Szennyezıdésterjedés a környezetben

Fejezetek: Szennyezıdésterjedés a környezetben 1. Bevezetés: dózisfogalmak, sugárvédelmi szabályozás 2. Radioaktív anyagok transzportja élı szervezetekben 3. Radioaktív anyagok terjedése a levegıben 4. Radioaktív anyagok viselkedése vizekben (homogén és heterogén rendszerek) 5. Összetett környezeti dózisbecslı programok 1

Ionizáló sugárzások A közeg kölcsönhatásra képes alkotórészei: elektronok, az atom elektromágneses erıtere, atommag. A közeg és a sugárzás közötti kölcsönhatás szerint: - Közvetlenül ionizáló sugárzások: α, β, γ, Röntgen az elektronoknak képesek azok ionizációjához elegendı energiát átadni. - Közvetve ionizáló sugárzás: neutron: atommagokkal való kölcsönhatás során ionizációra képes részecskék jelennek meg. Az elektronokkal való ütközés nem minden esetben vezet azok ionizációjára. A sugárzás által több lépésben átadott energia egy része (általában 60-70 %-a) nem ionizációt, csak gerjesztést eredményez, azaz összességében a közeg termikus energiáját növeli meg. 2

Alfa- és bétasugárzás elnyelése az anyagban 3

Lineáris energiaátadási tényezı (LET) alfa- és bétasugárzásra LET = de/dx 4

Alfa- és bétasugárzás elnyelése α-sugárzás LET-értéke vízben: > 100 kev/µm Energiaátvitel: elektronnal ionizáció/gerjesztés β-sugárzás LET-értéke vízben: 5-10 kev/µm Energiaátvitel: - elektronnal ionizáció/gerjesztés; - atom elektromágneses erıterével: fékezési sugárzás (folytonos röntgensugárzás, energiája a közeg rendszámától is függ), Cserenkov-sugárzás: az adott közegben érvényes fénysebességnél nagyobb sebességő elektron látható fényt is kibocsát. A hatótávolság lényegesen kisebb, mint az energia-átvitelben részt vevı elektronok összes úthossza! 5

Gamma-sugárzás elnyelése Foton energiaátadása részben hullám- részben anyagi természető rendszernek ütközés Elektronnal (ionizáció többféle kölcsönhatásban) Atommaggal (abszorpció küszöbreakció, csak >5 MeV energiánál) Atom elektromágneses erıterével (küszöbreakció, csak >1.2 MeV energiánál)) Általános törvényszerőség: sztochasztikus (véletlenszerő) kölcsönhatás Az energiát átvett elektronok kinetikus energiája: - További ionizációt okozhat; - Ionizáció nélküli gerjesztést okozhat; - Szekunder fotonsugárzás (folytonos Röntgen-sugárzás) keltését eredményezheti. 6

Gamma-sugárzás elnyelése di = -I(x) σ N dx I: részecskeáram [darab/s] σ: kölcsönhatási valószínőség egy partnerre [-] N: partnerek száma egységnyi úthosszon [darab/m] µ = σ N = kölcsönhatási valószínőség [1/m] I = I 0 exp( µ x) Párhuzamos sugárnyaláb, azonos mozgási energia!!! Integrálás után: általános gyengülési egyenlet 7

Dózismennyiségek de E J D =, Gray, Gy dm m kg Elnyelt dózis Fizikai dózis: az anyag tömegegységében elnyelt összes sugárzási energia, csak fizikai kölcsönhatásokat foglal magába. Bármelyik ionizáló sugárzásra értelmezhetı. Csak ionizáló sugárzásra értelmezett, de nem csak ionizációs energiát jelent. Nem tartalmazza az anyagból kilépett (szórt, szekunder) sugárzási energiát. Egyesíti a különbözı forrásokból származó energia-beviteleket. 8

Külsı dózisteljesítmény dd dt = Φ E µ ρ dn f R E Φ = dt E 2 4 r π R Φ E : energiaáram-sőrőség (fluxus) [J/(m 2 s)] dn/dt = A: a sugárforrás aktivitása [bomlás/s = Bq] f R : részecske-(foton)gyakoriság [rész./bomlás] E R : részecske-energia [J/rész.] dd dt = k γ A 2 r Érvényesség: pontszerőγ-sugárforrásra, gyengítetlen (primer) monoenergiás fotonsugárzásra. Négyzetes gyengülési törvény a dózisszámítás alapja Kγ: dózistényezı, szokásos dimenziója: [(µgy/h)/(gbq/m 2 )] 9

Egyenérték dózis az ionizáló sugárzás biológiai hatása H = D * w R [Sievert Sv ] w R sugárzási tényezı - a LET függvénye w R,α = 20 w R,γ = 1 w R,β = 1 w R,n = 2.5 20 a neutron-energia függvényében A sejti mérető élı térfogatba bevitt energia (mikrodózis) dönti el az elnyelt dózis veszélyességét (kártételét). Antropomorf dózisfogalom és mértékegység: az emberi szövetek, sejtek viselkedése befolyásolja a dózisértéket. A sejti, szöveti reakció nem egységes akkor mit jellemez az egyenértékdózis?, 10

Az ionizáló sugárzások biológiai hatásai A biológiai hatások osztályozása: Szomatikus: egy biológiai egyeden jelentkezik Genetikai: egy populáción jelentkezik Determinisztikus: A károsodás súlyossága függ a dózistól, a hatás egy bizonyos küszöbdózis fölött következik be. Sztochasztikus: A károsodás valószínősége függ a dózistól, küszöbdózis nincs. 11

Az ionizáló sugárzás determinisztikus és sztochasztikus hatása Sejti életciklus: mitózis interfázis mitózis vagy apoptózis Sejti rendszerek sérülése: - Azonnali pusztulás: nekrózis - Életképtelenség: apoptózis - DNS-lánchibák: fennmaradás mutáció DNS lánchibák javítása repair enzimekkel Idegen sejtek eltávolítása - immunrendszer 12

Az ionizáló sugárzás determinisztikus hatása Determinisztikus hatás: - küszöbdózishoz kötött (0.3 0.4 Gy) - szövetpusztulást okoz a sugárzás - akut/azonnali hatás - életveszélyes károsodások: központi idegrendszer, emésztırendszer, vérképzı rendszer Ha tá s 1 0 0 % Morbiditás: egyedenként Mortalitás: csoportra 0 % Kü s z ö b Dó z is 13

Az ionizáló sugárzás sztochasztikus hatása A fı célpont a sejtmag DNS-állománya DNS: cukor- és foszfátcsoportokból felépülı kettıs spirál, amelyekhez szerves bázisok kapcsolódnak. Láncelem: nukleotid. A láncot a bázisok között hidrogénhidak tartják össze. DNS-bıl felépülı örökítı elemek: kromoszómák. A DNS a sejtet felépítı fehérjék összetételét kódolja. Gén: a DNS egy fehérjét kódoló, vagy egy sejti tulajdonságot meghatározó darabja. A gének együtt alkotják az egyed genetikai információit tartalmazó genomot. 14

Az ionizáló sugárzás egészségkárosító hatásai - Sztochasztikus hatás: - nincs küszöbdózis (kis dózisok hatása nem igazolt) - sejtmutációt okoz a sugárzás (javító mechanizmus) - kockázat-dózis-függvény lineáris (?) Koc ká z a t Az egyénre vonatkozó kockázati függvény a szövetek kockázati függvényének összege m = 5*10-2 /S v Dóz is 15

