Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Дозовые нагрузки на человека и компоненты биоты в наземных экосистемах

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Дозовые нагрузки на человека и компоненты биоты в наземных экосистемах"

На правах рукописи

ВАЕЛ МАХМУД БАДАВИ ГАД

ДОЗОВЫЕ НАГРУЗКИ НА ЧЕЛОВЕКА И КОМПОНЕНТЫ БИОТЫ В НАЗЕМНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ

«03.02.08»-Экология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

2 5 НОЯ 2010

Москва 2010

004613953

Работа выполнена на кафедре радиоэкологии и экотоксикологии факультета почвоведения Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова.

Научный руководитель: Доктор биологических наук

Мамихин C.B.

Официальные оппоненты: Доктор биологических наук

Спиридонов С.И. Кандидат биологических наук Платонов А.Г.

Ведущая организация: Институт экологии растений и животных

УрО РАН, Екатеринбург

Защита диссертации состоится « 7 » декабря, 2010г. в 15 ч. 30 мин. в аудитории М-2 на заседании диссертационного совета Д 501.001,57 при МГУ им. М.В. Ломоносова на факультете почвоведения по адресу. 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ им. М.В. Ломоносова, д. 1, стр. 12, факультет почвоведения.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ им. М.В.Ломоносова.

Автореферат разослан « __ » 2010г.

Приглашаем Вас принять участие в обсуждении диссертации на заседании диссертационного совета или присылать отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью, по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В. Ломоносова, д. 1, стр, 12, факультет почвоведения, ученому секретарш диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор биологических наук

А.С. Никифорова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: Присутствие естественных радионуклидов (ЕР) в биосфере, загрязнение окружающей среды техногенными радиоактивными веществами и связанное с этим воздействие ионизирующих излучений на биогу и человека обуславливают постоянный интерес к поведению радионуклидов в экосистемах и формированию дозовых нагрузок.

Оценки интенсивности облучения населения Земли существенно варьируют и со временем уточняются. Так, ранее приводились следующие оценки. Было подсчитано, что средняя доза внешнего облучения человека от ЕР составляет от 34 до 181 мрад/год (примерно от 0,34 до 1,81 мЗв/год) (Алексахнн, 1982). Причем полагали, что основной вклад в облучение вносят радионуклиды, находящиеся в окружающей среде. В частности, мощность дозы внешнего облучения от радионуклидов яитогенного происхождения для населення в среднем составляла около 4,5 црад/час, а от космо-генных радионуклидов - 0,02 ^рад/час по данным НКДАР ООН 1977 года (1Ж8СЕА11, 1977). Позднее, в 1993 году приводились уже иные оценки. Так, было показано, что эффективная годовая доза (мЗв) формируется следующим образом: 0,39 - радионуклиды космического происхождения, 0,46 - радионуклиды литогенного происхождения, 1,3 - радон и продукты его Распада (ШБСБАЯ, 1993).

Следует также отметить, что дополнительный интерес к ЕР возникает в связи с применением б сельском хозяйстве минеральных удобрений, в основном фосфорных, обогащенных данными радиоизотопами. Например, содержание радионуклидов уранового ряда в в фосфорсодержащих удобрениях может достигать 2,4 кБк/кг (Рябцев, 1996). Ранее отмечалось, что при длительном применении этих удобрений происходит рост содержания ЕР в корнеобитаемом слое почвы (Алексахин, 1982).

Существенную дозу облучения население нашей планеты получает от источников техногенного происхождения. Причем в настоящее время в список таких источников входят не только АЭС и предприятия ядерно-топливного цикла, но и тепловые электростанции, нефтяные скважины, угледобывающие предприятия. В данном случае интенсивность облучения сильно варьирует в зависимости от места проживания и профессиональной деятельности человека.

Таким образом, изучение формирования доз облучения от естественных радионуклидов литогенного происхождения и при различных сценариях техногенных радиоактивных выпадений, а также совершенствование методик их расчета представляет собой важную задачу современной радиоэкологии.

Цель работы: Изучение формирования и прогнозирование дозовых нагрузок на человека и некоторые компоненты наземных экосистем.

Основные задачи: Разработка методики и исследование формирования доз от естественных и техногенных радионуклидов, присутствующих в назем-

ных экосистемах, и экранирующей способности почв; построение компьютерных моделей расчета доз для стационарных и движущихся объектов в некоторых унифицированных условиях наземных экосистем, с соответствующими полями ионизирующего излучения, и проведение с ними численных экспериментов; анализ и обобщение полученных данных.

На защиту выносятся следующие положения: Результаты исследования формирования доз от естественных радионуклидов в почвах разного механического состава двух регионов Египта и в дерново-подзолистых почвах Московской области. Методика изучения ослабления у—излучения почвой. Результаты изучения экранирующей способности некоторых почв. Алгоритмы моделей расчета и прогнозирования формирования доз в различных ситуациях. Оценка сходимости результатов расчетов доз, полученных различными методами.

Научная новизна работы: Получены дополнительные данные по содержанию естественных радионуклидов в почвах Египта и России. Уточнена способность дерново-подзолистых почв и песка экранировать -/-излучение. Проведен сравнительный анализ формирования доз в различных экологических условиях и построен комплекс моделей, позволяющих прогнозировать дозовые нагрузки на человека и биоту.

Практическая значимость: Результаты исследований и модели могут быть использованы для минимизации последствий пребывания человека на территориях, загрязненных радиоактивными веществами. Имея достаточно полный банк моделей, карту пространственного размещения радиоактивных загрязнений и маршрут объекта, можно прогнозировать дозовую нагрузку на данный объект. При передвижении объекта, отслеживая с помощью GPS-навигатора его маршрут и время нахождения в дозных полях, можно получить динамику облучения объекта при его перемещении и оперативно оценить опасность получаемой дозы облучения. Разработанные алгоритмы полезны также для оценки доз от приповерхностных захоронений радиоактивиых отходов или расчетов при проведении дезактивационных мероприятий загрязненных территорий посредством засыпки чистым грунтом.

Апробация работы: Основные положения диссертации были доложены:

> На международной конференции «VIII Radiation Physics & Protection Conference», 13-15 November 2006 , Beni Sueif-Fayoum, Egypt;

> На электронных конференциях «Информационно-вычислительные технологии в решении фундаментальных научных проблем и прикладных задач химии, биологии, фармацевтики, медицины» в 2009 и 2010 гг., Россия;

> На XVI и XVII международных научных конференциях студентов, аспирантов и молодых учёных "Ломоносов" в 2009 и 2010 гг., Москва, Россия.

Публикации: По материалам диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 2 статьи в журнале из списка ВАК.

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы, состоящего из 88 источников, в том числе 38 на иностранных языках и приложения. Содержательная часть работы изложена на 125 страницах текста, иллюстрирована 23 рисунками, включает 29 таблиц и 3 приложения.

Благодарности: Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю д.б.н. C.B. Мамихину за руководство исследованиями и заведующему кафедрой радиоэкологии и экотоксикологин факультета почвоведения МГУ им М.В. Ломоносова проф. А.И. Щеглову за помощь и поддержку. Автор также благодарен всем сотрудникам кафедры радиоэкологии и экотоксикологин факультета почвоведения.

Содержание работы

ГЛАВА 1

Дан обзор литературы по изучаемой проблеме. Рассмотрены источники, пути поступления и распределение в биосфере естественных и техногенных радионуклидов и их роль в формировании дозовьтх нагрузок на человека и компоненты экосистем. Охарактеризованы типы доз и методы их расчета. Проанализированы особенности формирования дозовых нагрузок в наземных экосистемах. Рассмотрены современные достижения в области применения математического моделирования формирования дозовых нагрузок в наземных экосистемах, модели поведения радионуклидов в наземных экосистемах, дозиметрические и комплексные модели.

