Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние исследований радиационного фона объектов строительного комплекса и окружающей среды, обусловленного радоном (литературный обзор) 9
1.1. Источники облучения населения 9
1.2. Источники поступления радона в помещения 12
1.3. Пространственное распределение радона в атмосферном воздухе, эманирование 222Rn из пород и концентрация радона в воде 16
1.4. Активность радона и дочерних продуктов его распада в помещениях 24
1.411. Эксхаляция радона 33
1.4.2. Коэффициенты эманирования радона в строительных материалах 37
1.5. Методы снижения уровня облучения, обусловленного радоном и ДПР 41
Выводы' по главе 1 45
Глава 2. Исследования активности радона в объектах окружающей среды и строительного комплекса 46
2.1. Организация исследований 46
2.2. Радоновыделение с поверхностей почв 46
2.3. Концентрация радона в атмосферном воздухе 58
2.4. Концентрация радона в помещениях 58
2.4.1 Концентрация радона в помещениях, построенных из различных строительных материалов 58
2.4.2 Изменение ОА радона в помещениях в течение года 64
2.4.3 Концентрация радона в жилых помещениях различного назначения 68
Выводы по главе 2 70
Глава 3. Методы управления радиационным контролем и снижения уровня облучения, обусловленного радоном и ДПР 71
3.1 Контроль радоновыделения из почв, горных пород и материалов 71
3.2 Подбор строительных материалов с учетом эффективной удельной активности радия 75
3.3 Материалы для снижения поступления радона в помещение 78
3.4 Снижение поступления радона в помещения из почвы под зданием 81
3.5 Вентиляция помещений 84
3.6 Управление радиационным контролем и ограничением дозовых нагрузок населения 86
Выводы по главе 3 93
Глава 4. Экономические аспекты снижения воздействия активности ЕРН, радона и ДПР на население 94
4.1 Денежный эквивалент снижения радиационной нагрузки 94
4.2 Экономическая оценка управленческих решений по снижению воздействия активности ЕРН на население 100
Выводы по главе 4 104
Заключение 105
Список литературы 107
Приложения 120
- Пространственное распределение радона в атмосферном воздухе, эманирование 222Rn из пород и концентрация радона в воде
- Концентрация радона в помещениях, построенных из различных строительных материалов
- Подбор строительных материалов с учетом эффективной удельной активности радия
Введение к работе
Актуальность проблемы. В последнее время при проектировании и строительстве жилых и общественных зданий уделяется повышенное внимание к радиационным характеристикам строительных конструкций и материалов. По существующим нормативам при проектировании новых зданий жилищного и общественного назначения должно быть предусмотрено, чтобы среднегодовая эквивалентная равновесная объемная активность (ЭРОА) радона и торона в воздухе помещений не превышала 100 Бк/м . В эксплуатируемых зданиях среднегодовая ЭРОА радона в воздухе жилых и общественных помещений не должна превышать 200 Бк/м3. Превышение этих нормативов приводит к необратимым изменениям в организме человека. Поскольку население промышленно развитых стран мира большую часть времени (около 80%) проводит внутри зданий, необходимо контролировать и исследовать дозу облучения, обусловленную наличием радона в помещении, эманацию радона из почвы территорий и эксхаляцию радона из строительных материалов.
Выделяемый строительными конструкциями и строительными материалами здания радон, поступающий в окружающую среду в том числе и с вентиляционными выбросами, повышает эффективную дозу, что приводит к негативным изменениям в растительном и животном мире.
Проблема обеспечения радоновой безопасности в градостроительном комплексе может быть решена на основе исследований радиационных характеристик строительного сырья, материалов, территорий, атмосферного воздуха, а также концентраций радона в воздухе жилых, общественных и производственных зданий каждого региона (области).
Таким образом, актуальным является исследование объемной активности радона, факторов, влияющих на ее изменение и разработка методов снижения радоновыделения в помещениях строящихся и эксплуатируемых зданий
Работа выполнялась в соответствии с "Единой Федеральной целевой программой ядерной и радиационной безопасности России на период до 2005 года", утвержденной Постановлением Правительства РФ №149 от 22.02.2000, а также тематическим планом научно-исследовательских работ в области охраны окружающей среды Пензенского государственного университета архитектуры и строительства.