A dózist okozó sugárforrás és a dózist elszenvedı személy kölcsönös pozíciója szerint külsı és belsı sugárterhelés jöhet létre. H = E H Tw T[Sv] T Effektív dózis w T szöveti súlyozó tényezı T w T = 1 Szöveti súlyozó tényezık: ivarszervek w T =0.08 (genetikus hatás) szomatikus hatások legérzékenyebbek w T =0.12 tüdı, gyomor, belek, vörös csontvelı, emlı érzékenyek w T =0.05 máj, vese, pajzsmirigy stb. kissé érzékeny w T =0.01 bır, csontfelszín 16

Belsı sugárterhelés dózisa A dózist az egyes szövetek eltérı egyenérték-dózisainak összegzésébıl kapjuk, a dózist a radioaktív anyagot tartalmazó szövetekbıl kiinduló sugárzás (radiation R) okozza: célpont- (target T) és forrás- (source S) szöveteket különböztetünk meg. (S=T is lehetséges) H T = us S R w R E R f R Q R ( S T) 1 m T A H T szöveti egyenértékdózist egy adott radioizotópra határozzuk meg. u S : az egyes forrás-szövetekben bekövetkezı bomlások száma [darab] w R: sugárzási tényezı [Sv/Gy] E R : sugárzási energia [kev/részecske] f R : részecske-gyakoriság [részecske/bomlás] m T : a célpont-szövet tömege [kg] Q az R sugárzásfajtának az S szövetbıl kiinduló és a T szövetben energiát leadó hányada (elnyelési hányad) 17

Belsı sugárterhelés dózisa A radioaktív anyagot tartalmazó forrás -szövetekben végbemenı bomlások száma az inkorporáció óta eltelt t idı alatt: u Q s = t 0 A s (t) dt, S T = p( ϑ) p( abs.) R Az elnyelési hányad a térszögtıl és a sugárzásnak a szövetek anyagában történı abszorpciójától függ: p( ϑ) ϑ 4π p( abs.) α β = f ( xs, xt, Rα / / β p ( abs.) / X 1 exp( µ T xt γ ) ) 18

További dózisfogalmak Lekötött dózis (H C ): inkorporálódott, és a szervezetben 1 évnél tovább jelenlévı radioaktív anyag effektív dózisa H C = T 0 dh dt E dt Dóziskonverziós tényezı (DCF): egységnyi inkorporált aktivitás által okozott lekötött (effektív) dózis DCF H C, i i, útv. = [Sv/Bq] ABE, i 19

Sugárvédelmi korlátok Elhanyagolható dózis 10 µsv/év közvetlenül nem deklarált szabályozó MENTESSÉG, FELSZABADÍTÁS DL dóziskorlát - immisszió korlátozása effektív (lekötött) dózis; a külsı és belsı sugárterhelés összege foglalkozási korlát 20 msv/év (5 év átlagában) lakossági korlát 1 msv/év normális és baleseti helyzetre külön szabályozás DC - dózismegszorítás - emisszió korlátozása: egy, a kritikus (lakossági vagy foglalkozási) csoporthoz tartozó fiktív személynek az adott sugárforrástól származó effektív dózisa kiemelt létesítményekre DC = 0.1 0.03 msv/év kibocsátási szintek egyes radionuklidokra Egy adott személy által elszenvedett dózisok összegzendık, DE a DC-k NEM ADHATÓK ÖSSZE! 20

Emissziós sugárvédelmi korlátok Az egy személybe bejutó aktivitás sokkal kisebb, mint a kibocsátható i A max, i i DC DCF A max : Az adott dózismegszorításnál bevihetı aktivitások összege i A i,max << A i,ki A normális üzemelés során kibocsátott aktivitás (Kibocsátási korlát [Bq/év]) nem koncentrálódhat egyetlen személyben. Az emissziós korlátozás két lényegi eleme, a létesítmény környezetében élı lakosságra vonatkozó dózismegszorítás és a létesítménybıl * levegıbe és * vízi úton kibocsátott aktivitás közötti kapcsolatot a TERJEDÉSI MODELLEK teremtik meg. A terjedés során a szennyezés hígul, de vannak dúsulást okozó részfolyamatok is. A modell és egy valóságos terjedési folyamat összevetése a validálás. 21

Terjedés biológiai közegekben SA-modell: idıfüggı transzportegyenletek kompartmentek (rekeszek) között system analysis Egyszerő emberi modell: felezési idı c [Bq/kg] i radioizotóp fajtája λ bomlási állandó [1/s] α kiürülési hányad [1/s] W bevitel [kg/s] dn c i i = W ( α + λ) N dt λ A megkötıdést egységesnek tekintjük A kiürülést egyetlen mechanizmus jellemzi, ami sztochasztikus 22

Terjedés biológiai közegekben Egyszerő emberi modell 1 kompartment A i = c i λ i W ( 1 exp[ ( λ + α ) t] ) i ch A i = A BE λ α exp[ ( + ) t], i i ch Felsı: a felvétel alatt érvényes, az ott kialakuló végsı A = A BE az alsó egyenletben Alsó: a felvétel véget ért. 23

Terjedés biológiai közegekben Példa: 3 H a szervezetben Effektív felezési idı: T eff = i ln 2 λ +α ch 24

Munkavégzés tríciumos levegıben A leltár szerint 10 13 Bq nagyságrendő tríciumot temettek el a püspökszilágyi radioaktívhulladék-tároló A11-es medencéjébe. A medence levegıjében a pára tríciumaktivitáskoncentrációja 400 900 kbq/l. Munkavállalónként 40-50 munkanapot töltenek ott (krónikus inkorporáció). 26

A vizsgálatok menete Vizeletminták győjtése A vizeletminták tríciumaktivitáskoncentrációjának meghatározása (azeotróp desztilláció és LSC) Dózisbecslés - a krónikus-akut konverzió elvégzése egy egykompartmentes anyagcseremodell segítségével 27

Egykompartmentes modell (1) A trícium HTO, azaz gız vagy víz formájában van jelen Minden munkanapon ugyanannyi trícium inkorporálódik, a kiürüléshez képest pillanatszerően A trícium biológiai felezési ideje 9,7 nap (D. M. Hamby, Health Physics, 77 (1999) 291-297.) Vizelettel napi 1500 ml víz ürül ki, ez a teljes vízleadás 40%-a (izzadtsággal egy kicsit kevesebb, kilégzéssel és széklettel a többi) 28

Egykompartmentes modell (2) A ü = A 0 ( ( + 1) ) e λ t e λ t A ü : a vizsgálat napján a korábbi felvételbıl kiürülı aktivitás A 0 : a vizsgálat elıtt t nappal felvett aktivitás = λ ln 2 T B 29

Egykompartmentes modell (3) n i= 0 ( λ i λ ( i+ 1) e e ) = A0 sn A ö = A 0 A ö : a vizsgálat napján kiürülı összes aktivitás A 0 : a naponta felvett (azonos mennyiségő) aktivitás n: a tríciumfelvételes napok száma 0,40 A ö = c Q c: a trícium aktivitáskoncentrációja a vizeletben [ezt tudjuk a mérésbıl] Q: a vizelet napi mennyisége 30