Главы со 2 по 4 представляют собой описание наших собственных исследований. Они были построены таким образом, чтобы охватить достаточно широкий спектр подходов к проблемам, связанным с темой диссертации. В работе можно выделить следующие разделы: экспериментальные исследования по изучению формирования доз в разных условиях, компьютерное моделирование и аналитические исследования. Каждый раздел включает в себя собственное описание объектов и методики, результаты и их обсуждение.

ГЛАВА 2

Эта часть работы посвящена исследованию содержания трех основных естественных радиоактивных изотопов радия, тория и калия ( Ra, 2'2Th, и 40К) с периодами полураспада 1620 лет, 14 и 1,5 млрд лет соответственно в пустынных почвах Египта разного механического состава и в дерново-подзолистой почве России и формирования дозовых нагрузок, определяемых этими радионуклидами.

Для проведения исследований в Египте были выбраны два региона -Хиит и Иншасс. Хиит - небольшой населенный пункт, расположенный в дельте Нила. Данный регион является сельскохозяйственным и находится в 60 км на север от Каира. Почвы глинистые аллювиальные (пойменные). Иншасс Расположен в пустыне приблизительно в 40 км на восток от Каира. Выбор этого региона обусловлен присутствием на данной территории экспериментального египетского исследовательского реактора. Почвы песчаные пустынные.

При проведении исследований радиоактивности почв предварительная подготовка образцов (начальное просушивание и очистка, сушка и озоление, размол и просеивание, упаковка и хранение) проводилась нами по общепринятой методике (UNSCEAR, 1993). Для затаривания проб для измерения использовались сосуды Маринеля. Измерения проводились с использованием германиевого детектора высокого разрешения HPGe (относительная эффективность 50%) и многоканального анализатора (4096 каналов) фирмы ORTEC. Спектры образцов анализировались на персональном компьютере с помощью программного продукта GammaVision GV32.

Усредненные результаты проведенных измерений представлены на рис. 1.

126' 200180 -;б0-ио-¡20 100. 80604020-

Хиит

СШК-40 ! ¡S^ Th-232 }

Tfpviex-1

Иншасс

Рис. 1 Средние значения активности почв (в Бк/кг) по каждому из исследованных радионуклидов.

Расчеты доз велись по методикам, утвержденным Научным комитетом по действию атомной радиации при ООН (НКДАР, иКБСБАЮ в 2000 г.

Мощность поглощённой дозы на расстоянии 1 м выше поверхности почвы вычислялась по формуле:

Б = С- Р

Где £> - мощность дозы (нГр/ч), С - удельная активность почвы (Бк/кг) иГ - переводной коэффициент (нГр/ч в Бк/кг).

Мощность эффективной дозы Д.//■ (дЗв в год) рассчитывалась по формуле:

Ое„ = Б • Ь • К, • К2 • 10"3 Где О - мощность поглощённой дозы в (нГр/ч), А - количество часов в году, К\ = 0,7 Зв/Гр, коэффициент пересчета поглощённой дозы в воздухе в эффективную дозу для взрослых людей, К2 = 0,2, безразмерный коэффициент учета среднего времени пребывания людей вне жилого помещения (ТхоПгк ег а), 2003).

Рассчитанные нами значения суммарной мощности поглощённой дозы и эффективной доз для каждого образца показаны в таблице 1.

Табл. 1 Суммарная мощность поглощённой дозы и эффективная доза, накопленная за год.

Образец Почва Мощность поглощённой дозы, нГр/ч Эффективная доза, рЗв/Год

VI глинистая 16,9 20,7

У2 глинистая 13,2 16,2

УЗ " глинистая 21,8 26,7

У4 глинистая 18,9 23,2

У5 глинистая 14,3 17,6

У6 глинистая 11,0 13,5

У7 глинистая 11,8 14,5

БЕ1 песчаная 7,7 9,4

8Е2 песчаная 6,8 8,3

5К2 песчаная 10,4 12,7

ББ! песчаная 9,2 11,4

882 песчаная 8,9 10,9

песчаная 8,5 10,4

песчаная 9,3 11.4

Полученные нами результаты не противоречат сложившимся теоретическим представлениям о поведении данных радионуклидов в почвах. Хотя изначально содержание радионуклидов литогенного происхождения в почвах обуславливается их содержанием в иочвообразующих породах, в процессе почвообразования эта величина может существенно изменяться. Различия в условиях почвообразования могут привести к выходу на первое место других факторов. В данном случае - это обогащенность почвы мелкодисперсными фракциями, которая, как отмечалось многими исследователями (см. например Баранов и др, 1962; Рубцов, 1972; Перцев, 1973) приводит к повышению ее естественной радиоактивности.

Средняя мощность определенной нами поглощённой дозы составила 15,4 и 8,7 нГр/ч для глинистых и песчаных почв соответственно. Средняя эффективная доза (в цЗв/год) - 18,9 для глинистых и 10,6 песчаных почв. Таким образом, мощность поглощённой дозы и эффективная доза для населения в местах проведения исследований в 1,8 раза выше в регионе с глинистыми почвами по сравнению с регионом с несчаными почвами.

Для сравнения с результатами исследований в Египте нами дополнительно было проведено измерение содержания 226Яа, 232ТЪ, 40К и '"Сэ в почвах на двух участках на территории учебно-опытного почвенно-экологического центра МГУ им. М.В.Ломоносова "Чашниково" и расчет, обусловленных этим дозовых нагрузок.

Для проведения измерений использовался у-спектрометр сцинтилляци-онный «МУЛЬТИРАД-гамма» с блоком детектирования БДКС-63-01А. В качестве объекта были выбраны 2 участка с ненарушенными дерново-подзолистыми почвами (глубокодерновая, глубокоподзолистая легкосуглинистая на покровных суглинках и слабодифференцированная слабодерновая легкосуглинистая на флювиогляциальных песках и глубокодерновая, глубокоподзолистая легкосуглинистая на покровных суглинках.). Результаты измерений представлены в табл. 2

На основании этих данных нами также была рассчитана средняя мощность определенной нами поглощённой дозы, обусловленной содержанием ЕРН в исследованной почве, которая составила 48 нГр/ч. Это близко к величине данного показателя для дерново-подзолистых почв в 35 нГр/ч, рассчитанного нами по литературным данным (Алексахин, 1982). Средняя мощность поглощённой дозы, обусловленной содержанием Ь7С5. составила 1,4 нГр/ч, т.е. всего 2,8% от суммарной дозы.

В таблицах 3 и 4 представлены средние значения поглощённой и эффективной доз для каждого из исследованных радионуклидов. На песчаных почвах Египта наибольший вклад в дозообразование вносит затем следуют '<0К и и6Ка. На глинистых почвах Египта и дерново-подзолистых почвах России на первом месте 40К, а затем следуют 25 ТЬ и 236Ка..

Величина внешних поглощенных доз, получаемых населением различных стран от почв, содержащих радионуклиды естественного происхождения, существенно варьирует. Результаты сравнения мощности дозы, определенных нами для населения исследованных территорий Египта и России с аналогичными показателями для других стран, приведены в таблице 5. Отметим здесь, что международно признанная предельно допустимая (рекомендованная) величина данного радиологического параметра составляет 51 нГр/ч (ШБСЕАЯ, 2000).

Табл. 2 Содержание радионуклидов в дерново-подзолистой почве Московской области (Чашниково), Бк/кг абс. сух. массы.

