массы на выходе, равный 4·10-4 кг/с при объемном расходе 20 л/мин условие выхода потока среды из расчетной области, ux ≠ 0, uy ≠ 0, uz ≠ 0, p =
0.
143
Рисунок 51 Трехмерная модель внутреннего объема устройства для
реализации метода преобразования газовой составляющей газо-аэрозольных
смесей в аэрозольную фракцию с одновременным контролем дисперсности с
указанием граничных условий: 1 – стагнация на входе, 2 – поток массы на
выходе, 3 – плоскость симметрии.
4.1.5 Результаты расчета поля скоростей и перепада давления через
устройство
В результате расчета с помощью программного комплекса Star-CCM+
было получено поле скоростей в устройстве (рисунок 52) и поле давления
(рисунок 53). В таблице 19 представлены значения линейных скоростей в
точке 1 и 2 устройства.
144
Таблица 19 Значения линейных скоростей потока, м/с в точке 1 и точке 2
(рисунок 52) устройства
Точка 1
Точка 2
8,40E-05 1,70E-07
1,26E-04 2,98E-07
6,03E-05 5,98E-07
2,11E-04 5,73E-07
Из данных таблицы
1/2
Объемный расход, л/мин
124
20
106
30
101
40
91,9
50
19 следует, что объемная скорость потока через
штуцер 5 в 100-120 раз меньше, чем объемная скорость воздуха в верхней
цилиндрической части реактора 2 (рисунок 48). Это приводит к тому, что
незначительная часть воздуха от основного потока (от 0,8% при объемной
скорости прокачки 20 л/мин, до1% при 50 л/мин) направляется через штуцер
4 из реактора 2 в емкость для реагента 3, где насыщается парами реагента,
после чего возвращается в реактор 2 через штуцер 5 (рисунок 48). Наличие
перепада давления между штуцерами 7 и 8 также подтверждается данными
таблицы 20.
145
Рисунок 52 Поле скоростей в
устройстве
Рисунок 53 Поле давления в
устройстве
Таблица 20 Значение давления в точках 1-3 (Рисунок 53)
1
Давление,
Па
100351
2
100441
3
99995
Точка
4.1.6 Исследование влияния угла расширения диффузора реакционной
камеры на осаждение аэрозолей на внутренней поверхности
химического реактора
Минимизация осаждения аэрозолей на внутренней поверхности
химического реактора достигается за счет уменьшения вероятности
146
возникновения вихрей на входе в реакционную камеру и организации
ламинарного потока в реакционной камере. В результате численного
моделирования было установлено, что на ламинарность потока влияет угол
расширения диффузора. Расчеты показывают, что оптимальным углом
является α = 15° (рисунок 54).
а)
б)
Рисунок 54 Схема образования вихрей в реакторе
а) вихри образуются б) вихри не образуются
4.2
Разработка
конструкции устройства
для реализации метода
преобразования газовой составляющей газо-аэрозольных смесей в
аэрозольную фракцию с одновременным контролем дисперсности.
Предлагаемое устройство для реализации метода преобразования
газовой составляющей газо-аэрозольных смесей в аэрозольную фракцию с
одновременным контролем дисперсности (рисунок 55) состоит из импактора
1, реактора 2 и емкости для реагента 3, при этом импактор (рисунок 56)
состоит из корпуса 4 и каскадных элементов 5. К верхней части корпуса
импактора 4 посредством резьбового соединения может присоединяться
147
штуцер 6, нижняя часть корпуса импактора 4 соединена с верхней
конической частью реактора 7 посредством резьбового соединения. На
верхней конической части реактора 7 располагается штуцер 8 для
присоединения емкости для реагента 3, второй штуцер 9 для присоединения
емкости для реагента 3 расположен на цилиндрической горловине реактора
10. Корпус реактора 11 имеет цилиндрическую форму, на выходе из реактора
устанавливается фильтр 12 и сетка 13, предотвращающая разрыв фильтра
(рисунок 57). Днище реактора 14 имеет коническую форму и оснащено
штуцером 15 для присоединения побудителя расхода. Корпус реактора 11 и
днище реактора 14 соединяются при помощи крепежных винтов 16, для
уплотнения соединения используется прокладка 17 (рисунок 57). Емкость
для реагента 3 закрывается герметично крышкой 18 со штуцером 19 (для
подачи незначительной части газового потока из реактора 2 в емкость 3) и
штуцером 20 (для подачи паров реагента из емкости 3 в реактор 2.
Подготовка устройства к работе осуществляется в следующем порядке.
Корпус реактора 11 закрепляется на штативе 21 (рисунок 55). В соответствии
со схемой на рисунке 57 компонуется нижняя часть реактора: в днище
реактора 14 устанавливается фторопластовое кольцо 22, сетка 13, фильтр 12,
прокладка 17. Скомпонованная нижняя часть реактора соединяется с
корпусом реактора 11 (рисунок 57) при помощи крепежных винтов 16. Затем
собирается импактор. Перед присоединением импактора 1 к реактору 2
(рисунок 55) в верхней конической части реактора 7 размещается прокладка
23, затем вворачивается собранный импактор 1. В емкость 3 заливается
реагент, и она закрывается герметично крышкой 18 (рисунок 55). Емкость 3
прикрепляется к реактору 2 с помощью хомута 24. С помощью трубок 25 и
26 емкость 3 подсоединяется к штуцерам 8 и 9 соответственно. К штуцеру 15
подсоединяется побудитель расхода 27, как указано на схеме подключения
устройства (рисунок 59). Внешний вид устройства показан на рисунке 60.
148
Рисунок 55 Общий вид устройства
Рисунок 56 Соединение импактора с
верхней конической частью реактора
Устройство работает следующим образом: включается побудитель
расхода 27 (рисунок 59) и воздух, содержащий радиоактивную газоаэрозольную смесь, поступает в импактор через штуцер 6 (рисунок 56), в
случае отбора проб из замкнутого пространства, или сразу через сопло
импактора 1 (рисунок 55) при исследовании окружающей среды, и
формируется
в
поток
с
заданными
пространственно-скоростными
параметрами. При прохождении через импактор 1 частицы аэрозоля
осаждаются на каскадных элементах 5 (рисунок 56), распределяясь в
соответствии с их аэродинамическими диаметрами. Очищенный от аэрозоля
воздух, содержащий газовую фракцию исследуемой газо-аэрозольной смеси,
поступает из импактора 1 в реактор 2 (рисунок 55).
149
Экспериментально с помощью цифровых расходомеров, а также
методами вычислительной гидродинамики установлено, что объемная
скорость потока через штуцер 8 в 100-120 раз меньше, чем объемная
скорость воздуха в верхней цилиндрической части реактора 7.
Рисунок 57 Схема
нижней части реактора
компоновки Рисунок 58 Схема компоновки
импактора
Это приводит к тому, что незначительная часть воздуха от основного
потока (от 0,8% при объемной скорости прокачки 20 л/мин до 1% при 50
л/мин) направляется через штуцер 8 из реактора 2 в емкость для реагента 3,
где насыщается парами реагента, после чего возвращается в реактор 2 через
штуцер 9. Таким образом, в узкой цилиндрической горловине реактора 10
150
(рисунок 56) скорость течения газа выше, а давление на стенки меньше, чем в
широкой верхней конической части реактора 7, в результате чего
наблюдается перепад давления между штуцерами 8 и 9. За счет этого
незначительная часть основного потока воздуха (от 0,8% при объемном
расходе 3,3∙10-4 м3/с до 1,0% при объемном расходе 8,3∙10-4 м3/с)
направляется через штуцер 8 из реактора 2 в емкость для реагента 3, где
насыщается парами реагента, после чего возвращается в реактор 2 через
штуцер 9. В цилиндрической горловине реактора 10 воздушный поток
смешивается с парами реагента. В реакторе 2 происходит образование
аэрозольных частиц по реакции между молекулами контролируемого газа и
реагента. Образовавшиеся аэрозольные частицы оседают на фильтре 12
(рисунок 57).
Рисунок 59 Схема подключения устройства
Рисунок 60 Внешний вид
устройства
151
Отбор пробы производится в зависимости от характера решаемой
задачи в течение 1 – 6 часов (и более), после чего побудитель расхода 27
(рисунок 59) отключается, импактор 1 отсоединяется от реактора 2 (рисунок
55) и аккуратно разбирается, из него вынимаются каскадные элементы 5,
кроме того, вынимается фильтр 12 из нижней части реактора (рисунок 57).
