книги из ГПНТБ / Воробьев, А. М. Методы определения радиоактивных веществ в воздухе [практическое пособие]

V.

A. Μ. Воробьев

Методы

определения

радиоактивных

веществ в воздухе

МОСКВА «МЕДИЦИНА» 1974

Книга представляет собой практическое пособие по методам оп­ ределения радиоактивных веществ в воздушной среде. В ней крат­ ко изложены физико-химические свойства радиоактивных аэрозо-

-лей, специфические условия их образования и методы улавливания. Даны краткие теоретические сведения о различных методах раз­ деления микроколичеств радиоактивных веществ: экстракции, хроматографии, соосаждении и др.

Во второй главе приведены многочисленные методики определе­

на. наиболее современных физико-химических способах разделения радиоактивных веществ — экстракции и хроматографии. ' В каж­ дой методике кратко изложен принцип определения, указаны необ­

фильтрующего материала, радиохимической очистке изотопа и пос­ ледующему определению. Как правило, для одного и того же изо­ топа дано несколько методов, отличающихся точностью, чувстви­ тельностью и трудоемкостью. Описанию методов определения предшествует краткое изложение физических и химических свойств, получения, применения и токсических свойств изотопов данного элемента.

Книга рассчитана на химиков-аналитиков, промышленно-сани­ тарных врачей и работников санитарно-эпидемиологических станций, предприятий и организаций, производящих и использующих радио­ активные . изотопы.

50200—102

286—74

039 (01)-74

(^Издательство «Медицина» Москва 1974

♦

ВВЕДЕНИЕ

Широкое использование атомной энергии в мирных целях неразрывно связано с заботой о здоровье персона­ ла, работающего с радиоактивными веществами. Не­

смотря на создание высокоэффективных средств защиты органов дыхания от радиоизотопов, одним из наиболее

важных путей попадания их в организм человека явля­ ется ингаляционный. Например, попадание и равномер­

ное распределение в воздушной среде рабочего помеще­

ния объемом 100 м3 всего IO-10 г Po210 создает опасные для здоровья людей концентрации аэрозолей. Загрязне­ ние атмосферы радиоактивными аэрозолями и газами

может иметь место при непредусмотренных аварийных ситуациях на атомных электростанциях, при использо­ вании мирных атомных взрывов для вскрытия горных пород и в ряде других случаев. При этом в воздух может попасть большое число радиоактивных изотопов, имею­

щих разные типы и периоды полураспада, обладающих различными токсическими свойствами, среднегодовые допустимые концентрации (СДК) в воздушной среде ко­ торых могут отличаться на несколько порядков.

Анализ сложных смесей радиоактивных веществ и

установление реальных концентраций на основании кон-

. кретного радиохимического состава этих смесей пред­ ставляют значительные трудности.

В производственных условиях анализ воздушной среды необходим для правильной и своевременной оцен­

ки работы технологического оборудования, системы вен­ тиляции, эффективности рекомендованных мероприятий

и т. д. с точки зрения улучшения условий труда. Кроме того, своевременное обнаружение радиоактивных ве­

ществ в воздухе помогает устранить недостатки в схеме

процесса и работе оборудования с инженерно-технологи­

ческих позиций. Поэтому контроль за содержанием ра­

диоизотопов в воздушной среде является неотъемлемой

•з

I

частью системы обеспечения радиационной безопасности и в какой-то степени надежности выбранной технологи­

ческой схемы и оборудования.

В настоящем руководстве представлены радиохими­ ческие методы определения радиоэлементов в воздуш­

ной среде. Материалами для составления руководства послужили методы определения радиоактивных веществ,

разработанные и апробированные на практике в ряде организаций Министерства здравоохранения СССР, АН

СССР и других ведомств. Использованы также некото­ рые методы, опубликованные в зарубежной литературе.

Несмотря на трудоемкость радиохимических методов по

сравнению с физическими, они широко используются на

практике, так как не требуют дорогостоящей и дефицит­ ной аппаратуры. Если же в распоряжении контролирую­

щих органов имеются альфа-, бета и гамма-спектромет­

ры, то это создает дополнительные возможности по оцен­ ке воздушной среды. Сочетание радиохимических и физических рпособов позволяет повысить точность и чув­

ствительность методов анализа воздушной среды, упро­

стить ход анализаі и значительно увеличить производи­ тельность труда.