Участок 2 Участок 3

Горизонт, см "6Ra r'2Th 40К B7Cs Итог Горизонт, см 226Ra 232Th 40К 137Cs Итог

Подстилка (0-3) 22,49 ± 6,25 25,63 ± 6,91 420 ± 63,7 22,63 ± 4,06 490 ± 64,51 Подстилка (0-2) 22,26 ± 8,62 12,99 ± 8,38 449 i 135 24,39 ± 6,52 508,64 . ± 135,69

А (3-20) 28,35 ± 7,04 33,84 ± 7,76 551 ± 125 20,48 ± 4,72 633,67 ± 125.53 А(2-10) 24,91 ± 6,32 21,22 ± 6,11 496 ± 114 14,12 ± 3,76 556,24 ± 114,40

АЕ (2035) 28,38 ± 6,15 34,78 ± 7,11 614 ± 128 5,27 ± 2,49 682,43 ± 128,37 ЕВ (10-28) 21,25 ± 5,65 26,32 ± 6,36 500 ± 111 5,30 ± 2,53 552,87 111,35

Е (35-50) 28,77 ± 6,46 34,93 ± 7,12 670 ± 137 3,1 ± 2,39 736,80 i 137,36 В (28-50) 14,27 ± 4,24 12,27 ± 4,16 365,4 ± 83,8 2,05 ± 1,66 393,99 ± 84,03

В (50-...) 26,47 ± 6,01 35,98 ± 7,02 532 ± 113 НПО* 594,45 ± 113,38 ВС (50...) 20,74 ± 4,89 14,39 ± 4,29 432,8 ± 93,7 2,41 ± 1,78 470,34 ± 93,94

Среднее значение 26,89 ± 2,62 33,03 ± 4,2! 557,4 ± 84,2 12,87 ± 10,11 627,62 ± 93,27 Среднее значение 20,68 ± 3,93 17,44 ± 6,1 448,64 ±54,91 9,65 ± 9,57 496,42 ± 67,24

Ниже предела обнаружения.

Табл. 3 Средние значения (М) и среднее квадратическое отклонение (а), рассчитанные для мощности поглощённой дозы в почвах Египта и России (в иГр/ч). _____ ______ _______

Страна Почва Th ^Ra

М ст М а М о

Египет глинистая 5,1 1,7 3,6 0,8 6,7 1,7

песчаная 3,5 0,9 2,5 0,5 2,7 0,2

Россия дерново-подзолистая почва 16,81 5,19 10,23 1,34 21,13 2,29

Табл. 4 Средние значения (М) и среднее квадратическое отклонение (о),

Страна Почва L жти j H6Ra 4«к

м с М с М 1 (7

Египет глинистая 6,3 2 4,4 1 8,3 2

песчаная 4,3 0,7 3,1 0,6 3,3 0,2

Россия дерново-подзолистая почва 20,61 6,37 12,54 1,64 25,91 2,8

Табл. 5 Средние мощности поглощенной дозы на открытом воздухе от земного у- излучения.

Страна Средняя мощность дозы (нГр/ч) Источники

Египет 12 Наши данные

Россия 48 Наши данные

Алжир 70 (Benkrid et a!, 1992)

США 47 (Miller, 1992; Oakely, 1972)

Китай 62 (China, 1990)

Индия 56 (Nambi et al, 1986)

Финляндия 71 (Arvela et al, 1995)

Швеция 56 (Mjones, 1986)

Австралия 93 (Clarke et al, 1993)

ГЛАВА 3

Глава посвящена изучению экранирования у-излучения почвой. Несмотря на насущную необходимость учета этого свойства почв при расчетах дозовых нагрузок, нам не удалось найти исчерпывающих работ в этой области. Также за последнее время появилась более современная, компактная и

чувствительная аппаратура, которая позволяет применять новые подходы в данной области и получать более надежные результаты. Нами была разработана собственная методика изучения и проведены опыты по измерению ослабления у-излучения дерново-подзолистой почвой в учебно-опытном поч-венно-экологическом центре МГУ им. М.В.Ломоносова "Чашниково". Исследования 2009 года

Объектом исследования была выбрана дерново-среднеподзолистая срсднеокультуренная легкосуглинистая почва на моренном суглинке. Средняя влажность почвы на момент проведения эксперимента составляла 15 - 20 %.

Для проведения эксперимента использовались: •- Источники у-излучения на основе радионуклидов 22Ка и '""Сб с активностью 4,5 и 5 кБк соответственно, помещенные в корпус из дюралюминия: - Мобильная спектрометрическая установка СКС-99 «Спутник», оснащенная детектором на основе №1(Т1) с диаметром кристалла 45*50 мм. Пределы допускаемой основной относительной погрешности измеряемой активности не более ± 10% для активности у-излучаюших радионуклидов в пробах и для мощности эквивалентной дозы у-излучений не более ± 20%.

Методика проведения эксперимента была следующей. Подготавливался почвенный разрез, необходимой для удобной работы глубины. На поверхности почвы измерялся фоновый уровень излучения без источника и с источником. Потом в почве на глубине 40 см ножом вырезалось углубление, достаточное для размещения источника, закладывался источник и вновь на поверхности почвы проводилось измерение интенсивности излучения. После этого такое же углубление вырезалось на 5 см ближе к поверхности почвы и опять проводилось измерение, затем данная операция повторялась. Измерения в каждой позиции проводились в течение 600 сек. Для увеличения выборки проводилась экстраполяция данных (ручная - на миллиметровой бумаге и численная - с помощью специализированного пакета статистических программ).

Основные характеристики почвы, которые, могут оказывать влияние на поглощение излучения, а именно, плотность, влажность, содержание органического вещества, существенно меняются с глубиной. Закономерности изменения этих свойств не всегда подчиняются формулам, которые предлагаются для их описания. В этом случае, как нам кажеться, следует воспользоваться более интегрированной формой математического описания ввиде регрессионных уравнений. Полученная в ходе эксперимента зависимость интенсивности у-излучения I (имп/сек) от толщины слоя почвы х (см) с помощью специализированного пакета статистических программ была представлена в виде следующего регрессионного уравнения: У = 7,5 + 1412 . е " х. Расчетная кривая хорошо согласуется с экспериментальными данными, т.е. предложенная формула достаточно корректно описывает зависимость изменения интенсивности у- излучения от толщины

почвы в том состоянии, в каком она находилась на момент проведения эксперимента.

Поскольку формула данного уравнения отличается от формулы закона поглощения наличием свободного члена, нами дополнительно была разработана и реализовано в среде программирования Visual Basic собственная программа, которая позволяет находить параметры предлагаемых уравнений зависимости методом наименьших квадратов. В данном случае непосредственно использовалась формула закона поглощения, а величина коэффициента линейного ослабления составила 0,49 см'1.

Полученные результаты в целом согласуются с данными, которые нам удалось найти в литературе по вопросу экранирования у-излучения почвами. К тому же следует отметить, что значение линейное ослабление зависит как от свойств поглотителя, так и от энергии у-излучения. В реальных ситуациях радиоактивного излучения приходится иметь дело со смесью радионуклидов, обладающих разной энергией у-излучения.

На рис. 3 наглядно отображена зависимость интенсивности излучения от толщины слоя почвы, сопоставлены экспериментальные данные и расчетные кривые.

Рис. 3 Зависимость скорости счета (имп/с) от толщины слоя почвы (см), между источником излучения и детектором: 1 - экспериментальные данные; 2 - кривая, построенная по регрессионному уравнению; 3 - кривая, построенная по формуле закона поглощения с использованием коэффици-

снта, найденного методом минимизации).

Аналогичные исследования проводились в лабораторных условиях с целью изучения толщины поглотителя и его увлажнения на интенсивность у-излучения от двух источников (137С5 и 22Ыа). В качестве поглотителя использовался мелкий песок с примерным размером частиц 0,5 - 1 мм.