После окончания всех измерений проводят дезактивацию корпуса
устройства и емкости с реагентом мыльным раствором. После измерения
фильтры с пробой сохраняют для контрольных измерений или выбрасывают
в мусоросборник для радиоактивных отходов.
Объемную
активность
аэрозольной
фракции
радионуклида
рассчитывают по формуле:
Cаэр = Ааэр/Vt
(104)
где Cаэр – объемная активность аэрозольной фракции радионуклида, Бк/м3;
Ааэр– суммарная активность радионуклида на всех каскадных элементах
импактора, Бк; Vt – объем пробы, м3.
Объемную активность газовой фракции радионуклида рассчитывают
по формуле:
CГ = АГ/Vt
(105)
Где CГ – объемная активность газовой фракции радионуклида, Бк/м3; AГ –
активность радионуклида, накопленная фильтром на выходе устройства, Бк;
Vt – объем пробы, м3.
Суммарная объемная активность радионуклида в воздухе Собщ,
измеренная с помощью устройства рассчитывается по формуле:
Собщ = Саэр + СГ
(106)
Долю объемной активности, приходящуюся на газовую фракцию, ∆С Г
определяют по формуле:
∆СГ = СГ/(СГ + Саэр)
(107)
152
4.3 Экспериментальные исследования характеристик устройства для
реализации метода преобразования газовой составляющей газоаэрозольных смесей в аэрозольную фракцию с одновременным
контролем дисперсности
4.3.1 Измерение объемной скорости потока через устройство
С помощью цифровых расходомеров TSI (модель 4000) замерялся
расход в точках 1 и 2 (рисунок 61) при различных значениях объемного
расхода через устройство. Результаты измерений представлены в таблице 21,
из которой следует, что объемная скорость потока через штуцер 8 в 100-120
раз меньше, чем объемная скорость воздуха в верхней цилиндрической части
реактора 7 (рисунок 56). Это приводит к тому, что незначительная часть
воздуха от основного потока (от 0,8% при объемной скорости прокачки 20
л/мин, до 1% при 50 л/мин) направляется через штуцер 8 из реактора 2 в
емкость для реагента 3, где насыщается парами реагента, после чего
возвращается в реактор 2 через штуцер 9.
Таблица 21 Результаты измерений объемной
скорости потока в точке 1 и точке 2 (рисунок 61)
Рисунок 61 Точки
замера значений
объемного расхода
Расход
Расход
в точке 1, Q1,
в точке 2, Q2,
л/мин
л/мин
Q1/Q2
24
0,2
120
26
0,21
121
28
0,24
118
30
0,26
114
32
0,28
113
34
0,3
111
36
0,33
110
38
0,35
109
50
0,5
100
153
4.3.2 Исследование зависимости скорости расхода реагента от различных
параметров
Экспериментально была определена зависимость скорости расхода
реагента (этанола) от температуры окружающей среды и объемной скорости
прокачки воздуха через реактор. Экспериментальные данные приведены в
таблице 22, по данным которой построены графики зависимости скорости
расхода реагента от температуры и от объемной скорости пробоотбора
(рисунок 62, 63).
Таблица
22
Зависимость
удельного
расхода
реагента
(этанола)
температуры окружающей среды и объемной скорости пробоотбора
Температура,
0
С
Объемная
скорость
пробоотбора,
л/мин
Время
отбора,
ч
Удельный расход
реагента, г/c
21
23
1
2,15∙10-4
21
35
1
3,5∙10-4
21
53
1
6,4∙10-4
28
23
1
2,8∙10-4
28
53
1
8,26∙10-4
от
154
Рисунок 62 График зависимости удельного расхода реагента от объемного
расхода при различной температуре окружающей среды (210С и 280С)
Удельный расход реагента,
г/c
9,00E-04
8,00E-04
7,00E-04
6,00E-04
5,00E-04
4,00E-04
53 л/мин
3,00E-04
23 л/мин
2,00E-04
1,00E-04
0,00E+00
20
22
24
26
28
30
Температура, С
Рисунок 63 График зависимости удельного расхода реагента от температуры
окружающей среды при различных значения объемного расхода (23 л/мин и
53 л/мин)
155
4.2 Выводы по главе 4
1. Впервые разработано устройство для реализации метода преобразования
газовой составляющей газо-аэрозольной смеси в аэрозольную фракцию,
обеспечивающее одновременное определение дисперсного и фазового
состава (соотношение газ-аэрозоль) радиоактивных газо-аэрозольных смесей,
что приводит к снижению неопределенности при оценке ингаляционного
поступления радиоактивных газо-аэрозольных смесей.
2. В результате численного моделирования поля течения в устройстве
установлено, что на ламинарность потока в реакционной камере влияет угол
расширения диффузора. Установлено, что оптимальным углом расширения
диффузора является значение угла  = 15°.
3.
В
результате
экспериментального
исследования
характеристик
устройства получены зависимости скорости расхода реагента (этанола) от
температуры окружающей среды и объемной скорости прокачки воздуха
через химический реактор.
156
Глава 5 Разработка алгоритма оценки ингаляционного поступления по
результатам анализа фазового и дисперсного состава радиоактивных
газо-аэрозольных смесей.
В
данной
ингаляционного
главе
изложен
поступления
по
разработанный
результатам
алгоритм
анализа
оценки
фазового
и
дисперсного состава радиоактивных газо-аэрозольных смесей. Алгоритм
основан на применении устройства для реализации метода преобразования
газовой составляющей газо-аэрозольной смеси в аэрозольную фракцию с
одновременным контролем дисперсности и включает в себя следующую
последовательность операций:
1. Подготовка устройства к работе и отбор пробы
2. Разборка устройства и измерение активности отобранной пробы
3. Оценка ингаляционного поступления
4. Определение характеристик распределения аэрозольной фракции по
размерам
5. Расчет доверительных интервалов для АМАД и βg (в случае
соответствия распределения логнормальному закону)
6. Оценка дозы внутреннего облучения
5.1 Подготовка устройства к работе и отбор пробы
5.1.1 Собирают химический реактор: закрепляют корпус реактора 11 на
штативе
21
(рисунок
64).
Производят
компоновку нижней
части
химического реактора в соответствии со схемой на рисунке 65: в днище
реактора 14 устанавливают фторопластовое кольцо 22, сетку 13, фильтр 12,
прокладку 17. Скомпонованную нижнюю часть реактора соединяют с
корпусом реактора 11 при помощи крепежных винтов 16.
157
Рисунок
64
Общий вид
устройства
5.1.2
Рисунок 65 Схема компоновки
нижней части химического реактора
Собирают
импактор-фантом
респираторного
тракта
человека.
Производят компоновку пробоотборной корзины 28 в соответствии со
схемой на рисунке 66, предварительно нанеся на поверхности коллекторных
пластин 31 вязкое вещество (например ЦИАТИМ-221); помещают
прокладку
16
в
нижнюю
часть
корпуса
34;
затем
помещают
скомпонованную пробоотборную корзину 28 в нижнюю часть корпуса 34,
которую соединяют с верхней частью корпуса 4 при помощи крепежных
винтов 16, для уплотнения используется прокладка 29.
158
Рисунок 66 Схема компоновки импактора-фантома
5.1.3 Присоединяют импактор 1 к реактору 2. Для этого в верхней
конической части реактора 7 размещают прокладку 23 и вворачивают
собранный импактор 1 (рисунок 67). В емкость 3 заливают реагент.
Емкость
3
закрывают
герметично
крышкой
18.
Емкость
3
прикрепляют к реактору 2 с помощью хомута 24. Посредством трубок
25 и 26 емкость 3 подсоединяют к штуцерам 8 и 9 соответственно. К
штуцеру
15
подсоединяют
автономный
побудитель
стабилизированного расхода 27, снабженный расходомером 35, как
указано на схеме подключения устройства (рисунок 68).
159
Рисунок
67
Схема
соединения импактора с
верхней
Рисунок 68 Схема подключения
устройства
частью
химического реактора
5.1.4 Устанавливают скомпонованное устройство на месте пробоотбора.
Включают побудитель расхода 27 и устанавливают объемный расход
воздуха через устройство, равный 20 л/мин. Пробоотбор проводят в
течение 3 часов. С помощью расходомера фиксируют объемный расход
отбираемой пробы в начале и в конце пробоотбора.
