Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 . Процессы переноса радона в пористых средах. 14
1. Моделирование процессов переноса радона в почвах и грунтах. 14
1.1. Анализ существующих моделей. 15
1.2. Метод оценки скорости конвекции радона в грунтах. 23
2. Процессы переноса радона в неоднородных пористых средах. 27
2.1. Диффузионно-конвективная модель переноса радона с двумя эманирующими слоями. 27
2.2. Применение двухслойной модели для решения задач радиоэкологии и геофизики. 28
3. Моделирование переноса радона в строительных конструкциях. 35
3.1. Эманирующая способность строительных материалов. 36
3.2. Оценка плотности потока радона с поверхности несущих конструкционных элементов зданий. 42
4. Выводы. 43
ГЛАВА 2. Критерии радоноопасности территорий и их анализ. 45
1. Удельная активность 226Ra в почвах и грунтах. 46
1.1. Методика измерения удельной активности Ra в грунтах. 47
1.2. Картирование территорий по содержанию Ra в поверхностных грунтах. 50
2. Объемная активность радона в почвенном воздухе . 55
2.1. Пространственная и временная изменчивость объемной активности радона в грунтах. 56
2.2. Метод измерения установившейся равновесной объемной активности радона в почвенном воздухе. 62
3. Плотность потока радона с поверхности земли. 66
3 .1. Проблемы достоверности измерений плотности потока радона с поверхности земли. 66
3.2. Метод оценки плотности потока радона по измеренной
поровой активности. 68
3.3. Влияние состояния атмосферы на потоки радона в грунте. 74
4. Выводы. 76
ГЛАВА 3. Процессы переноса радона в атмосфере зданий . 77
1. Моделирование объемной активности радона в воздухе помещений. 78
1.1. Источники поступления радона внутрь зданий. 78
1.2. Оценка вклада различных источников радона в атмосферу жилых помещений. 80
2. Методы измерения уровней радона в воздухе помещений. 86
2.1. Анализ погрешностей при измерении объемной активности радона мгновенными методами. 87
2.2. Интегральные методы измерения объемной активности радона. 94
3. Закономерности распределения уровней радона в зданиях. 95
3.1. Факторы, влияющие на формирование уровней радона внутри зданий. 96
3.2. Роль фактора этажности при радиационно-гигиенической оценке жилых зданий. 103
4. Выводы. 111
Заключение 113
Список литературы 116
- Процессы переноса радона в неоднородных пористых средах.
- Моделирование переноса радона в строительных конструкциях.
- Объемная активность радона в почвенном воздухе
- Плотность потока радона с поверхности земли.
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ.
Облучение населения при вдыхании радона и короткоживущих продуктов его распада может наносить ощутимый вред здоровью. В настоящее время принято считать, что на радон и продукты его распада приходится 80% дозы облучения, получаемой населением планеты за год от всех природных источников радиации 1X1. По оценкам экспертов международной комиссии по радиологической защите (МКРЗ) и других организаций здравоохранения /2-5/ риск смертности от рака легкого за счет радона и продуктов его распада, содержащихся в атмосфере зданий, составляет 10-14 % от общего числа случаев. Детальные исследования содержания радона внутри зданий начались с 1988 г в США, Германии, Швеции, Великобритании, Финляндии и других странах. В результате был выявлен чрезвычайно широкий диапазон эквивалентных равновесных концентраций радона в различных зданиях - от 4 Бк/м3 до 5000 Бк/м31X1.
В России в 1994 году Правительство Российской Федерации приняло Федеральную целевую программу снижения уровней облучения населения России и производственного персонала от природных источников ионизирующего излучения (программа «Радон»). В 1996 году приняты Федеральный закон «О радиационной безопасности населения» и Нормы радиационной безопасности НРБ-96 /61. В этот период начались активные радоновые обследования в отдельных регионах РФ. В настоящее время из-за отсутствия финансирования для многих регионов все еще открыта проблема радона.
Вопросы, связанные с выяснением причин, обуславливающих повышенное облучение за счет радона и дочерних продуктов его распада (ДПР), а также оценками дозовых нагрузок, занимают одно из центральных мест в радиационной защите населения. Решение этих вопросов требует знания источников и механизмов поступления радона внутрь помещений, функций распределения объемной активности радона и продуктов его распада в окружающих человека средах.
Одной из первостепенных задач по ограничению облучения населения от радона является выявление потенциально радоноопасных территорий и зданий, которое осуществляют на основе прогнозных оценок поступления и накопления радона внутри зданий /1, 7-Ю/. Это способствует активному развитию методов математического моделирования процессов переноса радона и его ДПР в различных средах (почвах и грунтах, приземном слое атмосферы, конструкционных элементах зданий, воздухе помещений). На основе моделей производят прогнозные оценки, находящие свое приложение в различных областях, например, в строительстве для введения поправок к существующим нормам и правилам, в геофизике при поиске урансодержащих руд.
СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ.
Атмосфера помещений представляет собой сложную неравновесную систему с постоянным перераспределением концентрации радона, вызванным как диффузией радона, так и воздействием внешних сил. Движение воздуха (смесь газов и аэрозольных частиц) внутри помещений турбулентно, вследствие чего его гидродинамические и термодинамические характеристики (скорость, давление, температура, плотность) испытывают хаотические флуктуации и поэтому изменяются от точки к точке нерегулярно. Пространственно-временное распределение этих характеристик представляет собой довольно сложную картину /11-15/. Практический интерес представляет не столько распределение объемной активности (ОА) радона внутри одного помещения, сколько ее распределение по зданиям и внутри зданий. Для оценок дозовых нагрузок обычно используют усредненную характеристику, т.е. среднюю величину объемной активности радона для определенного помещения (или здания в целом) за определенный промежуток времени /6, 9, 16/.
К настоящему времени уже сформировалось представление об источниках и механизмах поступления радона внутрь зданий, о факторах, влияющих на величину объемной активности радона в воздухе помещений. Основными источниками поступления радона внутрь помещений считаются почва, строительные материалы и вода /1, 8, 17-19/. Вклад этих источников в суммарный уровень радона внутри помещений определяется параметрами самих источников и способами поступления радона в здания. Вклад определенного источника радона может отличаться для разных зданий и в целом для регионов в зависимости от многих факторов: геология, климат, конструкционные особенности здания, архитектурные особенности застройки жилых территорий, и др. Наиболее детально возможные факторы, влияющие на уровни радона, описаны в /8, 17, 20-23/.
Как показывают результаты многочисленных исследований /1, 8, 17, 24-27/, распределение уровней радона по зданиям подчиняется логнормальному закону. Средневзвешенная по численности населения земного шара объемная активность радона внутри помещений составляет 37 Бк/м"1 /II. Мгновенные уровни радона в одном и том же помещении могут меняться в течение суток в десятки раз /1, 8/. В работе /28/ наблюдали суточные вариации объемной активности радона внутри помещения до 500 раз. Среднесуточные уровни радона изменяются в течение месяца и года в меньшем диапазоне - в несколько раз /1, 8, 29/. В большинстве работ /1, 7, 30-33/ отмечено, что объемная активность радона следует суточным и сезонным циклическим вариациям с максимумом в предрассветные часы и в зимнее время, минимумом в послеполуденное время и летом. Однако, согласно проведенным в работе /28/ оценкам для 10-20 % зданий можно ожидать отсутствие каких-либо временных закономерностей в изменении ОА радона или иные закономерности.
До сих пор нет ясности в вопросах о распределении радона по этажам здания. В литературе представлены противоречивые данные, которые не позволяют сделать обобщающие выводы, распространяющиеся на все регионы. Так, например, в работах /26, 27, 34/ обнаружена экспоненциальная зависимость ОА радона от уровня этажа, а в работах /8, 35/ - линейная. Внесению ясности в эти вопросы, посвящен один из разделов настоящей работы.
Почва считается наиболее значимым источником поступления радона внутрь зданий, поэтому множество публикаций посвящено исследованию связи геологии с радоном в помещениях. В качестве характеристик геологических особенностей территорий чаще всего используют установленные за рубежом и в РФ /7, 36/ критерии потенциальной радоноопасности территорий: объемную активность радона в почвенном воздухе и плотность потока радона (ПОР) с поверхности земли.
Однако, до сих пор среди специалистов, как в РФ, так и за рубежом, нет единого мнения о надежном критерии потенциальной радоноопасности территорий. Ряд зарубежных специалистов /21, 37/ полагают, что информация о величине ОА радона в почвенном воздухе не является достаточной для того, чтобы достоверно предсказывать ожидаемые уровни радона внутри зданий. Вопросы о надежности установленного в РФ критерия, необходимости уточнения норматива по ППР, указанного в ОСПОРБ-99 /36/, повышения надежности существующих приборов и методов измерения ППР требуют на сегодняшний день своего решения. Решению этих спорных вопросов посвящена глава 2 настоящей работы.
Большая часть исследований /1, 8, 38-60/ посвящена моделированию процессов переноса радона в почвах и грунтах, основанному на представлении о поверхностном слое почвы, как о неравновесной системе.
