ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОРБЦИИ РАДОНА АКТИВИРОВАННЫМ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОРБЦИИ РАДОНА АКТИВИРОВАННЫМ УГЛЕМ
ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЕГО ПОТОКА НА ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ
Перевалов А.В., Цыденов А.Б., Бартанова С.В, Астахов Н.Е.
Геологический институт СО РАН, Улан-Удэ, Россия
Измерения концентрации радона в воздухе и воде и его потока на
поверхности земли – обязательный элемент работ по оценке экологической
ситуации и при поисках уранового сырья.
Известно[1], что радон с дочерними продуктами распада ответственен за
половину дозы облучения получаемой человеком от естественных источников
облучения. Этим определяется актуальность работ по оценке доли
радиационного риска, обусловленного радоном. Такие работы включают как
определение объемной активности радона в помещениях, так и выявление
потенциально опасных по радону площадок, предназначенных для нового
строительства, поскольку именно его эмиссия из земли обуславливает
основную долю "радонового" риска.
Породы с повышенным содержанием урана проявляются на поверхности
земли повышением потока радона и концентрации радона в подпочвенном
воздухе. Это свойство пород позволяет использовать результаты измерения
радона для их поиска.
Хорошо известны методики измерения радона, которые при этом
используются:
- Измерение объемной активности радона с применением
сцинтилляционных камер на основе ZnS(Ag).
- Измерение объемной активности радона с использованием
полупроводниковых детекторов альфа-излучения.
- Измерение объемной активности радона по активности продуктов его
распада уловленных фильтром после прокачки через него исследуемого
воздуха.
- Измерение объемной активности радона с использованием
эманационно-трековых или термолюминесцентных детекторов.
- Измерение потока радона на поверхности с использованием сорбента
улавливающего выделяющийся через эту поверхность радон.
Прямые определения радона в воздухе посредством сцинтилляционных
камер или полупроводникового детектора при всей их простоте и удобстве
мало эффективны при его небольших концентрациях (<1000 Бк/м3) вследствие
возрастания времени измерения. Это ограничивает сферу их применения, в
основном, они используются для выполнения единичных измерений и
измерений радона на стационарных точках наблюдения. Для повышения
чувствительности измерений необходимо или увеличивать время измерения
или предварительно концентрировать измеряемый компонент из большего
объема с последующим переводом его в детектор.
Первый принцип реализован в методике использующей эманационнотрековые и термолюминесцентные детекторы, экспозиция которых на точке
наблюдения порядка нескольких недель.
Принцип предварительного концентрирования реализуется в методиках,
основанных на осаждении продуктов распада радона на фильтры при прокачке
достаточно больших объёмов воздуха (100л и более). Объемная активность
радона определяется по активности продуктов распада на фильтре. Меньшее
распространение получили методики, в которых используется улавливание
радона, выделяющегося в воздух с использованием угольных и других
сорбентов.
Сравнительное испытание различных методик измерения объемной
активности радона в почвенном воздухе [1] показало, что результаты
измерений практически не различаются в пределах ошибки измерений.
Поэтому основными критериями выбора конкретной методики измерений
можно считать количество необходимых измерений, время получения
конечного результата измерений и стоимость комплекта оборудования.
Исходя из этих представлений, мы предприняли попытку разработать
методику измерения потока радона на поверхности земли, рассчитанную на
выполнение экспрессных многоточечных измерений в полевых условиях.
Основной принцип использованного нами метода измерения эксхаляции
радона заключается в следующем: на точке наблюдения
устанавливается
сорбционное устройство, представляющее собой металлический сетчатый
цилиндр, заполненный активированным углем (угольный модуль, V=200см3)
под газонепроницаемой покрышкой, после экспонирования в течение ~12 часов
модуль извлекается из-под покрышки и помещается в герметичный контейнер,
через три часа, этого времени достаточно для установления равновесия между
радоном и его короткоживущими продуктами распада, производится
определение количества уловленного радона.
Измерение
радона в угольных модулях производится по гаммаактивности его дочернего элемента Bi-214 (линия 1,76 Мэв). Гаммаспектрометрическая установка собрана на основе детектора, кристалл NaJ(Tl)
размером ∅200×200 мм с колодцем ∅70×100мм, и многоканального
анализатора SBS-79. Образцовая мера приготовлена с использованием жидкого
радиевого эталона и представляет собой угольный модуль с содержанием радия
1,26х10-9г. Детектор помещен в свинцовую защиту с толщиной стенок 10см.