munkanap eltelt idı[nap] lebomlás lebomlás +1 nap összes mért hányad 2007. okt. 24. 54 0,0237 0,0221 0,0016 2007. okt. 25. 53 0,0254 0,0237 0,0017 2007. okt. 26. 2007. okt. 31. 2007. nov. 7. 52 47 40 0,0272 0,0385 0,0625 0,0254 0,0359 0,0583 0,0018 0,0026 0,0042 2007. okt. 29. 2007. nov. 5. 2007. nov. 8. 49 42 39 0,0335 0,0544 0,0670 0,0313 0,0508 0,0625 0,0022 0,0036 0,0045 2007. okt. 30. 2007. nov. 6. 2007. nov. 9. 48 41 38 0,0359 0,0583 0,0718 0,0335 0,0544 0,0670 0,0024 0,0039 0,0048 Egy konkrét számítás 2007. nov. 13. 34 0,0948 0,0884 0,0063 2007. nov. 14. 33 0,1016 0,0948 0,0068 2007. nov. 15. 32 0,1089 0,1016 0,0073 2007. nov. 16. 31 0,1167 0,1089 0,0078 2007. nov. 19. 28 0,1436 0,1340 0,0096 2007. nov. 20. 27 0,1540 0,1436 0,0103 2007. nov. 21. 26 0,1650 0,1540 0,0110 2007. nov. 22. 25 0,1768 0,1650 0,0118 2007. nov. 23. 24 0,1895 0,1768 0,0127 2007. nov. 28. 19 0,2680 0,2501 0,0179 2007. nov. 29. 18 0,2873 0,2680 0,0192 2007. nov. 30. 17 0,3079 0,2873 0,0206 2007. dec. 3. 14 0,3790 0,3536 0,0254 2007. dec. 4. 13 0,4062 0,3790 0,0272 2007. dec. 5. 12 0,4354 0,4062 0,0291 2007. dec. 6. 11 0,4666 0,4354 0,0312 2007. dec. 10. 7 0,6156 0,5744 0,0412 2007. dec. 11. 6 0,6598 0,6156 0,0442 2007. dec. 12. 5 0,7072 0,6598 0,0473 2007. dec. 13. 4 0,7579 0,7072 0,0507 2007. dec. 17. 7,0401 6,5688 0,4714 0,4714 c[bq/l] Q[L/nap] napok száma bevitt Bq/nap DCF[Sv/Bq] Összes dózis[sv] 31 89 1,5 31 283,2 2,20E-11 4,83E-07

Eredmények (2007) Vizsgált személy H E [µsv] 1. mérés 5.2 H E [µsv] 2. mérés 1,30 H E [µsv] összesen 6,5 Kiviteli terv: n.a. 0.3 0.6 n.a n.a. 0,832 n.a 0,656 1,80 1,16 0,832 0.3 1.3 1,80 1,16 az A11 medence ürítésére 364 µsv, az A12 medence ürítésére 22,6 µsv. 17 0,447 17 7.1 1,44 8,5 n. a. 0,229 0,229 32

A modell érzékenységének vizsgálata 3 forgatókönyv a tríciumfelvétel idıtartamára: (a): 1 hétig a mérés elıtt (b): 13 héten át (c): 1 hétig, 12 héttel a mérés elıtt Vizsgált személy 3 H konc. [Bq/dm 3 ] 253,3 164,1 127 351,8 241 89 279,9 Szórás [%] 6,7 9,9 n. a. 6,2 n. a. n. a. 7,9 HE [µsv] (a) eset 0,439 0,231 0,22 0,61 0,418 0,154 0,485 HE [µsv] (b) eset 2,09 1,1 1,05 2,91 1,99 0,735 2,31 HE [µsv] (c) eset 148 78 74,3 206 141 52,1 164 44,5 22,2 0,0627 0,299 21,1 A többi paraméterrel (Q, DCF, c) a dózis egyenesen arányos. 33

Terjedés emberi szövetekben több kompartment Beviteli útvonalak: belégzés, lenyelés, bejutás bırön át ürítés bevitel 1 2 *** n f 1 : átvitel a belsı szervekbe testnedveken keresztül f 1 /belégzés: a tüdıbıl az emésztırendszerbe jutó hányad f 1 /lenyelés: az emésztırendszerbıl a testnedvekbe jutó hányad 34

Terjedés emberi szövetekben Összetett emberi modell: útvonalak, elágazások, tartózkodási idık Sorbakapcsolt szövetek: az elsı rekesz [kompartment] kimenete azonos a második bemenetével anya- és leányelem-szerő Belégzés: 1) orr/garat (NP) 2) légcsı/hörgık (TB) 3) tüdıhólyagok (P) Lenyelés: 1) gyomor (S) 2) vékonybél (SI) 3) felsı vastagbél (ULI) 4) alsó vastagbél (LLI) dni (1) ci = W ( α1 + λ) N dt λ dni (2a) = (1 f1) α1 N ( α 2a + λ) dt dni (2b) = f1 α1 N ( α 2b + λ) N dt N 35

Terjedés biológiai közegekben Összetett élıvilág-modellek: az emberhez hasonló terjedési függvények növényi részek, illetve állati szervek között SA és CF modellek is ismertek és használatosak 36

SA modell természeti közegekben - DYNACON 37

DYNACON eredmények: 131 I tejben és marhahúsban 38

Terjedés biológiai közegekben CF-modell: ökológiai rendszerek között egyszerő koncentráció-arányosságok C tissue = F j Qj c j F Qj j j c j c tissue : koncentráció a szövetben [Bq/kg] j: takarmány fajtája cj: koncentráció a takarmányban [Bq/kg vagy Bq/m 2 ] Q: fogyasztás az adott takarmányból [kg/nap] F: átviteli (transzfer) tényezı [nap/kg] egyensúlyban 39

Terjedés biológiai rendszerekben - CF módszer radioizotóp (vízoldható vegyületként) F transzfer együttható tej, hús és tojás esetén (nap/kg) Tej (tehén) Hús (tehén) Élelmiszer fajtája Hús (sertés) Hús (tyúk) Tojás (tyúk) 60 Co 0,00007 * 0,0001* 0,002 2 0,1 90 Sr 0,0028 0,008 0,02 0,08 0,2 131 I 0,01 0,04 0,003 0,01 3 137 Cs 0,0079 0,05 0,24 10 0,4 *: szervetlen vegyületek 40

Az emberi szervezetbe juttatott diagnosztikai célú radioaktív anyagok 41

A környezeti terjedés alapegyenlete A migráció (áramlás) során a szennyezı radioaktív anyagok koncentrációja idıben és térben változik c t i = A + D + R + P + S( t) λ c i i Minden komponensre felírandó!!! Részfolyamatok: A advekció, D diffúzió, R reakció, P ülepedés S(t): idıben változó forrástag, radioaktív bomlás 45

A környezeti terjedés hajtóereje Gravitációs és termodinamikai potenciál ϕgr. = z = Ez m* g p * V p ϕ td. = = m * g ρ * g Gravitációs potenciál p ϕ gr. + td. = h = z + [ m] ρ * g Termodinamikai potenciál Közös környezeti potenciál változásai határozzák meg a természeti közegek mozgását. 46

A terjedési függvény részei Advekció Hajtóereje a gravitációs és termodinamikai (= vegyes környezeti ) potenciál gradiense A mozgás iránya e vektor irányával nem feltétlenül azonos (szél/domborzat; folyóágy) A közeg részecskéinek sebessége lényegében azonos a szennyezés advekciós sebességével grad dc dt A h h h ( h ) = h =,, x y z = u r * c A u: a közeg sebességvektora, c: az A komponens koncentrációja u x, u y, u z és 47

A terjedési függvény részei 5/4 Egy általános komponens egyirányú advekciós egyenlete: dc dt A c A = u x Feltételezzük, hogy x az advekciós gradiens kizárólag x irányú, vagy csak x irányú mozgás (áramlás) lehetséges. Az x irányban fennálló koncentráció-gradiens u x sebességgel halad elıre az áramló közeggel ( = szél). 48

A terjedési függvény részei Diffúzió hajtóereje a kémiai potenciál gradiense (Fick-törvények: részecskék, molekulák, ionok véletlen irányú rendezetlen mozgása) a diffúzió következtében elıálló lineáris sebesség térben csak változó lehet a diffúzió közvetlenül csak az egyes (i) komponensekre értelmezhetı, a mátrix koncentrációja nem (alig) változik. µ i u i : az i-edik komponenshez u ~, j = x, y, i, j j z rendelhetı diffúziós sebesség [m/s] µ i : a komponens kémiai potenciálja 49