В первой главе описаны физико-химические свойства

радиоактивных аэрозолей, образующихся при работе ядерных реакторов, атомных взрывах и обработке урана и плутония. Изложены санитарно-гигиенические основы отбора проб воздуха и методы улавливания аэрозолей. Приведены детальные технические данные о наиболее широко используемых фильтрующих материалах — фильтрах Петрянова. Даны краткие теоретические све­

дения о различных методах разделения микроколичеств

радиоактивных веществ: экстракции, хроматографии, со-

осаждении и др. Этот материал полезен при выборе не­ обходимого метода определения.

Во второй главе приведены практические методики

определения урана, плутония, нептуния, америция и кю­

рия, актиния, протактиния, тория, продуктов деления урана н радиоэлементов наведенной активности. Боль­ шинство методик основано на современных физико-хими­ ческих способах разделения веществ — экстракции и

хроматографии. Однако в связи с использованием в. ши­

рокой практике метода измерения альфа-излучателей

путем введения их в твердый сцинтиллятор — сернистый цинк новое значение получил и классический метод раз­

4

Глава I

ОБЩИЕ ОСНОВЫ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ В ВОЗДУХЕ

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О СВОЙСТВАХ АЭРОЗОЛЕЙ

Радиоактивные вещества, за исключением некоторых

газов, находятся в воздушной среде в аэрозольном со­ стоянии. Аэрозолями называют любые материальные

частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в газо­ образной среде, в частности в воздухе. По диаметру час­ тиц различают: грубодисперсные аэрозоли с размером

жет колебаться в широких пределах — от сотых долей

микрометра (для естественных радиоактивных аэрозолей и продуктов гидролиза гексафторида урана) до несколь­ ких десятков микрометров (в случае продуктов ядерного

взрыва). Грубодисперсные аэрозоли оседают под дейст­

вием силы тяжести с ускорением и не могут находиться в воздухе ,продолжительное время. Среднедисперсные

аэрозоли оседают в воздухе с постоянной скоростью, за­

висящей от размеров и плотности частицы, и могут нахо­

диться в воздухе длительное время. Мелкодисперсные

аэрозоли движутся в воздухе подобно атомам и моле­

кулам и практически не оседают (Н. В. Фукс, 1955). По

агрегатному состоянию частиц различают аэрозоли с

твердой дисперсной фазой — дымы и аэрозоли'с жидкой дисперсной фазой — туманы, ∏ix различие состоит в том,

что в. туманах частицы, как правило, имеют шарообраз­ ную форму, вместе с тем они монодисперсны. Твердые' частицы имеют самую разнообразную форму.

По характеру образования различают конденсацион­ ные и дисперсионные аэрозоли. Конденсационные аэро­ золи образуются при конденсации пересыщенных паров

(I2, NH4Cl и др.) или при химических реакциях веществ,

находящихся в газообразном состоянии:

UF6 + 2H2O = UO2F2 + 4HF

6

Гидролиз газообразного гексафторида приводит к обра­

зованию конденсационных аэрозолей уранилфторида. Конденсационные аэрозоли имеют шарообразную форму, близки к монодисперсным.

Дисперсионные аэрозоли образуются при дисперги­

ровании твердых и жидких веществ: при механической

обработке материалов (сверление, шлифовка), дробле­

нии и измельчении, прессовке порошкообразных мате­

риалов, распылении твердых и жидких веществ и т. д.

Они характеризуются большим набором размеров час­ тиц неправильной формы, зачастую большого диаметра. При работе с солями урана, тория, плутония и др., пере­ работке облученного ядерного горючего, радиохимиче­ ских работах в горячих лабораториях, как правило, об­

разуются дисперсионные аэрозоли.

По химическому составу различают:

1) микрочастицы чистого радиоактивного вещества,

чаще всего встречающиеся при работе с соединениями

урана, тория и другими сравнительно мало активными изотопами, — так называемые чистые радиоактивные

аэрозоли.

2) неактивные частицы из окислов кремния, железа,

капельки воды и др., на которых адсорбируются радио­ активные вещества, — так называемые меченые радио­ активные аэрозоли. Меченые радиоактивные аэрозоли образуют изотопы йода, многие дочерние продукты рас­

пада радия и тория.

Естественные радиоактивные аэрозоли образуются в

результате распада радона и торона, присутствующих в

воздухе, її адсорбции продуктов распада на частицах

присутствующей в атмосфере пыли. Средняя концентра­

ция радона над сушей вблизи поверхности земли равна 1 × 10~13 Ки/л, такова же и величина активности его дочерних продуктов. Средняя концентрация торона и его

продуктов распада составляет около 1 X 10~15 Ки/л. Раз­

меры естественных аэрозолей чрезвычайно малы и со­

ставляют 0,005—0,4 мкм, причем на 90% активность связана с частицами диаметром менее 0,04 мкм (Μ. Эйзенбад, 1967).

