Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Радиационная безопасность минерального сырья 10
1.1. Природные источники ионизирующего излучения 10
1.2. Радиоактивные изотопы минерального сырья 13
1.2.1. Естественные радионуклиды в минеральном сырье 13
1.2.2. Происхождение и классификация минерального сырья 18
1.2.3. Концентрация радионуклидов в минеральном сырье 23
1.3. Радон - источник радиационной опасности 29
1.3.1. Механизмы и пути поступления радона в среду обитания человека 29
1.3.2. Количественные характеристики выделения радона из строительных материалов 36
Выв оды 38
Глава 2. Объекты и методы исследования 39
2.1. Характеристики и свойства минерального сырья и строительных материалов 39
2.2. Методы исследований 43
2.3. Математическая обработка 50
Выводы 51
Глава 3. Радиоактивность минерального сырья и строительных материалов 52
3.1. Радиоактивность минерального сырья 52
3.2. Радиоактивность портландцемента 56
3.3. Радиоактивность керамзитового гравия 61
3.4. Влияние механо-, термоактивации минерального сырья на его радиоактивность 66
3.5. Регулирование активности радионуклидов кварцевого песка и плагиогранита промывкой их водой и декантацией 70
3.6. Радиационный мониторинг производства бетонов 72
3.7. Технико-экономическое обоснование решения о применении бетона с пониженной эффективной удельной активностью естественных радионуклидов 78
Выводы 81
Глава 4. Влияние структурно-технологических факторов на эманирующую способность радона из минерального сырья 83
4.1. Эманирование радона при механоактивации минерального сырья 84
4.2. Оценка и анализ значений эманирующей способности и коэффициента эманирования радона минерального сырья при термоактивации 90
4.2.1. Эманирующая способность кварцевого песка 90
4.2.2. Эманирующая способность плагиогнанита 94
4.2.3. Эманирующая способность портландцемента 105
4.3. Эманирующая способность радона в бетоне 106
Выводы 109
Глава 5. Математическое моделирование поступления радона в помещения при производстве строительных материалов и конструкций 111
5.1.1. Физические основы образования и выделения радона 111
5.1.2. Внутреннее эманирование в поровое пространство 117
5.2. Моделирование выделения радона из плоских слоев и плоских строительных конструкций 123
5.3. Моделирование диффузионного выделения радона из зерен минерального сырья 134
5.4. Моделирование выделения радона сыпучим минеральным сырьем 140
5.5. Моделирование радонового фона помещений 150
Выводы 154
Общие выводы 156
Список литературы 158
Приложение 169
- Природные источники ионизирующего излучения
- Радиоактивность минерального сырья
- Эманирование радона при механоактивации минерального сырья
- Физические основы образования и выделения радона
Введение к работе
Расчеты показывают, что около 80% времени населения страны находятся внутри помещений. Это объясняет большую дозу облучения (до 65%) населения радиационным излучением естественными радионуклидов (ЕРН), содержащихся в строительных материалах, изделиях и конструкциях. Становится очевидна актуальность ограничения облучения людей природными источниками ионизирующего излучения путем снижения радиационного уровня минерального сырья, используемого при изготовлении строительных материалов. Следовательно, вопрос получения экологически безопасных строительных материалов остается открытым.
При строительстве зданий и реконструкции жилых и общественных зданий необходимо выбирать строительные материалы, руководствуясь «Нормами радиационной безопасности. НРБ-99».
Долгоживущие естественные радиоактивные элементы (40К, 226Ra, 232Th, 234-238и и др.) и их короткоживущие дочерние радионуклиды доминируют в среде обитания человека. В частности, «-радиоактивный газ радон ( Rn) и дочерние аэрозольные продукты его распада ответственны за более, чем половину дозы естественного, природного облучения человека. В настоящее время эта годовая доза облучения населения в среднем составляет 2,4мЗв (240мбэр), в том числе внутреннего облучения радоном 1,5мЗв (150мбэр).