Объем отобранной пробы вычисляют по формуле:
Vt = (w1+w2)∙t/2
(108)
где Vt – объем пробы, м3; w1– объемный расход, измеренный в начале отбора
пробы, м3/с; w2– объемный расход, измеренный в конце отбора пробы, м3/с;
t– продолжительность отбора пробы, с.
160
5.2 Разборка устройства и измерение активности отобранной пробы
6.2.1 По окончании пробоотбора разбирают импактор и вынимают
пробоотборную корзину 28 (рисунок 66). Коллекторные пластины
31 изымают, не нарушая смазанных поверхностей. Затем разбирают
нижнюю часть химического реактора и вынимают фильтр 12
(рисунок 65).
6.2.2 Измеряют активность аэрозольной фракции, осажденной на каждой
коллекторной пластине и фильтре импактора-фантома.
6.2.3 Измеряют
активность
газовой
фракции,
преобразованной
в
аэрозольные частицы, осажденные на фильтре, установленном в
нижней части химического реактора.
6.2.4 Определяют активность газовой фракции, преобразованной в
аэрозольные частицы, осажденные на внутренней поверхности
химического реактора (смывка), измеряя активность раствора.
6.2.5 Измерения активности проводят в случае гамма-излучающих
радионуклидов – на полупроводниковом гамма-спектрометре; в
случае альфа-излучающих радионуклидов – на радиометре (в случае
известного присутствия в исследуемой пробе только одного
радионуклида),
либо
–
на
альфа-спектрометре,
после
предварительной радиохимической пробоподготовки.
6.2.6 После окончания всех измерений проводят дезактивацию корпуса
устройства и емкости с реагентом мыльным раствором. После
измерения
фильтры
с
пробой
сохраняют
для
контрольных
измерений или выбрасывают в мусоросборник для радиоактивных
отходов.
5.3 Оценка ингаляционного поступления
5.3.1 Объемную активность аэрозольной фракции газо-аэрозольной смеси
рассчитывают по формуле:
Cаэр = Ааэр/Vt
(109)
161
где Cаэр – объемная активность аэрозольной фракции, Бк/м3; Ааэр –
суммарная активность радионуклида на всех каскадных элементах
импактора-фантома, Бк; Vt – объем пробы, м3.
5.3.2 Объемную активность газовой фракции газо-аэрозольной смеси
рассчитывают по формуле:
CГ = АГ/Vt
(110)
где CГ – объемная активность газовой фракции, Бк/м3; AГ – активность
радионуклида, накопленная фильтром на выходе устройства, Бк; Vt –
объем пробы, м3.
5.3.3 Общая объемная активность радионуклида в воздухе Собщ, измеренная
с помощью устройства рассчитывается по формуле:
Собщ = Саэр + СГ
(111)
где Cаэр – объемная активность аэрозольной фракции, Бк/м3;
CГ – объемная активность газовой фракции, Бк/м3
5.3.4 Долю объемной активности, приходящуюся на газовую фракцию, ∆СГ
определяют по формуле:
∆СГ = СГ/(СГ + Саэр)
(112)
где Cаэр – объемная активность аэрозольной фракции, Бк/м3;
CГ – объемная активность газовой фракции, Бк/м3.
5.4 Определение характеристик распределения частиц аэрозольной
фракции по размерам
5.4.1 Определение характеристик распределения аэрозольной фракции по
размерам проводится в два этапа:
а) проверка соответствия вида распределения логнормальному закону с
помощью построения графика на логарифмической вероятностной сетке;
б) определение параметров ЛНР – АМАД и g, если распределение является
логнормальным;
в) построение гистограммы распределения активности по аэродинамическим
диаметрам частиц, если распределение не является логнормальным.
162
5.4.2 Проверка соответствия вида распределения логнормальному закону.
5.4.2.1 На основании измерений активности радионуклида на коллекторных
пластинах и фильтре импактора-фантома находят значение интегральной
функции распределения f(dn) в процентах по формуле:
(
∑
)
(∑
)
(113)
5.4.2.2 Зная значение f(dn), находят значение нормированной
нормально распределенной величины u. Значения u, отвечающие заданным
значениям функции f(dn), могут быть найдены с помощью функции
НОРМСТОБР(f(dn)) в программе Microsoft Excel (или NORMSINV(f(dn)) в
английской версии программы), либо из справочника.
5.4.2.3 Результаты измерений заносят в таблицу:
№
(
)
A, Бк
f(dn),
(
u
)
каскада
0
23
(A0/∑A)
1
9
(A0+A1/∑A)
2
5,8
(A0+A1+A2/∑A)
3
4,7
(A0+A1+A2+A3/∑A)
4
3,3
(A0+A1+A2+A3+A4/∑A)
5
1,1
(A0+A1+A2+A3+A4+A5/∑A)
6
0,43
1
5.4.3 Логнормальное распределение удобно изображать графически на
логарифмически
вероятностной
координатной
сетке,
т.е.
в
такой
163
прямоугольной системе координат, по оси абсцисс которой откладываются
логарифмы
эффективных
каскадных элементов (
аэродинамических
диаметров
разделения
) (а откладываются значения аэродинамических
диаметров), а по оси ординат откладываются значения величины u (а
проставляются значения функции f(dn)в процентах). Через полученные точки
проводят прямую линию. Значение диаметра (d50), при котором f(d50)=50%,
равно АМАД, а отношение диаметров d84/d50
(f(D84)=84%) будет равно g
(рисунок 69). Если значение g < 4,5 рассматриваемое распределение
является
логнормальным,
в
противоположном
случае
(g
>
4,5)
рассматриваемое распределение не соответствует логнормальному закону.
Рисунок 69 Логарифмически вероятностная координатная сетка
5.4.4 Если вид распределения не соответствует логнормальному закону, то
необходимо построить гистограмму плотности распределения.
5.4.5 Построение гистограммы плотности распределения
164
5.4.5.1 Рассчитывают среднее
значение
плотности
распределения
в
интервале
аэродинамических диаметров частиц
(
)по формуле:
̅
(
)
) ∑
(
(
где: fi - среднее значение плотности
аэродинамических диаметров частиц (
(
∑
)
распределения
);
в
(
) - активность радионуклида содержащегося
аэродинамический диаметр которых лежит в интервале (
)
интервале
в частицах,
);
i - номер каскадного элемента импактора-фантома, на котором происходит
разделение аэрозольных частиц в процессе пробоотбора.
5.4.5.2 Строят гистограмму (рисунок 70). Высота каждого
прямоугольника гистограммы есть среднее значение плотности
распределения в интервале аэродинамических диаметров частиц
(
от (
); а ширина каждого прямоугольника – интервал размеров частиц
) до (
)
.
Рисунок 70 Гистограмма плотности распределения
165
5.5 Расчет доверительных интервалов для АМАД и g.
Уравнение логарифмически нормального закона распределения линейно в
координатах
ln(d) = ln(dAMAD) + ln(g)·u
(115)
где:
dAMAD – активностный медианный аэродинамический диаметр.
g– стандартное геометрические отклонение
d – аэродинамический диаметр, мкм
u – нормированная нормально распределенная величина
Доверительный интервал для dAMAD вычисляется по формуле:
̂
Где ̂
̂
(116)
– оценка параметра
t – коэффициент Стьюдента при при доверительной вероятности 95% и
числе степеней свободы, равном n - 2 (где n = 6, число каскадных
элементов импактора-фантома без фильтра)(находится при пересечении
соответствующего столбца и строки в таблице распределения Стьюдента)
– стандартная ошибка параметра ̂
, которая вычисляется по
формуле:
̅
∑
(
̅)
Где u – нормированная нормально распределенная величина
̅ – среднее значение u
S - cтандартная ошибка регрессии:
(
)
166
∑( ( )
Где
( ̂ ))
(
)
–эффективный диаметр разделения i-го каскадного элемента
n = 6, число каскадных элементов импактора-фантома без учета фильтра
̂ – расчетные значения, получаемые из уравнения:
(̂ )=
(̂
(̂ )
)
(
)
(
)
(
)
(
)
где
̂ – оценка параметра
(̂ )
̂
̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅
̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅
( )
( ) ̅
̅̅̅ ( ̅)
– оценка параметра
(̂
( )
) = ̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅
(̂ ) ̅
Доверительный интервал для
̂ –
вычисляется по формуле:
̂
Где
̂ – оценка параметра
t – коэффициент Стьюдента при при доверительной вероятности 95% и
числе степеней свободы, равном n - 2 (где n = 6, число каскадных
элементов импактора-фантома без учета фильтров)
стандартная ошибка параметра ̂
167
∑
(
̅)
(
)
где S - cтандартная ошибка регрессии
5.6 Оценка дозы внутреннего облучения
5.6.1 Рассчитывают значения объемных активностей аэрозольных частиц на
коллекторных пластинах каскадных элементов импактора-фантома по
формуле:
(
)
Где Аi – активность на коллекторной пластине i-го каскадного элемента
импактора-фантома, Бк.