Наиболее распространенной является диффузионно-конвективная модель. Моделирование диффузионного переноса не представляет особых трудностей в отличие от конвекции. Конвективный перенос отвечает за перемещение радона в вертикальном направлении за счет геотермальных градиентов и градиентов давления в земной коре, газоподъемной силы при заполнении пор водой, сейсмических напряжений, вулканической активности, а также за счет таких процессов взаимодействия в системе «атмосфера-суша», как теплообмен и влагооборот. Учитывая такое многообразие процессов, которые, в принципе, невозможно смоделировать, многие авторы ограничиваются рассмотрением лишь одного из возможных механизмов конвективного переноса, или вообще не учитывают конвективную составляющую. Так, например, в ряде работ /47, 57, 59, 61, 62/ учитывают только процесс фильтрации, т.е. перенос радона за счет градиента давления. Однако здесь возникают сложности с выбором коэффициента газопроницаемости, поскольку для одного типа породы он может меняться на несколько порядков /63/. В главе 1 настоящей работы предложен новый подход к описанию механизмов переноса радона в грунтах, позволяющий избавиться от вышеизложенных трудностей в определении скорости конвекции.
Строительные материалы, как и грунты, являются гетерогенной пористой средой, и к ним применимы те же модели переноса радона, что и в почвах. Сложности при оценках скорости выделения радона с поверхности строительных конструкций в воздух помещений могут возникнуть лишь при отсутствии информации о параметрах используемых строительных материалов.
Итак, уровни радона в почвах и зданиях зависят не только от параметров и характеристик состояния этих сред, но также определяются погодными и климатическими условиями, характеризующими состояние приземного слоя атмосферы. Изменения в состоянии атмосферы вызывают изменения в состояниях почвы и микроклимата помещений. Взаимодействие атмосферы с деятельным слоем играет определенную роль для суточных и годовых колебаний потока тепла и, соответственно, для колебаний температуры воздуха, земной поверхности и почвы /64/. Кратковременные изменения в состоянии приземного слоя атмосферы являются труднопрогнозируемыми и до сих пор недостаточно изучены. Это вызывает дополнительные затруднения при моделировании процессов переноса радона в статистически неравновесных средах, поскольку некоторые кинетические коэффициенты уравнений переноса являются функцией одного или нескольких метеорологических параметров. Это приводит, с одной стороны, к сложностям в интерпретации и сопоставимости результатов для регионов с разным климатом. С другой стороны, возникает необходимость уточнения коэффициентов уравнений переноса для каждого конкретного региона с учетом его специфики и динамики характерных сезонных вариаций климатических параметров.
Конечной целью моделирования процессов переноса радона в неравновесных средах (почвах и грунтах, строительных конструкциях, воздухе помещений) является оценка ожидаемых уровней радона в атмосфере зданий, и вклада различных источников радона в суммарный уровень. Такие оценки проведены в главе 3 для жилых зданий разного типа.
Сибирский регион отличается высокой динамикой климато-экологических изменений /64/. Это проявляется в особенностях застройки городских и сельских территорий, повышении требований к надежности конструкций зданий. Специфика Сибирского региона может проявить иные закономерности в распределении уровней радона и преобладание тех, или иных механизмов в процессах переноса радона в различных средах.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Теоретическое и экспериментальное исследование процессов переноса радона в неравновесных средах (почвы, грунты, атмосфера зданий) и закономерностей в его распределении с учетом специфики Сибирского региона.
ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ РАБОТЫ:
Исследовать процессы переноса радона в пористых средах (почвы, грунты, конструкционные элементы зданий).
Разработать математическую модель для описания переноса радона в неоднородных пористых средах.
Выявить надежный критерий для оценки потенциальной радоноопасности территорий.
Установить основные закономерности в распределении объемной активности радона в атмосфере зданий с учетом конструкционных различий.
Оценить дозы облучения населения в результате ингаляционного поступления радона и продуктов его распада.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА.
Впервые предложено рассматривать скорость конвекции радона как феноменологический параметр диффузионно-конвективной модели переноса радона в почвах, определяемый из сравнения теории с экспериментом.
Предложен оригинальный метод оценки скорости конвекции, основанный на измерениях активности радона в почвенном воздухе.
Получено решение диффузионно-конвективного уравнения переноса радона в пористой среде с двумя эманирующими слоями, позволившее рассмотреть ряд важных задач радиоэкологии и геофизики.
Показано, что наиболее надежным критерием радоноопасности территорий является значение установившейся равновесной объемной активности радона в почвенном воздухе, измеряемое с помощью предложенного нами метода.
Предложен новый метод оценки плотности потока радона с поверхности земли по измеренной поровой активности.
Установлено, что распределение уровней радона внутри многоэтажных зданий с монолитным фундаментом подчиняется нормальному закону.