Предел обнаружения радона около 1Бк.
Для последующего использования, сорбционный модуль нагревается до
температуры 150оС для удаления радона и воды.
Величина потока радона на поверхности земли определяется как
отношение количества радона уловленного угольным модулем к площади
покрытия, закрывающего его на поверхности земли, и времени экспозиции.
Один из основных моментов, определяющих истинность измеряемой величины
потока, это соотношение площади покрышки модуля
и эффективной
(реальной) площади поверхности земли, с которой улавливается выделяющийся
радон.
Для определения значения эффективной площади и выяснения других
особенностей методики были выполнены эксперименты с использованием
физической модели потока радона на поверхности земли.
Схема установки показана на рис.1. Соответствующим подбором
количества урановой руды в генераторе радона была получен поток радона на
поверхности величиной 0,017 Бк/м2с. Такой поток немного выше фоновых
значений в естественных условиях, но все же достаточно ординарен. Каждое
измерение определялась как среднее из трех определений активности радона в
сорбционном
модуле.
Для
определения общей активности на
поверхность песка на проницаемой
Ротаметр Насос
прокладке насыпался тонкий слой
(1,5см) активированного угля и
закрывался герметичной крышкой.
Эффективность улавливания радона
(~99%) контролировалась сорбцией
радона, содержащегося в воздухе,
Урановая руда выходящем
из
под
крышки,
Песок
специальным угольным модулем.
Измерения
проводились
Рис.1
после установления стационарного
режима газового потока и равновесия радона в объеме установки. Результаты
эксперимента показаны на рисунке 2.
Для покрышек, диаметр
Изме не ние ск орости сорбции радон а в
которых
меньше
21см,
зависимости от п лощади п ок рышк и
Sэфф.>Sпокр. Для "рабочей"
100,00
покрышки диаметром 21 см
Скорость
Sэфф.=Sпокр.. При увеличении
потока
диаметра
покрышек
4см3/м2с
Sэфф.<Sпокр. Эти соотношения
10,00
Скорость
сохраняются
при
разных
потока
скоростях потока газа носителя
1,6см3/м2с
1,6 и 4,0см3/м2с.
1,00
Расчетная
Время, в течение которого
активность
происходит
сорбция
радона
радона
угольным
модулем,
обычно
0,10
выбирается
исходя
из
0
20
40
60
Диаметр покрышки (см)
используемой
технологии
измерений. Например, установка
Рис.2
сорбционного модуля на точке
наблюдения
вечером
и
измерение активности модулей утром следующего дня. В этом случае сорбция
радона на точке наблюдения продолжается в течение 12-16 часов. Для
выяснения влияния переходных процессов в первые часы после установки
сорбционного модуля на точке наблюдения был проведен эксперимент при
различных экспозициях. Результаты измерений (рис.3) показали, что
максимальная скорость сорбции радона
Изменение средней скорости
достигается через 4 часа, остается практически
сорбции радона в зависимости
от времени экспозиции
постоянной при увеличении экспозиции до 20
часов и начинает постепенно снижаться при
20
дальнейшем увеличении экспозиции.
10
0
Изменение скорости сорбции радона от
0
4
10 20 30 43 65
нуля до максимального значения в течение
часы
первых четырех часов приводит к снижению
расчетной величины определяемого потока
Рис.3
радона. При экспозиции 10 часов это снижение
Бк/час
Скорость сорбции радона Бк/час
Угольный модуль
достигает 20%. Выяснив характер изменения скорости сорбции радона, не
сложно учесть в расчетной формуле влияние переходных процессов на
определение величины потока радона.
Для оценки
влияния климатических факторов были выполнены
режимные наблюдения на десяти точках наблюдения в естественных условиях.
Обобщенные данные по тридцати измерениям в различные периоды года
приведены в таблице 1.
