Κριτική ανασκόπηση μοντέλων κατακόρυφης μετανάστευσης του Cs-137 στο έδαφος

Abstract

Η κατακόρυφη μετανάστευση των ραδιενεργών ρύπων στο επιφανειακό έδαφος αποτελεί αντικείμενο ερευνών, από την εποχή που διαπιστώθηκαν οι πρώτες ραδιενεργές εκλύσεις τεχνητών ραδιοϊσοτόπων στην ατμόσφαιρα. Υπενθυμίζεται ότι οι κυριότερες αιτίες αυτών των εκλύσεων ήταν κατά κύριο λόγο οι ατμοσφαιρικές πυρηνικές δοκιμές ατομικών όπλων και δευτερευόντως τα ατυχήματα σε πυρηνικούς αντιδραστήρες. Ως χαρακτηριστικότερα από αυτά, αναφέρονται το ατύχημα στον αντιδραστήρα Windscale, στο Ηνωμένο Βασίλειο (1957) και το ατύχημα στον πυρηνοηλεκτρικό σταθμό του Chernobyl, στην πρώην Σοβιετική Ένωση (1986). Τα ραδιοϊσότοπα από τη στιγμή που θα εκλυθούν στην ατμόσφαιρα είναι μικρά μεταλλικά ή οξειδωμένα μεταλλικά σωματίδια, προϊόντα της σχάσης ή νετρονικά ενεργοποιημένοι πυρήνες ή πυρήνες από τη σχάσιμη ύλη της βόμβας ή το πυρηνικό καύσιμο του αντιδραστήρα. Ως μεταλλικά θραύσματα, έχουν μικρή μάζα, και ξεκινούν βαρυτική πορεία προς την επιφάνεια της γης. Η πορεία αυτή ονομάζεται κατακρήμνιση. Το αποτέλεσμα της κατακρήμνισης είναι η απόθεση των εκλυθέντων ραδιοϊσοτόπων στο επιφανειακό έδαφος. Από τη στιγμή της απόθεσης των εκλυθέντων ραδιοϊσοτόπων στο επιφανειακό έδαφος, διαπιστώνεται ότι υπάρχει και κινητική τους επί του εδάφους, η οποία έχει φυσικά δύο βασικές συνιστώσες: την οριζόντια και την κατακόρυφη μετανάστευση. Από τις δύο αυτές συνιστώσες σημαντικότερη είναι η κατακόρυφη μετανάστευση και πρακτικά η μοναδική που έχει μελετηθεί και προσομοιωθεί με επάρκεια με τη βοήθεια μοντέλων που περιγράφουν την κατά βάθος κατανομή της συγκέντρωσης του μεταναστεύοντος ραδιοϊσοτόπου, ως συνάρτηση του χρόνου που έχει μεσολαβήσει από την αρχική επιφανειακή απόθεση. Υπάρχουν τρεις κύριοι τύποι τέτοιων μοντέλων: (α) Το "θεωρητικό – αναλυτικό", (β) τα "διαμερισματικά" και (γ) τα "εμπειρικά". Ο πρώτος τύπος (α) κάνει εύλογες υποθέσεις για τους φυσικοχημικούς μηχανισμούς σε ομογενές και ισότροπο έδαφος κατά το βάθος x, στους οποίους οφείλεται η μετανάστευση. Αυτοί οι μηχανισμοί αναπαριστώνται με τη μορφή μερικών διαφορικών εξισώσεων, οι οποίες περιγράφουν τα φαινόμενα διαχύσεως και μεταφοράς των ραδιοϊσοτόπων κατά βάθος. Σύμφωνα με το τύπο μοντέλων (β) το έδαφος γενικά δεν είναι ομογενές και ισότροπο κατά το βάθος x. Για την μοντελοποίηση της μετανάστευσης των πυρήνων ενός ραδιοϊσοτόπου σε ένα τέτοιο έδαφος, αυτό μπορεί να διαχωρίζεται κατά βάθος σε διαδοχικά οριζόντια εδαφολογικά στρώματα με κοινές ιδιότητες –τα διαμερίσματα- μικρού ή γενικά κατάλληλου πάχους (1 – 3 εκ.). Το μεταναστεύον ραδιοϊσότοπο κινείται μέσα από τα διαμερίσματα και η κινητική του μπορεί να περιγράφεται με συνήθεις διαφορικές εξισώσεις 1ης τάξης. Ο τρίτος τύπος μοντέλων (γ) προσπαθεί να εξηγήσει την κατά βάθος κατανομή ενός ισοτόπου στο έδαφος, εμπειρικά με τη χρήση μαθηματικών προσεγγίσεων των λύσεων των μοντέλων (α) και (β). Αυτές οι προσεγγίσεις περιγράφουν με σχετική επιτυχία την κατά βάθος κατανομή της συγκέντρωσης του μεταναστεύοντος ραδιοϊσοτόπου, είτε σε συγκεκριμένη χρονική στιγμή από την επιφανειακή απόθεση, είτε ως συνάρτηση του χρόνου που έχει παρέλθει από τη στιγμή της αρχικής επιφανειακής απόθεσης. Στην παρούσα Διπλωματική Εργασία, παρουσιάζεται κυρίως μία κριτική ανασκόπηση μοντέλων κατακόρυφης μετανάστευσης ραδιοϊσοτόπων στο έδαφος, βασιζόμενη σε πειραματικά αποτελέσματα και θεωρητικές εκτιμήσεις που αφορούν στο Cs-137.

The physicochemical mechanisms, which govern the vertical migration of radioisotopes in soils, are being investigated since the first radioisotope releases in the environment due to atmospheric nuclear weapons tests. Another source of rather uncontrolled such releases were certain accidents in nuclear power plants like the one in Windscale, UK (1957) and most important the one at Chernobyl, Former Soviet Union (1986). Radioisotopes released in the atmosphere due to these sources are small or very small particles of metallic or metallic oxides matter, the majority of which are fission fragments, neutron activated nuclei or nuclei of the nuclear fuel. Once in the atmosphere these isotopes because of their mass, are gradually being deposited on the surface soil. As a result the so-called radioisotope fallout covers the surface soil. Fallout isotopes soil kinetics comprise of two main components: vertical and horizontal migration, the most prominent of the two being the vertical migration. Therefore vertical migration in soil has been extensively studied experimentally and simulated in models describing the depth concentration distribution of the isotopes as a function of the time elapsed after the initial fallout. There exist three main types of such models: (a) the "theoretical – analytical", (b) the "compartmental" and (c) the "empirical". Through model (a) scientists have put an effort to describe radioisotope vertical migration using reasonable justifiable assumptions regarding the physicochemical processes occurring in a homogenous and isotropic soil as a function of soil depth. These processes are presented in the form of partial differential equations, which account for the phenomena of radioisotope diffusion and advection towards deeper soil. In model (b) soil is not considered to be homogenous and isotropic as a whole. Therefore, in this case soil is divided in horizontal layers of small thickness (1 – 3 cm), which have their own properties and are called "compartments". Migrating radioisotopes proceed through these successive soil compartments. Radioisotope kinetics in these soil layers is represented by 1st order common differential equations. Regarding the empirical models (c), these are literally approximations of the solutions provided by models (a) and (b). These approximations may successfully describe the depth concentration distribution of the vertically migrating isotopes, either at a certain time or even predict the depth concentration distribution as a function of time. The main scope of this Diploma Dissertation, is the presentation of a critical review for all three types of radioisotope vertical migration models in soil based on experimental results and theoretical considerations for Cs-137.