Μοντέλα διακίνησης και εναπόθεσης στερεών σωματιδίων ιπτάμενης τέφρας στο περιβάλλον και συνακόλουθες ραδιολογικές επιπτώσεις στην λεκάνη της Μεγαλόπολης

Abstract

Οι γαιάνθρακες ως ορυκτά περιέχουν φυσικά ραδιενεργά ισότοπα, όπως αυτά των ραδιενεργών σειρών του 238U, του 232Th καθώς και 40Κ, το οποίο είναι φυσικό ραδιενεργό ισότοπο του καλίου. Κατά την καύση των γαιανθράκων στους Ατμοηλεκτρικούς Σταθμούς (ΑΗΣ) η οργανική ύλη απομακρύνεται με αποτέλεσμα η παραγόμενη τέφρα να εμπλουτίζεται με τα παραπάνω ισότοπα. Το μεγαλύτερο μέρος των σωματιδίων της τέφρας συγκρατείται μέσα στον σταθμό στον θάλαμο καύσης, σε διάφορα σημεία στην διαδρομή των καυσαερίων προς την έξοδο και βέβαια στα ηλεκτροστατικά φίλτρα. Ένα μικρό ποσοστό των σωματιδίων της τέφρας διαφεύγει από τις καμινάδες στην ατμόσφαιρα, το οποίο διασπείρεται στην περιοχή γύρω από τους σταθμούς. Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή είχε ως σκοπό την διερεύνηση της επίδρασης της λειτουργίας των ΑΗΣ της περιοχής της Μεγαλόπολης Αρκαδίας από ραδιολογική άποψη. Για αυτό τον σκοπό επιλέχθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν οι κώδικες ατμοσφαιρικής διασποράς ραδιενεργών ρύπων ORION-II και GENII. Κατά την δοκιμαστική χρήση του ORION-II βρέθηκαν 2 σφάλματα στον πηγαίο κώδικα, τα οποία διορθώθηκαν. Η επιτυχία των διορθώσεων ελέγχθηκε με κατάλληλες δοκιμαστικές εκτελέσεις. Έγινε εφαρμογή των κωδίκων για την περιοχή της Μεγαλόπολης και οι μέγιστες υπολογιζόμενες συγκεντρώσεις στην ατμόσφαιρα στο επίπεδο του εδάφους ήταν της τάξης των μBqm-3. Από τους υπολογιζόμενους ρυθμούς απόθεσης 226Ra συμπεραίνεται ότι οι υψηλές συγκεντρώσεις 226Ra στο χώμα της περιοχής, που έχουν μετρηθεί στο παρελθόν, δεν οφείλονται στην εναπόθεση ιπτάμενης τέφρας αλλά στο φυσικό περιεχόμενο του εδάφους σε 226Ra. Πραγματοποιήθηκαν επίσης δοσιμετρικοί υπολογισμοί και η μέγιστη ετήσια ατομική ενεργή δόση ήταν 6.4 μSv. Το σημείο μέγιστης δόσης βρέθηκε σε απόσταση 1km από το κέντρο υπολογισμού και σε διεύθυνση 22.5ο ΒΒΑ. Η ετήσια ατομική δόση για κάποιον, που κατοικεί μέσα στην πόλη της Μεγαλόπολης ήταν 1.5 μSv. Οι συγκεκριμένες τιμές ήταν μία τάξη μεγέθους μικρότερες από την μέση ετήσια ενεργή δόση, που δέχεται ένας κάτοικος της Ελλάδας από τα φυσικά ραδιενεργά ισότοπα, που περιέχονται στο έδαφος. Επίσης ήταν μια τάξη μεγέθους μικρότερες από την μέση ετήσια ενεργή δόση, που δέχτηκε κάποιος εξαιτίας των τεχνητών ραδιενεργών ισοτόπων που έχουν εναποτεθεί στο έδαφος της Ελλάδας λόγω του ατυχήματος του Chernobyl για χρονικό διάστημα ενός έτους μετά το συμβάν. Παράλληλα πραγματοποιήθηκε δειγματοληψία