Материал: Комплексные проблемы техносферной безопасности. материалы Международной научно-практической конференции. Колодяжный С.А., Небольсин В.А

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Российская академия наук

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

КОМПЛЕКСНЫЕ ПРОБЛЕМЫ

ТЕХНОСФЕРНОЙ

БЕЗОПАСНОСТИ

Материалы Международной научно-практической конференции

(г. Воронеж, 26-28 октября 2017 г.)

Часть IV

Воронеж 2017

УДК 620.9 (06)

ББК 31.00 я4

К 637

Комплексные проблемы техносферной безопасности: материалы Междунар. науч.-практ. конф. Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2017. Ч. IV. 254 с.

ISBN 978-5-7731-0562-6

ISBN 978-5-7731-0587-9 (Ч. IV)

В сборник включены материалы Международной научно-практической конференции, в которой нашли отражение вопросы по научно-техническим проблемам техносферной безопасности. Материалы сборника соответствуют научным направлениям вуза и перечню критических технологий Российской Федерации, утвержденному Президентом Российской Федерации.

2

ВВЕДЕНИЕ

Активная преобразовательская деятельность человека породила все возрастающую проблему трансформации среды обитания, как самого человека, так и всего живого на Земле, создавая тем самым новую искусственную среду обитания – техносферу Земли или природ- но-техническую геосистему, называемую также экологоэкономической или социальноэкономической системой.

Техносфера, созданная человеком, представляет собой территории, занятые городами, поселками, сельскими населенными пунктами, промышленными зонами и предприятиями. Она призвана обеспечить человека комфортными условиями проживания и защитить от опасностей естественных процессов и явлений природы. К техносферным относятся условия пребывания людей на объектах экономики, на транспорте, в быту, на территориях городов и поселков.

В процессе жизнедеятельности человек взаимодействует не только с естественной средой, но и с людьми, образующими, так называемую социальную среду. Она формируется и используется человеком для обмена опытом и знаниями, для удовлетворения своих духовных потребностей и накопления интеллектуальных ценностей. Деятельность человека, развиваясь в пределах физических химических, биологических и других состояниях биосферы, в то же время оказывает влияние на природные процессы, происходящие в ней. Природные процессы все теснее переплетаются с антропогенными процессами, между ними усиливаются обмен веществом и энергией, возрастает обмен информацией.

Антропогенные изменения окружающей среды приобрели такие размеры, что человек прямо или косвенно сам стал их жертвой. Антропогенная деятельность, не сумевшая создать техносферу необходимого качества как по отношению к человеку, так и по отношению к природе, явилась первопричиной многих негативных процессов в природе и обществе.

Современному человеку приходится решать проблемы, связанные не только с обеспечением комфортной жизни, принимая меры защиты от естественных негативных воздействий, но и с возникающими проблемами техносферной безопасности.

Следует отметить, что именно поэтому в последнее десятилетие стало, активно развиваться учение о безопасности жизнедеятельности в техносфере, основной целью которой является защита человека в техносфере от негативных воздействий антропогенного и естественного происхождения, достижение комфортных условий жизнедеятельности. Средством достижения этой цели является реализация обществом знаний и умений, направленных на уменьшение негативных воздействий до допустимых значений.

Материалы конференции ставят своей целью продемонстрировать возможность безопасного взаимодействия человека с техносферой и природой; исследовать негативные воздействия техносферы на человека и окружающую среду, а также зоны воздействия опасностей техносферы и отдельных ее элементов (предприятия, машины, приборы). Кроме этого необходимо отразить современные проблемы техносферной безопасности и показать, как человечество преодолевает вызовы различного уровня, возникающие в техносфере, используя базовые, специальные и информационные технологии.

3

СЕКЦИЯ 1. БАЗОВЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ. АНАЛИЗ, ОЦЕНКА И ТЕХНОЛОГИИ СНИЖЕНИЯ ПРИРОДНОГО И ТЕХНОГЕННОГО И ПОЖАРНОГО РИСКА

УДК 551.58

П.А. Пономаренко, М.А. Фролова

МОДЕЛИ ГЕНЕРАЦИИ РАДИОУГЛЕРОДА В СТРАТОСФЕРЕ ПОД ДЕЙСТВИЕМ КОСМИЧЕСКИХ НЕЙТРОНОВ

Из всех природных элементов таблицы Менделеева углероду принадлежит особая роль — он составляет структурную основу органических соединений, в том числе входящих в состав живых организмов. Скорость образования радиоуглерода зависит от плотности потока нейтронов, энергии нейтронов и времени облучения. Линейная зависимость числа ядер 14С, образованного из 14N, подтверждается уравнением баланса

Ключевые слова: нуклид, радионуклид, радиоизотоп, радиоуглерод, плотность потока, энергия нейтрона, излуче-

