Введение к работе
Актуальность темы. В исследованиях массо- и энергообмена в океане, взаимодействия океан - атмосфера, распространения и трансформации водных и воздушных масс значительная роль принадлежит трассерным методам. Тритий благодаря радиоактивности ф-распад с полупериодом 12.43 года) находит применение, как трассер и временная метка декадного масштаба для глобальных и региональных исследований циркуляции, смешения, происхождения водных и воздушных масс. Актуальность исследований трития обусловлена и тем, что он является эффективным параметром для радиоэкологического контроля за работой ядерных устройств и объектов и распространением радиоактивных загрязнений от них в окружающей среде, в частности, в океане.
Особое значение трития среди других трассеров состоит в том, что только он, наряду с радиоуглеродом, МС, имеет наиболее длинные временные ряды и хорошую пространственную изученность в океане, поскольку измерялся систематически в различных международных программах, начиная с шестидесятых годов. Это очень важно для построения глобальных моделей океана. Но для более полного использования возможностей трития, как инструмента океанологических исследований нужны чувствительные, точные, массовые измерения. Требуется как разработка измерительных установок, соответствующих высоким стандартам, принятым в современных международных проектах исследования океана (WOCE и других), так и дальнейшее развитие и совершенствование методов измерения трития и уменьшение стоимости его анализов.
Существующий диапазон изменчивости трития в интервале малых концентраций в гидросфере и, в частности, в океане, на порядки
превышает современные технические возможности его измерения. Измерение низких концентраций трития, встречающихся на больших глубинах в океане и в подземных водах представляет серьезную научную и техническую проблему. Поэтому для дальнейшего расширения области применения трития при изучении водных масс с ультранизким содержанием трития необходимо исследование физических пределов детектирования трития в таких водах, выяснение возможной степени повышения точности измерений и принципиальных возможностей и ограничений тритиевого метода для применения его в океанологии.
Изложенные обстоятельства делают актуальным исследование физических вопросов измерения низких концентраций трития в природных средах и дальнейшее развитие и применение автоматизированного тритиевого измерительного комплекса ТОЙ ДВО РАН, созданного в начале 80-х в лаборатории ядерной океанологии для океанологических исследований.
Цель и задачи. Основной целью работы является исследование предельных возможностей тритиевого трассера и методов измерения низких концентраций трития в океане и путей их реализации, разработка физических основ автоматизации тритиевого метода с предварительным обогащением, разработка систем компьютерного управления и применение автоматизированного тритиевого измерительного комплекса для океанологических и геофизических исследований.
Основные задачи работы следующие:
1. Исследование пределов применимости тритиевого трассера в океанологических исследованиях и обоснование необходимых параметров технических средств для его измерений.
2. Исследование вопросов построения адекватного современным
требованиям высоко производительного автоматизированного тритиевого
измерительного комплекса с предварительным электролитическим
обогащением. Разработка принципов автоматизации и оптимизации,
повышения точности и чувствительности тритиевых измерений с
предварительным многоступенчатым электролитическим обогащением.
-
Оценка процессов образования естественного трития в океане и образования дополнительного количества трития при хранении морских проб и их анализе. Экспериментальное исследование образования нейтронов и трития при электролизе воды.
-
Применение данных по тритию, измеренных на разработанном тритиевом измерительном комплексе, для изучения полей концентрации трития в некоторых областях мирового океана и уточнения процессов формирования вод в Индийском океане и в Чукотском море, а также изучение полей концентрации трития осадков и атмосферной влаги Антарктиды для оценки поступления трития в Южный океан.
Научная новизна. В диссертации разработана новая методика экспрессного массового высокочувствительного прецизионного измерения трития, включающая многоступенчатое электролитическое обогащение с поддержанием оптимальных плотности тока и температуры в каждом электролизере в процессе электролиза, измерение прошедшего количества электричества для управления процессом электролиза и определения степени обогащения, и счет радиоактивности трития.
Разработаны концепция и системы компьютерного управления и автоматизированный комплекс аппаратуры для массовых радиометрических определений трития в пробах морской воды с предварительным электролитическим обогащением.
Экспериментально установлено отсутствие с надежностью 0.999 образования нейтронов и трития при различных режимах электролиза обычной и тяжелой воды с электродами из различных материалов на уровнях в 1016 раз ниже, чем сообщалось в работах Флейшмана и Понса. Образование трития в процессе "холодного термоядерного синтеза", если бы он происходил где-либо в природе при участии природного дейтерия, могло быть новым источником трития в природных средах (Jones, 1989), и искажать результаты измерений низких концентраций трития с применением электролитического обогащения.
Получены новые поля концентрации трития в малоизученных районах мирового океана и в Антарктиде, которые являются основой для получения новой океанологической информации в этих районах.
Практическая значимость. Полученные результаты и разработанные методики могут применяться для повышения точности, чувствительности и производительности измерения трития, а также служить основой для дальнейшего развития и совершенствования измерений низких концентраций трития. С помощью разработанных методик и аппаратуры проводится измерение трития в различных районах мирового океана и гидросферы. Разработанные установки используются в экспедиционных исследованиях на судах научно-исследовательского флота.
Выносится на зашиту
-
Создание системы автоматизации тритиевого измерительного комплекса ТОЙ с предварительным электролитическим обогащением, не имеющего аналогов в стране и за рубежом.
-
Разработка концепции и методов компьютерного управления и оптимизации процессов электролитического обогащения и измерения низких уровней активности трития, использованных при создании тритиевого автоматизированного измерительного комплекса.
-
Экспериментальное доказательство отсутствия значимого образования избыточных нейтронов и трития в процессе электролиза обычной и тяжелой воды при различных режимах тока электролиза с электродами из различных материалов. Это снимает проблему учета новых дополнительных источников трития в природе и паразитной генерации трития в пробах с низкой концентрацией в процессе их электролитического обогащения в случае, если бы так называемый "холодный термоядерный синтез" имел место.
-
Применение новых данных, полученных на тритиевом комплексе с двумя вариантами построения процесса анализа (жидко-сцинтилляционный или пропорциональный газовый счет) для уточнения формирования и динамики вод в районах с существенно различными уровнями активности трития - в Чукотском море и западном экваториальном секторе Индийского океана, а также оценки поступления трития в Южный океан в районе восточной Антарктиды.
Публикации и апробация работы. По теме диссертации опубликовано 11 работ, из них две статьи - в центральной печати и одна - за рубежом. Результаты докладывались на III Всесоюзном съезде советских океанологов (Ленинград, 1987), III Всесоюзном симпозиуме "Изотопы в гидросфере" (Каунас, 1989).
Личный вклад соискателя. Автор принимал личное участие в разработке, создании, запуске и модернизации автоматизированного тритиевого комплекса ТОЙ, проведении массовых измерений трития. Участвовал в отборе проб на тритий и последующем их анализе в 29 Советской Антарктической экспедиции (санно-тракторный поход Мирный-Купол С), а также в рейсах на судах научно-исследовательского флота по научным программам применения трития и других геохимических трассеров в исследовании взаимодействия океан-
атмосфера, в международных проектах Глобальные потоки и по программе WOCE.
Автор глубоко признателен научному руководителю д.ф.-м.н. Сойферу В.Н. за консультации и критические замечания в ходе работы над диссертацией. В процессе отбора и анализа проб, обсуждения результатов измерений, изготовления и запуска автоматизированного тритиевого комплекса большую помощь оказали в разное время сотрудники лаборатории ядерной океанологии ТОЙ ДВО РАН.