V – отобранный объем пробы, м3.
5.6.2 Заносят полученные значения объемных активностей в таблицу 23.
5.6.3 Вносят в таблицу 23 дозовые коэффициенты из базы данных дозовых
коэффициентов МКРЗ [102] для следующих отделов дыхательного тракта:
а) ET1 (передняя часть носового хода)
б) ET2 (задняя часть носового хода)
в) BB (трахея и бронхи)
г) bb (первичные и терминальные бронхиолы)
д) Al (альвеолы)
5.6.3.1 Если распределение логнормальное (βg < 4,5) используют дозовые
коэффициенты для установленного значения АМАД, в противном случае (βg
> 4,5) используют дозовые коэффициенты для значения АМАД 1 мкм.
168
5.6.3.2 При неизвестном типе химического соединения при ингаляции
используют
тип
химического
соединения
при
ингаляции,
которому
соответствует максимальное значение дозового коэффициента при значении
АМАД 1 мкм.
Таблица 23
Пример оценки дозы внутреннего облучения при ингаляционном
поступлении газо-аэрозольной смеси 106Ru.
№
каскада
0
Отдел
дыхательного
Объемная
активность,
Дозовый коэф, Зв/Бк
тракта
Бк/м3
Передняя часть
0,1
4,7∙10-6
11
2∙10-4
4,3
3,6∙10-3
6,7
3∙10-3
1,3
3∙10-3
0,5
1,3∙10-3
2
1,3∙10-3
носового хода (ET1)
1
Задняя часть
носового хода (ET2)
2
Трахея и бронхи
(BB)
3
Первичные
бронхиолы (bb)
4
Терминальные
бронхиолы (bb)
5
Респираторные
бронхиолы (AI)
6
Альвеолы (AI)
169
5.6.3.3 Расчет ожидаемой эффективной дозы внутреннего облучения
проводится по формуле:
[∑(
Где
( )
)
( )
(
]
)
– ожидаемая эффективная доза внутреннего облучения, Зв;
– объемная активность на коллекторной пластине i-го каскадного
элемента импактора-фантома
( )
- дозовый коэффициент для соединения радионуклида U, которое
при ингаляции следует отнести к типу G, рассчитанный для значения АМАД
по п.5.4, Зв/Бк для i-ого каскадного элемента (который соответствует
определенному отделу дыхательного тракта в соответствии с таблицей 23).
Cг – объемная активность газовой фракции, Бк/м3.
( )
–дозовый коэффициент для соединения радионуклида U, которое
находится в газообразном состоянии Зв/Бк;
Q – объемная скорость дыхания человека, м3/c
t – длительность ингаляционного поступления газо-аэрозольной смеси, с.
5.7 Программное обеспечение для реализации алгоритма оценки
ингаляционного поступления по результатам анализа фазового и
дисперсного состава радиоактивных газо-аэрозольных смесей.
Для автоматизации обработки экспериментальных данных, полученных
с помощью устройства для реализации метода преобразования газовой
составляющей
газо-аэрозольной
смеси
в
аэрозольную
фракцию
с
одновременным контролем дисперности было разработано программное
обеспечение AMAD Calculator 1.1 (рисунок 71, 72).
170
5.7.1 ПО AMAD Calculator 1.1 обеспечивает:
- расчет параметров логнормального распределения (АМАД и βg)
- расчет объемной активности газовой и аэрозольной составляющих
газо-аэрозольной смеси;
-
построение
гистрограммы
распределения
активности
по
аэродинамическим диаметрам частиц аэрозольной составляющей газоаэрозольной смеси
- генерация отчета определения дисперсности в программе MS Word.
Рисунок 71 Интерфейс ПО AMAD Calculator 1.0
171
Рисунок 72 Интерфейс ПО AMAD Calculator 1.0 (анализ фазового состава)
5.7.2 Основные функции:
- ввод значений активностей, накопленных на коллекторных пластинах
каскадных элементов импактора-фантома;
- ввод объемного расхода через импактор и изменение значений
эффективных
аэродинамических
диаметров
разделения
d50
в
зависимости от значения объемного расхода;
- ввод названия пробы, места отбора, а также времени отбора или
объема пробы;
- расчет доверительных интервалов АМАД и βg при доверительной
вероятности 95%;
- расчет ожидаемой эффективной дозы внутреннего облучения;
- возможность сохранения введенных данных и результатов расчета;
- запуск программы только при наличии файла лицензии;
5.7.3 Для установки и работы ПО AMAD Calculator 1.0 необходимо
выполнение следующих программных и аппаратных требований:
172
Программные требования:
- Операционная система Microsoft Windows XP, Microsoft Windows
Vista, Microsoft Windows 7;
Требуемое дисковое пространство: 10 Мб.
Аппаратные требования:
Процессор с частотой не менее 800 МГц (рекомендуется 1ГГц и более),
ОЗУ не менее 512М, 3 Гб (не менее 15 Гб для Windows Vista) свободного
дискового пространства, монитор с разрешением 800 x 600 или более
высоким, клавиатура, мышь.
173
5.8 Выводы по главе 5
1. Разработан
алгоритм
экспериментальной
оценки ингаляционного
поступления по результатам анализа фазового и дисперсного состава
радиоактивных
использовании
преобразования
газо-аэрозольных
разработанного
газовой
смесей.
Алгоритм
устройства
составляющей
для
основан
реализации
газо-аэрозольной
на
метода
смеси
в
аэрозольную фракцию с одновременным контролем дисперсности и
включает в себя следующую последовательность операций:
- Подготовка устройства к работе и отбор пробы;
- Разборка устройства;
- Измерение активности аэрозольных частиц на коллекторных пластинах
каскадных элементов импактора и фильтре;
- Измерение активности фильтра, установленного в нижней части
химического реактора;
- Оценка ингаляционного поступления;
- Определение характеристик распределения аэрозольной фракции по
размерам;
- Расчет доверительных интервалов для АМАД и βg (в случае соответствия
распределения логнормальному закону);
- Оценка дозы внутреннего облучения.
2.
Разработано
программное
обеспечение
для
реализации
данного
алгоритма и автоматизации обработки экспериментальных данных, что
повышает
оперативность
оценки
ожидаемой
эквивалентной дозы внутреннего облучения.
эффективной
дозы
и
174
Заключение
1. Создан мобильный аппаратурно-методический комплекс для оперативной
оценки ингаляционного поступления радиоактивных газо-аэрозольных
смесей на основе раздельного анализа фазового и дисперсного состава смеси
и экспериментального определения объемной активности:
- аэрозольной составляющей с учетом фактического распределения
активности аэрозольных частиц по отделам дыхательного тракта;
- газовой составляющей, путем ее преобразования в аэрозольную фазу.
2. Разработано устройство (импактор-фантом), моделирующее фракционное
осаждение аэрозолей в дыхательном тракте человека, впервые позволившее
оперативно
оценивать
активности
частиц
ингаляционное
аэрозольной
поступление
составляющей
и
распределение
радиоактивных
газо-
аэрозольных смесей по отделам дыхательного тракта. Использование
данного устройства повышает достоверность оценки ингаляционного
поступления путем определения характеристик радиоактивного аэрозоля,
поступающего в организм человека, что в конечном итоге приводит к
повышению достоверности оценки ожидаемой эффективной дозы и
эквивалентной дозы внутреннего облучения. Устройство может применяться
как для оценки доз персонала в условиях планируемого облучения, так и для
оценки доз облучения персонала и населения в условиях аварийного и
существующего облучений.
3. Применение устройства на участке технологической цепочки ПО «Маяк»
позволило устранить систематическое завышение оценки дозы внутреннего
облучения для лиц из персонала в 1,4 раза.
