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 Vi — скорость движения иона; Vw — скорость движения воды; ρb — эффективная плотность среды; n — пористость; Кd — 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 Кd 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.