Для обеспечения радоновой безопасности необходимы уточненные методы расчета радиоактивности воздушной среды, которые могут быть созданы на основе физико-математических моделей процессов выделения радона и его поступления в помещение.
Недостаточно изучены диффузионные процессы эманации радона из минерального сырья, используемого в производстве строительных бетонов.
Отсутствуют экспериментальные данные эманации радона из минерального сырья при механо- и термоактивации .
Требуется проведение дополнительных расчетных и экспериментальных исследований зернограничной диффузии радона в минеральном сырье, предназначенного для производства бетона и анализа применимости феноменологических моделей диффузии радона и коэффициента эманирования по границам зерен, скорости поверхностной эксхаляции из плоского пористого материала и многослойных строительных конструкций.
Вышеизложенное свидетельствует об актуальности темы исследований, направленных на решение проблемы обеспечения радиационной безопасности населения.
Диссертационная работа выполнялась в рамках госбюджетной НИР «Разработка научных аспектов получения новых экологически безопасных строительных материалов с использованием попутно добываемого минерального сырья бассейна КМА» (№гос.рег. 1.1.04Ф) и в рамках межотраслевой целевой Федеральной Программы (МУП) «Энергетика - А- 2015» «Разработка высокоэффективных, пожаробезопасных, малоактивируемых материалов радиационной защиты».
Цель работы. Исследование эманирующей способности минерального сырья при его механо-термоактивации и моделирование диффузионно-контролируемых процессов на границах зерен минеральных силикатных фаз и монолитного бетона.
Указанная цель достигается путем решения следующих основных задач: - исследовать распределение содержания естественных радионуклидов в минеральном сырье при изготовлении бетона; - установить влияние механо-термоактивации на эманирующую способность минерального сырья, и выявить зависимость эманирования
7 радона от дефектности структуры материалов; - разработать математическую модель поступления радона в помещении при производстве строительных материалов и конструкций; - разработка методологии формирования математических моделей эманирования радона из межзернового пространства минеральных фаз, плоского пористого материала и многослойных строительных конструкций; - определение влияния структурно-фазовых и полиморфных превращений в минеральных фазах при термообработке на их эманирующую способность радона.
Научная новизна работы. Установлено, что термоактивация минерального сырья (кварца, плагиогранита) в результате структурно-фазового превращений в кристаллических решетках повышает эманирующюю способность минеральных фаз. Максимальная объемная активность радона наблюдается в области эндотермических эффектов на кривых дифференциально-термического анализа исследованных минеральных фаз.
Установлено, что дефектность структуры (микро- и макротрещины), образовавшаяся в процессе механоактивации минерального сырья, приводит к возрастанию коэффициента эманирования и эманирующей способности радона. Показана взаимосвязь эманации радона со структурно-механическими дефектами (макро- и микротрещины), образованными при термоактивации компонентов бетона.
Разработаны методологические подходы к построению математических моделей эманации радона из межзернового пространства высокодисперсных материалов (кварц, портландцемент, гипс, глина, гравий, щебень), плоского пористого материала и многослойной строительной конструкции.
Практическая ценность работы. Проведена радиационно-экологическая оценка минерального сырья и строительных материалов при производстве бетона. Установлены ряды радиоактивности минерального сырья и строительных материалов.
Составлен банк данных по радиоактивности минерального сырья и материалов, используемых при изготовлении бетонов в Белгородской области.
Разработаны способы снижения радиоактивности минерального сырья, строительных материалов и бетона.
Показано, что радиоактивность бетона можно оценить с допустимой погрешностью, имея данные о радиационной нагрузке, применяемых в производстве компонентов бетонной смеси. Снижение радиоактивности бетона возможно при применении обогащенного минерального сырья, с установленной дисперсностью.