Установлено, что максимальные дозовые нагрузки от радона и продуктов его распада получает население, проживающее на первых этажах деревянных домов без монолитного фундамента.
11 ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ заключается в: полезности использования установленных зависимостей в распределении уровней радона в зданиях, расположенных на осадочных породах, для оценки коллективной дозы облучения населения РФ; возможности использования оценок доз внутреннего облучения за счет радона и продуктов его распада при оценке вклада естественных радионуклидов в суммарный уровень облучения населения; возможности снижения материальных затрат на проведение радиационно-гигиенических обследований многоэтажных зданий, а также при оценках плотности потока радона с поверхности земли; применимости метода оценки скорости конвекции радона для решения прикладных задач в различных областях науки (геоэкологии, геофизике, радиоэкологии и др.); обеспечении сопоставимости результатов исследований ППР или поровой активности радона в почвах при использовании нового подхода к описанию процессов переноса радона; возможности использования ранее измеренных значений поровой активности радона для получения дополнительной информации (пересчет в ППР, оценки скорости конвекции, вклад конвективного потока в ППР, и др-); возможности увеличить достоверность оценки радоноопасности территорий при использовании в качестве критерия значение установившейся равновесной ОА радона в почвенном воздухе, измеряемой с помощью предложенного метода.
ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ: 1. При описании процессов переноса радона в почвах и грунтах целесообразно разделять их на молекулярную диффузионную и конвективную составляющие, при этом скорость конвекции рассматривать как феноменологический параметр, определяемый из сравнения теории с экспериментом. В этом случае конвективная составляющая учитывает не только процесс фильтрации, но и другие механизмы переноса радона в вертикальном направлении.
Оригинальный метод оценки скорости конвективного переноса радона в почвах по измеренным в натурных условиях значениям поровой активности, учитывающий физико-геологические особенности грунтов.
Диффузионно-конвективная модель переноса радона в пористых средах с двумя эманирующими слоями.
Оригинальный метод измерения установившейся равновесной объемной активности радона в почвенном воздухе, основанный на проведении одновременно двух измерений поровой активности радона на глубинах, отличающихся в два раза.
Оригинальный метод оценки плотности потока радона с поверхности земли по измеренной поровой активности, позволяющий получать мгновенные и интегральные значения оцениваемой величины.
Результаты экспериментальных исследований, показывающие, что распределение уровней радона внутри многоэтажных зданий с монолитным фундаментом подчиняется нормальному закону.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.
Результаты диссертационной работы доложены на следующих конференциях и семинарах: Южно-Сибирской региональной научной конференции студентов и молодых ученых (Абакан, 1997); научно-практической конференции молодежи «Проблемы региональной экологии» (Томск, 1998); 4ой и 5й областных и 6й международной научно-практических конференциях "Современные техника и технологии" (Томск, 1998, 1999, 2000); школе-семинаре «Радиационная безопасность человека и окружающей среды» (Екатеринбург, 1998); 4ой Всероссийской научно-практической конференции "Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности" (Санкт-
Петербург, 1999); 3м и 4м международных научных симпозиумах «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 1999, 2000); Международной Юбилейной научно-практической конференции «Проблемы физико-технического образования и атомной промышленности» (Томск, 2000); научной конференции «Фундаментальные проблемы охраны окружающей среды и экологии природно-территориальных комплексов Западной Сибири» (Горно-Алтайск, 2000); Всероссийской конференции молодых ученых "Материаловедение, технологии и экология на рубеже веков" (Томск, 2000); международной конференции "Биологические эффекты малых доз ионизирующей радиации и радиоактивное загрязнение среды. БИОРАД-2001" (Сыктывкар, 2001); 20th International Conference on Nuclear Tracks in Solids (Portoroz, Slovenia, 2000); Advanced Research Workshop "Monitoring of natural and man-made radionuclides and heavy metal waste in environment" (Dubna, 2000).
ПУБЛИКАЦИИ.
Основные результаты диссертационной работы изложены в 25 печатных работах, перечисленных в приложении 2 /1-25/.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ.
Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы, изложенных на 126 страницах машинописного текста, содержит 18 рисунков, 27 таблиц и список цитированной литературы (136 источников, из них 57 на русском и 79 на иностранных языках).
Процессы переноса радона в неоднородных пористых средах.