Цель работы. Снижение радоновой опасности в градостроительном комплексе посредством разработки методов и средств уменьшения активности и
выбросов радона и его дочерних продуктов распада в атмосферу при строительстве и производстве строительных материалов.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
- оценка влияния выбросов радона из строительных конструкций в
окружающую среду на изменение радиационного фона;
выявление факторов и закономерностей образования радиационного фона, обусловленного радоном, в окружающей среде, помещениях жилых и общественных зданий;
разработка методов и средств снижения активности радона и его дочерних продуктов распада (ДПР) при добыче минерального сырья, производстве строительных материалов, при строительстве зданий и сооружений (на примере Пензенской области);
выявление закономерностей отклонения активности радона и ДПР в зависимости от геолого-геофизических характеристик мест застройки;
Основная идея работы состоит в разработке экологически обоснованных проектных решений по строительным и конструктивным характеристикам зданий и размещению объектов строительства для снижения радиационной нагрузки, обусловленной радоном и ДПР.
Методы исследований включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, натурные исследования и обработку экспериментальных данных методами математической статистики с применением ЭВМ.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических положений теоретического анализа, планированием необходимого объема экспериментов, подтверждающих удовлетворительную сходимость полученных результатов исследований, выполненных в натурных условиях, с результатами других авторов.
Научная новизна работы состоит в том, что:
- установлены закономерности распределения радона в окружающей среде и
помещениях в зависимости от влияния различных факторов (применяемых
материалов, конструктивных характеристик здания, времени года, тектонических
участков современной геологической структуры Русской платформы и т.д.);
установлена экспериментальная зависимость, характеризующая эффективную удельную активность радия в сырье, позволяющая прогнозировать ее конечное значение в изготавливаемых строительных материалах, конструкциях и объем выбросов радона в атмосферу;
экспериментально определены усредненные годовые эффективные дозы облучения населения, обусловленные радоном и ДПР (на примере Пензенской области);
установлены закономерности отклонения активности радона и ДПР в зависимости от геолого-геофизических характеристик мест застройки.
Практическое значение работы
разработан метод расчета удельной активности радона в строительных материалах, минеральном сырье, позволяющий прогнозировать объем выбросов радона в окружающую среду;
получены районированные данные плотностей потока радона и ДПР из почв территорий, отведенных под застройку, и составлена карта эффективных удельных активностей радия месторождений строительного сырья Пензенской области;
- разработана схема организации мониторинга концентрации радона в
атмосферном воздухе, почве и на объектах строительного комплекса;
- разработана номенклатура отделочных материалов, позволяющих снизить
радоновыделение в окружающую среду.
Реализация результатов работы
результаты выполненных исследований внедрены и используются ОАО ^ «Стройиндустрия» при проектировании и строительстве зданий;
результаты диссертационной работы используются кафедрами инженерной экологии и строительных материалов Пензенского государственного университета архитектуры и строительства при подготовке инженеров по специальностям 290300 «Промышленное и гражданское строительство», 290600 «Производство строительных материалов», 330200 «Инженерная защита окружающей среды».
На защиту выносятся:
закономерности распределения радона в окружающей среде и помещениях в зависимости от влияния различных факторов (применяемых материалов, конструктивных характеристик здания, времени года, тектонических участков современной геологической структуры Русской платформы и т.д.);
экспериментальная зависимость, характеризующая эффективную удельную активность радия в сырье, позволяющая прогнозировать ее конечное значение в изготавливаемых строительных материалах, конструкциях и выбросы радона в атмосферный воздух;
экспериментально определенные усредненные годовые эффективные дозы облучения населения, обусловленные радоном и ДПР (на примере Пензенской области);
закономерности отклонения активности радона и ДПР в зависимости от геолого-геофизических характеристик мест застройки.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и резуль
таты исследований докладывались и получили одобрение на: XXXII
Всероссийской научно-технической конференции (Пенза, 2003 г.);
международной научно-технической конференции «Техносферная
безопасность» (Ростов-на-Дону, 2003 г.); научно-практической конференции «Современные новейшие строительные материалы» (Пенза, 2003 г.); международной научно-технической конференции «Экологическая безопасность регионов России и риск от техногенных аварий и катастроф» (Пенза, 2004); II международной научно-технической конференции «Экология: образование, наука, промышленность и здоровье» (Белгород, 2004); международной конференции «Композит - 2004» (Саратов, 2004); 1-й региональной конференции «Муниципальный экологический контроль» (Заречный, 2004).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в десяти работах.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, списка литературы и приложений. Общий объем работы 159 страниц, в том числе: 105 страниц - основной текст, содержащий 36 таблиц на 45 страницах, 17 рисунков на 15 страницах, список литературы из 143 наименований на 14 страницах, 8 приложений на 39 страницах.