Первая серия экспериментов проводилась с использованием сухого песка. На дно сосуда укладывался источник, и проводилось измерение интенсивности излучения непосредственно от источника. Затем источник засыпали слоем песка толщиной 1см и проводили следующее измерение. В дальнейшем, операция повторялась до тех пор, пока слой песка над источником не достиг 15-ти см.

Полученные нами в ходе эксперимента зависимости интенсивности у-излучения 1 (имп/сек) от толщины слоя песка х (см) были представлены в виде следующих регрессионных уравнений, полученных с помощью специализированного пакета статистических программ:

2:Ма, песок : У = 1510 . е + 20,7 "'Се, песок : У = 375 . е -0-72* + 10,6

'"Сб, Вода: У =■ 440 . е "°их +16,1 Результаты расчетов по этим формулам и экспериментальные данные представлены на Рис. 4, 5 и 6.

Толщина слоя псска см

Рис.4. Зависимость скорости счета (имп/с) от толщины слоя песка (см), отделяющего источник излучения 137Са от детектора (круглые маркеры - экспериментальные данные; сплошная линия - кривая, построенная по регрессионному уравнению).

1 1 1 1 • \ \ \ \

\ \ .

\

\

.___ .—,

Толщина слоя волы см

Рис. 5 Зависимость скорости счета (имп/с) от толщины слоя воды (см), отделяющего источник излучения '"Се от детектора (круглые маркеры - экспериментальные данные; сплошная линия - кривая, построенная по регрессионному уравнению):"1

То.чишна слоя песка см

Рис. 6. Зависимость скорости счета (имп/с) от толщины слоя песка (см), отделяющего источник излучения нЫа от детектора (круглые маркеры - экспериментальные данные; сплошная линия - кривая, построенная по регрессионному уравнению).

Для изучения влияния увлажнения на экранирующую способность почв был проведен следующий эксперимент. Детектор помещали в сосуд и засыпали его слоем сухого песка толщиной 5 см. Затем песок начинали увлажнять, последовательно повышая его влажность на 1% от первоначального веса песка и проводя каждый раз измерение интенсивности у- излучения. Результаты эксперимента представлены в Табл. 6.

Табл. 6. Изменение интенсивности у- излучения в зависимости от влажности поглотителя.

процент влаги,% Иа, песок+ вода '"Сб, песок + вода

Скорость счета за вычетом фона (имп/сек) Скорость счета за вычетом фона (имп/сек)

0 142,02 38,22

2 140,92 37,69

4 138,12 38,45

6 134,82 36,97

8 134,52 38.15

10 137,12 38,29

12 137,82 38,31

14 134,12 37,87

16 134,42 -

18 132,42 -

Известно, что величина коэффициента линейного ослабления у- излучения водой примерно в 1000 раз больше, чем этот параметр для воздуха вне зависимости от энергии излучения (Перцев, 1973; Кухлинг, 1982). Результаты наших исследований также подтвердили, что сама вода обладает существенной экранирующей способностью. Однако, исходя из данных, представленных з Табл. 8, вопреки нашим ожиданиям, наличия устойчивой связи между увлажненностью почвы и интенсивностью излучения выявить не удалось. Возможно, это связано с использованием в качестве поглотителя песка, обладающего низкой способностью к удержанию влаги. Следует также учесть, что экранирующая способность песка примерно в 2 раза выше данного показателя для воды и существующая зависимость могла быть замаскирована погрешностями измерения (±10%) при такой малой влажности поглотителя.

Исследования 2010 года

Для уточнения полученных ранее данных и оценки вклада отдельных горизонтов на том же объекте были проведены дополнительные исследования по изучению экранирования у-излучения дерново-подзолистой почвой в целом и ее двумя верхними минеральными горизонтами. В Табл. 7 представлены рассчитанные нами регрессионные зависимости экранирования у -излучения.

Табл. 7 Регрессионные зависимости экранирования у -излучения дерново-подзолистой почвой в целом и ее двумя верхними минеральными горизонтами

Участок 2 Участок 3

Почва в целом Горизонты Почва в целом Горизонты

уравнение Горизонт уравнение уравнение Горизонт уравнение

Y=4.91+870.77. е-0.55.Х А (3-20 см) Y=4.74 + 973.14 . е" П.59.Х Y=5.56 + 806.16.е" 0.44.Х А (2-10 см) Y=3.06 + 921.25 . е" 0.61.Х

АЕ (2035 см) Y=3.43 + 889.03. е" 0.54 X ЕВ (1028 см) Y=2.91 + 933.04. е" 0.74.Х

Также для каждого минерального горизонта определялся коэффициент экранирования. Детектор помещали в сосуд и засыпали его слоем высушенной почвы из конкретного почвенного горизонта толщиной 5 см и проводили измерение интенсивности у-излучения. Приведем результаты эксперимента для одного из участков (Табл. 8).

Табл. 8 Изменение интенсивности у-излучения различными горизонтами почвы (участок 2).

Горизонт, см Плотность, г/см' Скорость счета, имп/сек Коэфф, экранирования, см"1

А (3-20) 1,0-1,2 163,2 ±0,37 0,36 ± 0, 006

АЕ (20-35) 1,1-1,3 163,8 ±0,45 0,36 ± 0, 006

Е (35-50) 1,1-1,4 125,2 ±0,9 0,42 ± 0, 008

В (50-...) 1,3-1,4 141,9 ±0,54 0,39 ± 0, 007

Толщина поглотителя 5 см, фон вычтен

Отметим слабое варьирование измеренных и рассчитанных показателей, в первую очередь отсутствие ожидаемой выраженной зависимости их от плотности горизонта. Средняя величина коэффициента экранирования по двум участкам составила 0,4 ± 0,02 см"1 при варьировании от 0,36 до 0,45.

По наиболее близким к условиям нашего эксперимента данным Бэка (Beck, 1972) массовый коэффициент экранирования при влажности почвы 25% и источнике излучения 22Na составляет 0,15 см2/г. Для сравнения с работой Бэка были проведены дополнительные расчеты, непосредственно учитывающие влияние расстояния между объектом и источником. Были получены значения линейного и массового коэффициентов экранирования

для двух верхних горизонтов исследованных почв (Табл. 9). Очевидно, что наши результаты сопоставимы с результатами Бэка.

Табл. 9 Линейный и массовой коэффициент экранирования для каждого исследованного горизонта (источник2 N8)._____

Участок 2 Участок 3

Горизонт, см Коэффициент экранирования Горизонт, см Коэффициент экранирования

Линейный см"' Массовый см2/г Линейный см'1 Массовый см2/г

А(3-20) 0,08 ±0,03 0,06 ±0,02 А (2-10) 0,09 ±0,04 0,08±0,03

АЕ (20-35) 0,08 ±0,02 0,07 ±0,01 ЕВ (10-28) 0,13 ±0.07 0,11 ±0,05

В заключение следует отметить, что почва, как поглотитель у- излучения, обладает спецификой, существенно отличающей ее от других сред и материалов. Анализ литературных данных позволяет утверждать, что наиболее важными факторами являются плотность почвы и ее химический состав. Дополнительным фактором, оказьшающим влияние на экранирующие свойства почвы в естественных условиях, может являться ее увлажнение.

Все эти факторы - характеристики динамические, они могут существенно изменяться при смещении по профилю почвы и во времени. Тем не менее очень важно иметь хотя бы приближенное представление об экранирующих свойствах почвы. В данных условиях наиболее практичным шагом в данном направлении, но нашему мнению, будет определение регрессионных зависимостей и получение усредненных характеристик ослабления у-излученяя, например, коэффициента экранирования (линейного ослабления), хотя бы для основных типов почв и наиболее опасных в радиологическом отношении радионуклидов.

ГЛАВА 4

Данная часть работы посвящена развитию применения численных методов в математическом моделировании формирования дозовых нагрузок на объект, которым может являться как любой живой организм, так и его отдельные органы (например генеративные органы).