Diffúzió A terjedési függvény részei J i, x = D M, i c x i J i,x az i-edik komponens áramsőrősége x irányban Bq 2 m s Fick I. törvénye D M,i a mátrixra (M) és az i-edik komponensre egyaránt jellemzı diffúziós együttható. D M,i állapotfüggı, értékét emellett a komponens és a mátrix molekulái közötti kölcsönhatás határozza meg. Homogén, stacionárius rendszerben D [m 2 /s] helytıl és idıtıl függetlenül állandó. J 50 i,x : Áramsőrőség = fluxus

A terjedési függvény részei Diffúzió J i,x Diffúziós térfogat x S: a doboz -nak az áramlás irányára (x) merıleges felülete J i,x+ x mivel V V c t c t A tömegmegmaradás törvénye értelmében a V térfogatú dobozból be- és kiáramló áramok különbsége: * =, V = S * = J i, x ( J i, x J i x+ x )* S x J x és S egységnyi, i, x + x 51

52 A terjedési függvény részei Diffúzió + + = z c D z y c D y x c D x t c z y x V A differenciákra felírt egyenletet mindhárom térirányba kiterjesztve, és differenciális alakba hozva Fick II. törvényét kapjuk. Homogén rendszer esetén a D diffúziós együtthatók konstansok és egymással egyenlık. (Speciális eset: radioaktív koncentráció, de inaktív diffúziós együttható) c D c grad div D dt dc 2 )) ( ( = =

Diffúzió A terjedési függvény részei J cδ c0 D = D * = *( c0 δ δ i, x x= δ δ Fick I. törvényét felírva egy mátrix (elegy, oldat) belsejében és határfelületén (vagy a vele érintkezı másik fázisban) fennálló c 0 és c δ koncentrációkra a lineáris (x irányú) Darcysebességet (D/ δ) kapjuk, ami a megtett úttal arányosan csökken. c ) 53

Levegı = homogén közeg? Levegı - A Föld légkörét alkotó gázelegy. A száraz levegı sőrősége 1,293 kg/m 3 1,013 10 5 Pa nyomáson és 0 C hımérsékleten; fajhıje állandó térfogaton: 0,720 J/(kg K), állandó nyomáson pedig 1,007 J/(kg K); A száraz levegı fı komponensei (százalékos összetétel): Nitrogén N 2 78,084 Oxigén O 2 20,946 Argon Ar 0,934 Széndioxid CO 2 0,033 Neon Ne 0,0018 Hélium He 0,000524 Metán CH 4 0,0002 Kripton Kr 0,000114 Hidrogén H 2 0,00005 A vízgız térfogataránya 0-4% között változhat. Az összetétel a földfelszíntıl 20-25 km magasságig nem változik. 54

Levegı = homogén közeg? Rétegek (szférák) Kémiai rétegek: homoszféra <90 km-ig heteroszféra ~3000 km (legfelül: H, He) Hımérsékleti rétegek: troposzféra (12 15 km-ig; -60 o C) sztratoszféra (50 km-ig, +10 o C) mezoszféra (-90 o C, 90 km-ig) termoszféra (ionoszféra) (2000 o C, 500 km-ig) exoszféra (átmegy az őrbe) 55

Migráció levegıben hımérsékleti rétegzıdés Az adiabatikus hımérsékletcsökkenés -0,5...-1,0 C/100 m Hajnalban a talaj hideg, a levegı melegebb. A levegıt a napsütötte talaj melegíti, a talajközeli levegı felmelegszik. Ha a talajközeli hımérsékleti rétegezıdés az adiabatikusnál kisebb hımérsékletcsökkenéső, akkor a talaj közelében keveredési réteg alakul ki. A fel- és leszálló légáramlatok intenzív turbulenciát okoznak. A keveredési réteg egyre nagyobb, majd este a keveredési réteg befagy. A talajkisugárzás megváltozása révén kialakul az inverzió. Erısen stabil légrétegezıdéshez derült éjszaka kell, gyenge széllel. Erısen instabil légrétegezıdéshez erıs napsugárzás és legfeljebb gyenge szél kell. A szél hatására neutrális hımérsékleti rétegezıdés alakul ki. 56

Migráció levegıben - légköri stabilitás a függıleges hımérséklet-gradiens függvényében stabil semleges - stabil instabil semleges stabil - semleges 57

A környezetszennyezés folyamatai migráció levegıben Homogén rendszer, x irányú állandó szélsebesség. A kémiai potenciálhoz rendelhetı Darcy-sebesség azonos nagyságrendő is lehet a közös (gravitációs és termodinamikai) potenciál által definiált szélsebességgel. Ülepedés feltételezhetı: a szennyezés gáznemő vagy aeroszol c t. = q u x idıben változó forrástag c + D x ( x advekció x c ) + ( D x y y diffúzió A szélirány x c ) + y z ( D z c ) c λc z α ülepedés, ra. bomlás 58

Migráció levegıben - csóva modell Rövid ideig tartó, homogén (állandó mennyiségő) kibocsátás terjedése x irányba fújó, u sebességő széllel c Q 2π σ σ u = y z 2 y exp 2 2σ y ( z h) exp 2 2σ z 2 ( z + h) + exp 2 2σ z 2 ( α + λ) x *exp u Q átlagos kibocsátott anyagáram [Bq/s] σ y, σ z :a diffúziót (diszperziót) jellemzı csóvaszélesedés [m] tartalmazza a diffúziós együtthatót diszperzió: a szélirány ingadozását a diffúzió erısítéseként értelmezzük h : effektív kéménymagasság [m] ahol a szennyezés csóvája befordul x irányba kémény + csóvaemelkedés Ülepedés: véletlenszerő fogyás 59

Migráció levegıben - csóva modell Energetikai (kinetikai/termikus) jellemzık csóvaemelkedés Kinetikus és termikus energiával nem rendelkezı kibocsátás (hideg szivárgás) Kinetikus energiával rendelkezı (szellızırendszer kéménye) Termikus energiával rendelkezı ( rezsó") Termikus és kinetikus energiával rendelkezı (hıerımő kémény) Dózis ( x) ~ c( x, t) dt Dózis arányos a koncentráció integráljával 60

Migráció levegıben - pöff modell Pillanatszerően kibocsátott szennyezés- adag szétterülése szélirány- és szélsebesség-változásokkal Q: a pöffbe került szennyezés [Bq] x- és y-irányban azonos diszperziós paraméter c = (2π ) Q 2 σ 2 x 2 y exp exp 2 2 σ z 2σ y 2σ y ( z h) exp 2 2σ z ( z + h) + exp 2 2σ z 2 2 exp 3/2 λ y ( ( α + ) t) A pöff pillanatnyi helyzetét független útfüggvény határozza meg. 61

Migráció levegıben diszperziós állandók Pasquill-kategóriák A hımérséklet-gradiens és A szélsebesség függvényei F: a legstabilabb légkör magyarországi átlag: D 62

Csóva- és pöff modell 63

Alkalmazási példa: BME OR kibocsátási határértékei A 15/2001. KöM rendelet származtatott kibocsátási határértékek meghatározására kötelezi az engedélyeseket, ezekhez az ANTSZ OTH által elfogadott dózismegszorításból = 50 µsv/év kell kiindulni. A kibocsátási határértéket minden kibocsátási módra és minden radionuklidra származtatni kell. 64