Автор выражает глубокую признательность научному руководителю -доктору технических наук, профессору Сидельниковой Ольге Петровне, активному консультанту - доктору технических наук, профессору, академику Украины, академику РЭА Козлову Юрию Дмитриевичу, а также аспиратам Гуреевой Е. А. и Шашкиной Т.В. - за советы и помощь.
Пространственное распределение радона в атмосферном воздухе, эманирование 222Rn из пород и концентрация радона в воде
Почва под зданием является одним из основных источников поступления радона в воздух помещений. В зависимости от степени потенциальной радоопасно-сти территории и типа здания, вклад в общее поступление радона в здание от этого источника может превышать 90%.
Накапливающийся в грунте свободный радон приобретает возможность миграции в системе сообщающихся между собой пор и трещин от источника земной поверхности. Согласно [33], перемещению эманации радона в вертикальном направлении способствуют в той или иной мере следующие процессы:
- диффузия за счет градиента концентрации радиоактивного газа;
- эффузия за счет градиента давления в земной коре;
- тепложидкостная конвекция, обусловленная градиентом температуры;
- газоподъемная сила в пористой среде при заполнении пор водой;
- турбулентные эффекты в почвенном воздухе при изменении внешних условий-ветра, барометрического давления, температуры.
Радон высвобождается из земной коры повсеместно, но его концентрация в
наружном воздухе существенно различается для разных точек земного шара (см. табл. 1.5) [1]. Поступление радона из почвы определяется следующими основными факторами:
- плотность потока радона с поверхности почвы;
- объемная активность радона в почвенном воздухе на глубине 0, 5-1, 0 м от поверхности;
- объемная активность радона в воздухе подвалов или первых этажей зданий, расположенных на территории или на прилегающих участках;
геолого-геофизические характеристики территории.
Пространственное распределение Rn в атмосферном воздухе на территориях России показано на рис. 1.3 и в табл. 1.6 [34-38]. Его можно объяснить при рас-смотрении содержания U в почвах и условиях эксхаляции радона из почвы. В
Кроме того, даны почвенные и климатические характеристики, влияющие на газообмен между почвой и атмосферой. Из табл. 1.6 следует, что в распределении 238U и 222Rn существует четкая связь, возрастание средних концентраций радона идет от северных районов к южным более быстро. Поэтому диапазон пространственных изменений существенно меняется: концентрации 222Rn от первой области к пятой увеличивается в 50 раз, а содержание 238U - только в 3,5 раза. На-блюдающиеся концентрации Rn обусловлены двумя источниками: эксхаляцией Rn в месте измерения и его поступлением с соседних территорий. Поэтому суммарное поступление радона ориентировочно рассчитывается по формуле
C = C,qU + C2, (1.1)
где С - средняя концентрация радона в области; Сі - концентрация радона, создаваемая единичным содержанием
238U в почве; qU - содержание урана в почве;
Сг - концентрация радона, обусловленная поступлением 222Rn с соседних территорий. Значения Сі и Сг, коэффициенты корреляции 8 и отношение Сг/С приведены в табл. 1.7 [36-38].
Концентрация радона в помещениях, построенных из различных строительных материалов
Концентрация радона в атмосферном воздухе всегда ниже, чем в помещениях; она увеличивается с севера на юг. Пензенская область находится в IV зоне (см. рис. 1.3) с характерной концентрацией радона от 3,5 до 7,4 Бк/м3.
