Расчетно-экспериментальный подход к созданию средств

Расчетно-экспериментальный подход к созданию средств отбора аэрозолей…
А.К. БУДЫКА, Д.А. ПРИПАЧКИН1, А.Г. ЦОВЬЯНОВ2
Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова, Москва
1
Институт проблем безопасного развития атомной энергетики, Российская Академия Наук, Москва
2
Федеральный медицинский биофизический центр им. А.И. Бурназяна, Москва
РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ПОДХОД К СОЗДАНИЮ СРЕДСТВ ОТБОРА
АЭРОЗОЛЕЙ ДЛЯ ОЦЕНКИ ДИСПЕРСНОГО СОСТАВА
Представлены основы расчетно-экспериментального подхода к созданию каскадных устройств на основе теоретических и экспериментальных исследований осаждения аэрозольных частиц и методов вычислительной гидродинамики на примере разработанного каскадного устройства для определения дисперсного состава радиоактивных аэрозолей в
зоне дыхания человека
Относительный дозовый коэффициент
При ингаляционном поступлении радиоактивных веществ в организм человека первоначальное отложение радиоактивных аэрозолей в различных отделах дыхательного тракта определяется размером аэрозольных частиц. При этом характер первоначального отложения радиоактивных веществ определяет уровни облучения тех или иных органов и тканей. Таким образом, определение дисперсного состава радиоактивных аэрозолей и в особенности промышленных аэрозолей имеет первостепенное значение для оценки дозы облучения.
В зависимости от нуклидного состава, класса растворимости и активностного медианного
аэродинамического диаметра (АМАД) аэрозоля для оценки эффективной дозы на все тело используют дозовые коэффициенты. Они позволяют перейти от активности частиц радиоактивного аэрозоля, осажденных в отделах дыхательного тракта, к эффективной дозе ионизирующего излучения.
Согласно данным, приведенным в Публикации 68 МКРЗ [1], дозовый коэффициент может
существенно изменяться в зависимости от величины АМАД радиоактивного аэрозоля. На рис. 1
представлена зависимость величины дозового коэффициента некоторых нуклидов от активнстного
медианного аэродинамического диаметра.
АМАД, мкм
Рис. 1. Зависимость величины дозового коэффициента некоторых нуклидов
от активностного медианного аэродинамического диаметра
Из приведенных на рис.1 данных следует, что в пределах двух порядков изменения величины АМАД величина дозового коэффициента изменяется: для α-излучающих нуклидов 241Am, 231U,
234
U, 241Pu в 2–3 раза, а для γ-излучающих нуклидов 131I, 137Cs в 1,5–2 раза. При этом имеет место
рост дозового коэффициента относительно уровня АМАД = 1 мкм: для α-излучающих нуклидов
при АМАД < 1 мкм, а для γ-излучающих нуклидов при АМАД > 1 мкм.
В действующих Нормах радиационной безопасности (НРБ-99/2009) [2] приведены дозовые
коэффициенты внутреннего облучения, рассчитанные для аэрозолей с АМАД, равным 1 мкм, и
СГО, равным 2,5. Однако известно, что дисперсный состав искусственных радиоактивных аэрозолей на рабочих местах на предприятиях, связанных с производством, переработкой и эксплуатацией радиоактивных материалов, характеризуется в основном значением АМАД, равным 5 мкм [3] и
диапазоном частиц с da от 0,3 до 7,2 мкм на АЭС, от 0,5 до 16 мкм на предприятиях урановой
промышленности и от 0,34 до 17 мкм в производстве ядерного топлива [4]. Сильная вариация
ISBN 978-5-7262-1280-7. НАУЧНАЯ СЕССИЯ НИЯУ МИФИ-2010. Том I
1
Расчетно-экспериментальный подход к созданию средств отбора аэрозолей…
АМАД (от 0,2 до 8 мкм) α- и β-активных аэрозолей наблюдалась также в приземном слое воздуха
в районе ЧАЭС после аварии 1986 г. [5].