BME OR - kibocsátási határértékek 65

BME OR - kibocsátási határértékek Kibocsátási adatok A kibocsátási pont a T épület tetején levı kémény. A kémény magassága az épület tetejétıl 5 m, így az effektív kibocsátási magasság 35 m. A szellıztetı levegıben 41 Ar nemesgáz található mely csak 100 kw-os üzemnél számottevı. A reaktor évente nem több, mint 1000 órát üzemel, amelybıl a 100 kw-os üzem nem több, mint 50 óra. Az átlagos légforgalom 1,1E+04 m 3 /h. Receptorpontok A kibocsátási ponttal közel azonos magasságú épületek perturbáló hatása miatt az épületek közötti térrészben tartózkodók dózisbecslésére a szokásos terjedési modellek nem alkalmazhatók. Konzervatív forgatókönyv: a Budapesten leggyakoribb ÉNy szél a csóvát befújja a reaktor körüli térrészbe. A kibocsátási pont 50 méteres környezetében tartózkodók képezik az egyik kritikus csoportot. Mivel az egyetem telephelyét sőrőn lakott területek veszik körül, így a dózisokat a kibocsátási ponttól 300 m-re tartózkodókra vonatkozólag is kiszámolták = másik kritikus csoport. 66

BME OR - kibocsátási határértékek Meteorológiai adatok Meteorológiai Intézet 100 éves széliránygyakoriság eloszlási adataiból maximális gyakoriság: ÉNY 32 % A szélsebesség átlaga : 2,3 m/s. 67

BME OR - kibocsátási határértékek közeli receptor pont c i = A Q i u d B τ κ r r H a kibocsátási magasság a talajszint felett [m] c radioaktív koncentráció [Bq/m 3 ] u d adott irányú szélsebesség [m/s] A az épület keresztmetszete [m 2 ] = L W Q kibocsátási sebesség [Bq/s] B alakfaktor, tipikusan 0.5 τ r normált tartózkodási idı a leáramlási tartományban [-] κ r normált áramlási hossz [-] 68

BME OR - kibocsátási határértékek közeli receptor pont κ r = L f H = L H 0.3 W 1.8 H W (1 + 0.24 ) H T r tényleges tartózkodási idı a leáramlási tartományban [s] L f a tényleges áramlási hossz [m] W az épület szélessége [m] L az épület hossza [m] τ r = u H d T r = W 11 H W 1 + 0.6 H 1.5 1.5 69

BME OR - kibocsátási határértékek távoli receptor pont Az egyetem körüli lakosság dózisterhelésének becsléséhez a terjedés-számításokat a kibocsátási ponttól 300 méterre felvett pontban, Gauss-féle csóvamodellel (PLUME) határozták meg, folyamatos kibocsátást feltételezve. Az átlagos levegıaktivitás-koncentrációból számítógépes programmal külsı gamma dózist számoltak. 70

BME OR - kibocsátási határértékek közeli receptor pont - eredmények Q kibocsátási sebesség : 1 Bq/s κ r normált áramlási hossz számolt értéke : 0,952. τ r normált tartózkodási idı a leáramlási tartományban: 4,51. L r a tényeges áramlási hossz: 28,5 m. T r - a tényleges tartózkodási idı : 58,8 s. c - az aktuális koncentráció 1,71 10-3 Bq/m 3 Az Ar-41-re vonatkozó dóziskonverziós tényezı 1.3 10-14 (Gy/s) / (Bq/m 3 ) Így 1 Bq/s kibocsátási sebességnél a becsült dózisteljesítmény 2.22 10-17 Sv/s, az évi 50 µsv-es dózismegszorításhoz számított évi 41 Ar-kibocsátás : 2.25 10 +12 Bq. 71

BME OR - kibocsátási határértékek távoli receptor pont - eredmények A kibocsátási ponttól 300 m-re (Egry József utcában) tanuló általános iskolás gyermekek dózisát az évi 50 µsv-es dózisterhelésnek véve a számított évi 41 Ar-kibocsátás 1.5 10 +15 Bq. Összegzés: A két fenti érték minimuma = 2.25 10 12 Bq a kibocsátási határérték alapja. (Választott érték: /3 biztonsági tényezıvel) 72

Terjedés homogén vizes közegben Homogén vizes közeg = Felszíni- és karsztvizek Csoportosításuk terjedési sajátosságaik szerint: 1) Folyók jellemzık: hımérséklet, folyóágy geometriája, esés, térfogatáram, talajvíz-kapcsolat [intrusion], lebegı szennyezés 2) Torkolatok jellemzık: 1) + szalinitás, üledékképzıdés 3) Nyílt víz/nyílt part (tó, tenger, óceán) jellemzık: szalinitás, ár-apály mozgások, stagnálás, hımérsékleti rétegzıdés 4) Tározók = kis tavak jellemzık: ki- és befolyás, vízhasználat 73

Terjedés homogén vizes közegben Szennyezés terjedése folyókban modellezési szakaszok: 1. fázis: kezdeti keveredési tartomány = a beömlési sebességvektor iránya különbözik a folyási sebesség vektorának irányától, az effluens és a befogadó közeg hımérséklete eltérı. Érvényesség: beömléstıl 100 ágymélységnyi távolságra [near-field] 2. fázis: teljes keveredés tartománya = a szennyezés már együtt halad a folyóval, de még nincs elég idı reakciók végbemenetelére Érvényesség: 1. fázistól 10-20 km-ig [full mixing] 3. fázis: hosszú távú keveredés tartománya = reakció (adszorpció stb.) és ülepedés jelentısen megváltoztathatja a szennyezés eloszlását [far-field] Érvényesség: 20 km-en túl 74

Terjedés homogén vizes közegben Advekció hajtóereje: 1) Folyók egyszerő gravitációs potenciálgradiens 2) Torkolatok 1) + árapály 3) Nyílt parti vizek árapály + hımérsékleti rétegzıdés 4) Tározók termodinamikai potenciálgradiens + hımérsékleti rétegzıdés Diffúzió hajtóereje: kémiai potenciálgradiens fı probléma: megbízható adatok hordozómentes radioaktív anyagokra 75

Terjedés homogén vizes közegben egyszerő áttörési modell Áttörési profil: folyóba juttatott szennyezés megjelenése a megfigyelési ponton Áramlás forrása = betáplálás (A [Bq] Q c 0 ) 76

Terjedés homogén vizes közegben Szennyezés terjedése folyókban 2. fázis x: folyási irány, y: keresztirány, z: függıleges irány u (y): x irányú folyási sebesség, függ y-tól 77

78 Terjedés folyókban c t S D A t c λ + + = )) ( ( 2. terjedési fázis: Csak advekció és diffúzió Térben inhomogén, idıben stacionárius eset: állandó forrástag, a koncentráció idıben változatlan. c z c y c x c D x c u t c L x λ + + + = = 2 2 2 2 2 2 * * 0 További egyszerősítések: z irányban teljes keveredés a 2. fázisban; x irányban elhanyagolható a diffúzió (Darcy-sebesség << u x ) =0 =0

Terjedés folyókban Terjedési egyenlet átírása térfogatáramra: Mindkét oldalt megszorozzuk h(y)-nal, a keresztirányú koordináta függvényében változó ágymélységgel u x * h( y)* c x = y *[ h( y)* D L * c ] λc y Egyszer differenciális térfogatáram-elem: dw dw = u x * h( y) * dy és w( y) = y 0 u x * h* dy 79

80 Terjedés folyókban dy helyére dw-t helyettesítünk, és kifejezzük x c -et: c w c h u D w x c L λ = * * * * 2 szokványos folyóknál további egyszerősítés: átlagos, térfogatárammal súlyozott diffúziós együttható c w c D x c λ = 2 2 ~ * innen W L dw uh D W D 0 2 ~ * 1