δειγμάτων υγρής απόθεσης στην περιοχή της Μεγαλόπολης. Ακολούθησε ραδιοχημική επεξεργασία των δειγμάτων και στην συνέχεια ανάλυση με μεθόδους α-, γ-φασματοσκoπίας καθώς και Ανάλυσης Κινητικής Φωσφορισμού (Kinetic Phosphoresence Analysis, KPA). Η μετρούμενη συγκέντρωση 238U στο βρόχινο νερό στην πόλη της Μεγαλόπολης προσδιορίστηκε σε 10±1.9 mBqkg-1. Η μέγιστη συγκέντρωση 238U στο βρόχινο νερό της περιοχής προσδιορίστηκε σε 90±14 mBqkg-1 και το σημείο δειγματοληψίας βρισκόταν πλησίον των ΑΗΣ1-2,3 της περιοχής. Σε αντίστοιχη μέτρηση που πραγματοποιήθηκε στην Πολυτεχνειούπολη Ζωγράφου η συγκέντρωση ήταν 2.2±0.6 mBqkg-1, δηλαδή 4.5 φορές μικρότερη από την αντίστοιχη στην πόλη της Μεγαλόπολης και 41 φορές μικρότερη από την μέγιστη συγκέντρωση, που μετρήθηκε. Υπολογίστηκε επίσης η μηνιαία απόθεση στην πόλη της Μεγαλόπολης, και βρέθηκε ίση με 679±129 mBqm-2month-1. Η μέγιστη απόθεση στην περιοχή υπολογίστηκε σε 4821±764 mBqm-2month-1 Η μηνιαία απόθεση στην Πολυτεχνειούπολη Ζωγράφου ήταν 77±26 mBqm-2month-1. Οι παραπάνω τιμές ήταν σχετικά χαμηλά στο εύρος τιμών ανάλογης μελέτης, που έχει πραγματοποιηθεί στο παρελθόν στην περιοχή. Προκειμένου να διερευνηθεί η πιθανή επιβάρυνση του περιβάλλοντος από την εκροή ραδονίου από τη διασπειρόμενη τέφρα στην περιοχή της Μεγαλόπολης, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις εκροής ραδονίου από τέφρα, που παράχθηκε στους ΑΗΣ Μεγαλόπολης σε κατάλληλο θάλαμο. Ο ρυθμός εκροής ήταν 460±84 μBqs-1m-2 και το εκρεόμενο κλάσμα 2.0±0.4%. Λαμβάνοντας υπόψη προηγούμενες έρευνες στην βιβλιογραφία συμπεραίνεται ότι οι αυξημένοι ρυθμοί εκροής ραδονίου από το έδαφος της περιοχής δεν οφείλονται στην εναπόθεση ιπτάμενης τέφρας, η οποία εκπέμπεται από τις καμινάδες των ΑΗΣ. Τα κυριότερα σημεία πρωτοτυπίας στο υπολογιστικό μέρος της Διδακτορικής Διατριβής είναι η ανάλυση και η άρση δύο σφαλμάτων στον πηγαίο κώδικα του ORION-II, η ανάπτυξη του μετεωρολογικού προεπεξεργαστή metprep και του γεωγραφικού προεπεξεργαστή geocalc σε γλώσσα Fortran 77, η πραγματοποίηση μελέτης διασποράς ραδιενεργών ρύπων από τις καμινάδες των ΑΗΣ Μεγαλόπολης και τέλος η πραγματοποίηση των αντίστοιχων δοσιμετρικών υπολογισμών. Στο πειραματικό μέρος της Διδακτορικής Διατριβής τα κυριότερα σημεία πρωτοτυπίας είναι η πραγματοποίηση δειγματοληψιών υγρής απόθεσης στην περιοχή της Μεγαλόπολης και η επεξεργασία και επιτυχής ανάλυση των δειγμάτων με α-φασματοσκοπία και Ανάλυση Κινητικής Φωσφορισμού (KPA) καθώς και η πραγματοποίηση μέτρησης του ρυθμού εκροής ραδονίου από δείγμα τέφρας μεγάλου όγκου, στο εσωτερικό του θαλάμου ραδονίου σε πάχος 1cm.