Для реализации алгоритмов использовался язык объектно-ориентированного программирования Visual Basic. Был разработан ряд программных модулей, которые, работая автономно или в необходимом сочетании под управлением основной прогрзммы, позволяют вычислять дозовые нагрузки на объект, находящийся в наземной экосистеме, подвергшейся радиоактивному загрязнению.

Мы исходили из следующей посылки: вычисления доз от протяженных источников начинаются с рассмотрения дозы, получаемой объектом от некоторого элементарного объема или площадки, которые считаются точечными источниками.

Наиболее простым и наглядным примером подхода, описанного выше, может служить разработанный нами дозиметрический модуль DoseMod_PS (plain surface), который был разработан в 2 вариантах. В первом варианте (DoseMod_PS_un) предполагается, что объект облучения находится на прямоугольном участке с ровной поверхностью, который равномерно загрязнен одним или несколькими радионуклидами. Во втором случае (DoseMod_PS_nonun) считается, что радионуклиды распределены неравномерно. Основной подход одинаков, но варианты существенно различаются по программной реализации. Участок разбит на некоторое количество элементарных площадок. Алгоритм заключается в следующем. Сперва формируется массив расстояний до каждого рассматриваемого точечного источника. Затем рассчитывается дозовое поле. Мощность поглощенной дозы D в точке с координатами i и j рассчитывается в модуле DoseMod PS по формуле:

DS=(G х A(i,j))/d(i,j)2

где G - у-постоянная (аГр*дм2/с*Бк), константа, специфичная для данного радионуклида; d - расстояние от объекта до точечного источника (дм), находящегося в точке с координатами i и /; А - активность данного источника излучения (Бк/дм2).

С целью проверки адекватности данного алгоритма были проведены расчеты экспозиционной дозы для участков квадратной формы различного размера (Табл. 10). Вычислялся парциальный вклад разноудаленных от объекта частей участков. Для сравнения с имеющимися экспериментальными данными рассчитывалась часть суммарной дозы для вписанных по центру основного участка участков меньшего размера со сторонами 8, 16 и 70 м. Для изучения возможных искажений максимальные размеры участка, при которых суммарная доза приближается к дозе от бесконечной равномерно загрязненной поверхности, принимались равными 120, 240 и 480 метрам.

Табл. 10 Парциальный вклад в экспозиционную дозу разноудаленных частей загрязненной территории (сравнение экспериментальных данных и результатов, полученных с помощью модели).

Сторона участка, м Экспериментальные данные (Перцев, 1973) Результаты моделирования

максимальная сторона участка*, м

120 240 480

8 0,33 0,44 0,38 0,34

16 0,5 0,58 0,51 0,45

70 0,75 0,88 0,78 0,69

Принималось, что при данных размерах участка доза максимальна, т.е. равна 1 в относительных единицах.

Очевидно, что результаты моделирования хорошо согласуются с экспериментальными данными.

Далее мы использовали модуль 1)о5еМос1_Р5_ип для реконструкции величины поглощенной и экспозиционной доз на экспериментальном участке Д1 (граница 30-км зоны аварии на ЧАЭС) в июле 1986 года и сопоставили суммарную величину экспозиционной дозы с усредненной величиной данного показателя (Табл. 11).

По данным кафедры радиоэкологии и экотоксикологии экспозиционная доза на территории, прилегавшей к участку Д1, в июле 1986 года варьировала в интервале 800 - 1200 цР/ч. Учитывая временной разрыв между дозиметрическими измерениями и отбором проб почвы для спектрометрических исследований составивший примерно 2 недели и существенное варьирование плотности загрязнения, полученный с помощью модели результат следует, как нам кажется, считать адекватным.

Модуль Оо«еМо11_Р8_ип позволил оценить вклад каждого из 8 радионуклидов в суммарную дозовую нагрузку в 1986 году. Из табл. 8 видно, что основными дозообразователями в тот период являлись95Ъс и 95ЫЬ.

Табл. 11. Реконструкция величины поглощенной и экспозиционной доз на экспериментальном участке Д1.

Радионуклид Содержание в почве, Бк/кг Доля от суммарной у- активности, % Содержание в почве, Бк/'дм2 Поглощенная доза, (нГр/с) Экспозиционная доза, цР/ч

гяСе ^ 1440 36,09 20836 0,09 34,01

~™Се 324 8,12 4688 0,03 12,46

271 6,79 3921 0,19 68,13

,ибЯи 291 7,29 4211 0,08 29,73

Г 92 2,31 1331 0,2 71,33

179 4,49 2590 0,14 51,53

■ «& 583 14,61 8436 0,59 213,68

810 20,30 11720 0,85 307,28

Итого: 3990 100 57732 2,17 788,13

В отличие от варианта Во5еМос1_Р8_ип модуль Г)о5еМос1_Р5_попип допускает, что радионуклиды распределены неравномерно в системе неких координат (в нашем случае - прямоугольных). В данном случае алгоритм и программная реализация более сложные, поскольку необходимо иметь массив расстояний от объекта до каждого индексированного элемента участка и массив плотностей загрязнения (активностей) этих элементов. При проведении численных экспериментов и отсутствии исходных данных по распределению загрязнений может использоваться разработанный нами всио-

могательньш модуль RND_Dis.tr, который воспроизводит случайное распределение радиоактивных выпадений по площади.

В реальных условиях, особенно сразу после радиоактивного выпадения, помимо облучения от почвы, представляющей собой относительно плоскую поверхность, существенную дозу объект, находящийся в экосистеме с развитым древесным ярусом, может получить от стволов деревьев. Загрязнение наружной коры может представлять достаточно большую величину в течение нескольких лет (Тихомиров, 1972; Щеглов, 1999; Мамихин, 2003). В связи с этим нами был разработан модуль Оо5еМо«1_Су1, который позволяет рассчитывать дозовую нагрузку от источников цилиндрической формы, причем загрязненных неоднородно. Принято, что в приближении поверхность цилиндра представляет собой совокупность элементов квадратной формы. В плане геометрии дозового поля, основную проблему составила разработка эффективного алгоритма вычисления расстояния до каждого элемента цилиндра. Ключевым является численный метод расчета расстояния от объекта, находящегося вне окружности до любой точки на ней.

Исходные данные вводятся в модуль основной программой. Имея пространственные координаты расположения объекта облучения относительно цилиндра и массив активностей элементов цилиндра, модуль может вычислить дозу, полученную объектом.

Помимо решения прямых радиоэкологических задач, модели можно использовать и для различного рода пограничных применений. Например, одна из моделей уже модифицирована нами для решения конкретной прикладной задачи - для расчета облучения объекта от трубопровода, неравномерно загрязненного радиоактивными отложениями. Характеристики положения объекта задаются в диалоговом режиме.

Предлагаемые алгоритмы расчета дозовых полей основаны на использовании как уже существующих, так и заново разработанных нами оригинальных численных методов, позволяющих учитывать изменение со временем интенсивности излучения в соответствии с процессами перераспределения радионуклидов в растительном покрове и почве. Такой подход, по сравнению с традиционно используемыми в радиологических расчетах аналитическими уравнениями, дает также возможность непосредственно отображать влияние неравномерности радиоактивного загрязнения наземных экосистем.

Для расчета дозовых нагрузок от источников облучения, находящихся в почве или искусственном грунте был разработан модуль Вове-Л1о(1_31)_5оП. Использовался следующий подход. Рассматриваемый объем почвы разбивается на отдельные структурные единицы (элементарные ячейки) кубической формы. Для создания 3-х мерного массива расстояний от каждой элементарной ячейки данного объема (параллелепипеда или куба) почвы до объекта облучения, находящегося на поверхности почвы или на некоторой высоте над ней (Ы) и толщины слоя почвы, который проходит кратчайшим путем первичное излучение (¿2) используется вспомогательный модуль ЗОсПя^тос!.