Terjedés folyókban A differenciálegyenlet megoldása végeselem-módszerrel az alábbi alakra vezet: c( x, w) = Q 1+ 2* W n = 1 2 2 n π exp W 2 ~ D x cos nπw W s cos nπw x exp λ W u Q = W c 0 tartály állandó ki- és beömléssel Ez a max. koncentráció?? Q-pont: az állandó mennyiségő szennyezés-effluens [Bq/s] W: a folyó térfogatárama [m 3 /s] A szennyezés vonalszerően jut a folyóba x=0 és y=y s koordinátáknál A befolyási ponthoz w s rész-térfogatáram tartozik!! n a természetes számok sorozata Nincs kilépés a partokon és a talajvízbe w = u h dy s y s 0 81

Terjedés folyókban Az elızı számítási modell grafikus képe 82

83 Terjedés folyókban Függıleges felületi szennyezésforrás : a szennyezıdés az y s1 és y s2 koordináták között érkezik (résztérfogatáramok: w s1 és w s2 ) + + = = u x W w n W w w n n n W Dx n W Q w x c s s n λ π π δ δ π exp cos 2 cos ) sin( exp 2 1 ), ( 2 1 1 2 ~ 2 2 ahol = W w w s s 1 2 2 π δ

Terjedés folyókban dinamikus vagy sztatikus rendszer Stacionárius esetben: C/C s állandó Megoszlás két önmagában homogén kompartment között 84

Terjedés folyókban Bıvítés a 3. fázisban: Felületi reakció (adszorpció) lebegı anyagon c t R = K R c s α c K R : a szennyezı komponens egyensúlyi megoszlási hányadosa a szilárd (S) és a víz (L) közegek között [(Bq/kg)/(Bq/m 3 )] c S : a szilárd (lebegı) anyag koncentrációja a vízben [kg/m 3 ] α: a szorpció sebességi állandója (idıegység alatt bekövetkezı szorpciók száma) [s -1 ] Az aktív helyek egyenrangúak, betöltésük véletlenszerő. α: hımérsékleti függése kifejezhetı 85

Terjedés folyókban Néhány jellemzı adat: Folyási sebesség : 0.1 2 m/s Térfogatáram: Duna: 3000 6000 m 3 /s Sió: (eresztéskor) 0.1-4 m 3 /s Diffúziós együttható: 0.5 5 10-9 m 2 /s 86

Terjedés tározókban (kis tavakban) Egyszerő tartály modell ki- és beömléssel: c i, W = c i, effl. W W in effl. flow e λt A szennyezett effluens térfogatárama összemérhetı a tó ki- és befolyásával. Teljes elkeveredés. Egyszerő tartály modell meghatározatlan be- és kifolyási jellemzıkkel: c = c F c i, w = K Q e V F K i, W R s = = 1 c c i, W + i, s i, w 1 K s R c s K e : effektív cserélıdési sebesség [1/óra] F R : adszorpciós hányad K s : egyensúlyi megoszlási hányados 87

Terjedés talajvízben Porozitás: n = pórustérfogat és összes térfogat aránya (zsákutca nélkül) Telítettség: kétfázisú rendszer (nincs üres pórus) Modell: Vízáramlás és szennyezés koncentrációjának változása A vízáramlás hajtóereje a környezeti (= hidraulikus, gravitációs + termodinamikus) potenciál gradiense advekciót (a potenciálgradiens irányában) és szétterülést (további irányokban) eredményez. h = z + p ρ g n V L VL + V S 88

Terjedés talajvízben Diszperzió = Diffúzió és szétterülés 89

90 Terjedés talajvízben Két terjedési egyenlet: víz a talajban + szennyezés a talajvízben Víz terjedése mindegyik kompartmentre: + + + = z h K z y h K y x h K x q dt h S z y x advekció diffúzió diszperzió q: a talaj térfogategységére jutó víz térfogatárama [(m 3 /h)/m 3 ] = cserélıdési hányad [h -1 ] S: térfogategységre jutó áramlási felület [m 2 /m 3 ] = kompresszibilitási együttható [m -1 ] a porozitás lineáris függvénye; K j : diszperziós együttható = diszperzivitás A víz Darcy-sebessége: j h K v j j = * K: hidraulikus vezetıképesség = diszperzivitás [m/s] j=x,y,z

Terjedés talajvízben Kompresszibilitási együttható: S = ρ g( α + n β ) ρ: a talaj (szilárd anyag) sőrősége β: térfogati kompresszibilitás α: lineáris kompresszibilitás Diszperzivitás (hidraulikus vezetıképesség) függése a talajvíz viszkozitásától: K j K ρg η η: Dinamikus viszkozitás a folyadékban az = áramlás során ébredı nyíróerı [Ns/m 2 ] K*: belsı permeabilitási tenzor [m 2 ] A porózus rendszerben nem képzelhetı el állandó advekciós sebesség. Az állandó áramlás esete: q i q konstans q i u i i 91

Terjedés talajvízben Egyszerősítı feltételek a talajbeli terjedés leírásához A víz és az oldott anyag tökéletesen keveredik A porózus közeg rugalmas (a pórustérfogatok változnak az összes térfogat nem) Híg oldat = a víz áramlását nem befolyásolja az oldott szennyezés A diffúzió nem különböztethetı meg a kényszerdiszperziótól = szilárd szemcséket ki kell kerülni diszperzió Nem vesszük figyelembe az alábbi hatásokat: szorpció, reakció, telítetlen pórusok, kapillaritás, hımérsékletgradiens stb. 92

93 Terjedés talajvízben Az oldott anyagra térfogatelemenként inhomogén terjedési egyenlet írható fel: c n z c D z y c D y x c D x qc t c n z y x λ + + + = ~ ~ ~ 1 advekció diszperzió D ~ j Diszperziós együtthatók (a homogén vízben érvényes D-kbıl származtathatók) Advekciós tag: be-vagy kifolyás az adott térfogatelemnél c 1 : a beáramlásban fennálló koncentráció elemenként eltérı

Terjedés talajvízben Reakciók: Ionok, komplexek képzıdése a folyadékban Csapadékképzés és oldhatóság Szorpció/deszorpció a szemcsék felületén oldott anyag átlépése szilárd fázisba A differenciálegyenletek megoldása: kompartmentek = nódusok véges mérető térfogatelem, melynek terjedési paraméterei ismertek és állandók 94

Terjedés talajvízben 1. példa Differenciálegyenletrendszer megoldása az egyik kompartmentre Két megoldási változat eredménye egy adott (x,y,z) pozíciójú kompartmentre (eltérés: adszorpciós modell) 95

Terjedés talajban 2. példa Erdei talaj Csernobil közelében 137 Cs migrációja erdei talajban 137 Cs aktivitáshányada a felszíni erdei hulladékban modell: kompartmentek (hulladék, talaj cm-jei: X és Y rétegek, szétosztó tartály = gyökerek, gombafonalak) között 1. r. diff. egyenletek Forrás: S. Mamikhin, J. Environ. Radioactivity, 1995. 96

Terjedés talajban 2. példa X rétegek: mobilis komponens (talajvíz) Y rétegek: rögzült komponens (adszorpció stb.) R: gyökérzet 1. r. diff. egyenletek 97

Terjedés talajban 2. példa 137 Cs megoszlása erdei podzol talajban mérési és modellszámítással kapott adatok 98

Terjedés geológiai rendszerben 3. példa BAF: a nagyaktivitású radioaktív hulladék elhelyezésére kiválasztott geológiai formáció A vizsgálatok célja: diffúziós együtthatók meghatározása Agyagásvány: 20 40 % agyag, kationcserélı tulajdonság, 2 3 % porozitás 99

Terjedés geológiai rendszerben BAF (3. példa) v v i w = 1+ K s 1 1 n ρ n A radioizotóp áramlási sebessége: Mérhetı koncentráció megjelenése adott helyen, az idı függvényében (Kevésbé jól definiálható, mint c(t)) Lineáris áramlási sebesség radioizotópra és vízre. A radioizotópé kisebb, mint a vízé szorpció/ioncsere miatt. K s : megoszlási hányados ρ: sőrőség Lineáris áramlási sebesség: advekciós- és Darcy-sebesség összege 100