Fossil fuels such as coal and lignite play an important role in electric power generation worldwide. Coal contains naturally occurring radionuclides such as 238U, 226Ra, 210Pb, 232Th and 40K. During the combustion process, the produced ashes are enriched in the above radionuclides. Most of the ash is traped by the Electrostatic Precipitators (ESP). However some particles escape from the stacks and disperse in the atmosphere. The aim of this PhD Thesis was to investigate any radiological influence of the operation of the Power Plants in the Megalopolis Basin in Arkadia Prefecture. For this purpose the atmospheric dispersion codes ORION-II and GENII were chosen and used. During operational tests of ORION-II two bugs in the source code were found and were fixed. The success of the corrections was verified with trial executions. The codes were executed for the coal burning power plants of Megalopolis and the maximum calculated concentrations of 226Ra in the atmosphere at the ground level were in the order of μBqm-3. From the calculated deposition rates of 226Ra it is concluded that the high concentrations of 226Ra in the soil in the vicinity of Megalopolis cannot be attributed to the fly ash that escapes from the stacks of coal burning power plants. Dosimetric calculations also took place and the maximum annual individual effective dose was 6.4 μSv. The point of maximun dose was situated at a distance of 1 km from the center of calculations and in direction 22.5 NNE. The annual individual effective dose for a person that lives in the city of Megalopolis was 1.5 μSv. These values were one order of magnitude lower than the mean annual individual effective dose caused by the natural occuring radioisotopes that are found in greek soils. Also these values were one order of magnitude lower than the mean annual individual effective dose caused by radioisotopes that have been deposited on greek soil after the Chernobyl accident. Furthermore two months sampling of wet deposition took place in two different sites at the Megalopolis Basin. The samples were treated chemically and then were analyzed by alpha-, gamma-spectroscopy and KPA. The concentration of 238U in rainwater in the city of Megalopolis was found to be equal to 10±2 mBqkg-1. The maximum concentration of 238U in rainwater was found equal to 90±14 mBqkg-1 and the sampling location was near the Power Plant 1-2,3. The coresponding concentration of 238U in rainwater that was sampled in the National Tachnical University of Athens (NTUA) Campus was 2.2±0.6 mBqkg-1 namely 4.5 times smaller than the concentration of 238U in the city of Megalopolis and 41 times smaller than the maximum concentration. The concentrations of 238U in precipitation samples in the Megalopolis basin are also higher in comparison with other measurements of 238U in rainwater in the literature, in cases where no known anthropogenic activities entailing uranium redistribution in the environment are in progress. Deposition rates also calculated for these sampling periods and ranged between 679- 4764mBqm-2month-1 in Megalopolis. In NTUA Campus deposition rate was lower and had a value of 113±31mBqm-2month-1. The deposition rates in Megalopolis would be placed at the lower end of the range of values presented in another survey in the vicinity of Megaloplis basin. In order to investigate the influence on the environment by the radon exhalation from fly ash particles, that escaped from the stacks and were deposited on the ground, fly ash samples from the Megalopolis Power Plants were analyzed for radon exhalation in a closed radon house. The radon exhalation rate was 460±84 μBqs-1m-2 and the exhalation fraction was 2.0±0.4%. These values are low and therefore radon exhalation from fly ash particles cannot be attributed to the radon exhalation rate from the Megalopolis ground. The original contributions of the computational part of this PhD Thesis include the identification and correction of two bugs in the source code of ORION-II, the developement of the meteorological preprocessor metprep and geographical preprocessor geocalc, the application of atmospheric dispersion codes ORION-II and GENII for radioactive isotopes in the Megalopolis power plants and the calculation of radioactive doses in the vicinity of these power plants. The points of originality of the experimental part of this PhD Thesis include the collection and the comparative analysis of wet deposition samples in the Megalopolis basin using a-spectrometry and Kinetic Phosphoresence Analysis (KPA), and the measurement of radon exhalation rate from a large volume sample (30 kg), in a radon house.