Как отмечено выше, скорость конвекции учитывает перемещение радона в вертикальном направлении за счет геотермальных градиентов и градиентов давления в земной коре, газоподъемной силы при заполнении пор водой, турбулентных эффектов в почвенном воздухе при изменении внешних условий - барометрического давления, температуры, ветра, а также за счет таких процессов взаимодействия в системе "атмосфера-суша", как теплообмен и влагооборот. Процессы взаимодействия в системе "атмосфера-суша" оказывают существенное влияние на климато-экологические изменения и до сих пор являются трудно учитываемыми и прогнозируемыми /64/. Взаимодействие атмосферы с приповерхностным слоем почвы играет определенную роль для суточных и годовых колебаний потоков тепла. Климат и погодные условия во многом зависят от испарения влаги с поверхности суши и количества осадков. Испарение в каждом регионе зависит от многих факторов, что обуславливает трудности его расчета при отсутствии систематических наблюдений атмосферного влагооборота над континентами. Турбулентные эффекты в почвенном воздухе могут быть вызваны атмосферной турбулентностью, а также разными видами ветров, которые сопутствуют общей и циклональной циркуляции в атмосфере и отличаются трудно предсказуемыми для каждого региона особенностями /64/. Итак, конвекция включает в себя целый комплекс механизмов переноса радона, учет которых в каждом конкретном случае требует знания целого ряда параметров, которые, в свою очередь, зачастую требуют детального исследования.
Принимая во внимание вышеперечисленные сложности, авторы считают, что математически описать скорость конвекции невозможно и предлагают оценивать скорость конвекции из сравнения экспериментально полученных значений поровой активности радона на определенной глубине с рассчитанными по диффузионной модели значениями, полагая, что разница обусловлена конвективной составляющей. Следует также отметить, что в отличие от других параметров диффузионно-конвективной модели (Д, Кет, р, п), которые измеряются в лабораторных или полевых условиях, скорость конвекции непосредственно измерить невозможно.
Поровая активность радона в зависимости от глубины описывается формулой Распределение поровой активности по глубине, обусловленное только диффузией радона, рассчитано по формуле (1.14) при и=0. В расчетах использованы коэффициенты диффузии радона, которые определены в лабораторных условиях в отсутствии конвективных потоков /60/.
Обозначим Ah - измеренное значение поровой активности радона на глубине h, м. Подставим Аъ в формулу (1.14) и выразим скорость конвекции следующим образом: Измерения поровой активности радона в грунте на глубине (30 - 70) см проведены в 50 точках на территории г. Томск в июне-сентябре 2000 г. Точки выбраны вдоль геологических разрезов, где известны физико-геологические параметры грунтов. Для уменьшения статистической погрешности в каждой точке проведено одновременно 2 измерения с последующим определением среднего. Измерения проводили нитратцеллюлозными трековыми детекторами согласно инструкции по эксплуатации для комплекса средств измерений интегральной объемной активности 222Rn в воздухе трековым методом (АИСТ-ТРАЛ, Санкт-Петербург). Детектор помещали в шпур нужной глубины диаметром 5,5 см. Экспозиция одного детектора составляла 3-4 дня. Погрешность измерений не превышает 25 %. В таблице (1.1) приведены средние значения измеренной и рассчитанной при и=0 (формула 1.14) поровой активности радона и средние значения скорости конвекции в типичных для Томска грунтах, а также использованные в расчетах значения коэффициентов диффузии и эманирования /60, 76/, плотности и пористости (предоставлены геологическими организациями). Удельная активность радия в грунтах измерена в лаборатории радиационного контроля Томского политехнического университета и для точек измерения поровой активности составляет 18-39 Бк/кг.
Оценки скорости конвекции, проведенные для разных глубин (табл. 1.2), дают практически одинаковый результат. Измерения на разных глубинах производили одновременно и в близко расположенных точках, т.е. физико-геологические параметры грунта и метеорологические условия были одинаковыми.
Моделирование переноса радона в строительных конструкциях.
Радон, присутствующий в атмосфере жилых и общественных зданий, является одним из основных компонентов загрязнения воздуха и считается значительным фактором риска для здоровья населения.
Как известно, радий ( Ra) является источником радона ( Rn), который, выделяясь из строительных конструкций в воздух помещений, увеличивает общую концентрацию радона. Согласно "Нормам радиационной безопасности НРБ-99" /16/ величина эквивалентной равновесной объемной активности (ЭРОА) радона - 222 в воздухе помещений зданий, сдаваемых в эксплуатацию, не должна превышать 100 Бк/м , а для эксплуатируемых зданий - 200 Бк/м .
В разных странах отмечают различный вклад радона, выделяющегося из строительных материалов, в суммарные уровни внутри помещений. Это объясняется, в первую очередь, различной эманирующей способностью материалов. Однако, особенности архитектурной застройки территорий также имеют немаловажное значение. Поэтому до сих пор, в разных странах проводят исследования уровней радона внутри уже существующих зданий. А также оценивают эманирующую способность материалов, применяемых в строительстве, чтобы прогнозировать ожидаемые уровни радона.