ние

Радиоактивный нуклид углерода образуется, главным образом, при взаимодействии

вторичных нейтронов космического излучения с ядрами азота в верхних слоях атмосферы по реакции 14N (n, р) 14С. Роль других реакций, таких как 15N (n, α) 14С, 16О (р, 3р) 14С,

17О (n, α) 14С, 13C (n, γ) 14С, в образовании углерода-14 незначительна из-за малых сечений взаимодействия и низкого содержания ядер этих изотопов в естественной смеси элементов [1, 2]. Радиоуглерод, окисленный в стратосфере до 14СО2, проникает в тропосферу, и в результате перемешивания воздушных масс беспрепятственно распространяется по всему земному шару, включаясь в природный круговорот углерода. На земле 14С накапливается в растениях за счет фотосинтеза, а затем по пищевым цепочкам поступает в организмы животных и, в составе продуктов питания, — в организмы людей. Участвуя в обменных процессах вместе со стабильным углеродом, 14С проникает во все органы, ткани и молекулярные структуры живых организмов. В отдельных случаях радиоактивный углерод может быть в 10— 20 раз более опасным в генетических поражениях, чем эквивалентное энергетическое внешнее облучение. Обусловлено это тем, что, кроме чисто радиационного воздействия β-частиц 14С на биологические системы, не отличающегося по своему принципу от действия внешних источников рентгеновского и высокоэнергетического β-излучений, имеют место трансмутационные повреждения, приводящие к изменению химического строения молекулы ДНК [3, 4]. Вот почему так важно знать скорость образования углерода-14. Для протекания указанных реакций образования углерода-14 необходимо наличие тепловых нейтронов космического происхождения. Эти нейтроны порождаются благодаря космическим лучам, проходящим через атмосферу Земли. Плотность потока нейтронов изменяется с высотой в атмосфере. Результаты измерения плотности этого потока с помощью шаров-зондов изображены на рисунке.

Зависимость плотности потока тепловых нейтронов от высоты над уровнем моря – а и геомагнитной широты - б

4

Максимальное количество нейтронов находится на высоте примерно 12 км. Вблизи же поверхности Земли плотность потока нейтронов уменьшается до нуля. Таким образом, можно сказать, что:

1.Нейтроны возникают в атмосфере, в области стратосферы, представляют собой вторичные частицы космического излучения, возникающие при прохождении первичных космических лучей через атмосферу;

2.Все нейтроны быстро вступают в ядерные реакции, так что до поверхности Земли доходит лишь ничтожное их количество.

Целью настоящей статьи является определение образования радиоуглерода в стратосфере под действием космических нейтронов тепловых энергий путем взаимодействия их с ядрами азота. При этом ставятся следующие задачи:

1.Рассмотреть реакции образования 14С под действием тепловых нейтронов космического происхождения.

2.Составить физические и математические модели реакций.

3.Определить параметры моделей.

4.С помощью математических моделей определить колличественно образование 14С в стратосфере.

5.По уравнению баланса определить стационарную концентрацию 14С на географической широте г. Севастополя.

Изучение нейтронов в атмосфере началось вскоре после их открытия Чедвиком в

1932 г. В многочисленных экспериментах, проводившихся различными исследователями (С. Монтгомери и Д. Монтгомери, Н.М. Лятковская и Г.В.Горшков, Юан и Ладенбург, Хеймс и Корфф), измерялась плотность потока тепловых нейтронов на уровне моря. Данные слишком разнились, так как эксперименты проводились в разное время суток и в разные сезоны года. Но при этом в источниках не указывается энергия нейтронов [1, 5, 6].

н

Примем за достоверное значение плотность потока нейтронов 2 см 2 с исходя из по-

следних опубликованных данных [1], которые подтверждены и профессором Филипповым Е.М. [7]. Он в своем авторском оттиске представил распределение плотности потока тепловых нейтронов вблизи водной поверхности и в воде различной солености для геомагнитной северной широты 44˚ (г. Севастополь). Исходя из этого плотность потока нейтронов над

н

уровнем моря, равна 2 см2 с . Это значение и будем использовать при расчетах. Для реше-

ния поставленной задачи необходимо обозначить место образования космических нейтронов. Известно, что нейтроны возникают в атмосфере, в области стратосферы при прохождении первичных космических лучей через атмосферу [1]. Суммарная масса воздуха, атмосферы, составляет 5,15*1015 тонн, на долю стратосферы приходится около 20 % массы атмосферы, 1,03*1015 тонн [3-6]. Определив начальное число ядер азота-14 в стратосфере, можно вычислить скорость образования углеода-14 в зависимости от геомагнитной широты.

Физическая модель процесса имеет вид:

147 N 01nТ Тн 1, 75барн 11 р 146 С

Математическая модель процесса имеет вид:

dt

Если решить математическую модель при начальных условиях:

t = 0, NN-14 = N0N-14, NC-14 = 0

t = t, NN-14 = NN-14(t), NC-14 = NC-14(t), то получим

5