Методические указания

№412 – Радиометрия природных сред – стройматериалов

Категория:

Методические указания

Дисциплина:

Защита населения

Город:

Беларусь, Минск

Учебное заведение:

БНТУ, ФИТР

Стоимость работы:

бесплатный

Оценка: 10
Объем страниц: 16
Год сдачи: 2020
Дата публикации: 04.09.2020

Фрагменты для ознакомления

Лабораторная работа 412

Радиометрия природных сред – стройматериалов

         Цель работы:

  • Ознакомиться с уровнем естественной радиоактивности природной среды
  • Изучить допустимые уровни активности стройматериалов
  • Измерить эффективную активность стройматериалов и сделать вывод об их принадлежности к определенному классу стройматериалов
  • Рассчитать мощность поглощенной дозы в помещениях, построенных из этих материалов, и сравнить ее со средневзвешенной мощностью поглощенной дозы вне помещений.

 

Указания по технике безопасности. 

Включение лабораторной установки производится с разрешения преподавателя или инженера лаборатории.

 

Контрольные вопросы

  1. Источники радиоактивности природной среды.
  2. Радиоактивные ряды (семейства) и их роль в радиоактивности природной среды.
  3. Значение изотопов радона в радиоактивности атмосферы и в облучении человека.
  4. Какие горные породы и почвы наиболее богаты радионуклидами?
  5. Почему необходим контроль радиоактивности строительных материалов?
  6. Активность радионуклидов. Удельная активность веществ. Эффективная активность стройматериалов.
  7. Классификация стройматериалов. Применение стройматериалов различных классов.
  8. Методы защиты от радона, испускающегося из стройматериалов и почвы.
  9. Оценка мощности поглощенной дозы в воздухе внутри помещения.

 

1. Естественная радиоактивность природной среды

Естественный радиационный фон, также, как и температура, атмосферное давление, магнитное и гравитационное поле Земли, является физическим фактором, определяющим возникновение и существование жизни на нашей планете. Естественный радиационный фон (ЕРФ) – это совокупность космического излучения и всех видов (α, β, γ) радиоактивного излучения, которое возникает в результате распада радиоактивных изотопов (радионуклидов) естественного происхождения [1]. Они содержатся в земной коре, гидросфере, атмосфере и по своему происхождению делятся на космогенные и земные радионуклиды. 

Космогенные радионуклиды образуются в основном в атмосфере в результате воздействия космического излучения на ядра атомов, составляющих атмосферу Земли. Из 20 космогенных радионуклидов основной вклад в естественную радиоактивность вносят тритий (3H) (общий запас трития в биосфере 1,3·1018 Бк.) и радиоуглерод (14C) (общее содержание 8,5·1018 Бк). Примерные реакции образования этих радионуклидов:

 

 

Вклад других космогенных радионуклидов (см. приложение 1) заметно меньше.

  Радионуклиды земного происхождения образовались в результате ядерного синтеза еще при возникновении Земли и не распались до настоящего времени (примордиальные радионуклиды). Периоды полураспада примордиальных нуклидов сопоставимы с возрастом Земли (см. приложение 1). Кроме того, примордиальные радионуклиды торий-232 (232Th), уран-238 (238U), уран-235 (235U) являются родоначальниками трех радиоактивных семейств (рядов). Радиоактивный ряд (семейство) – последовательность радионуклидов, каждый из которых образован в результате радиоактивного распада предыдущего радионуклида.

 В качестве примера приведем радиоактивный ряд урана-238:

Причем большинство из этих α- и β-распадов сопровождаются испусканием γ-излучения.

Заканчиваются все ряды образованием стабильных ядер с близким или равным магическим числам количеством протонов и нейтронов (Z=82, N=126) соответственно 208Pb, 206Pb, 207Pb.