Предложены математические модели, позволяющие осуществлять прогнозирование радонового фона производственных помещений.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы были представлены на Всероссийских научно-технических конференциях «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика» (Самара, 2005г.), «Молодые исследователи - регионам» (Вологда, 2005г.); научной конференции: «Ломоносовские чтения», секция «Физика» (Москва, 2005г.); XV Международном совещании: «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь, 2005г.); Международных научно-практических конференциях: «Строительство — 2005» (Ростов-на-Дону,2005г.), «Проблемы экологии: наука, промышленность, образование» (Белгород, 2006г.); «Радиационная безопасность» (Санкт - Петербург, 2006г.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 10 печатных работах, включая 4 статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК.
9 Структура диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов и приложения. Работа изложена на 168 страницах машинописного текста, включающего 30 табл., 38 рис. и 132 наименований литературных источников и приложения.
Природные источники ионизирующего излучения
Весь мир подвергается воздействию ионизирующих излучений природных источников космического и земного происхождения и искусственных радионуклидов, ионизировавших среду в результате деятельности человека. Для оценки ущерба от ионизирующего излучения на живые организмы необходимо иметь количественную информацию об уровне радиационного фона биосферы.
Радиационный фон Земли складывается из трех компонентов: - естественный фон; - техногенный фон от естественных радионуклидов; - искусственный.
Естественный радиационный фон ионизирующего излучения обусловлен космическим излучением (вспышки на Солнце, взрывы в Галактике) и излучением естественно распределенных природных радиоактивных веществ (радионуклиды, в том числе семейства урана и тория). Таким образом, естественный природный радиационный фон обуславливается: - внешним внеземным облучением - за счет воздействия космических лучей первичного и вторичного излучения; - внешним земным облучением - за счет естественных радионуклидов, присутствующих в атмосфере, земной коре, воде; - внутренним облучением - воздействие естественных радионуклидов, находящихся в организме. Внутреннее облучение создает примерно 40% естественного радиационного фона, около 60% приходится на внешнее облучение [63].
Доза естественного фона зависит от таких факторов, как высота над уровнем моря, количество и вид радионуклидов в минеральном сырье и почве, количество радионуклидов, которые поступают в организм человека с воздухом, пищей и водой. Мощность дозы от естественного фона на Земле составляет 4 - 12мкР/ч. Годовая доза облучения колеблется в пределах от 30 до 100 мбэр. На Земле имеются 5 районов (Египет, Франция, Бразилия, Индия, остров Нидэ), где естественный радиационный фон значительно превышает эти показатели [35].
Кроме естественного природного радиационного фона, выделяют технологически измененный естественный радиационный фон — техногенный фон. Впервые данный термин использован в 1975г. американскими специалистами [123].
Техногенный фон определяется как излучение от природных источников ионизирующего излучения (естественных радионуклидов и космического излучения), которое возникает в результате деятельности человека. Причинами изменения человеком естественного радиационного фона биосферы могут являться, например, добыча полезных ископаемых, использование строительных материалов минерального происхождения для строительства помещений, содержащих естественные радионуклиды, и т.д.
Искусственный радиационный фон - излучения от искусственных радионуклидов, образующихся при ядерных взрывах, использующихся в медицине, науке, технике, поступающих в окружающую среду с отходами ядерной энергетики, авариями на АЭС.
Средняя эффективная эквивалентная доза, обусловленная природными источниками, около 2/3 дозы, что составляет 60 - 90% от всех источников ионизирующего излучения, воздействующих в настоящее время на человека [25, 42, 47, 48, 50, 91, 128]. Минеральное сырье образовалось в результате геологических и космологических процессов происходивших в недрах и на поверхности Земли.
Радиоактивность минерального сырья определена естественным радиационным фоном. В состав минерального сырья входят преимущественно долгоживущие (т.е. имеющие очень большие периоды полураспада) естественные радионуклиды, принадлежащие к семействам урана-238 (238U), калия-40 (40К) и тория-232 (232Th) [46, 50, 71, 78]. Естественные радионуклиды в результате производственной деятельности человека с разнообразными видами минерального сырья извлекаются из недр и поступают в. биосферу. Радиоактивное излучение от естественных радионуклидов, создавая суммарную дозу облучения, приводит с течением времени к возникновению генетических и раковых заболеваний у людей [4, 11, 45, 67, 68, 82, 106, 109, 121, 122, 127, 130].