Terjedés geológiai rendszerekben BAF kızetminták vizsgálata c( t) c 0 = A VL D eff t αal 6V A: kızetminta migrációs keresztmetszete L: minta vastagsága V: cellatérfogat α: kızetkapacitás-tényezı (szorpció megoszlási hányadosával arányos) D eff : effektív diffúziós állandó Áttöréses vizsgálatok A: c 0 koncentrációjú aktív oldat B: Kızetmag C: Eredetileg inaktív oldat Advekciós gradiens nincs, tisztán diffúziós áramlás. Az egyenlet csak a migráció kezdeti szakaszában érvényes, azaz amíg c(t) << c 0 (Lineáris közelítés, a telítıdéstıl távol) 101

Terjedés geológiai rendszerekben BAF kızetminták vizsgálata Fúrómagok átmérıje: 47-64 mm, szeletek vastagsága: 8 mm Minták származási helye: 540 és 1040 m mélyrıl BAF: 260 millió éves kızet Kızetvíz inaktív sótartalma: NaHCO 3, Na 2 SO 4, ph=8 Nyomjelzés: 99 TcO 4-, H 14 CO 3-, HTO Eredmények: D eff (TcO 4 ): 4 10-12 m 2 /s, α 0 D eff (HCO 3 ): 1 10-12 m 2 /s, α: 1.1 (ph=12-nél α sokkal nagyobb) D eff (HTO): 1.5 10-11 t=100000 évre x=1.8 m az anionokra x = Dt 102

Terjedés geológiai rendszerben 4. példa RADIOAKTÍV HULLADÉKOKBAN ELİFORDULÓ HOSSZÚ FELEZÉSI IDEJŐ NUKLIDOK FELSZÍN ALATTI MIGRÁCIÓJÁNAK ÉS KÖRNYEZETI HATÁSAINAK MEGHATÁROZÁSA (Püspökszilágy) Doktori értekezés, készítette Pollner László (2001.) 103

Terjedés geológiai rendszerben - Püspökszilágy Felszínalatti transzport becslése a Püspökszilágyi RHFT környezetére A patak vizének közvetlen emberi fogyasztásából származó belsı sugárterhelés kiszámítása Paraméterbizonytalanság és diszperzió vizsgálata A radioaktív hulladék elhelyezésébıl származó dózis kockázata 104

Felszínalatti transzport becslése a Püspökszilágyi RHFT környezetére DNY tároló vertikális transzport a telítetlen zónában (kb.130év) ÉK Némedi-p. Szilágyi-p. horizontális transzport (SUTRA) a telített zónában A tárolótól a talajvíztükörig a telítetlen zónában nagyságrendi becslés A telített zónában 2D véges elemes modellezés a SUTRA programmal 105

Felszínalatti transzport becslése a Püspökszilágyi RHFT környezetére A telített zónában 2D véges elemes modellezés a SUTRA programmal Megoldandó egyenletek: -div(k grad h)=q/ρ ( ε ρ C ) = f d iv ( ε ρ vc ) + d iv ( ε ρ D g ra d C ) λ ε ρ C + Q C * t (( 1 ε ) ρ ) s C s = + f ( 1 ε ) ρ λ t s C s f = ( 1 ε) ρ K C sρ d t ahol t [s] idı ρ [kg/m 3 ] folyadék (talajvíz) sőrősége ρ s [kg/m 3 ] szilárd fázis (kızet mátrix) sőrősége ε [-] porozitás S w [-] víztelítettség v [m/s] talajvíz áramlási sebessége Q [kg/m 3 s] külsı folyadék forrás (betáplált folyadék tömeg egységnyi idıre és térfogatra) C [Bq/kg] talajvíz koncentráció (oldott anyag mennyiség (Bq)/folyadéktömeg) C* [Bq/kg] folyadékforrások koncentrációja(oldott anyag mennyiség (Bq)/folyadéktömeg) C s [Bq/kg] koncentráció a szilárd fázisban (kızetmátrix) (anyagmennyiség(bq)/tömeg) D [m 2 /s] diffúziós/diszperziós együttható tenzor f [Bq/m 3 s] térfogati adszorpciós forrás/nyelı (adszorbeált anyagmennyiség (Bq) egységnyi idıre és térfogatra) 106

Felszínalatti transzport becslése a Püspökszilágyi RHFT környezetére Numerikus háló, amelyen az egyenleteket meg kell oldani 107

Felszínalatti transzport becslése a Püspökszilágyi RHFT környezetére A modellezés fontosabb bemenı paraméterei 129 I 99 Tc 226 Ra bomlásállandó (λ; 1/s) 1.3*10-15 1.0*10-13 1.3*10-11 szorpciós modell nincs lineáris lineáris lineáris szorpciós együttható (K d ; m 3 /kg) - 0.0005 0.02 idılépés (év) 5 50 500 forrás koncentráció (A eset) (C*; Bq/kg) 1000 1000 1000 kezdeti talajvízbeli koncentráció a forrás 1000 1000 1000 helyén (B eset) (C(t=0); Bq/kg) háttér koncentráció (0 szint) (Bq/kg) 10-4 10-4 10-4 diszperzivitás (α ) 10 m 10 m 10 m molekuláris diffúziós együttható (D m ; m 2 /s) 10-11 10-12 10-12 porozitás (ε) 0.03 0.03 0.03 vízsőrőség 1000 kg/m 3 1000 kg/m 3 1000 kg/m 3 szilárd fázis (nettó talaj) sőrőség (ρ s ) 2000 kg/m 3 2000 kg/m 3 2000 kg/m 3 számítható retardációs faktor ( R=1+(1-ε)ρ s K d /ε ) 1 33,3 1292 108

Felszínalatti transzport becslése a Püspökszilágyi RHFT környezetére A forrás idıbeli eloszlása forrás koncentráció A eset forrás koncentráció B eset t=0 t t=0 t 109

Felszínalatti transzport becslése a Püspökszilágyi RHFT környezetére - Eredmények v) é B q/ ( y ás ol kif A eset kifolyás (MBq/év) B eset idõ (év) idõ (év) Kifolyó szennyezés mennyisége a Szilágyi-patakba 99 Tc és 129 I A és B esetére (1kBq/dm 3 kezdeti forrás koncentrációhoz képest) kifolyás (Bq/év) 2.00E+08 129 I A eset 1.00E+08 0.00E+00 5 45 85 idõ (év) kifolyás (Bq/év) 2.00E+08 99 Tc A eset 1.00E+08 0.00E+00 50 450 850 1250 1650 idõ (év) Kifolyási görbék a patakokba: 129 I és 99 Tc Kifolyó szennyezés mennyisége a Némedi-patakba 99 Tc és 129 I A esetére (1kBq/dm 3 kezdeti forrás koncentrációhoz képest) kifolyás (Bq/év) 8.00E+06 6.00E+06 4.00E+06 2.00E+06 0.00E+00 129 I B eset 5 45 85 idõ (év) kifolyás (Bq/év) 1.00E+07 99 Tc B eset 7.50E+06 5.00E+06 2.50E+06 0.00E+00 50 450 850 1250 1650 idõ (év) Kifolyó szennyezés mennyisége a Némedi-patakba 99 Tc és 129 I B esetére (1kBq/dm 3 kezdeti forrás koncentrációhoz képest) 110