Из радионуклидов земного происхождения наибольший вклад в создание ЕРФ вносят члены радиоактивных рядов урана-238 (238U) и тория-232 (232Th), а также калий-40 (40K) и рубидий-87 (87Rb) (см. приложение 1). Калий и рубидий широко распространены в земной коре, уран и торий значительно меньше. Последние относятся к рассеянным элементам, в тонне почвы содержится от 1 до 3 граммов урана и тория, однако их наличие в земной коре приводит к появлению целого ряда радионуклидов, каждый из которых вносит свой вклад в радиоактивность почвы. Среди членов радиоактивных семейств следует особо выделить изотопы тяжелого (в 7,5 раз тяжелее воздуха) инертного газа радона (Rn), которые образуются при распаде изотопов радия (Ra): 

Изотопы радона имеют свои собственные названия: Rn-220 – торон (Т1/2=55с), Rn-218 – актинон (Т1/2=0,035с) и Rn-222 – радон (Т1/2=3,83 суток). 

Поскольку инертные газы не образуют химических соединений, радон свободно проникает через поры земли и постоянно поступает в гидросферу и атмосферу, внося основной вклад в естественную радиоактивность приземного воздуха и уровни облучения человека и окружающей среды. Среднее объемное содержание радона в атмосфере 6∙10-18% и основную долю составляет изотоп радона Rn-222. Так как в природном уране 99,3% составляет доля урана-238 и только 0,7% урана-235, то и доля актинона Rn-218 пренебрежимо мала. Содержание же торона Rn-220 в атмосферном воздухе гораздо ниже по сравнению с Rn-222 (в 10÷100 раз), так как период полураспада Rn-222  Т½=3,8 суток, а Rn-220 Т½=55 секунд и Rn-220 может распасться прежде, чем он начнет диффундировать в воздух от места своего образования. 

Радон-222 испускает α-частицу и превращается в положительно заряженный ион полония-218, все последующие продукты распада также образуются в виде ионов. Положительно заряженные ионы легко прилипают к пылинкам, всегда присутствующим в воздухе. Так из инертного газа за 10-100 секунд возникает тонкодисперсный радиоактивный аэрозоль, обуславливающий радиоактивность приземного воздуха. Почва «выдыхает» радон с различной скоростью в зависимости от ряда факторов: давления атмосферного воздуха, температуры почвы, скорости ветра, наличия дождя и снежного покрова. Повышение атмосферного давления снижает выход радона, дождевая вода и снег закрывают поры в земле и это также приводит к уменьшению количества радона. Именно содержание радона в воздухе вызывает суточные, погодные и сезонные колебания уровня радиационного фона на данной местности.

Естественный радиационный фон определяет уровни облучения человека. Внешнее облучение человека от естественного фона, как вытекает из предыдущего рассмотрения, обусловлено космическим излучением и излучением естественных радионуклидов и зависит от типа горных пород и почвы района проживания.

 Внутреннее облучение человека составляет примерно 2/3 дозы облучения, которую он получает от природных источников радиации. Естественные радионуклиды поступают в организм с пищей, водой и вдыхаемым воздухом. В таблице 1 приведены усредненные данные об уровнях радиационного воздействия на человека различных компонент естественного радиационного фона по оценке НКДАР (научного комитета по действию атомной радиации при ООН).

 

Таблица 1. Расчетные годовые эффективные дозы на душу населения за счет естественных источников излучения в регионах с нормальным радиационным фоном, микрозиверт [2].

Для большинства населения космическое излучение и космогенные радионуклиды вносят небольшой вклад в суммарную дозу облучения.  Доля калия-40 составляет примерно 15% от дозы облучения, обусловленной радионуклидами земного происхождения. 70% от суммарной дозы облучения человек получает от радионуклидов, входящих в радиоактивные семейства урана и тория. Причем 54% дозы обусловлено изотопами радона и продуктами их распада. Они поступают в организм человека с вдыхаемым воздухом и максимальному воздействию подвергаются легкие. 

Реальные дозы облучения человека от естественных источников определяются регионом проживания, составом горных пород, почв, традиционным питанием, образом жизни и другими факторами.