На концентрацию радона в атмосферном воздухе наибольшее влияние оказывают показатели радоновыделения с поверхностей почв, а это влияет на его концентрацию в помещениях, особенно в одноэтажных зданиях и первых этажах многоэтажных сооружений. Как показали наши исследования [126, 128], в зданиях, построенных из одинаковых материалов, концентрация радона возрастает с увеличением его содержания в атмосферном воздухе и со снижением этажности зданий. Это связано с тем, что почва является основным источником эксхаляции радона, а приземный атмосферный воздух - средним звеном, генерирующим этот газ в помещения.
Следует подчеркнуть, что интенсивность потока радона с атмосферным воздухом в помещения очень низкая и по сравнению с эксхаляцией из почвы составляет ниже в десятки раз (см. гл.1, и табл. 2.3).
Наибольшее облучение, обусловленное радоном, население получает, находясь в помещениях (см. гл. 1 раздел 1.4). На концентрацию радона в помещениях влияет ряд факторов: поступление радона от различных внешних источников, эксхаляции газа из строительных материалов, время года, назначение помещений, этажность и др. В зависимости от этих факторов ОА радона может претерпевать существенные изменения, что приводит к различным уровням облучения населения.
Исходя из данных табл. 2.5 можно судить о возможном поступлении радона в помещения из почвы под зданием и с воздушными потоками из атмосферы (см. ниже). В табл. 2.6 приведены скорости поступления радона из основных строительных материалов, используемых в конструкциях зданий и сооружений Пензенской области.
Из этой таблицы видно, что основные строительные материалы выделяют относительно небольшое количество радона.
Максимальная концентрация радона наблюдается в подвалах, помещениях первых этажей и одноэтажных зданиях. Нами выполнено более 150 исследований ЭРОА радона в межэтажных проемах между подвалами и первыми этажами, а также полуподвальных помещениях, где зарегистрированы значения от 230 до 280 Бк/м3 (см. Приложение 5). Результаты исследований концентраций радона для первых этажей зданий, построенных из различных строительных материалов, приведены в табл. 2.7. Следует подчеркнуть, что материалы зданий (кроме деревянных строений) оказывают влияние на ЭРОА радона в помещении только с плоскости одной стены или двух плоскостей (при угловом расположении) помещения.
Изменения средних значений ЭРОА радона для разных этажей зданий, построенных из различных строительных материалов, показаны на рис.2.3. Данные приведены по измерениям в зимний период, когда концентрация радона в помещениях достигает максимальных значений. Интенсивность потока радона с атмосферным воздухом низкая и составляет десятые доли от поступления газа из почв и подвалов. Таблица 2.7 Показатели ЭРОА радона в помещениях первых этажей жилого фонда г.
В подтверждении этому выводу нами проведены исследования в разных районах Пензенской области и в разное время года (на вторых-четвертых этажах) скорости поступления радона вместе с воздушными потоками в помещения (см. табл. 2.8). В исследованиях контролировались потоки только внутрь помещения # (см. Приложение 6). Из таблицы видно, что поступление радона в помещение с воздушными потоками (через форточки) незначительны по сравнению с показателями эксхаляции радона из подвалов на первые этажи зданий. Из этого рисунка видно, что во всех исследованных зданиях концентрация радона заметно снижается от третьего этажа и выше, а в помещениях верхних этажей существенно не изменяется, либо постоянна. Это связано с тем, что, начиная с третьего этажа практически полностью устраняется вклад эксхаляции радона из почвы под зданием в суммарную ОА радона из-за перекрытий и межэтажных закрываемых проходов.
Подбор строительных материалов с учетом эффективной удельной активности радия
Поступление радона в помещения от строительных материалов обусловлено их эманированием (см. главу 1). Скорость поступления эманации из строительных материалов зависит от произведения удельной активности радия на коэффициент эманирования радона (эффективной удельной активности радия).