Источниками дополнительного облучения населения земного шара являются ионизирующие излучения от искусственных радионуклидов, образовавшихся, вследствие, испытания ядерного оружия, локальных, тропосферных и стратосферных радиоактивных осадков, выпавших на поверхность Земли, работы предприятий ядерного топливного цикла.
Радиоактивность минерального сырья
Банк данных по распределения радионуклидов в минеральном сырье необходим для оценки экологической и радиационной безопасности при производстве бетонов и последующей их эксплуатации [9,13,14,62, 66,90,94, 95,110, 111,116].
В настоящее время в строительстве используют различные виды бетона. В Белгородской области изготавливают тяжёлые и облегченные бетоны с плотностью 2100-2500 кг/ м3 и 1600-2000 кг/м3 , соответственно, на плотных заполнителях: гранит, известняк, щебень, легкие бетоны - на пористых заполнителях: керамзит. В состав бетонов, как известно, входит и кварцевый песок.
Для установления факторов, влияющих на содержание ЕРН в бетоне, проведены комплексные исследования минерального сырья. Кварцевый песок. Вклад радиоизотопов в общую эффективную удельную активность кварцевого песка различных фракций отображен в табл.3.1.
Анализ результатов исследования показал, что пески обладают низкой радиоактивностью. Исследованный кварцевый песок соответствует I классу радиационной безопасности. Результаты исследований позволили установить ряды радиоактивности песков: по эффективная удельная активность:
Велико-Михайловское Волоконовское Лебединское Нижне-Олыианское Стойленское Дмитреевское Дуровское Губкинское Песчанское Чернянское Козинское Вейделевское; по удельной активности радионуклида 22 Ra, Бк/кг: Нижне-Олынанское Велико - Михайловское Стойленское Лебединское Волоконовское Губкинское Чернянское Дмитреевское Дуровское Козинское Песчанское Вейделевское; по удельной активности радионуклида 4 К, Бк/кг:
Велико-Михайловское Лебединское Волоконовское Дуровское Вейделевское Нижне-Олыпанское Чернянское Стойленское Песчанское Дмитреевское Козинское Губкинское; по удельной активности радионуклида Th, Бк/кг:
Велико-Михайловское Волоконовское Дмитреевское Лебединское Чернянское Дуровское Губкинское Песчанское Стойленское Козинское Нижне-Олынанское Вейделевское.
Природный камень.
Анализ литературных источников показал, что наибольшей радиоактивностью обладают кислые магматические изверженные породы — природные камни (граниты).
Для исследований выбраны попутно добываемые и широко используемые в стройиндустрии Белгородской области граниты Яковлевского подземного рудника железных руд, сланцы Стойленского и Лебединского ГОКов, Шемраевской скважины, а также Кременчугский гранит (Украина).
В табл. 3.2 приведены данные по радиоактивности природного камня в зависимости от гранулометрического состава при его дроблении.
Наблюдается тенденция повышения радиоактивности природного камня при увеличении размеров его зерен. Активность радионуклидов и Th в зависимости от гранулометрического состава носит экстремальный характер. Активность радионуклидов 226Ra достигает максимального значения для наиболее крупной фракции гранита. Активность радионуклидов возрастает в ряду фракций (1 - Змм) (3 - 6мм) (6 - 8мм), а на более крупных фракциях гранита заметно снижается.
Эманирование радона при механоактивации минерального сырья
Атомы радона, образующиеся в минералах при распаде радия, находятся в междуузлиях кристаллической решетки основного вещества. Дефектность структуры (микро- и макротрещины), образовавшаяся в процессе переработки минерального сырья, и приводит к диффузии радиоактивного газа в направлении его пониженной концентрации, т.е. в окружающую газовую среду. Для оценки влияния структурно-механических факторов на эманацию радона исследована поверхность плагиогранита до и после его измельчения. Дефектность структуры гранита исследовали на сканирующем зондовом микроскопе (класс атомно-силовых микроскопов) Stand Alone "Smena" (с программой статистики) до и после механического воздействия.