 Как правило, природные радионуклиды сконцентрированы в горных породах вулканического (магматического) происхождения. Радиоактивность осадочных пород ниже.

Таблица 2Средняя удельная активность К-40, U-238 и Th-232 в горных породах, мегабеккерель/кг [1].

 

Тип породы

А, МБк/кг

К-40

U-238

Th-232

Магматические

 

 

 

граниты

1000

60

80

диориты

700

20

30

базальты

240

10

10

Осадочные

 

 

 

известняки

90

30

7

песчаники

370

19

10

сланцы

700

44

45

Содержание радионуклидов в почвах определяется главным образом радиоактивностью пород, из которых образуются почвы, и характером процесса почвообразования. Удельная радиоактивность почвы выше при условии, что в ней содержится больше глинистых частиц и чернозема. Лесные, дерново-подзолистые и торфяные почвы имеют меньшую радиоактивность.

Таблица 3. Средняя удельная активность К-40, U-238 и Th-232   в различных почвах [1].

Тип почвы

А, МБк/кг

К-40U-238Th-232

сероземы

6703148

серо-коричневые

7002841

каштановые

5502737

черноземы

4102236

дерново-подзолистые

3001522

подзолистые

150912

торфянистые

9066

 

На нашей планете существует ряд регионов, где существенно увеличен уровень радиации, исходящий из почв и гор – это Бразилия, Египет, Индия, Франция и др. Так в ряде мест Бразилии, главным образом в прибрежных полосах земли, мощность дозы излучения из почвы и скальных пород составляет 5мЗв/год. Примерно 1/6 часть населения Франции (7 млн. человек) живет в районах, где скальные породы представлены в основном гранитом, из-за чего радиационный фон повышен, и мощность дозы составляет до 3,5 мЗв/год. В индийских штатах Керала и Мадрас проживает около 100 тысяч человек, которые получают дозу, в среднем равную 13 мЗв/год. В Беларуси естественное облучение составляет около 2,4 мЗв/год, что соответствует среднемировому уровню (см. табл.1). 

 

2. Радиоактивность строительных материалов

Радиационный фон внутри зданий определяется концентрацией радионуклидов в почве под зданием и в стройматериалах. Как правило, значения радиационного фона внутри зданий выше, чем на открытой местности.

Радон образуется из радия повсюду. Основным источником радона, поступающего в помещения, является почва под зданиями. Поскольку радон – газ тяжелый, то его концентрация в подвальных помещениях и на первых этажах домов выше, чем на других этажах многоэтажных домов. Частично радон выделяют также почти все строительные материалы – ведь и кирпич, и бетон изготавливают из глины, цемента, щебня и других материалов, извлекаемых из различных месторождений и также содержащих радиоактивный радий. Радон может выделять также и водопроводная вода, особенно если водозабор производится из артезианских скважин. Небольшое количество радона может поступать в жилище с природным газом. 

В относительно редких случаях доминирующим источником радона являются стройматериалы. Впервые такие примеры были обнаружены в Швеции.  В 70-х годах прошлого века богатая Швеция провела всесторонний мониторинг условий жизни своих граждан. Среди 30 тысяч обследованных индивидуальных коттеджей были обнаружены дома с аномально высокими концентрациями радона и продуктов его распада, активность которых достигала 1500 Бк/м3 (при норме 200 Бк/м3). Была установлена причина этого: использование легкого газобетона с наполнителем квасцовых сланцев из месторождения богатого радием.

Почти одновременно в США были обнаружены жилые и общественные здания, в фундаментах которых были использованы отходы местных урановых рудников. Затем такие же печальные находки были выявлены в Канаде и Великобритании. В США и Швеции радиометристы натолкнулись на уникальные жилища с концентрацией радона 100 тыс. Бк/м3, чему соответствует годовая эффективная доза 5 Зиверт. Именно выявление таких экстремальных ситуаций, при которых воздействие радиации необходимо рассматривать как, безусловно, вредный фактор, вызвало резкое обострение внимания к проблеме радона в окружающей среде.