Felszínalatti transzport becslése a Püspökszilágyi RHFT környezetére - Eredmények kifolyás (Bq/év) 4000 3000 2000 1000 A eset Szilágyi-patak felé kifolyás 4.0E+0 3.0E+0 7 2.0E+0 1.0E+0 A eset Némedi-patak felé 0 500 4500 8500 12500 16500 idõ (év) 0.0E+0 500 4500 8500 12500 16500 idõ (év) Kifolyó szennyezés mennyisége a patakokba 226 Ra A esetére (1kBq/dm 3 kezdeti forrás koncentrációhoz képest) Kifolyási görbék a patakokba: 226 Ra kifolyás (Bq/év) 2,00E+03 1,50E+03 1,00E+03 5,00E+02 B eset Szilágyi-patak felé kifolyás (Bq/év) 4,00E+06 3,00E+06 2,00E+06 1,00E+06 B eset Némedi-patak felé 0,00E+00 500 4500 8500 12500 16500 idı (év) 0,00E+00 500 4500 8500 12500 16500 idı (év) Kifolyó szennyezés mennyisége a patakokba 226 Ra B esetére (1kBq/dm 3 kezdeti forrás koncentrációhoz képest) 111

Felszínalatti transzport becslése a Püspökszilágyi RHFT környezetére - Patak vizének közvetlen emberi fogyasztásából származó belsı sugárterhelés koncentráció a patakban izotóp konzervatív eset (Bq/dm 3 ) 6.5E-07 78 0.064 realisztikus eset (Bq/dm 3 ) 2.71E-08 3.461 0.0034 SZAK (Bq/dm 3 ) 125 17534 48.6 129 I dózisterhelés (msv/év) 99 Tc 226 Ra konzervatív eset 1.04E-07 0.089 0.026321 realisztikus eset 4.35E-09 0.0039 0.001398 112

Felszínalatti transzport becslése - Paraméterbizonytalanság és diszperzió A bizonytalan bemenı paraméterek Monte Carlo analízise és a transzport részecskekövetéses modellezése összekapcsolható egy hibrid modellben. Meg kell vizsgálni e hibrid modell lehetséges elınyeit és hátrányait. A hibrid modellt megoldó számítógépes programmal igazolható volt, hogy a bizonytalan bemenı paraméterek hatása a rendszerben tapasztalható transzport átlagos (várható) viselkedésére analóg az ugyanazon rendszerben átlagos bemenı paraméterek melletti, de megnövelt diszperziós állandójú transzporttal. 113

Felszínalatti transzport becslése - Érzékenységvizsgálat relatív koncentráció Kd (+100%) Eredmények 99 Tc B esetére, mint alapesetre Kd (-50%) Kd (*10) 8.00E-01 Kd (*0.1) λ (+100%) λ ( 50%) 7.00E-01 λ ( 10) λ ( 0.1) 6.00E-01 d (+100%) d (-50%) 5.00E-01 ρ viz (+20%) ρ viz (-20%) 4.00E-01 ρ kızet (+20%) ρ kızet (-20%) ε (+100%) 3.00E-01 ε ( 50%) ε ( 10) 2.00E-01 ε ( 0.1) K (+100%) 1.00E-01 K(-50%) K (*10) 0.00E+00 K (*0.1) 0 500 1000 1500 2000 2500 α ( 10) idı (év) α ( 0.1) 114

5. Összetett számítógépes programok a környezetben fellépı dózis számítására és a következmények elemzésére radiológiai döntéstámogató rendszer általános szerkezete 115

Összetett környezeti modellezés Légkör Folyó/Tó/Tenger Talaj/talajvíz Élıvilág Emberhez kötıdı ökorendszer IAEA BIOMASS: Irányított kutatási program Biosphere Modelling and Assessment Methods (RUVFRU magyar modell ennek keretében) Korábbi, IAEA-támogatással készült környezeti transzport vizsgálatok: BIOMOVS (Biospheric Model Validation Study), VAMP (Validation of Environmental Model Predictions) Jelenlegi programok: EMRAS és EMRAS-II. (Environmental Modelling for Radiation Safety) 116

BIOMASS Hanford összehasonlító modellvizsgálatok 2003. 117

BIOMASS Hanford összehasonlító modellvizsgálatok 2003. TAM DYNAMIC program (Veszprémi Egyetem, Kanyár B., Nényei Á.) 121

BIOMASS Hanford összehasonlító modellvizsgálatok 2003. A résztvevı programok összehasonlítása 122

Magyarországon alkalmazott összetett környezeti dózisszámító programok A paksi főtıelem-tisztítási üzemzavar (2003) környezeti hatásainak modellvizsgálata Alkalmazott programok: - RODOS (EU nemzetközi program OKF Országos Katasztrófavédelmi Fıigazgatóság) - SINAC (AEKI Atomenergiakutató Intézet + OAH Országos Atomenergia Hivatal) - BALDOS, NORMDOS (PAE - Paksi Atomerımő + AEKI) - SS57 (OSSKI Országos Sugárbiológiai és Sugáregészségügyi Kutató Intézet) Input: forrástag (radioizotóp-leltár [PAE + OAH, meteorológiai adatok [OMSZ Országos Meteorológiai Szolgálat]) 123

Párhuzamos eredmények a környezeti radiojódkoncentrációra 4 program, 7 alkalmazó Estimated results BALDOS (Paks) BALDOS (AERI) SINAC (HAEA) SINAC (HAEA- NMS) SINAC (AERI- NMS RODOS (NEMC) SS57 (NRIRR) A4 Iodine conc. time integral [Bq.m - 3.h] 28 28 166 227 250 15 13 A4 Iodine surface conc. [Bq.m - 2] 772 772 5100 6050 6700 253 1600 External dose [µsv] 0.059 0.059 0.203 0.048 0.035 0.011 0.025 Inhalation dose [µsv] 0.092 0.092 0.083 0.043 0.045 0.022 0.015 124

SS57 Code (OSSKI - NRIRR) Release from NPP Paks Accident 2003. Noble gas dose: immersion from cloud Radioiodine dose: inhalation from cloud 125

SINAC Hungarian dose estimation code HAEA CERTA Accident Analysis Centre applies SINAC for environmental Consequence assessment (source term: from local experts, 36-hour weather forecast from NMS) 126

SINAC TRAJMET (OMSZ - NMS) Trajectory: curve showing the travel route of an air particle = time integral of position 127

SINAC TRAJMET (OMSZ NMS) TRAJMET code defines the axis of air flow fits both to PLUME and PUFF models 128

RODOS Decision Support System Development of RODOS (Real-time, On-line, Decision Support System) started in 1992 (10 labs led by FZK Karlsruhe) Now applied in 20 countries by 55 institutions feedback to development Hungary: Installed 2001 Operating from 2003 at Nuclear Emergency Management Centre Estimates nuclear emissions across national borders RODOS is developed continuously by EU support new versions are shipped to national RODOS workstations Previous version: UNIX - RODOS 6.0 Planned extensions: chemical and biological emissions, dirty bomb" effects, river and lake contaminations (Danube as first) - RIVTOX RODOS LINUX: new version available RODOS light Windows only for early phase of emergency RODOS Hungary ran on HP 9000L Enterprise 1000 (UNIX dual server) Available to users through ISDN2 - NPP Paks, HAEA and NRIRR 129

Sources of RODOS: COSYMA code COSYMA: Code System for MARIA -Methods for Assessing the Radiological Impact of Accidents (FzK Karlsruhe/Germany + NRPB Oxford/UK) Commercial program used by NPP s Segmented plume model MUSEMET Gaussian plume model segmented into 1h intervals 130

Sources of RODOS: RIMPUFF code http://www.risoe.dk/da/business_relations/products_services/software/ VEA_dispersion_models/RIMPUFF.aspx?sc_lang=en 131

Sources of RODOS: RIMPUFF code 132

Results of a diploma thesis by RODOS Time integrated air concentration of 137 Cs 133