Для целей прогнозирования уровней радона в зданиях необходимо знать интенсивность выделения радона с поверхности строительных конструкций, которая зависит от содержания радия, плотности, пористости материалов, эманирующей способности и длины диффузии радона. Оценку интенсивности выделения (или плотности потока) радона из строительных материалов проводят на основе диффузионной модели переноса радона в пористых средах (формула (1.7) при и=0). Конвективная составляющая потока радона в случае стройматериалов обычно не учитывается вследствие небольшой толщины эманирующего слоя несущих конструкционных элементов здания (по сравнению с грунтами).
Любой строительный материал (также как почва и грунт) представляет собой пористую среду, т.е. структуру, состоящую из твердых гранул материала и пор, которые могут быть заполнены воздухом или водой. При распаде Ra, содержащегося в твердых гранулах, образуются атомы радона, часть которых за счет энергии отдачи может попасть в пространство пор. Далее, посредством диффузии атомы радона перемещаются в пространстве пор и выделяются внутрь помещений.
Чтобы оценить эманирующую способность материалов, применяемых в строительстве г. Томска, и создаваемые ими уровни радона в воздухе помещений, нами проведены исследования удельной активности радия в сырьевых материалах и готовых строительных изделиях, а также коэффициентов эманирования радона.
Определение удельной активности Ra в строительных материалах Содержание радия в различных строительных материалах может отличаться на порядок, в зависимости от его типа, характеристик и параметров составляющих компонентов. Радий, наряду с торием ( Th) и калием ( К), также присутствующими во всех природных материалах, является радионуклидом естественного происхождения из семейства и. Содержанию естественных радионуклидов (ЕРН) в строительных материалах уделяется огромное внимание как в России, так и за рубежом. Местными органами санитарно-эпидемиологического надзора ведется непрерывный контроль за содержанием ЕРН (40К, 226Ra, 232Th) в продукции местных добывающих предприятий стройиндустрии и в импортируемых стройматериалах на соответствие классу радиационного качества. Строительные материалы, удельная эффективная активность {Aeff) которых не более 370 Бк/кг, соответствуют I классу и пригодны для строительства жилых и общественных зданий без ограничений (согласно нормам радиационной безопасности НРБ 99).
Проведено исследование образцов строительных материалов, выпускаемых Томскими предприятиями, на содержание ЕРН. Спектрометрический анализ образцов осуществлен в лаборатории радиационного контроля (ЛРК) ТПУ на полупроводниковом гамма -спектрометре IN 1200 (Франция) и в Томском областном центре по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды на полупроводниковом гамма - спектрометре ПРОГРЕСС - Г (НЛП "Доза"). Отбор и подготовка образцов к измерению проведены в соответствии с требованиями межгосударственного стандарта "Материалы и изделия строительные" ГОСТ 30108-94.
Сырьем для производства кирпича, выпускаемого на Томских заводах строительных материалов, служат глина красная и белая. Для производства других строительных материалов используют как местное сырье (песчано-гравийная смесь, пески, камни и известняки), добываемое в 13 карьерах Томской области, так и импортируемое сырье. В рамках представленной работы исследовано 10 карьеров: Чернореченское, Иглаковское - песчано-гравийная смесь; Вознесенское, Кудровское 2, Кудровское - пески строительные; Каменское - камни строительные, известняки строительные; Парабельское, Родионовское 2, Верховое, Корниловское 2 - глины кирпичные (красные и белые). Также исследованы готовые строительные изделия (кирпич, бетон различного состава) и импортируемые сырьевые материалы.
Результаты исследования удельной активности ЕРН и Аф представлены в таблице 1.4. Видно, что высокое значение Аф среди сырьевых материалов имеют шлак и керамзит. Шлак используют в строительстве шлакоблочных домов. Основной вклад в Аф для шлака вносят торий и радий (и продукты их распада), которые концентрируются при сжигании отходов производства и при значительных количествах могут являться источниками повышенного как внешнего, так и внутреннего облучения людей. Цемент, используемый как связующий материал, также отличаются повышенной Аф
Содержание ЕРН в древесине очень мало по сравнению с остальными строительными материалами. Дома, построенные из дерева, всегда считались экологически чистыми по радиационному признаку. Однако, деревянные дома обычно отличаются повышенным содержанием радона в воздухе помещений, чему способствует поступление радона из почвы под зданием через неизолированные подпольные помещения.