Первый естественный шаг по ограничению облучения людей за счет радона в жилищах – изъятие строительных материалов высокой удельной активности. Радиоактивность стройматериалов обусловлена, главным образом, содержанием естественных радионуклидов в горных породах, которые используются в строительной промышленности в качестве минерального сырья. Кроме того, для изготовления цемента также применяются побочные отходы промышленности (золы и шлаки ТЭС, шлаки черной и цветной металлургии и т.д.)

В Советском Союзе в 1976 г. было введено нормирование содержания естественных радионуклидов в строительных материалах. Все строительные материалы делятся на четыре класса в зависимости от величины эффективной удельной активности, для каждого из них ограничена область возможного использования.

Эффективная удельная активность определяется по формуле:

                                 (1)

где  

 - удельные активности соответственно Ra-226, Th-232 и К-40 - в строительных материалах, Бк/кг.

Если известно среднее значение эффективной удельной активности Аэфф (Бк/кг) строительных материалов, использованных при строительстве каменного здания, то с погрешностью не более 10% можно оценить мощность поглощенной дозы в воздухе внутри помещения 

(нГр/ч):

                                                    (2)

Санитарные нормы и правила «Требования к радиационной безопасности» устанавливают 4 класса стройматериалов [3]: 

Материалы I класса - стройматериалы, для которых эффективная удельная активность не превышает    Аэфф ≤ 370 Бк/кг, могут применяться для всех видов строительства без ограничений, в том числе для жилищного строительства.

Материалы 2 класса (Аэфф ≤ 740 Бк/кг) не должны использоваться в жилищном и культурно-бытовом строительстве. Они могут применяться для всех видов промышленного и дорожного строительства. При использовании этих материалов для сооружения промышленных зданий в помещениях должен быть обеспечен достаточный воздухообмен (не менее трехкратного в час).

Материалы 3 класса (Аэфф ≤ 1850 Бк/кг) пригодны в пределах населенных пунктов только для строительства подземных сооружений, в которых исключено пребывание людей (канализационные трубопроводы, коллекторы и т.д.) при условии покрытия их слоем грунта не менее 0,5 м или низкорадиоактивным материалом. За пределами населенного пункта материал может использоваться для дорожного строительства, сооружения железнодорожных насыпей, изготовления шпал, столбов и т.п.

Материалы 4 класса (1850 < Аэфф ≤ 4000 Бк/кг) применяются только для подземного строительства вне населенных пунктов при условии их покрытия слоем низкорадиоактивного материала не менее 0,5 м.

Строительные материалы с Аэфф > 4000 Бк/кг не должны применяться в строительстве.

Такая классификация позволяет правильно оценить все виды строительных материалов, включая отходы промышленного производства с различной удельной активностью радионуклидов, не увеличивая степень облучения населения. Следует иметь в виду, что нормативы относятся не к сырью, а к готовой продукции - строительным материалам (цемент, заполнитель, щебень, бетон и др.). Поэтому в тех случаях, когда сырье в процессе изготовления строительного материала подвергается обработке, которая может изменить суммарную удельную активность радионуклидов (промывка, обжиг и т.п.), нормативам должен удовлетворять продукт такой переработки.

При проектировании новых административных и общественных зданий, жилых помещений должно быть предусмотрено, чтобы среднегодовая объемная активность дочерних продуктов изотопов Rn-220 и Rn-222 в воздухе жилых помещений не превышала 100 Бк/м3. В воздухе эксплуатируемых жилых помещений среднегодовая объемная активность дочерних продуктов радона не должна превышать 200 Бк/м3. При более высоких концентрациях радона должны проводиться защитные мероприятия, направленные на снижение поступления радона в жилые помещения.