Среди методов, используемых для определения дисперсного состава, особое место занимают те, которые позволяют определять не только размеры аэрозольных частиц, но и другие их характеристики (например, химический или нуклидный состав, растворимость, плотность, массу и
т.д.). К ним относятся методы, в которых разделение на размерные фракции происходит непосредственно в пробоотборном устройстве за счет осаждения частиц на препятствиях (например,
импакторы и пакеты волокнистых фильтров).
Импакторы представляют собой селективные проотборные устройства, в которых разделение частиц на размерные фракции в диапазоне от долей до десятков мкм происходит за счет
инерционного осаждения на препятствиях (коллекторах) при скоростях потоков до нескольких
десятков м/с. Метод, основанный на инерционном осаждении аэрозольных частиц на волокнах
фильтра при скоростях фильтрации от 0,5 до 2–3 м/с, известный как метод многослойных фильтров (ММФ) [6], позволяет определить дисперсность аэрозолей в диапазоне размеров от 100 нм до
нескольких мкм. Следовательно, для оперативного определения дисперсного состава аэрозолей
наиболее подходящими являются каскадные импакторы и пакеты фильтров.
Импакторы состоят из каскадов, каждый из которых содержит разгонные сопла и коллекторы для осаждения аэрозольных частиц. Осаждение частиц с размерами менее 1 мкм требует существенного увеличения гидродинамического сопротивления этих устройств, что существенно затрудняет его использование. При этом снижается эффективность осаждения аэрозольных частиц и
искажаются гидродинамические параметры несущей среды, что приводит к ошибкам в определении дисперсного состава, особенно в диапазоне от долей до 1 мкм.
Пакет фильтров состоит из волокнистых материалов с разным гидродинамическим сопротивлением. Каждый из фильтров условно можно рассматривать как каскад, на котором осаждаются аэрозольные частицы определенного размерного диапазона. Частицы диаметром более 2 мкм
осаждаются преимущественно на первом каскаде пакета, что приводит к большой неопределенности при оценке дисперсного состава методом многослойных фильтров для грубодисперсных аэрозолей (размер частиц более 1 мкм). Для снижения уровня неопределенности необходимо более
равномерное распределение частиц по всем каскадам. Суммарное гидродинамическое сопротивление пакета фильтров в условиях высокоскоростной фильтрации существенно ниже, чем у каскадов импактора, используемых для анализа дисперсности частиц в диапазоне от долей до 1 мкм.
Таким образом, целесообразно соединить в одно устройство для определения дисперсного
состава каскады импактора и пакет фильтров. При этом будет достигнута оптимальная эффективность осаждения частиц в диапазоне от 100 нм до десятков мкм при уменьшении суммарного гидродинамического сопротивления. В таком устройстве каскады импактора будут играть роль
предосадителей грубодисперсных аэрозолей. К тому же с увеличением количества каскадов повысится точность определения дисперсного состава аэрозолей. Для этого необходимо установить
закономерности осаждения аэрозольных частиц на препятствиях в условиях высокоскоростной
фильтрации.
Для расчета полей течений в разгонных соплах импакторов и модельных фильтрах с помощью методов вычислительной гидродинамики нами были использованы: ламинарная модель для
течений, характеризующихся числом Рейнольдса (Re), меньшим 1000, и турбулентная для
Re > 1000. При использовании ламинарной модели течения предполагается, что при нормальных
условиях (1,013 · 105 Па и 20 С) поле течения стационарно и несжимаемо, поэтому его можно
описать уравнением Навье–Стокса при малых Re. Основные уравнения движения были дискретизированы методом конечных объемов (FV) и решались с помощью алгоритма SIMPLE (Patankar,
1980) [7].