Мощность поглощенной дозы Дь, от загрязненной радионуклидом ячейки, находящейся в точке с координатами к, I и у; рассчитывается по формуле:

Окц - (Б . А(к, 1, Д) / Ь1(к, I, |)2 . е'-" Ь2(к' №

Где О — у-постоянная (аГр*дм2/с*Бк), константа, специфичная для рассматриваемого радионуклида; А - активность источника излучения (Бк/дм3), 11 и ¿2- соответствующие расстояния (дм), и - коэффициент линейного ослабления у- излучения поглотителем (Имп/дм).

Для учета пространственно-временной динамики содержания радионуклидов в некотором объеме почвы может подключаться вспомогательный модуль ЗВпи|>_то|1.

Таким образом, модуль По$еМо(1_30_коП может использоваться для оценки дозовых нагрузок от источников излучения, находящихся в почве и распределенных в ней в любых пространственных конфигурациях.

В рамках работы было проведено сравнение расчетных методов радиологической оценки воздействия химических веществ, применяемых в хозяйственной деятельности. В качестве примера рассматривалась ситуация применения калийных удобрений в лесопарках для компенсации выноса калия с удаляемым за пределы города листовым опадом. Нами были сделаны следующие допущения: удобрение вносится одномоментно в виде хлористого калия (КС1) в количестве 100 г/и2, загрязнение присутствует на бесконечной ровной плоскости и экранирование неровностями поверхности почвы в расчет не принималось.

Для приведенных выше условий проводился расчет мощности потенциальной экспозиционной дозы. Для исследования сходимости оценок, полученных по существующим аналитическим формулам, нами были использованы три варианта расчетов, основанные на различных подходах (Оаэз^пе, цит. по: Эйзенбад, 1967; Хультквист, цит. по: Перцев, 1973; Метеорология и атомная энергия, 1971). Полученные оценки радиационного уровня составили 0,44, 0,607 и 1,2 цР/ч соответственно.

Мы также применили разработанную нами дозиметрическую имитационную модель БоБеМос! для исследования последствий приведенной выше ситуации с внесением калийных удобрений. Расчет велся для квадратного участка размером 120*120 м2. Учитывая, что 75% дозы человек получает от источников, находящихся на расстоянии до 35 м от него (Перцев, 1973), это сводит, по нашему мнению, к минимуму возможные искажения при замене окружности на квадрат и существенно облегчает вычисления. Предполагалось, что объект облучения находился в центре равномерно загрязненного квадрата на высоте 1 м. Точечным источником считался квадратный дюйм рассматриваемого участка. Активность каждого источника А считалась, согласно рассмотренному выше сценарию, равной 15,4 Бк/дм2. В результате расчетов была получена оценка мощности экспозиционной дозы составила 0,136 цР/ч без учета вклада рассеянного излучения и экранирования ионизирующего излучения воздухом и неровностями почвы. По оценкам

разных авторов эти процессы примерно компенсируют друг друга.

Отметим также, что, даже по самому большому полученному значению, прирост мощности экспозиционной дозы на высоте 1 м от поверхности почвы в центре очага загрязнения, образовавшегося в результате применения таких калийных удобрений в количестве 100 г на и' почвы, будет существенно меньше общего фонового радиационного уровня в Москве, равного в среднем 11 цР/ч (Рыбальский и др., 1993).

ВЫВОДЫ

1. В Египте на территории региона с почвами глинистого состава (Хиит) мощность поглощённой дозы для населения, обусловленная содержанием 226Яа, 232ТЪ, и 40К, равна 15,4 нГр/ч и существенно выше, чем на территории региона с песчаными почвами (Иншасс) - 8,7 нГр/ч. Средняя мощность доз облучения людей в Египте составляет 12 нГр/ч, что в 4,25 раза меньше международной предельно допустимой величины в 51 нГ'р/ч (НКДАР ООН, иЬ'ЗСЕЛК, 2000).

2. На территории Московской области России с дерново-подзолистыми почвами средняя мощность поглощённой дозы, обусловленной содержанием ЕРН в исследованной почве, близка к предельно допустимой величине и составляет 48 нГр/ч. Средняя мощность поглощённой дозы, обусловленной содержанием ШС8, составила 1,4 нГр/ч (2,8% от суммарной мощности дозы).

3. В условиях микрополевых и модельных опытов на дерново-подзолистых суглинистых почвах и песках установлено, что степень экранирования у-излучения от источи и ко а, размещенных в их толще, в наибольшей степени определяется мощностью слоя поглотителя. Средняя величина коэффициента экранирования у-излучепия от источника ггЫа для минеральных горизонтов изученных почв составляет 0,4 , а для песка - 0,48 см'1.

4. Получены регрессионные зависимости интенсивности у-излучения от источников, размещенных в почве, от толщины слоя для дерново-подзолистых суглинистых почв (для почвы в целом и для отдельных горизонтов) и песка. Разработанная методика изучения экранирования у-излучения почвой с применением современной приборной базы может быть успешно применена для проведения масштабных исследований, как в полевых, так и в лабораторных условиях.

5. При радиологических оценках доз в наземных экосистемах использование аналитических методов их расчета неэффективно и приводит к значительному варьированию и завышению показателей дозовых нагрузок. Более точным методом при проведении радиологической экспертизы является имитационное моделирование, которое позволяет учесть условия поступления радиоактивных веществ, особенности по-

ведения конкретного радионуклида в окружающей среде, неоднородность радиоактивного загрязнения, рельеф, экранирование различными объектами.

6. Разработаны и реализованы ввиде программных модулей алгоритмы численного моделирования формирования экспозиционной дозы от объектов основных геометрических форм, встречающихся в биогеоценозах. Созданный банк дозиметрических и вспомогательных модулей позволяет рассчитывать дозовые нагрузки на объекты в наземных экосистемах в различных радиационных ситуациях. С моделью DoseMod был проведен численный эксперимент по реконструкции дозовых нагрузок на границе 30-км зоны аварии ЧАЭС в 1986 году, который показал ее надежность.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Бадави В.М. Естественная радиоактивность глинистых и песчаных почв и дозы облучения населения в регионах Хиит и Иншасс (Египет). //Вестн. Моск. ун-та, Сер. почв., 2009, N 3, с. 9 - 11.

2. Бадави В.М., Мамихин C.B. К вопросу об изучении экранирования гамма- излучения дерново-среднеподзолистой почвой //Вести. Моск. ун-та, Сер. почв., 2010, N 3, с. 28 - 30.

3. Badawy W.M., Ali Е.М., El-Samman Н.М., Hussein A., Saleh Z.A. and Gomaa M.A. Gamma - Ray Measurements of Naturally Occurring Radioactive Samples from Heet and Inshas - Egypt //Arab Journal of N uclear Sciences and Applications. Vol. 38, Apr. 2005, pp. 431 - 436.

4. Badawy W.M., Ali E.M., Hussein A. and Gomaa M.A. Radioactivity Measurements for Some Ophthalmic Glasses //Materials of VIII Radiation Physics & Protection Conference, 13-15 November 2006 , Beni Sueif-Fayoum, Egypt, pp. 453 - 457.

5. Мамихин C.B., Бадави В.М. Алгоритмы имитационных моделей расчета дозовых нагрузок в лесной экосистеме //Доклады электронной конференции «Информационно-вычислительные технологии в решении фундаментальных научных проблем и прикладных задач химии, биологии, фармацевтики, медицины», 2009, http://www.ivtn.ra/2009/pdf/t09_02.pdf.