Защита от радона.  Поступление радона внутрь помещения можно существенно уменьшить, покрыв стены и потолок эмульсионными или масляными красками. Три слоя краски прекращают выход радона из стен. Наклеивание бумажных обоев на 30% уменьшает «выдыхание» радона, полимерная основа моющихся обоев практически непроницаема для радона. Радон в жилых помещениях накапливается из-за застоя воздуха, поэтому гигиеническое проветривание также приводит к уменьшению концентрации радона в помещениях.

И все же основным источником радона является почва. На первых этажах зданий пол должен быть тщательно герметизирован, особенно в местах прохождения труб и других коммуникаций. Подпольное пространство обязательно должно хорошо проветриваться. Для десятикратного уменьшения активности воздуха достаточно установить круглосуточно работающий вентилятор мощностью 20 Вт.

 

3. Устройство гамма-радиометра.

Гамма-радиометр РУГ-91М "Адани" предназначен для измерения эффективной удельной активности Аэфф и удельных активностей радионуклидов 137Cs, 40K, 226Ra, 232Th (c индикацией абсолютных статистических погрешностей измерения) для широкого класса исследуемых образцов: продуктов питания, проб почв, строительных материалов, хлопчатобумажных тканей, сухих трав и т.д.

Упрощенная функциональная схема гамма-радиометра приведена на рис.1

Рис.1. Функциональная схема гамма-радиометра.

1 – исследуемый образец (проба); 2 – кювета (сосуд Маринелли); 3 – защитный свинцовый экран; 4 - защитная свинцовая крышка; 5 – сцинтиллятор CsI(T1); 6 – световод; 7 – фотоэлектронный умножитель.

Исследуемый образец 1 помещается в специальную кювету 2 (сосуд Маринелли объемом 0,5 л). Кювета с пробой устанавливается в свинцовый защитный экран 3, уменьшающий влияние внешнего фонового излучения. Экран закрывается сверху свинцовой крышкой 4.

Световые вспышки, возникающие в сцинтилляторе под действием γ-излучения, через световод 6 попадают на фотокатод фотоэлектронного умножителя и преобразуются в электрические импульсы, которые после усиления поступают в устройство селекции импульсов. Устройство селекции осуществляет сортировку импульсов по 256 амплитудным каналам, измеряя тем самым амплитудное распределение этих импульсов. Устройство обработки анализирует, амплитудные распределения и вычисляет активности перечисленных выше радионуклидов. Устройство индикации и управления задает режимы работы гамма-радиометра и выводит на табло результаты измерения.

 Режим работы задается с помощью четырнадцати кнопок, расположенных на передней панели радиометра (см. рис. 2). Результаты измерений индицируются на двух жидкокристаллических индикаторах. Величина удельной активности высвечивается в левом окне, а погрешность измерения - в правом окне. В режиме индикации массы пробы в левом окне индицируется величина массы пробы в кг.

Рис.2. Органы управления гамма-радиометра.

Кнопки: <RESET> (сброс) служит для отмены ошибочной команды и приведения радиометра в исходное состояние.

 <BACKGROUND> (фон) служит для включения режима измерения фона. 

 <Time, min> <2>, <10>, <20> (время, мин) служат для выбора времени и запуска регистрации фона или удельной активности.

<SAMPLE> (образец):

<On> (вкл) - для включения режима измерения удельной активности;

<Mass> (масса) - для включения режима индикации массы пробы;

<Tare> (тара) - дня учета массы сосуда Маринелли;

<Auto Cal> (автокалибровка) - для включения режима калибровки по эталонному образцу.

<Activity> (активность) служит для включения индикации удельной активности соответствующего изотопа: Cs-137, K-40, Ra-226 и Th-232. 

<Effective Activity> (эффективная активность) включает режим индикации суммарной эффективной удельной активности Аэфф.

Выполнение соответствующей команды, при нажатии любой из кнопок, подтверждается звуковым сигналом. При этом над соответствующей кнопкой загорается светодиод.

4. Порядок выполнения работы. 