Объемная активность радона в почвенном воздухе
Измерение объемной активности (ОА) радона в почвенном воздухе иногда используют как метод оценки потенциальной возможности повышенных уровней радона внутри зданий для определенной территории /8, 87, 98/. Эта возможность проанализирована в работе /21/, в результате выявлена сравнительно слабая связь между радоном в почве и внутри зданий при рассмотрении в целом больших территорий с сильно неоднородной геологией и различной архитектурой застройки. Так, например, исследования связи уровней радона в почве и внутри зданий, проведенные для 6 регионов юго-западной Англии, выявили, что коэффициент корреляции составляет только 0,143. Основными возможными причинами незначительных корреляций, как отмечено в работе /21/, могут быть: влияние метеоусловий на измеренные значения ОА радона в почвенном воздухе; неучет различия в конструкционных особенностях зданий для рассматриваемых территорий; использование одновременно разных методов измерения ОА радона. Результаты различных исследований показывают, что ОА радона в почве изменяется в широком диапазоне в зависимости от погодных и климатических условий, типа почвы /8, 32, 91, 99/, глубины измерения /78, 79/. Более надежным критерием является установившаяся равновесная ОА радона в почвенном воздухе (Ат), определяемая геофизическими свойствами грунта, в т.ч. содержанием радия. Однако, при непосредственном измерении Асо возникают проблемы, связанные с определением глубины (z,»), на которой устанавливается значение Ат. Нами предложен метод измерения Ат, не требующий предварительных оценок z , (см. 2.2). . Пространственная и временная изменчивость объемной активности радона в грунтах
Для исследования пространственной и временной изменчивости объемной активности радона в почвенном воздухе (или, иначе называемой, поровой активности радона) на глубине до 70 см произведена серия экспериментов в типичных для многих населенных территорий грунтах на примере территории г. Томска. Методика измерения поровой активности радона на территории г. Томска
Исследования поровой активности радона (222Rn) проводили для каждого типа грунта. Для измерений выбрано 50 точек, расположенных вдоль геологических разрезов на территории города /95, 96, 100/, с известными физико-геологическими параметрами грунтов. Для снижения статистической погрешности в каждой точке параллельно производили два измерения с последующим определением среднего. Все измерения проведены в период с июня по октябрь 2000г.
Специально сконструированным и изготовленным для этих целей инструментом бурили шпур нужной глубины (И) и диаметром (d) 5,5 см. В каждый шпур помещали индивидуальный пассивный радиометр радона (ИПРР) с нитритцеллюлозным трековым детектором а-частиц, входящий в комплекс средств измерений интегральной объемной активности Rn в воздухе трековым методом (АИСТ-ТРАЛ, Санкт-Петербург). Шпуры герметично закрывали сверху и выдерживали в течение 3 суток. Схема установки детектора представлена на рисунке (2.1). Одновременно фиксировали время начала и конца экспозиции детектора для дальнейших расчетов объемной активности. При этом вводили поправку на время установления диффузионного равновесия радона, которое составляет 8-10 мин, согласно расчетам, проведенным в /46/.
Измерения проводили на глубине 70 см, что позволяло снизить влияние погодных условий /54/. Глубина установки детектора внутри шпура не имеет принципиального значения, поскольку в стационарных условиях концентрация радона устанавливается примерно одинаковой по всему объему невентилируемого шпура /46/.
После экспонирования ИПРР вынимали, производили обработку трековых детекторов и определяли объемную активность радона согласно инструкции по эксплуатации комплекса АИСТ-ТРАЛ. Погрешность измерений составила не более 25 %. Схема установки детектора в шпур для измерения объемной активности радона в почвенном воздухе.
Для того, чтобы выявить влияние метеорологических условий (атмосферного давления, температуры, влажности) на величину поровой активности радона, проведена серия экспериментов в пяти близко расположенных точках в течение периода сентябрь - октябрь. Всего выполнено восемь серий измерений по пять измерений в каждой серии. Измерения проводили в техногенном грунте со средним содержанием Ra 18Бк/кг/77/. С целью исследования пространственных вариаций в пределах одного типа грунта провели серию измерений объемной активности радона в почвенном воздухе на глубине 70 см в десяти точках, расположенных в ряд через 30 см (Ах) (рис. 2.2). Тип поверхностного грунта - супесь со средним содержанием 226Ra 39 Бк/кг /77/.
Среднее значение поровои активности радона в грунтах территории г. Томска на глубине 70 см составило 11 кБк/м в диапазоне от 1,7 до 24 кБк/м . Средние значения поровои активности (А) на. глубине 70 см (в скобках указан диапазон изменения) и соответствующие им значения объемной активности (ц-А) для разных типов грунтов представлены в таблице (2.4). Для сравнения здесь же приведены значения рассчитанной по формуле (2.1) установившейся эквивалентной поровои активности радона АЛрасч .