Для описания турбулентного течения существует множество моделей, описание которых
приведено в работах [8, 9]. Нами была использована двухпараметрическая k–ε модель турбулентности для больших чисел Re, относящаяся к классу линейных моделей, в которых для расчета
компонент тензора рейнольдсовых напряжений используются линейные комбинации первых производных скорости потока по координатам. В пристеночной области для k–ε модели полагают, что
линейная скорость спадает по логарифмическому закону [9].
Нами было установлено, что теоретические расчеты коэффициентов захвата для фильтров в
пределах экспериментальной погрешности согласуются с экспериментальными данными, полученными для режимов высокоскоростной фильтрации. Пакеты фильтров были исследованы на автоматизированном стенде для испытания фильтрующих материалов фирмы TSI (модель 3160).
ISBN 978-5-7262-1280-7. НАУЧНАЯ СЕССИЯ НИЯУ МИФИ-2010. Том I
2
Расчетно-экспериментальный подход к созданию средств отбора аэрозолей…
Эффективность, E
Исследовалось осаждение аэрозольных частиц NaСl на фильтрах при скоростях фильтрации от 0,3
до 1,7 м/с.
Для экспериментальной проверки результатов моделирования полей течений и осаждения
аэрозольных частиц в импакторе использовали аэрозольные частицы селена с плотностью
~ 4,5 г/см3. Частицы селена были получены на генераторе аэрозолей селена [10], разработанном в
НИФХИ им. Л.Я. Карпова, который позволяет получать аэрозольные частицы с высокой степенью
монодисперсности (СГО около 1.1–1.3) и варьировать средний размер частиц в диапазоне от 0,1 до
1 мкм. Основной характеристикой, определяющей эффективность импактора, является зависимость эффективности осаждения частиц E от параметра St , где St – число Стокса. В исследуемом персональном импакторе все разгонные сопла имеют одинаковый диаметр, поэтому в эксперименте достаточно оценить эффективность инерционного осаждения частиц от параметра St
для одного сопла, чтобы найти эффективность осаждения частиц на всех каскадах независимо от
скоростного режима в разгонном сопле, плотности и размеров частиц.
Из сравнения результатов моделирования с экспериментом следует, что методы вычислительной гидродинамики, используемые для моделирования трехмерного течения на каскадах импактора, позволяют рассчитать эффективности осаждения аэрозольных частиц для скоростных
режимов в разгонных соплах, соответствующих числам Рейнольдса от 1600 до 3500, а также
учесть особенности конструкции при моделировании отдельных каскадов.
На основании расчетно-экспериментального подхода к созданию средств отбора аэрозолей,
базирующегося на результатах моделирования и их экспериментальном подтверждении, было разработано каскадное устройство для отбора аэрозолей на базе персонального импактора.
Как показывают наши теоретические и экспериментальные исследования, калибровка каскадов импактора в составе устройства для отбора аэрозолей может быть проведена расчетным способом в широком диапазоне Re, а калибровка каскадов в виде фильтров опирается на результаты
экспериментальных исследований. На рис. 2 представлены зависимости эффективности осаждения
частиц на каскадах устройства для отбора аэрозолей от аэродинамического диаметра при объемной скорости отбора пробы 20 л/мин (на фильтрах 1,2 м/с).
Аэродинамический диаметр da, мкм
Рис. 2. Эффективность осаждения аэрозольных частиц в каскадном устройстве:
1, 2, 3 – каскады импактора (стальные подложки); 4, 5 – фильтры из материала ФПА-70-0,15 и ФПА-70-0,25;
6, 7, 8 – эксперимент – соответственно материалы ФПА-70-0,25, ФПА-70-0,15 и ФПА-15-2,0 (TSI 3160)
Для экспериментального подтверждения работоспособности каскадного устройства для
определения дисперсности аэрозолей выполнены расчеты по оценке дисперсного состава аэрозолей с унимодальным распределением для аэрозолей NaCl, аэрозолей селена с твердой дисперсной
фазой и аэрозолей стронция с жидкой дисперсной фазой (см. табл.). Для нерадиоактивных аэрозолей в качестве меры дисперсного состава используется величина массового медианного аэродинамического диаметра (ММАД). Для всех исследованных аэродисперсных систем было поучено хорошее согласие с независимыми измерениями размеров частиц с помощью лазерного счетчика.