4. Разработан метод преобразования газовой составляющей газо-аэрозольной
смеси в аэрозольную фракцию для раздельного измерения активности
газовой и аэрозольной составляющей этой смеси, что в итоге приводит к более
корректной оценке ингаляционного поступления. Метод включает в себя:
175
1) Отделение аэрозольной фракции от газовой инерционным осаждением
на коллекторных пластинах каскадных элементов импактора-фантома;
2) Химическое преобразование газовой составляющей газо-аэрозольной
смеси в аэрозольную фракцию путем ввода паров реагента в газовый
поток;
3) Осаждение полученных аэрозольных частиц на фильтр.
Метод отработан на примере газо-аэрозольных смесей, содержащих рутений.
5. Разработано устройство для реализации метода преобразования газовой
составляющей
газо-аэрозольной
смеси
в
аэрозольную
фракцию,
обеспечивающее одновременное определение дисперсного и фазового
состава (соотношение газ-аэрозоль) радиоактивных газо-аэрозольных смесей.
6. Показано, что эффективность преобразования газовой составляющей газоаэрозольной смеси в аэрозольную фракцию зависит от подбора оптимального
реагента. Установлено, что в качестве реагента для преобразования газовой
фракции газо-аэрозольных смесей, содержащих рутений в аэрозольную
фракцию может быть применен этанол.
7. Разработан алгоритм оценки ингаляционного поступления по результатам
анализа фазового и дисперсного состава радиоактивных газо-аэрозольных
смесей, позволяющий снизить неопределенность при оценке характеристик
радиоактивного аэрозоля, поступающего в организм человека при дыхании,
для
последующего
определения
ожидаемой
эквивалентной дозы внутреннего облучения.
эффективной
дозы
и
176
Приложение 1 Оценка ингаляционного поступления по результатам
анализа фазового и дисперсного состава на примере газо-аэрозольной
смеси радиоактивного рутения 106Ru
Для измерения объемной активности газовой и аэрозольной фракций
радиоактивного рутения
106
Ru в воздухе, а также для измерения дисперсного
состава аэрозольной фракции, действуют следующим образом:
1. Собирают устройство в соответствии с п.5.1 (глава 5). В качестве
реагента для преобразования газовой составляющей газо-аэрозольной смеси
рутения применяется этанол. В емкость для реагента заливают 1,3 л этанола.
Устанавливают скомпонованное устройство на месте пробоотбора.
Включают побудитель расхода и устанавливают объемный расход воздуха
через устройство, равный 20 л/мин. Пробоотбор проводят в течение 3 часов.
С помощью расходомера фиксируют объемный расход отбираемой пробы в
начале и в конце пробоотбора. Объем отбираемой пробы вычисляют по
формуле:
Vt = (w1+w2)∙t/2
(126)
где Vt – объем пробы; w1– объемный расход, измеренный в начале отбора
пробы, м3/с; w2– объемный расход, измеренный в конце отбора пробы, м3/с;
t– продолжительность отбора пробы, с.
В данном примере объем отобранной пробы составил 3,6 м3.
2. По окончании пробоотбора разбирают устройство в соответствии с
п.5.2 (глава 5) и измеряют активность рутения, накопленную на каскадных
элементах
импактора
и
фильтрах
на
полупроводниковом
гамма-
спектрометре. Кроме того, определяют активность радиоактивного рутения,
осажденного на внутренних поверхностях устройства (смывка), измеряя
активность раствора на гамма-спектрометре. Результаты показывают, что
общие потери составляют менее 5 % от активности газовой фракции рутения
в воздухе или менее 1 % от суммарной активности рутения в воздухе.
После окончания всех измерений проводят дезактивацию корпуса,
устройства и емкости с реагентом мыльным раствором. После измерения
177
фильтры с пробой рутения сохраняют для контрольных измерений или
выбрасывают в мусоросборник для радиоактивных отходов.
3.
Проводят
оценку
ингаляционного
поступления.
Объемную
активность аэрозольной фракции 106Ru рассчитывают по формуле:
Cаэр = Ааэр/Vt ,
(127)
где Cаэр – объемная активность аэрозольной фракции
106
Ru, Бк/м3; Ааэр –
суммарная активность 106Ru на всех каскадных элементах импактора, Бк; Vt –
объем пробы, м3.
Объемную активность газовой фракции 106Ru рассчитывают по формуле:
CГ = АГ/Vt ,
(128)
Где CГ – объемная активность газовой фракции
106
Ru, Бк/м3; AГ –активность
106
Ru, накопленная фильтром на выходе устройства, Бк; Vt – объем пробы, м3.
Общая объемная активность
106
Ru в воздухе Собщ, измеренная с
помощью устройства рассчитывается по формуле:
Собщ = Саэр + СГ
(129)
Долю объемной активности, приходящуюся на газовую фракцию, ∆СГ,
определяют по формуле:
∆СГ = СГ/(СГ + Саэр)
(130)
В таблицу 24 заносят результаты измерения объемной активности
газовой и аэрозольной фракций радиоактивного рутения в пробе воздуха.
Таблица 24
Результаты измерения объемной активности 106Ru в пробе воздуха
Объемная активность газовой фракции СГ, Бк/м3
1,7
Объемная активность аэрозольной фракции Саэр, Бк/м3
10,6
Общая объемная активность пробы Собщ, Бк/м3
12,3
Доля объемной активности газовой фракции, ∆СГ
0,14
178
4. Проводят определение характеристик распределения частиц аэрозольной
фракции по размерам. Результаты измерения активности
106
Ru на каскадных
элементах импактора заносят в таблицу 25. Рассчитывают значения
интегральной функции распределения f(dn).
Таблица 25 Результаты измерения активности
импактора-фантома
(
№
)
A, Бк
f(dn), %
u
106
Ru на каскадных элементах
(
)
каскада
0
23
3
71,7
0,574
3,14
1
9
1,1
61,3
0,288
2,2
2
5,8
0,8
53,8
0,095
1,76
3
4,7
1,4
40,6
-0,239
1,55
4
3,3
0,9
32
-0,466
1,19
5
1,1
1,4
18,8
-0,883
0,1
6
0,43
2
-
Для определения основных характеристик дисперсного состава
аэрозольной фракции по данным таблицы 25 строят график (рисунок 72).
Значение g, равное отношению диаметров D84/D50, в данном случае больше
4,5, соответственно данное распределение не является логарифмически
нормальным.
Гистограмма
свидетельствует
о
том,
бимодальный характер.
плотности
что
распределения
рассматриваемое
(рисунок
распределение
73)
носит
179
Аэродинамический диаметр, мкм
100
D84
36,44
10
D50
6,55
1
0,1
90
0,1
10
50
Относительная активность (%) частиц аэрозоля,
диаметр которых меньше или равен указанному
99
𝐴_𝑖/( 𝐷_𝑖 ∑▒𝐴_𝑖 )
Рисунок 72 Логарифмически вероятностная координатная сетка
0,2
0,18
0,16
0,14
0,12
0,1
0,08
0,06
0,04
0,02
0
0
1
10
Аэродинамический диаметр, мкм
100
Рисунок 73 Гистограмма плотности распределения
5. Для оценки ожидаемой эффективной дозы внутреннего облучения
рассчитывают значения объемных активностей аэрозольных частиц на
коллекторных
пластинах
каскадных
Полученные значения заносят в таблицу 26.
элементов
импактора-фантома.
180
Таблица 26
Пример оценки
дозы внутреннего облучения при ингаляционном
поступлении газо-аэрозольной смеси 106Ru.
№
Объемная
Отдел
каскада
активность,
дыхательного
тракта
0
Дозовый коэф, Зв/Бк
Бк/м3
Передняя
часть
0,83
8e-7
0,31
8e-9
0,22
7,1e-9
0,39
7,1e-9
0,25
7,1e-9
0,39
7,1e-9
0,56
7,1e-9
носового хода (ET1)
1
Задняя
часть
носового хода (ET2)
2
Трахея
и
бронхи
(BB)
3
Первичные
бронхиолы (bb)
4
Терминальные
бронхиолы (bb)
5
Респираторные
бронхиолы (AI)
6
Альвеолы (AI)
Проводят расчет ожидаемой эффективной дозы внутреннего облучения по
формуле:
181
[∑(
Где
( )
( )
)
(
]
)
– ожидаемая эффективная доза внутреннего облучения, Зв;
– объемная активность на коллекторной пластине i-го каскадного
элемента импактора-фантома;
( )
- дозовый коэффициент для соединения радионуклида U, которое
при ингаляции следует отнести к типу G, рассчитанный для значения АМАД
по п.5.4, Зв/Бк для i-ого каскадного элемента (который соответствует
определенному отделу дыхательного тракта в соответствии с таблицей 26).