На рис.4.1 (а) показана поверхность плагиогранита, исследованная на сканирующем зондовом микроскопе. На рис.4.1(6) представлена топография поверхности плагиогранита до механообработки, для более детального рассмотрения. По фотографии видно, что структура поверхности практически без дефектов и имеет структуру близкую к зеркальной. Результаты программного вычисления (рис.4.1 (в)) показали, что поверхность гранита имеет низкий коэффициент шероховатости Ra =36,184 нм при коэффициенте перепада поверхности RMax= 715нм.
На рис.4.2 представлена топография поверхности плагиогранита после механообработки, исследованная на сканирующем зондовом микроскопе с сечение хода зонда на 35мк. На фотографиях поверхности плагиогранита (рис.4.2. (а) и рис.4.2. (б)) видны изменения структуры поверхности. На профилограмме (рис.4.2. (в)) поверхности заметны первоначальные небольшие всплески и провалы хода зонда сканирующего микроскопа, что говорит о незначительных ее повреждениях. Как показала статистика вычислений (рис.4.2. (г)) поверхность гранита имеет низкий коэффициент
Исследование поверхности плагиогранита после механообработки шероховатости Ra =35,867 нм при не высоком коэффициенте перепада поверхности RMax = 392нм.
Механические повреждения поверхности видны и на фотографиях сделанных при помощи оптического микроскопа «Полам Р 312» (увеличение в 200раз), цифровой фотокамеры «Olympus С 3040» и анализатора изображения «Видео Тест», (рис.4.3).
Объемная активность радона из материала плагиогранита возрастает при механоактивации. В табл.4.1 показаны результаты исследования минерального сырья и строительных материалов, используемых при производстве бетона в зависимости от дисперсности сырья.
Объемная активность радона наиболее высокая проявляется в гранитном минеральном сырье, что является результатом более высокого содержания в нем радионуклида Ra. Для кварцевого песка и керамзитового гравия она возрастает в наиболее мелких фракциях.
Объемная активность радона наиболее высокая проявляется в гранитном минеральном сырье, что является результатом более высокого содержания в нем радионуклида 226Ra. Для кварцевого песка и керамзитового гравия она возрастает в наиболее мелких фракциях.
Объемная активность радона исследованного сырья может быть представлена в ряду активности: портландцемент керамзитовый гравий песок кварцевый щебень гранитный.
Эманирующая способность радона определяется произведением удельной активности радия на коэффициент эманирования радона (табл.4.2). Коэффициент эманирования радона для бетона зависит от условий образования породы и от его структуры [74]. Исследуемые материалы по коэффициенту эманирования могут быть представлены в ряду последовательности: портландцемент щебень гранитный керамзитовый гравий кварцевый песок.
Эманирующая способность радона, исследуемого сырья изменяется в ряду: портландцемент кварцевый песок керамзитовый гравий плагиогранит.
Коэффициент эманирования и эманирующая способность радона материалов меняются при измельчении и фракционировании сырья (табл. 4.3).
Для исследований выбран кварцевый песок. Песок имеет структуру каркасного типа, при упаковке он представляет собой «рыхлые», «ажурные » сетки, по пустотам которых беспрепятственно мигрирует радон [34].
При уменьшении удельной поверхности кварцевого песка с 215 м2/кг до 37 м7кг коэффициент эманирования радона снижается в 2,5 раза [56]. Эманирующая способность радона уменьшается при увеличении размера зерен кварцевого песка.