При переходе от счетного медианного диаметра (СМД), определяемого лазерным счетчиком, к
ММАД полагали, что все частицы шарообразной формы и постоянной плотности.
ISBN 978-5-7262-1280-7. НАУЧНАЯ СЕССИЯ НИЯУ МИФИ-2010. Том I
3
Расчетно-экспериментальный подход к созданию средств отбора аэрозолей…
Результаты оценки массового медианного аэродинамического диаметра известных спектров
№
Вещество
Установка
1
2
3
4
Se
NaCl
Н2O+Sr
NaCl
Генератор
TSI 3160
ВЭИРА [11]
Стенд
Массовый медианный аэродинамический диаметр, мкм
Измерения с помощью
Расчет с помощью каскадного
лазерного счетчика
устройства
0,4
0,4
0,2
0,2
0,8
0,7
0,3
0,3
В качестве примера оценки величины АМАД аэрозолей с помощью каскадного устройства
для отбора аэрозолей были рассмотрены аэрозоли 90Sr+90Y и 239Pu. Значение величины АМАД для
239
Pu составило 0,9 мкм с СГО, равным 2,5, и для 90Sr+90Y – 0,2 мкм с СГО, равным 7. В случае с
90
Sr+90Y достоверность результатов оценки невысока, так как СГО полученного распределения
больше 4. Большая величина СГО свидетельствует о том, что форма распределения существенно
отличается от ЛНР. Однако даже в этом случае оценка АМАД достаточно хорошо отражает реальное распределение частиц 90Sr+90Y.
Показано, что аэрозоли, полученные в отличных друг от друга условиях с помощью экспериментальных установок различных типов, осаждаются в каскадном устройстве в соответствии с
теми теоретическими закономерностями, которые лежат в основе калибровочных кривых устройства для отбора аэрозолей.
Таким образом, предложенный расчетно-экспериментальный метод создания средств отбора
аэрозолей позволяет разрабатывать устройства для определения свойств аэрозолей различной физико-химической природы, в том числе и радиоактивных.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ICRP Publication 68. //Annals of the ICRP. 1994. V.24. № 4.
2. Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009). СП 2.6.1.2523-09// Минздрав России.
2009. C. 73.
3. Огородников Б.И .// Атомная техника за рубежом. 2000. № 11. C. 20.
4. Dorrian M.-D., Bailey M.R. //Radiat. Prot. Dosimetry. 1995. V.60. № 2. P.119.
5. Огородников Б.И., Скитович В.И., Будыка А.К. // Радиационная биология. Радиоэкология.
1998. Т. 38. № 6. С. 889.
6. Будыка А.К. Автореф. дисс. к.-ф.-м.н. – М .: МИФИ, 1986.
7. Patankar S.V. Numerical Heat Transfer and Fluid Flow. – Taylor and Francis, 1980.
8. P.J. Roache Computational Fluid Dynamics – Hermosa Albuquerque NM., 1976.
9. Launder B.E., Spalding D.B. // Comp. Meth. in Appl. Mech. and Eng. 1974. № 3. Р.269.
10. Будыка А.К., Припачкин Д.А., Цовьянов А.Г и др.// Аппаратура и новости радиационных измерений (АНРИ). 2009. № 3. С. 27.
11. Ruzer L.S, Kuznetsov Yu. V., Rizin A.I. AEROSOLS HANDBOOK. Measurement, Dosimetry, and
Health Effects. – CRC PRESS Boca Raton London New York Washington. D.C., 2005.
ISBN 978-5-7262-1280-7. НАУЧНАЯ СЕССИЯ НИЯУ МИФИ-2010. Том I
4