Cг – объемная активность газовой фракции, Бк/м3.
( )
– дозовый коэффициент для соединения радионуклида U, которое
( )
находится в газообразном состоянии Зв/Бк; Для 106Ru
=1,8e-8 Зв/Бк
Q – объемная скорость дыхания человека, равная 3,3e-4 м3/c (20 л/мин) в
соответствии с п.4.2 НРБ-99/2009 [31].
t – длительность ингаляционного поступления газо-аэрозольной смеси, с.
Так как в данном случае распределение не является логнормальным, и,
следовательно корректное определение АМАД невозможно, для расчета ОЭД
используют дозовые коэффициенты для Ru-106 для значения АМАД 1 мкм и
тип
химического
соединения
при
ингаляции
Б
(значение
дозовых
коэффициентов, взятые из базы данных дозовых коэффициентов МКРЗ [102]
представлены в таблице 26)
Подставляя значения из таблицы 26 в формулу (131), получаем для
длительности ингаляционного поступления t = 3 часа значение ожидаемой
эффективной дозы 2,5 мкЗв для данного примера.
182
Список литературы
1. Аладова Е. Е. Влияние физико-химических свойств промышленных
альфа-активных аэрозолей на результаты биофизического мониторинга
персонала, работающего в контакте с плутонием: дис. канд. биол. наук:
03.00.01. - М., 2005. - 127 c.
2. А.с. № 565430 кл. 01J 8/04. Способ очистки газов / О.С. Ананян, С.А.
Блинников, И.Е. Нахутин, А.С. Поляков, А.И. Кулаков, А.С. Такмазян
(СССР). – Опубл. 30.03.1978, бюл. № 12. – 2 л.
3. Андреев Б.Г. Полный спектр частиц естественных аэрозолей и оценка
доли активных ядер конденсации // Труды VIII всес. конф. по физике
облаков и активным воздействиям. Л.: Гидрометеоиздат, 1970. - С. 93100.
4. Антипин
Е.Б.
гигиенической
Научные
основы
безопасности
обеспечения
персонала
радиационно-
предприятий
атомной
промышленности в современных условиях: дис. д-ра мед. наук:
14.02.01. - М., 2011. – 264 с.
5. Архипов
В.А.
Аэрозольные
системы
и
их
влияние
на
жизнедеятельность / В.А.Архипов, У.М.Шереметьева. - Томск, 2007. 136 c.
6. Борисов Н.Б. Исследование газообразных фракций радиоактивного
йода // Атомная энергия. - 2004. - Т. 97. - Вып. 5. - С. 349-355.
7. Специфические свойства аэрозолей полония / Н.Б. Борисов, Л.И.
Борисова, С.Л. Чуркин, И.В. Петрянов-Соколов
// Коллоидный
журнал. - 1995. - Т.57. - №1. - С.11-14.
8. Наблюдение
за
газоаэрозольными
компонентами
радиоиода
и
радиорутения в первые недели после аварии на ЧАЭС / Н.Б. Борисов,
Б.И. Огородников, Г.А. Кауров и др. // Науч.-техн. реф. сборник. - М.:
НИИТЭХИМ, 1992. - Вып.1. - С.17-24.
183
9. Белевицкий А.М. Проектирование газоочистительных сооружений. М.: Химия, 1990. - 288 c.
10. Оптико-электронные методы изучения аэрозолей / С.П. Беляев, Н.К.
Никифорова, В.В. Смирнов, Г.И. Щелчков. - М.: Энергоиздат, 1981. С.232.
11. Будыка А.К.
Волокнистые фильтры для контроля загрязнения
воздушной среды / А.К. Будыка, Н.Б. Борисов. - М.: ИздАТ, 2008. –
359c.
12. Будыка А.К. Радиоактивные аэрозоли Чернобыльского генезиса / А.К.
Будыка, Б.И. Огородников // Журнал физической химии.- 1999. - Т. 73.
- № 2. - С. 375.
13. Будыка А.К. Определение дисперсного состава радиоактивных
аэрозолей в технологических системах исследовательских реакторов /
А.К. Будыка, Г.А. Федоров // Изотопы в СССР. - 1987. - Вып. 1(72). С. 113.
14. Воскресенская Ю.А. Улавливание рутения из газовой фазы при
переработке отработавшего
нитридного уран-плутониевого топлива
быстрых реакторов / Ю.А. Воскресенская, О.А. Устинов, С.А. Якунин
// Атомная энергия. – 2013. - Т. 115. - Вып. 3. - С.155 – 157.
15. А.с.
№
181889
кл.
42n
10/01,
МПК
G
09b.
Модель
трахеобронхоальвеолярного дерева / С.А. Глухов, В.М. Юревич, В.П.
Зотин (СССР). – Опубл. 21.04.1966, бюл. №10. - 2 л.
16. ГОСТ Р 54597-2011/ИСО/ТR 27628:2007 Воздух рабочей зоны.
Ультрадисперсные
аэрозоли,
аэрозоли
наночастиц
и
наноструктурированных частиц. Определение характеристик и оценка
184
воздействия при вдыхании. – Утв. и введ. 2011-12-7. - М.:
Стандартинформ, 2012. - 33 с.
17. Гусев Н.Г. Защита от ионизирующих излучений: в 2 т. – М.:
Энергоатомиздат, 1990. – Т.2 - 352 с.
18. Загайнов В.А. Исследование дисперсного состава и концентрации
инертных атмосферных аэрозолей в 30-км зоне ЧАЭС в июле 1986 г. /
В.А. Загайнов, С.Л. Чуркин, Б.И. Огородников // Охрана окружающей
среды, вопросы экологии и контроль качества продукции: науч.-техн.
реферат. сборник. - М.: НИИТЭХИМ, 1992. - Вып. 1. - С.25.
19. Залмазонов Ю.Е.
Устройство, моделирующее дыхательные пути
человека / Ю.Е. Залмазонов, В.В. Сидоров, О.А. Чуткин // Вопросы
атомной науки и техники. – 1973. – Вып. 21. С. 25-28. – (Сер. « Ядерное
приборостроение»).
20. Зарипов Ш.Х. Моделирование течений аэрозоля в задачах аспирации и
инерционной сепарации: дис. д-ра физ-мат. наук: 01.02.05., М., 2005. –
230с.
21. Колмогоров
А.Н.
О
логарифмически-нормальном
законе
распределения размеров частиц при дроблении // Доклады АН СССР. –
1941. - Т. 31. - № 2. - С. 99-101.
22. Королев В.Ю. О распределении частиц при дроблении // Информатика
и ее применения. – 2009. - Т.3. - № 3. - С.60-68.
23. Коузов П. А. Основы анализа дисперсного состава промышленных
пылей и измельченных материалов /
Химия,1987. - 264 с.
3-е изд., перераб. - Л.:
185
24. К вопросу о химических формах йода в отходах АЭС / Ю.В. Кузнецов,
Г.М. Суходолов, А.Н. Елизарова, В.Н. Чватов // Радиохимия, 1981. - №
6. - С. 923-926.
25. Лызлов А.Ф. Применение оптико-радиографического метода для
исследования промышленных альфа-активных аэрозолей / А.Ф.
Лызлов, Р.В. Мелентьева, Л.М. Щербакова // Вопросы радиационной
безопасности. – 2001. - № 3. - С. 63-78.
26. Лысенко С.А. Методика определения концентрации респирабельной
фракции атмосферного аэрозоля по данным трехчастотного лидарного
зондирования / С.А. Лысенко, М.М. Кугейко // Оптика атмосферы и
океана. - 2010. - Т. 23. - N 2. - С. 149-155.
27. Маслов А.А. Технология урана и плутония: учеб. пособие. - Томск:
Изд-во Томского политех. унив., 2007. – 97 с.
28. Дозиметрический
контроль
профессионального
внутреннего
облучения: метод. указ. МУ-2.6.1.026-2000. Общие требования /
Минатом, ФМБА МЗ РФ. – 2000. - 53 с.
29. Отчет НКДАР ООН 2000 года Генеральной Ассамблее с Научными
Приложениями / Научный Комитет Организации Объединенных Наций
по действию атомной радиации.- М., 2003. – Т. I: Источники,
Русскоязычная версия. – 196 с.