Содержание естественных аэрозолей может колебать­

ся в широких пределах в зависимости от времени суток,

погоды, условий проветривания іг т. д. Концентрация радона и торона, а*гакже продуктов их распада в поме­

щениях, построенных из кирпича и бетона, достигает

/

1 × IO-12 и 5 × IO-12 Ки/л, значительно уменьшаясь при вентилировании. Среди дочерних продуктов распада ра­

дона и торона имеются как α-, так и ß-излучателіі

(А. 3. Белоусов, 1958; А. С. Зыкова и др., 1958). При

отборе проб воздуха на содержание искусственных аэро­ золей (плутония, урана и др.) на фильтрах осаждаются также естественные аэрозоли — дочерние продукты рас­

пада радона и торона. Так как среднегодовые допустимые

концентрации для естественных аэрозолей на несколько

порядков выше, чем, например, для плутония и урана, то

фильтры перед измерением необходимо выдерживать не­

которое время. Для распада дочерних продуктов радона достаточно 3 ч, а для торона —. 2 сут. Наличие естест­ венных аэрозолей в воздухе в значительной степени

усложняет конструирование приборов для автоматиче­ ской регистрации искусственных аэрозолей и в ряде слу­

чаев затрудняет оперативный контроль.

Мощным источником радиоактивных аэрозолей яв­

ляется взрыв атомной бомбы. Благодаря высокой темпе­

ратуре высокоактивные продукты деления, образующие­

ся при взрыве, испаряются и устремляются вверх. При

охлаждении происходит конденсация испарившихся ве­ ществ и образование аэрозолей. Если бомба взорвана

на большой высоте, то образующиеся мелкодисперсные

аэрозоли поднимаются в стратосферу, рассеиваются там и затем в течение длительного времени оседают наі зем­

лю; это так называемые глобальные выпадения. Радио­ активные частицы глобальных выпадений в отличие от

радиоактивных частиц атомного облака имеют небольшие размеры: до 0,2 мкм — 0,63%, 0,2-1,0 мкм — 44,7%,

1—2 мкм — 48,99%, 2—3 мкм — 2,12%,>3 мкм — 3,54% (Eisenbud, Harly, 1953; Р. В. Петров и др., 1963). При наземном взрыве или взрыве на малых высотах в обла­ ко увлекается большое количество земных пород в видё частиц различного диаметра. На поверхности этих ча­ стиц происходит конденсация радиоактивных веществ.

/Меченые радиоактивные частицы быстро оседают на

поверхности земли, так как их диаметр достигает не­

сколько сот мкм. При взрыве над поверхностью моря активируется натрий, содержащийся в морской воде, и образуются радиоактивные аэрозоли Na-24 (В. Н. Лазренчик,1965).

Специфичны условия образования радиоактивных

аэрозолей при активации первоначально неактивных ча­

8

стиц. При охлаждении некоторых типов атомных реак­ торов воздухом в результате воздействия нейтронов на примеси посторонних веществ в воздухе, а также уноса

мелких частиц конструкционных материалов реактора,

подвергшихся коррозии, образуется значительное коли­ чество радиоактивных аэрозолей. Помимо этого, радио­

активные аэрозоли в реакторе могут образовываться в

результате нарушения герметичности оболочки тепловы­ деляющих элементов, а также диффузии некоторых элементов (йода, благородных газов и др.) через герме­ тичные оболочки.

Особенно большого выброса аэрозолей можно ожи­

дать при аварийных ситуациях. Свойства и активность

«реакторных» аэрозолей зависят от очень многих факто­

быстром окислении урана и высокой температуре,

механической обработке слитков урана равен 3—15 мкм, при использовании процессов перегрева или окисления он несколько меньше. При окислении урана в потоке

воздуха только 5% частиц имеют диаметр меньше 5 мкм.

Размеры частиц плутониевой пыли на радиохимйче-'

ском производстве в Саванна-Ривер (США), определен­ ные с помощью импактора, имели следующее распреде­ ление (Hoy, Groley, 1957):

При получении металлического плутония и его меха­ нической обработки размер аэрозолей плутония состав­ лял главным образом меньше 0,3 мкм со стандартным отклонением, равным 2, что совпадало и с теоретиче­

скими расчетами (Moss, 1960, и др.). При окислении плу­

Э