Радиоизотопы как искусственные индикаторы

Величайшее преимущество искусственно вводимых в воду радиоактивных индикаторов заключается в возможности обнаружить их там в очень небольшом количестве. Таким образом, радиоактивные индикаторы можно использовать вместо высоко концентрированных химических индикаторов, которые вызывают существенные химические изменения в водоносных горизонтах и которые стремятся отделиться от воды под влиянием гравитации. К сожалению, все индикаторы, и радиоактивные в особенности, имеют определенные недостатки. Основной недостаток — радиационная опасность, даже при использовании трития, относительно безопасного. Другой недостаток — это необходимость иметь специальное оборудование для обнаружения индикатора; особенно трудно обнаружить небольшие количества альфа- и бета-излучателей. Идеальный индикатор должен быть легко обнаружимым,. использоваться в небольших количествах, не должен изменять гидравлические свойства водоносных горизонтов, должен быть недорогим, не поглощаться окружающей средой, иметь достаточно продолжительный период полураспада, низкую токсичность и не присутствовать в водоносном горизонте в больших количествах как естественный компонент. Если бы тритий был легко обнаружим, он вполне удовлетворял бы почти всем перечисленным требованиям.

В качестве искусственных индикаторов также применяются J¹³¹ (рис. 5.8), Сr⁵¹, Со⁶⁰, Rb⁸⁶, Ru¹⁰³ и Вr⁸². Иод-131 сильно поглощается глинами. С успехом был использован комплексный ион Co(CN)^3-₆. Он перемещается вместе с водой и легко обнаружилм. Хром-51 можно использовать в комплексе с этилендиаминтетрауксусной кислотой, в связи с чем он будет в меньшей степени подвержен сорбции. Период полураспада хрома-51 примерно 28 суток, что идеально для проведения опытов методом индикаторов длительностью менее нескольких месяцев. Бром-82 легко обнаружить по гамма-излучению, но период его полураспада всего 36 час и это ограничивает его-использование во многих опытах.

Основные факторы, определяющие скорость миграции радиоизотопов в подземных водах, следующие: тип и концентрация радиоизотопа, скорость движения воды, виды ионов и их концентрация в воде, сорбирующая способность среды и пористость водоносных пород. Окружающая среда стремится поглотить радиоизотопы, содержащиеся в воде, заменить их устойчивыми ионами подземных вод, которые стремятся занять место радиоизотопов.

Рис. 5.8. Изменение концентрации J¹³¹ во времени на различных расстояниях от пусковой скважины.

Поэтому чем выше концентрация иона, тем быстрее радиоизотоп будет двигаться путем последовательных замещений. Приблизительное выражение для скорости движения радиоизотопов в одномерном потоке подземных вод имеет вид

где V_i — скорость движения иона; V_w — скорость движения воды; ρ_b — эффективная плотность среды; n — пористость; К_d — коэффициент распределения среды по отношению к определенному иону и другим ионам воды.

Если скорости движения иона и воды выражены в одних единицах, а плотность измерена в г/см³, коэффициент К_d будет выражен в см³/г. Физический смысл коэффициента распределения заключается в том, что он служит мерой распределения определенного иона между водой, или жидкой фазой, и твердой фазой, которая стремится поглотить ион. Высокий коэффициент распределения свидетельствует о сильной тенденции среды к поглощению.

Коэффициент распределения — переменная величина, однозначно определимая лишь в конкретных физических и химических условиях. При очень низких концентрациях коэффициент распределения зависит главным образом от свойств среды и концентрации конкурирующих ионов. На рис. 5.9 показано влияние различных концентраций натрия и некоторых глинистых минералов на коэффициент распределения цезия, находящегося в небольших количествах. Коэффициент распределения для незначительных количеств стронция в песчаных водоносных горизонтах, в которых отсутствуют глины и органические вещества, но вода которых насыщена различными катионами, изменяется примерно от 0,5 до 50 см³/г. Коэффициент распределения для цезия в сходных условиях от около 1 до 500 см³/г. У грубозернистого кварцевого песка самый низкий коэффициент распределения, у тонкозернистого кальцитового песка — наивысший.

Рис. 5.9. Коэффициент распределения цезия для различных глинистых минералов в зависимости от концентрации иона натрия. Указанные значения верны только при малых концентрациях Сs, т. е. обычно менее 10^-8N (1,3 ч. на 1 млрд.).

Поскольку Sr⁹⁰ и Сr¹³⁷ — два из наиболее опасных загрязнителей, образуемых в результате ядерного деления, приведенная выше информация имеет большое практическое значение. Принимая средние величины пористости и плотности зернистых пород, слагающих водоносные горизонты, можно видеть, что при заражении подземных вод изотопами Sr⁹⁰ и Cs¹³⁷ скорость перемещения этих радиоизотопов составляет лишь малую долю скорости движения подземных вод. Кроме того, в питьевой воде скорость движения Cs¹³⁷ почти всегда меньше скорости Sr⁹⁰.