Таблица 1
№
точки
Февраль-Март
⎯Р
1
⎯Р
Δ
Δ /⎯Р
Сентябрь-Октябрь
⎯Р
Δ Δ /⎯Р
мБк/м2с
мБк/м2с
мБк/м2с
2,94
0,63 0,21
1,90
0,34 0,18
2,49
0,41 0,16
Δ
Δ /⎯Р
Июнь-Июль
2
1,80
0,31 0,17
1,51
0,38 0,25
1,73
0,38 0,22
3
1,42
0,32 0,22
1,40
0,32 0,23
1,67
0,34 0,20
4
1,58
0,27 0,17
1,77
0,43 0,24
1,81
0,40 0,22
5
1,39
0,27 0,20
1,06
0,28 0,27
1,11
0,23 0,20
6
1,89
0,32 0,17
1,42
0,49 0,34
1,74
0,49 0,28
7
1,95
0,57 0,29
1,25
0,45 0,36
1,84
0,44 0,24
8
2,23
0,57 0,26
1,65
0,35 0,21
1,99
0,31 0,15
9
10
2,47
0,31 0,12
2,16
0,69 0,32
2,52
0,63 0,25
4,26
0,48 0,11
0,19
2,14
0,50 0,23
0,26
3,09
0,50 0,16
0,21
среднее
Измерение активности модулей производились после сорбции радона на
точке наблюдения в течение 24 часов. Время измерения 4 минуты. Среднее
значение относительного стандартного отклонения по всем точкам для зимы и
осени равно 21%. Летом оно несколько выше - 26%. Примерно такие же
значения вариации концентрации радона в почвенном воздухе были получены в
работе [3]. Более высокое значение вариации измерений в летний период
объясняется
относительно высокой влажностью воздуха в этот период.
Насыщение активированного угля парами воды, при повышенной влажности,
приводит к снижению фактического времени сорбции радона и соответственно
к занижению значения регистрируемого потока радона.
Опыт практического применения методики измерения эксхаляции радона
с использованием сорбционных модулей показал, что она достаточно
эффективна при выполнении исследований по выявлению и уточнению
положения урановых рудных тел. Сочетание высокой производительности с
получением окончательного результата в тот же день позволяет рационально
выполнять такие работы, поскольку появляется возможность их оптимизации в
зависимости от результатов измерений. Гамма-спектрометр, применяемый для
определения содержания радона в сорбционных модулях, может
использоваться и для определения содержания естественных радиоактивных
элементов в пробах поверхностных отложений. Интерпретация данных
эманационных измерений существенно упрощается при контроле возможного
влияния поверхностных ореолов урана.
Тектонические нарушения различного порядка являются основным
фактором, определяющим вариации потока радона на поверхности земли. Если
основной поток радона создается рудным телом, то эти нарушения позволяют
ему достичь земной поверхности. В некоторых случаях, при достаточно
большом объеме зоны дробления и хорошей проницаемости пород в этой зоне,
создаются условия для формирования повышенного потока радона на
поверхности земли при ординарных содержаниях урана в породе.
Заполнение зоны разрывных нарушений водой, при прочих равных
условиях, приводит к увеличению потока радона на поверхности земли
вследствие возрастания коэффициента эманирования пород и увеличения
скорости миграции радона к поверхности. Последнее обусловлено тем, что
принципиально меняются условия переноса радона. Скорость его подъёма к
поверхности начинает определяться скоростью восходящих потоков воды и,
возможно, скоростью движения пузырьков попутных газов.
Первые опыты по использованию активированного угля для измерения
потока радона совпадают по времени с началом массовых эманационных
измерений в середине прошлого века. Начиная от простейших, когда слой
активированного угля на проницаемой прокладке размещался на поверхности
земли и закрывался герметичным покрытием до использования различных
накопительных камер с осаждением радона на фильтр из активированного угля
[1]. По окончании экспозиции, активность угля определялась гаммаспектрометрическим или эманационным методом. Таким образом, можно было
выполнять единичные измерения потока радона, но не более. Рассмотренная
методика измерения потока радона, сохраняя все преимущества которые дает
использование активированного угля по части повышения чувствительности,
позволяет выполнять до 100 измерений в сутки.
Кроме авторов, на начальном этапе исследований, обоснованием
методики измерения потока радона с использованием сорбционных модулей и
вопросами её практического применения занимались А.М Гофман, В.Ф.
Федоровский. Авторы выражают им искреннюю признательность
Литература
1. А.С.Сердюкова, Ю.Т.Капитанов
Изотопы радона и продукты их распада в природе. М., Атомиздат, 1975,203с.
2. F.Ruckerbauer, R.Winkler
Radon concentration in soil gas: a comparison of methods.
Applied Radiation and Isotopes 55 (2001)273 –280
3.K. Bunzl, F. Ruckerbauer, R. Winkler
Temporal and small-scale spatial variability of 222Rn gas in a soil with a high gravel
content.
The Science of the Total Environment, 220 ,1998, 157-166