Эффективная удельная активность радия в процессе переработки строительного сырья в стройматериалы, претерпевает существенные изменения [3, 17]. Поэтому была поставлена задача, исследовать значения эффективной удельной активности радия, как для строительного сырья, так и для строительных материалов, производимых и используемых в Пензенской области. До наших исследований подобные данные отсутствовали. Необходимо учитывать особенности месторождений горных пород (по удельной активности радия), особенности технологии производства строительных материалов и др. факторы, влияющие в конечном итоге на концентрацию радона в помещениях [101-103, 125-128].
В таблице 2.3 приведены результаты измерений и расчетов ARa и ц строительного сырья, используемого для производства строительных материалов. Данные этой таблицы необходимо учитывать как для анализа возможной эффективной удельной активности радия в материале, изготовленного из конкретного сырья, так и для оценки уровня облучения производственного персонала радоном, в период хранения и переработки сырья.
Как видно из табл. 2.3 ARa эфф имеют довольно большой разброс значений даже для одного и того же строительного сырья. Это связано с рядом различных факторов: геологический возраст породы, физико-механический состав и др. (см. главу 2). Для производителей строительных материалов составлена карта карьеров строительного сырья с указанием значений ARa эфф (см. рис. 2.2). Пользуясь данной картой, производитель может подбирать строительное сырье, с учетом возможного поступления радона в помещения из готовых материалов и облучения радоном производственного персонала в технологическом цикле (например, глина и известняк Иссинского месторождения имеет ARa эфф, соответственно, 182,6 Бк/кг и 155,4 Бк/кг, а такие материалы соседнего Мокшанского месторождения - 179,3 Бк/кг и 156,3 Бк/кг, оба материала применяются для производства керамического и силикатного кирпича, применение материалов Мокшанского месторождения приведет к меньшему уровню облучения производственного персонала, а при одинаковых условиях производства и к меньшим показателям ARa эфф конечного продукта.
Одинаковые строительные материалы могут обладать различными показателями по эффективной удельной активности радия. Наибольшей эффективной удельной активностью радия обладают гранитный щебень, некоторые глины, а также ряд отходов промышленности, используемых в производстве стройматериалов.
В процессе переработки строительного сырья в материалы происходит изменение их радоновыделения (например, при переработки глины в керамический кирпич) [3, 17]. При тепловой обработке строительных материалов (бетон, силикатный кирпич и др.) происходит увеличение ARa Эфф на 15-20 %. Это объясняется связыванием воды (для которой т на 10-20 % выше, чем для воздуха в новообразованиях).
Значительная группа строительных материалов и изделий производится путем обжига, спекания или плавления минерального сырья природного (например: глина) или техногенного (например: шлаки) происхождения. При термической обработке горных пород в них происходит ряд фазовых превращений. Проведенные исследования показали, что изменение радоновыделения обусловлено процессами преобразования кристаллических решеток минералов, составляющих материал. Результатом обжига является получение материала с заданной структурой и свойствами. На микроуровне влияние температуры сводится к уплотнению или «разрыхлению» кристаллической структуры. В первом случае происходит процесс кристаллизации решетки (производство портландцемента, керамических изделий и т.д.), ведущий к уменьшению радоновыделения. Во втором - происходит образование «рыхлой» структуры материала (получение воздушных вяжущих) с большей величиной радоновыделения [133].
Таким образом, снижение радоновыделения строительных материалов может быть достигнуто не только за счет использования в строительстве материалов с низким содержанием радия, но и за счет регулирования температурного режима в производстве (не изменяя качества материалов). Радон и его ДПР являются основными источниками облучения людей от ЕРН материалов, подвергшихся обжигу до температуры 900 С. Повышение температуры обжига сырья в пределах до 1400 С приводит к значительному снижению rj, ARa ЭФФ» и, как следствие, к снижению дозы обручения людей.
При подборе строительного сырья и материалов для строительства зданий и сооружений, с учетом AR3 эфф, можно регулировать поступление радона в помещения от материалов здания. Особенно это касается участков, отведенных под строительство II и III класса радоноопасности.
Поступление радона в помещениях в значительной мере зависит от использования отделочных материалов [2, 16, 133-135]. Практически все отделочные материалы снижают радоновыделение из строительных материалов. Однако показатели снижения поступления радона при использовании различных видов отделочных материалов существенно отличаются.