30.А.с. № 409297 кл. 21f 9/02. Способ очистки газов от рутения / И.Е.
Нахутин, А.С. Поляков, О.С. Ананян, А.И. Кулаков, А.С. Такмазян
(СССР). – Опубл. 30.11.1973, бюл. №48. – 2 л.
31. Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009): гигиенические
нормативы:
утв.
постановлением
Главного
государственного
санитарного врача Российской Федерации 07.07.2009, № 47. – М.:
186
Центр санитарно-эпидемиологического нормирования гигиенической
сертификации и экспертизы Минздрава России, 2009. - 68 с.
32. Огородников Б.И. Дисперсность радиоактивных аэрозолей на рабочих
местах // Атомная техника за рубежом. – 2000. - №11. - С.12.
33. Характеристики аэрозолей пограничного слоя атмосферы над Москвой
/ Б.И. Огородников, А.К. Будыка, В.И. Скитович, А.В. Бродовой //
Известия АН. . – 1996. - Т. 32. - № 2. - С.163.- (Сер. «Физика атмосферы
и океана»).
34. Патент РФ RU 2290624 С1, МПК G01N15/02.
Индивидуальный
импактор / А.К. Будыка, В.П. Крючков, А.А. Молоканов, Д.А.
Припачкин,
А.Г.
Федеральное
Цовьянов;
заявитель
государственное
«Государственный научный
центр
и
патентообладатель
унитарное
-
Институт
предприятие
биофизики»
Федерального медико-биологического агентства (ГНЦ-ИБФ). - Заявл.
24.06.2005; опубл. 27.12.2006.
35. Патент РФ RU 2331121 C2, МПК G21C19/48. Применение раствора
или водяной пасты, содержащих полимеры для улавливания рутения,
содержащегося
в
газовых
выбросах,
и
устройство
для
его
осуществления / Курто Брюно (FR), Морель Фабрис (FR), Пажи Жорж
(FR), Редоннэ Кароль (FR); заявитель и патентообладатель Компани
женераль де матьер нюклеэр (FR). – Заявл. 06.02.2004; опубл.
10.08.2008.
36. Образование и выделение газообразной фракции полония из его
твердых препаратов / И.В. Петрянов, Н.Б. Борисов, С.Л. Чуркин и др. //
Доклады АНСССР. – 1992. - Т.322. - № 3. - С.557.
37. Петренчук О.П. Экспериментальные исследования атмосферного
аэрозоля. – М.: Гидрометеоиздат, 1979.- 263 с.
187
38. Поляков С. Анализ эффективности пылеулавливания вихревого
аппарата ВЗП-M 200 с помощью программного комплекса ANSYS CFX
// Технологии ANSYS CFX. – 2008. -№ 7. – С .2-6.
39. Рабинович В.А. Краткий химический справочник / В.А. Рабинович ,
З.Я Хавин. -Л.: Химия, 1978. - 392 с.
40. Райст П. Аэрозоли, введение в теорию.- М.: Мир,1987. – 278 c.
41. Разумовский Н. К. Доклады АН СССР. –1940. –Т.28. - №8. – С.55-57.
42. Русанов
A.A.
Импакторы
для
определения
дисперсности
промышленных пылей / А.А. Русанов, С.С. Янковский. – М.: ЦНИИТЭ
Энефтехим, 1970. -41с.
43. Скитович В.И.
радиоактивными
Современное состояние проблемы обращения с
отходами
/
Скитович
В.И.,
Шарапов
А.Г.,
Огородников Б.И // В кн.: «Материалы научно-технического семинара
Ядерного общества России (1995; Сергиев-Посад)». – 1995ю –С.23.
44. Спурный К. Аэрозоли / К. Спурный, Ч. Йех, Б. Седлачек, О. Шторх;
пер. с чешского.- М.: Атомиздат, 1964.- 359 с.
45. Стыро Б. И. Изотопы йода и радиационная безопасность / Б.И. Стыро,
Т.Н. Недвецкайте, В.И. Филистович .- СПб.: Гидрометеоиздат, 1992.256 с.
46. Тихонов А.Н.. Методы решения некорректных задач / А.Н. Тихонов,
В.Я. Арсенин. - М.:Наука, 1979. -, 284 с.
47. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей Т.1
Основные положения и общие методы.– М.: Мир, 1991. - 504 с.
48. Фукс Н.А. Механика аэрозолей. – М.: Изд-во АН СССР, 1955.– 351 c.
188
49. Холзунов А.Г.Основы расчета пневматических приводов. – М.:
«Машиностроение», 1964. – 86 с.
50. Чижиумов С.Д. Основы гидродинамики. – Комсомольск-на-Амуре:
ГОУВПО «КнАГТУ», 2007. -106с.
51. Червинская А. В. Аэрозольная терапия// Физиотерапевт.— 2009.— №
2.— С. 38—54.
52. Шейпак А.А. Гидравлика и гидропневмопривод: учеб. пособие. Ч.1.
Основы механики жидкости и газа. −М.:МГИУ, 2003. - 423 с.
53. Юн. А.А. Теория и практика моделирования турбулентных течений. М.: URSS, 2009. - 272 с.
54. Andersen B.V. Plutonium air concentrations and particle size relationships
in Hanford facilities. Report BNWL-495, UC-41 / B.V. Andersen, I.C.
Nelson // Health and Safety. Pacific Northwest Laboratory, Richland, WA.
1967. - 41 p.
55. Blifford I.H. The size and number distribution of aerosol in the continental
troposphere / I.H. Blifford, L.D. Ringer // J. Atmosph. Sci. -1969.-Vol.26. №4. - Р.716-726.
56. Calibration, intersampler comparison and field application of a new PM10
personal air-sampling impactor / T.J. Buckley, J.M. Waldman, N.G.,
Freeman, P.J. Lioy, V.A. Marple, W.A. Turner
//Aerosol Science and
Technology. - 1991. - N.14.- Р. 380–387.
57. Chou P.Y. On the Velocity Correlations and the Solution of the Equations
of Turbulent Fluctuation // Quart. Appl. Math. – ГОД. - , Vol. 3. - Р. 38.
58. Clark W.E.. Concentration and size distribution measurements of
atmospheric aerosols and test of the theory of selfpreserving size
189
distributions / W.E. Clark, К.Т. Whitby // J. Atmosph. Sci. -1967. - Vol.24.
- Р.677-687.
59. Dautrebande L. Studies on aerosols; reduction of dust deposition in lungs of
rabbits by aqueous aerosols / L. Dautrebande, B. Highman, W.C. Alford // J
Ind Hyg Toxicol/ - 1948. – 30(2). – P. 103-107.
60. Davies C.N. The Trajectories of Heavy, Solid Particles in a Two—
Dimensional Jet of Ideal Fluid Impinging Normally upon a Plate / C.N.
Davies, M. Aylward // Proc. Phys.Soc. – 1951.- Vol.64. – P. 889-911.
61. Dorrian M.-D. Particle size distributions of radioactive aerosols in
workplaces / M.D. Dorrian, M.R. Bailey // Radiat. Prot. Dosimetry. - 1995.
- V. 60. - N 2. - P.119-133.
62. Dzubay T.G. Ambient air analysis with dichotomus sampler and X-Ray
fluorescence spectrometer / T.G. Dzubay,R.K. Stevens // In: 2nd Conf.
Environment Sensing (Sept. 1973; Washington). – 1973. - P.10.
63. Fuchs N.A. Aerosol impactors (a review) // In Fundamental of Aerosol
Science. Ed.D.T. Shaw. N.Y., Wiley. - 1978. - Р. 1-81.
64. Comparison of Experimental and Numerical Studies of the Performance
Characteristics of a Pumped Counterflow Virtual Impactor / Gourihar
Kulkarni, Mikhail Pekour and other // Aerosol Science and Technology. –
2011. – 45. - Р.382 – 392.
65. Heyder J. Deposition of Inhaled Particles in the Human Respiratory Tract
and Consequences for Regional Targeting in Respiratory Drug Delivery //
Proc Am Thorac Soc. - 2004. -1(4). – Р.315-320.
66. Hinds W.C. Aerosol Technology: Properties, Behavior, and Measurement
of Airborne Particles. - New York: John Wiley & Sons, 1999. – 504 p.
190
67. Human Respiratory Tract Model for Radiological Protection / ICRP
Publication 66. Ann. ICRP 24 (1-3). – 1994.