Физические основы образования и выделения радона
Интенсивность радиоактивного распада определяется свойствами атомных ядер и практически не зависит от физических и химических условий внешней среды. Установлено, что число ядер радиоактивного элемента dN, распавшихся за промежуток времени (t, t+dt), пропорционально числу ядер, существовавших к моменту времени t, и длительности промежутка времени dt: dN = -ANdt, (1) где Л - постоянная распада, характеризующая вероятность распада одного атома за единицу времени. Интегрируя уравнение (1) с начальным условием N(0)=No, получим закон радиоактивного распада: N = N0e;j (2)
Постоянная X имеет размерность обратную размерности времени. Величина dN, определяемая соотношением (1), представляет собой также число атомов с продолжительностью жизни, равной /. Период полураспада радия составляет 1540 лет (/1Ла=1,43 10"ис ) Периоды полураспада радона равен 3,825 суток (Лд„= 2,110" с ), торона -54,5с, а актинона - 3,92с, поэтому с точки зрения радиационной опасности наиболее значим радон, в меньшей степени — торон и очень малое влияние оказывает актинон.
Радон присутствует в воздухе, воде, почве, горных породах и минералах. При нормальных условиях радон — газ, состоящий из одноатомных молекул. Несмотря на свою химическую инертность, радон является одним из наиболее токсичных и опасных ядов. Его плотность — 9,73 кг/м3, содержание радона в атмосферном воздухе составляет 710"6 г на "З п 1м ( 1 атом на 1см ).
Рассмотрим теперь закон накопления радона в результате распада радия в каком-нибудь замкнутом объеме. Пусть N; uN2 — числа атомов радия и радона, а Л], л2 - их постоянные распада. При этом Я\ 1Яі=Я2 N2, т.е. устанавливается динамическое равновесие, т.е. при котором число распавшихся атомов радона равно числу атомов радона, образующихся в результате распада радия. В этом состоянии количество атомов радия практически не меняется (Ni(t) Noi), т.е. радий служит постоянным источником радона. В равновесном состоянии 1 кг радия выделяет в сутки около 1см радона. Содержание радия в породах и минералах колеблется в широких пределах и в среднем составляет 10" массовых долей.
Рассмотрим дальше процесс распада радия в ограниченном объеме (куске, частице) материала, соприкасающемся с воздухом. В этом случае необходимо учитывать выделение атомов эманации в воздушную среду, которое может происходить двумя способами: - в результате радиоактивной отдачи, - путем диффузии.
Количественной характеристикой выделения радиоактивных инертных газов является коэффициент эманирования кэ, равный отношению числа атомов эманации N2e, выделившихся из частицы за единицу времени к числу атомов эманации N2, образовавшихся в частице за то же время:
Для построения математической модели процесса эманирования примем следующие допущения [75]: - материнские изотопы радия равномерно распределены по всему объему куска (частицы) материала; интенсивность образования атомов эманации соответствует равновесному состоянию радиоактивного распада; - вероятность перемещения атомов радона за счет энергии отдачи одинаковы по всем направлениям; - коэффициент диффузии радона не зависит от их концентрации и пространственных координат. Рассмотрим сначала выделение атомов радона за счет энергии отдачи, получаемой ими в результате распада атомов изотопов радия.
Пусть величина свободного пробега атомов отдачи равна /. Тогда атомы эманации могут выделяться за счет отдачи только из прилегающего к поверхности частицы слоя толщиной /.
Вероятность Р покинуть частицу для атомов радона, образующихся в слое, зависит от формы частицы, ее структуры, а также расстояния г от центра частицы, (R-l r R, где R- радиус частицы). Эта вероятность равна отношению объема шарового сектора к объему шара с радиусом /: P(r) = l2h/ l3 = h/2l, (10) где h- высота шарового сектора, вмещающего в себя все направления, по которым возможен вылет атома радона из частицы за счет отдачи (рис.5.1). Высота шарового сектора определяется соотношением: h = r + l-y, (11) где у- ордината точки М, принадлежащей поверхности частицы и находящейся от точки образования атома отдачи N на расстоянии /.
Похожие диссертации на Повышение качества бетона за счет снижения радиоактивности и эманирующей способности радона