Плотность потока радона с поверхности земли.
Критерием потенциальной радоноопасности территорий в Российской Федерации, согласно введенным новым санитарным правилам ОСПОРБ-99 /36/, является величина плотности потока радона (ППР) с поверхности грунта. Согласно требованиям строительных норм /104/, средневзвешенное значение ППР с поверхности грунта в пределах застраиваемой площади участка не должно превышать 80 мБк/(м с). Для участков застройки под дошкольные, общеобразовательные и лечебные учреждения ППР с поверхности грунта не должна превышать 40 мБк/(м с). Установленные нормативные значения являются одним из условий, при котором среднегодовая эквивалентная равновесная объемная активность радона в воздухе сдаваемых в эксплуатацию зданий жилого и общественного назначения не превысит 100 Бк/м3 /36/. Проблемы достоверности измерений плотности потока радона с поверхности земли
Для измерения ППР с поверхности земли разработан ряд методов и приборов, которые достаточно широко представлены в литературе /8, 66, 81/. Измерениями ППР с поверхности грунта интенсивно занимались еще в 60-е -70-е годы в области геофизики и метеорологии /66/. В эти годы разработали основные способы определения ППР, которые принципиально не изменились к настоящему времени. Основными практикуемыми способами остаются методы с использованием накопительных камер («колпаков»), установленных на исследуемую поверхность грунтов, из которых накопленный радона переводится в измерительное устройство /45, 105-107/, и методы с накоплением радона на активированном угле /8, 105/ с последующим измерением его активности по гамма- или бета - излучению короткоживущих ДПР радона (214Pb, 214Bi).
Суть метода накопительной камеры состоит в том, что поток радона из грунта увеличивает концентрацию радона в накопительной камере (НК), экспонированной на исследуемом участке. По геометрическим размерам НК, времени экспозиции и накопленной концентрации радона можно оценить ППР с поверхности грунта. Конкретная реализация метода накопления и пересчета накопленной концентрации в ППР у разных авторов различается. Экспериментальные работы показали, что концентрация в НК изменяется нелинейно с выходом на некоторое равновесное значение. Такая ситуация обусловлена влиянием замкнутого объема камеры на поток радона с поверхности грунта. Неучет нелинейности поступления радона в НК может привести к заниженным значениям ППР /106/. Для правильной оценки ППР по результатам измерения концентрации радона в НК в отечественной и зарубежной практике используется методика измерения динамики накопления радона и ее последующей аппроксимации /108/. По результатам аппроксимации вычисляется значение потока в начальный момент времени, который и принимается за истинное, невозмущенное значение.
Несмотря на столь длительный период применения этих методов на практике, все еще существует проблема достоверности измерений ППР /91, 99, 105, 106, 109/. Например, в работе /105/ проведены сравнительные измерения вышеописанными методами с использованием средств измерений, занесенных в государственный реестр. Оба метода показали свои недостатки: 1) в методе с использованием накопительных камер необходимо подбирать время отбора пробы отдельно для каждого типа грунта в зависимости от его влажности; 2) в методе накопления радона на активированном угле нагрев камер с сорбционными колонками прямыми солнечными лучами может привести к значительным искажениям результатов. Кроме того, в работе /106/ отмечают ряд недостатков метода с применением НК, ограничивающих его применение для рутинных измерений: 1) метод требует значительного времени, в течение которого необходимо либо постоянное присутствие оператора, либо применение дорогостоящих приборов, способных автоматически отслеживать динамику концентрации радона в НК; 2) сам принцип предполагает применение некоторой формулы, основанной на конкретном описании механизма переноса радона в почве. Поскольку процесс переноса радона в почве - это сложный процесс, на который влияет много факторов, остается открытым вопрос об адекватности механизма, на базе которого получена расчетная формула.
Таким образом, с одной стороны - себестоимость измерений ПГГР достаточно высока /99/, что препятствует их широкому применению, а с другой стороны - вопрос достоверности измерений ППР до сих пор остается открытым /105/. При отсутствии данных непосредственных измерений информацию о величине ППР получают, используя диффузионно-конвективную модель переноса радона в грунтах (формулы 1.7 и 1.13, Гл. 1) и данные о физико-геологических параметрах грунтов. 3.2. Метод оценки плотности потока радона по измеренной поровой акТИВНОСТИ /8-10 (приложение 2)1 Существующие методы оценки ППР, основанные на диффузионно-конвективной модели переноса радона в грунтах, требуют подробной информации о физико-геологических параметрах грунтов и различаются методами расчета необходимого параметра модели - скорости конвекции, не измеряемой в опыте.