6. Бадави В.М. Содержание 226Ra, 2 2Th, и 40К в глинистых и песчаных почвах и дозы облучения населения, обуславливаемые этими радионуклидами, в регионах Египта Хиит и Иншасс //Материалы докладов XVI Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» /Отв. ред. И.А. Алешковский, П.Н. Костылев, А.И. Андреев. [Электр, ресурс] — М.: МАКС Пресс, 2009, — 1 электрон. опт. диск (CD-ROM).

7. Мамихин C.B., Бадави В.М. Алгоритмы имитационных моделей расчета дозовых нагрузок в лесной экосистеме //Сборник материалов кон-

ференции «Информационно-вычислительные технологии в решении фундаментальных и прикладных научных проблем», M., НВК «Вист», 2009, с. 10.

8. Мамихин C.B., Бадави В.М. Модель расчета дозовых нагрузок от источников облучения, находящихся в почве //Доклады электронной конференции «Информационно-вычислительные технологии в решении фундаментальных научных проблем и прикладных задач химии, биологии, фармацевтики, медицины», 2010, http://www.ivtn.ru/2010/pdi7tl0_01.pdf.

9. Мамихин С.В, Бадави В.М., Сравнение расчетных методов радиологической оценки воздействия химических веществ, применяемых в хозяйственной деятельности //Проблемы радиоэкологии и пограничных дисциплин /Ред. Мигунов В.И., Трапезников A.B. Вып.13. Екатеринбург, Изд-во Урал, ун-та, 2010, с. 18 - 32.

10. Бадави В.М. К вопросу об изучении экранирования гамма-излучения дернозо-среднопозолистой почвой //Материалы Международного молодежного научного форума «JIOMOHOCOB-2010» / Отв. ред. И. А. Алешковский, П.Н. Костылев, А.И. Андреев, A.B. Андриянов. [Электронный ресурс] — М.: МАКС Пресс, 2010. — 1 электрон, опт. диск (CD-ROM);

Отпечатано в копицентре « СТ ПРИНТ » Москва, Ленинские горы, МГУ, 1 Гуманитарный корпус, e-mail: gIobus9393338@yandex.ru тел.: 939-33-38 Тираж 100 экз. Подписано в печать 27.10.2010 г.

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Ваел Махмуд Бадави Гад

СОДЕРЖАНИЕ.

СПИСОК ТАБЛИЦЫ.

БЛАГОДАРНОСТИ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА. 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1. Поведение радионуклидов в наземных экосистемах.

1.1.1. Естественная радиоактивность биосферы.

1.1.2. Техногенное радиоактивное загрязнение биосферы.

1.2. Формирование и расчет дозовых нагрузок на человека, и некоторые компоненты экосистем.

1.2.1. Типы рассматриваемых доз и формулы их расчета.

1.2.2. Наземные экосистемы и их компоненты, как источники облучения.

1.3. Математическое моделирование формирования дозовых нагрузок в наземных экосистемах.

1.3.1. Модели поведения радионуклидов в наземных экосистемах.

1.3.2. Дозиметрические модели.

1.3.3. Комплексные модели.

ГЛАВА. 2. ИССЛЕДОВАНИЕ СОДЕРЖАНИЯ 226Яп, 232ТЬ И 40К В ПОЧВАХ И ФОРМИРОВАНИЯ ДОЗОВЫХ НАГРУЗОК, ОПРЕДЕЛЯЕМЫХ ЭТИМИ РАДИОНУКЛИДАМИ.

2.1. Исследования формирования доз в почвах Египта.

2.2. Исследования формирования доз в почвах России.

ГЛАВА. 3. ИЗУЧЕНИЕ ЭКРАНИРОВАНИЯ ГАММА - ИЗЛУЧЕНИЯ ПОЧВОЙ.

3.1. Исследования 2009 года.

3.2. Исследования 2010 года.

3.2.1. Изучение экранирующей способности почв и отдельных почвенных горизонтов в полевых условиях.

3.2.2. Изучение экранирующей способности отдельных почвенных горизонтов в лабораторных условиях.

ГЛАВА. 4. ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ.

4.1. Модели расчета дозовых нагрузок в наземных экосистемах.

4.1.1. Дозиметрические модули.

4.1.2. Вспомогательные модули.

4.2. Сравнение расчетных методов радиологической оценки воздействия химических веществ, применяемых в хозяйственной деятельности.

ВЫВОДЫ.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Дозовые нагрузки на человека и компоненты биоты в наземных экосистемах"

Актуальность темы: Присутствие естественных радионуклидов (ЕР) в биосфере, загрязнение окружающей среды техногенными радиоактивными веществами и связанное с этим воздействие ионизирующих излучений на биоту и человека обуславливают постоянный интерес к поведению радионуклидов в экосистемах и формированию дозовых нагрузок.

Оценки интенсивности облучения населения Земли существенно варьируют и со временем уточняются. Так, ранее приводились следующие оценки. Было подсчитано, что средняя доза внешнего облучения человека от ЕР составляет от 34 до 181 мрад/год (примерно от 0,34 до 1,81 мЗв/год) (Алексахин, 1982). Причем полагали, что основной вклад в облучение вносят радионуклиды, находящиеся в окружающей среде. В частности, мощность дозы внешнего облучения от радионуклидов литогенного происхождения для населения в среднем составляла около 4,5 ц рад/час, а от космогенных радионуклидов -0,02 р. рад/час по данным НКДАР ООН 1977 года (ШБСЕАК, 1977). Позднее, в 1993 году приводились уже иные оценки. Так, было показано, что эффективная годовая доза (мЗв) формируется следующим образом: 0,39 - радионуклиды космического происхождения, 0,46 - радионуклиды литогенного происхождения, 1,3 - радон и продукты его распада (ИЫЭСЕАК, 1993).

Следует также отметить, что дополнительный интерес к ЕР возникает в связи с применением в сельском хозяйстве минеральных удобрений, в основном фосфорных, обогащенных данными радиоизотопами. Например, содержание радионуклидов уранового ряда в фосфорсодержащих удобрениях может достигать 2,4 кБк/кг (Рябцев, 1996). Ранее отмечалось, что при длительном применении этих удобрений происходит рост содержания ЕР в корнеобитае-мом слое почвы (Алексахин, 1982).

Существенную дозу облучения население нашей планеты получает от источников техногенного происхождения. Причем в настоящее время в список таких источников входят не только АЭС и предприятия ядерно-топливного цикла, но и тепловые электростанции, нефтяные скважины, угледобывающие предприятия. В данном случае интенсивность облучения сильно варьирует в зависимости от места проживания и профессиональной деятельности человека.

Таким образом, изучение формирования доз облучения от естественных радионуклидов литогенного происхождения и при различных сценариях техногенных радиоактивных выпадений, а также совершенствование методик их расчета представляет собой важную задачу современной радиоэкологии.

Цель работы: Изучение формирования и прогнозирование дозовых нагрузок на человека, и некоторые компоненты наземных экосистем.

Основные задачи: Разработка методики и исследование формирования доз от естественных и техногенных радионуклидов, присутствующих в наземных экосистемах, и экранирующей способности почв; построение компьютерных моделей расчета доз для стационарных и движущихся объектов в некоторых унифицированных условиях наземных экосистем, с соответствующими полями ионизирующего излучения, и проведение с ними численных экспериментов; анализ и обобщение полученных данных.

Научная новизна работы: Получены дополнительные данные по содержанию естественных радионуклидов в почвах Египта и России. Уточнена способность дерново-подзолистых почв и песка экранировать у-излучение. Проведен сравнительный анализ формирования доз в различных экологических условиях и построен комплекс моделей, позволяющих прогнозировать дозовые нагрузки на человека и биоту.