68. Dose Coefficients for Intakes of Radionuclides by Workers / ICRP
Publication 68. Ann. ICRP 24 (4). – 1994.
69. Jones W.P. The prediction of laminarization with a two equation model of
turbulence / W.P. Jones, B.E. Launder // Int. J. HeatMassTransfer. – 1972. № 1. -Р.301 – 314.
70. JP 2-69658 А, G01N31/00, 8.3.1990.
71. Kerr S.M. A new approach to sampling for particle size and chemical
species "fingerprinting" of workplace aerosols / S.M. Kerr, J.H. Vincent, G.
Ramachandran // Ann Occup Hyg. - 2001. -№45(7). - Р.558-568.
72. Kenny L.C. Characterisation of porous foam size selectors for the conical
inhalable sampler: HSE report IR/L/A/97/19 / L.C. Kenny, J.D. Stancliffe;
Buxton; Health & Safety Laboratory. – 1997. - 11 p.
73. Kolmogorov A.N. Equations of turbulent motion of an incompressible fluid
// Izvestia Academy of Sciences, USSR; Physics 6. – 1942. - Р.56 – 58.
74. Kwon S.B. Effects of jet configuration on the performance of multi-nozzle
impactors / S.B. Kwon, M.C. Kim, K.W. Lee // Journal of Aerosol Science.
– 2002. - V. 33. - Issue 6. – Р. 859–869.
75. Landahl H.D. Penetration of air-borne particulates through the human nose /
H.D. Landahl, S. Black // The Journal of industrial hygiene and toxicology .
-1947. - № 29(4). - Р. 269 - 277.
76. Landahl, H. P. On the retention of airborne particulates in the human lung II
/ H. P.Landahl, T.N. Tracewell, W.H. Lassen
Occ. Med.. – 1951. -№ 3. - Р.359.
// AMA Arch Ind. Health
191
77. Launder B.E. The numerical computation of turbulent flows / B.E. Launder,
D.B. Spalding // Comp. Meth. in Appl. Mech. and Eng. -1974. -№3. - Р.269.
78. Loo B.W. Dichotomus virtual impactors for scale monitoring of airborne
particulate matter / B.W. Loo, J.M. Jaklevic, F.S. Goulding // In: Symp. Fine
particles: Rep. N LBL-3854 (1975; Minnesota USA). - 1975.
79. An investigation of changes in radionuclide carrier properties / G.Lujaniene,
B.I. Ogorodnikov, A.K. Budyka, V.I. Skitovich, V. Lujanas // J.Environm.
Radioactivity. -1997. - V. 35. - № 1. - Р. 71.
80. Lundgren D.A. Determination of particulate composition, concentration and
size distribution changes with time // Atmosph. Environment. – 1971. Vol.5. -№8. -Р.645-651.
81. Marple V.A. A Fundamental Study of Inertial Impactors, Ph.D. dissertation,
University of Minnesota, Part. Tech. Lab. Pub. No. 144. – 1970.- 186 p.
82. Marple, V.A. History of Impactors - The First 110 Years // Aerosol Science
and Technology. – 2004. - Vol.38. - №3. - Р. 247 – 292.
83. Marple V.A. Characteristics of laminar jet impactors, Environ / V.A.
Marple, B.Y.H. Liu //Sci. Technol.- 1974.-Vol.8.- Р.648-654.
84. Marple V.A. Inertial Impactors: Theory, Design and Use / V.A. Marple,
K.Willeke // Fine Particles: Aerosol Generation, Measurement, Sampling
and Analysis (B.Y.H. Liu, editor), Academic Press, New York, 1976.- Р.
411-446.
85. May K.R. The cascade impactor. An instrument for sampling coarse
aerosols // J.Sci. Instr.- 1945. - vol.22. - N1. -Р. 187 – 195.
192
86. McFarland A.R. Development of a low pressure impactor / A.R.McFarland,
H.S. Nye, C.H.Erickson // Environment Prot.Techn.Ser., EPA-650/2-74014.- Washington.-1973.-Р.57.
87. Mitchel R.J. Cascade impactor / R.J.Mitchel, J.M.Pilcher // Industrial and
Engineering Chemistry.-1959.-N 9.-P.1.- Р.1039-1042.
88. Papastefanou С. Radioactive Aerosols: Vol. 8: Radioactivity in the
Environment. - Elsevier, UK, 2008.–186 р.
89. Parker С. Reist Introduction to Aerosol Science. - New York: Маcmillan
Publishing Company, 1984. -Р. 129-130.
90. Pearson T. Volatile Hydrides / T. Pearson, P.Robinson. – 1934. –Р.736.
91. Peters T.M. Design and calibration of the EPA PM2.5 well impactor ninetysix (WINS) / T.M. Peters,
R.W. Vanderpool, R.W.Wiener
//Aerosol
Science and Technology. - 2001. - N 34 -Р.389–397.
92. Plumlee G.S. The medical geochemistry of dusts, soils, and other earth
materials / G.S.Plumlee, T.L.Ziegler ; B.S. Lollar (ed) // Treatise on
Geochemistry, online update, 9(7) . - Elsevier, 2007. - Р. 1-61.
93. Rader D.J. Effect of Ultra-Stokesian Drag and Particle Interception on
Impaction Characteristics / D.J. Rader, V.A. Marple // Aerosol Science and
Technology. - 1985. - Vol.4 . - . Issue 2. - Р.141 – 156.
94. Radioactive
aerosol
standards:
Aerosols
Handbook
/
L.S.Ruzer,
D.E.Fertman, Yu.V.Kuznetsov, V.L.Kustova, A.I.Rizin; Edited by Lev S.
Ruzer and Naomi
H. Harley; Secondary Edition /
Measurement,
Dosimetry and Health Effects. - London New York Washington: D.C. CRC
PRESS Boca Raton.-2012 .
193
95. Shishan Hu. CFD Study on Compound Impaction in a Jet-in-Well Impactor
/ Shishan Hu, Satyanarayanan Seshadri, and A.R. McFarland // Aerosol
Science and Technology. – 2007. - № 41. - Р.1102–1109.
96. Sonkin L.S. A modified cascade impactor. A device for sampling and sizing
aerosols of particles below one microne in diameter // J. Ind. Hygiene and
Toxicol. -1946. - Vol 28. - N1.- P.269 – 272.
97. Spurny K. Kaskadni mikroimpactor / K.Spurny, C.Jech // Csl.Hygiena. –
1957. - Vol.1. - N.12.
98. STAR-CCM+ V6.02, users guide, 2011 (электронный ресурс).
99. Stern S.C. Collection efficiency of jet impactors at reduced pressure / S.C.
Stern, H.W. Zeller, A.I. Shekman // Industr. And Engineering Chemistry
Fundamentals. – 1962. - Vol.1. - N4. - Р.273-277.
100.
Stevens R.K. Recent developments in air particulate monitoring /
R.K. Stevens, T.G. Dzubay // IEEE Transactions on Nuclear Science. –
1975. - Vol. 22. - Issue 2. - P. 849-855.
101.
Tammet H. Observation of condensation of small air ions in the
atmosphere / H. Tammet, J. Salm, H. Iher // Lecture Notes in Physics. 1988. - V. 309. - Р. 239-240.
102.
The ICRP Database of Dose Coefficients: Worker and Members of the
Public, Elsevier, 2001 (электронный ресурс).
103.
The United States pharmacopoeia: 32 ed. - 2009.
104.
Tojo G. Oxidation of Primary Alcohols to Carboxylic Acids. A Guide
to Current Common Practice / G. Tojo, M. Fernandez. – New York, USA:
Springer Science+Business Media, LLC, 2007. - P. 61-78.
194
105.
Trakumas S. Parallel particle impactor – novel size-selective particle
sampler for accurate fractioning of inhalable particles / S. Trakumas, E.
Salter // Journal of Physics: Conference Series. – 2009. - Vol.151. - №1. –
Р. 1 – 16.
106.
UNSCEAR 2013 Report: Sources, effects and risks of ionizing
radiation. – 2014. - Volume I. - 311 p.
107.
US 7073402B2, 11.07.2006.
108.
Vincent J.H. Aerosol sampling. Science, standarts, instrumentation
and applications. - New York: John Wiley & Sons Ltd, 2007. - 636 p.
109.
Wilcox D.C. Turbulence Modeling for CFD, DCW Industries,
California, 1994.