  1. Клавишным выключателем “СЕТЬ”, расположенным на задней панели, включите прибор и выдержите его включенным в течение 2 мин. Выход радиометра на рабочий режим сопровождается звуковым сигналом, высвечиванием “О” во всех разрядах левого окна и включением светодиода над кнопкой <Background> (фон). 
  2. Измерьте фон. Для этого сдвиньте вправо свинцовую крышку и убедитесь, что кюветное отделение – пустое. Закройте крышку. Нажмите сначала кнопку <Background> (фон), а затем <Time,min> (время) - 2 мин. В процессе изме­рения фона в правом окне индицируется обратный отсчет времени измерения, а в левом - заданное время измерения фона. Измеренное значение заносится в память прибора и хранится в нем до следующего измерения фона.
  3. Занесите в прибор массу измеряемой пробы. Значение массы указано на сосуде Маринелли, заполненном пробой. Нажмите клавишу <Mass> (МАССА). При этом в левом окне индуцируется значение массы равное 0,500 кг. Набор значения массы производится нажатием клавиш <Mass> (масса) и <Tare> (тара). Каждое дальнейшее нажатие кла­виши <Tare> увеличивает показания индикатора на + 0,005 кг, а нажатие клавиши <Mass> уменьшает набранное значение на - 0,005 кг.
  4. Измерьте удельную активность пробы. Поставьте внутрь защитного экрана кювету с пробой, нажмите кнопку <On> (вкл). Обязательно проконтролируйте включение режима по загоранию светодиода над кнопкой и звуковому сигналу. Если не был зарегистрирован фон или не производился учет массы пробы, то светодиод не загорается и звуковой сигнал отсутствует. Для начала измерения удельной активности пробы нажмите кнопку <2> - <Time>. В процессе измерения активности в правом окне индицируется обратный отсчет времени измерения, а в левом - заданное время измерения пробы. По окончании измерения на левый индикатор выводится величина эффективной удельной активности пробы, а на правый – погрешность измерения. Для индикации активности отдельных изотопов необходимо нажать соответствующую кнопку в группе <Activity>. Занесите результаты измерения в таблицу №4 и повторите опыт еще два раза. Перед началом каждого нового измерения необходимо нажать кнопку <Reset> (сброс). 
  5. Повторите измерения, описанные в п.4, с остальными пробами. Результаты занесите в таблицу.
  6. Проанализируйте результаты измерений. Укажите, к какому классу строительных материалов относятся исследованные образцы. 

7.      По формуле (2) оцените мощность поглощенной дозы в воздухе внутри здания, построенного из строительных материалов, средняя эффективная удельная активность ЕРН в которых равна Аэфф для исследуемых образцов. Сравните полученные значения со среднемировой мощностью поглощенной дозы вне помещений от γ-излучения естественных радионуклидов, содержащихся в почве, Ḋ = 44нГр/ч.

Таблица 4.

№ измерения

Образец  __________________________________

 

пом,

нГр/ч

Удельная активность, Бк/кг

Cs-137

K-40

Ra-226

Th-232

Аэфф 

1

 

 

 

 

 

--

2

 

 

 

 

 

--

3

 

 

 

 

 

--

среднее

 

 

 

 

 

 

(Для двух проб делаем две таблицы соответственно!)

Литература.

  1. Кужир, П.Г. Радиационная безопасность/ П.Г.Кужир, И.А.Сатиков, Е.Е.Трофименко. –Минск: Пион, 1999.-279 с.
  2. Маргулис, У.Я. Атомная энергия и радиационная безопасность / У.Я.Маргулис. – Москва: Энергоатомиздат, 1988 -222 с.
  3. Санитарные нормы и правила «Требования к радиационной безопасности». Постановление Министерства здравоохранения РБ № 213 от 28.12.2012

Приложение 1.

Примордиальные и космогенные радионуклиды

 (в таблицу также включены радионуклиды с периодом полураспада большим 1 млн. лет)

β- - бета-минус-распад, EC - электронный захват или бета-плюс-распад,

 α - альфа-распад, SF - спонтанное деление. Ne - кластерный распад.

286