Практическая значимость: Результаты исследований и модели могут быть использованы для минимизации последствий пребывания человека на территориях, загрязненных радиоактивными веществами. Имея достаточно полный банк моделей, карту пространственного размещения радиоактивных загрязнений и маршрут объекта, можно прогнозировать дозовую нагрузку на данный объект. При передвижении объекта, отслеживая с помощью GPS-навигатора его маршрут и время нахождения в дозных полях, можно получить динамику облучения объекта при его перемещении и оперативно оценить опасность получаемой дозы облучения. Разработанные алгоритмы полезны также для оценки доз от приповерхностных захоронений радиоактивных отходов или расчетов при проведении дезактивационных мероприятий загрязненных территорий посредством засыпки чистым грунтом.

Объекты исследований: Объектами экспериментальных исследований являются песчаные и глинистые почвы в регионах Египта Хиит и Иншасс, а также почвы РФ (учебно-опытный почвенно-экологический центр МГУ им. М.В.Ломоносова "Чашниково"). Объектами для моделирования дозовых нагрузок выбраны человек и некоторые компоненты биоты наземных экосистем различных типов.

Апробация работы: Основные положения диссертации были доложены:

На международной конференции «VIII Radiation Physics & Protection Conference», 13-15 November 2006 , Beni Sueif-Fayoum, Egypt;

На электронных конференциях «Информационно-вычислительные технологии в решении фундаментальных научных проблем и прикладных задач химии, биологии, фармацевтики, медицины» в 2009 и 2010 гг., Россия;

На XVI и XVII международных научных конференциях студентов, аспирантов и молодых учёных "Ломоносов" в 2009 и 2010 гг., Москва, Россия.

Публикации: По материалам диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 2 статьи в журнале из списка ВАК.

1. Бадави В.М. Естественная радиоактивность глинистых и песчаных почв и дозы облучения населения в регионах хиит и иншасс (Египет). //Вестн. Моск. ун-та, Сер. почв., 2009, N 3, с. 9 - 11.

2. Бадави В.М., Мамихин C.B. К вопросу об изучении экранирования гамма-излучения дерново-среднеподзолистой почвой //Вестн. Моск. ун-та, Сер. почв., 2010, N3, с. 28-30.

3. Badawy W.M., Ali Е.М., El-Samman Н.М., Hussein A., Saleh Z.A. and Gomaa M.A. Gamma - Ray Measurements of Naturally Occurring Radioactive Samples from Heet and Inshas - Egypt //Arab Journal of Nuclear Sciences and Applications. Vol. 38, Apr. 2005, pp. 431 - 436.

4. Badawy W.M., Ali E.M., Hussein A. and Gomaa M.A. Radioactivity Measurements for Some Ophthalmic Glasses //Materials of VIII Radiation Physics & Protection Conference, 13-15 November 2006 , Beni Sueif-Fayoum, Egypt, pp. 453 -457.

5. Мамихин C.B., Бадави В.М. Алгоритмы имитационных моделей расчета дозовых нагрузок в лесной экосистеме //Доклады электронной конференции «Информационно-вычислительные технологии в решении фундаментальных научных проблем и прикладных задач химии, биологии, фармацевтики, медицины», 2009, http://www.ivtn.ru/2009/pdf/t09 02.pdf.

A J л

6. Бадави В.М. Содержание ^°Ra, ZJ/Th, и Kb глинистых и песчаных почвах и дозы облучения населения, обуславливаемые этими радионуклидами, в регионах Египта Хиит и Иншасс //Материалы докладов XVI Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» /Отв. ред. И.А. Алешковский, П.Н. Костылев, А.И. Андреев. [Электр, ресурс] — М.: МАКС Пресс, 2009, — 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

7. Мамихин C.B., Бадави В.М. Алгоритмы имитационных моделей расчета дозовых нагрузок в лесной экосистеме //Сборник материалов конференции «Информационно-вычислительные технологии в решении фундаментальных и прикладных научных проблем», M., НВК «Вист», 2009, с. 10.

8. Мамихин C.B., Бадави В.М. Модель расчета дозовых нагрузок от источников облучения, находящихся в почве //Доклады электронной конференции «Информационно-вычислительные технологии в решении фундаментальных научных проблем и прикладных задач химии, биологии, фармацевтики, медицины», 2010, http ://www.ivtn.ru/2010/pdf/t 1001 .pdf.

9. Мамихин C.B, Бадави В.М., Сравнение расчетных методов радиологической оценки воздействия химических веществ, применяемых в хозяйственной деятельности //Проблемы радиоэкологии и пограничных дисциплин /Ред. Мигунов В.И., Трапезников A.B. Вып. 13. Екатеринбург, Изд-во Урал, ун-та, 2010, с. 18 - 32.

10. Бадави В.М. К вопросу об изучении экранирования гамма-излучения дерново-среднопозолистой почвой //Материалы Международного молодежного научного форума «ЛОМОНОСОВ-2010» / Отв. ред. И.А. Алешковский, П.Н. Костылев, А.И. Андреев, A.B. Андриянов. [Электронный ресурс] — М.: МАКС Пресс, 2010. — 1 электрон, опт. диск (CD-ROM);

Заключение Диссертация по теме "Экология (по отраслям)", Ваел Махмуд Бадави Гад

выводы

1. В Египте на территории региона с почвами глинистого состава (Хиит) мощность поглощённой дозы для населения, обусловленная содержанием

ЛЛ/ ЛЛЛ ДЛ

Ra, Th, и К, равна 15,4 нГр/ч и существенно выше, чем на территории региона с песчаными почвами (Иншасс) - 8,7 нГр/ч. Средняя мощность доз облучения людей в Египте составляет 12 нГр/ч, что в 4,25 раза меньше международной предельно допустимой величины в 51 нГр/ч (НКДАР ООН, UNSCEAR, 2000).

2. На территории Московской области России с дерново-подзолистыми почвами средняя мощность поглощённой дозы, обусловленной содержанием EPH в исследованной почве, близка к предельно допустимой величине и составляет 48 нГр/ч. Средняя мощность поглощённой дозы, обусловленной содержанием Cs, составила 1,4 нГр/ч (2,8% от суммарной мощности дозы).

3. В условиях микрополевых и модельных опытов на дерново-подзолистых суглинистых почвах и песках установлено, что степень экранирования у-излучения от источников, размещенных в их толще, в наибольшей степени определяется мощностью слоя поглотителя. Средняя величина коэффициента экранирования у-излучения от источника

22Na для минеральных горизонтов изученных почв составляет 0,4 , а для песка - 0,48 см"1.

4. Получены регрессионные зависимости интенсивности у-излучения от источников, размещенных в почве, от толщины слоя для дерново-подзолистых суглинистых почв (для почвы в целом и для отдельных горизонтов) и песка. Разработанная методика изучения экранирования у-излучения почвой с применением современной приборной базы может быть успешно применена для проведения масштабных исследований, как в полевых, так и в лабораторных условиях.

5. При радиологических оценках доз в наземных экосистемах использование аналитических методов их расчета неэффективно и приводит к значительному варьированию и завышению показателей дозовых нагрузок. Более точным методом при проведении радиологической экспертизы является имитационное моделирование, которое позволяет учесть условия поступления радиоактивных веществ, особенности поведения конкретного радионуклида в окружающей среде, неоднородность радиоактивного загрязнения, рельеф, экранирование различными объектами.

6. Разработаны и реализованы ввиде программных модулей алгоритмы численного моделирования формирования экспозиционной дозы от объектов основных геометрических форм, встречающихся в биогеоценозах. Созданный банк дозиметрических и вспомогательных модулей позволяет рассчитывать дозовые нагрузки на объекты в наземных экосистемах в различных радиационных ситуациях. Проведенный с моделью БоБеМос! численный эксперимент по реконструкции дозовых нагрузок показал ее надежность.