Исследование тенденций миграции радионуклидов в строительных материалах

УДК 53.087

Исследование тенденций миграции радионуклидов в строительных

материалах

Орлова К.Н., доцент кафедры БЖДЭ и ФВ, М.А. Гайдамак, ст. гр. 17Г41 Юргинский технологический институт Национального исследовательского Томского политехнического университета 652055, Кемеровская обл., г. Юрга, ул. Ленинградская, 26,

E-mail: lesta@tpu.ru

В данной статье рассмотрены вопросы миграции радионуклидов в различных средах. Выявлены факторы, влияющие на естественный радиоактивны фон, скорость миграции и опасные свойства радионуклидов. В результате эксперимента выявлена тенденция к накоплению радионуклидов в панельных и кирпичных постройках. При этом скорость и способность накопления радионуклидов в кирпичных постройках выше, нежели в панельных постройках. Уровень накопления радионуклидов является накопительной предельной характеристикой строительного материала, выше которого накопление и миграция радионуклидов невозможна.

Research trends migration of radionuclides in building materials

Orlova К.N., Associate professor of YUTI TPU, М.А. Gaidamak, student of 17Г41 group

Yurga Technological Institute of National research Tomsk Polytechnic University 652055, Kemerovo reg, Yurga, str. Leningradskaya, 26, E-mail: lesta@tpu.ru

In this article, migration issues of radionuclides in various environments are considered. The natural radioactive background influencing factors, migration rate and dangerous properties of radionuclides are revealed. As a experiment result a accumulation tendency of radionuclides in panel and brick buildings was shown. At the same time, the speed and accumulation radionuclides ability in the brick buildings is higher than in the panel buildings. The accumulation radionuclides level is a cumulative limiting characteristic of the building material, above which the accumulation and migration of radionuclides is impossible.

В целом все организмы в природе подвержены воздействию радиации. Ионизирующее излучение окружает нас повсюду, при этом источниками выступает естественная радиоактивность горных пород и почв, космическое излучение, поступающее на нашу планету из космического пространства, ионизирующее излучение постоянно присутствующее в окружающей атмосфере. Все вышеперечисленное, называют естественным радиационным фоном Земли. Таким образом, естественный радиационный фон является неотъемлемой частью окружающей среды, как кислород или атмосферное давление.

Естественно заключить, что человек, находясь в течении исторической эволюции в состоянии постоянного взаимодействия с естественным радиационным фоном, не должен находиться в изоляции от него. Иначе все процессы, которые протекают в человеческом организме, протекали бы по-другому. То же самое касается любых живых организмов нашей планеты. При этом необходимо помнить, что радиационный фон является приблизительно постоянным на протяжении длительного времени и действует абсолютно на все живое.

Таким образом, мнение о неоспоримом вреде ионизирующего излучения на организм человека является однобоким. Очевидно, что естественный радиационный фон как неотъемлемый фактор окружающего пространства, способствовал развитию всего живого.

Однако в последнее время нарастающее влияние антропогенных и техногенных факторов приводит к перемещению на поверхность глубинных пород с повышенным содержанием радионуклидов. В результате возникает риск

возникновения радиационно-опасной ситуации в любой точке планеты, что требует применения новых подходов к вопросам идентификации и безопасности от ионизирующего излучения, обеспечивающих выявление повышенных над фоновым уровнем содержания радионуклидов, обусловленных природными геохимическими аномалиями или техногенным фактором. Усиление техногенной компоненты облучения человека приводит к увеличению вклада искусственных источников облучения в общее годовое облучение человека

Опасность радионуклидов, которые находятся в биосфере, определяются следующими показателями:

- количество радионуклидов в пространстве;

- характер и вид излучения;

- период полураспада;

- физическое состояние в химических соединениях, в которых они заключены.

Стабильными являются изотопы, не способные претерпевать превращений,

если внешнее воздействие на них отсутствует. Нестабильными или радиоактивными изотопами являются изотопы, ядра которых обладают способностью к самопроизвольному превращению, результатом которого являются ядра атомов других элементов. Ядра всех изотопов химических элементов образуют группу, называемую нуклидами, радионуклидами называются нестабильные нуклиды. В настоящее время известно приблизительно 300 стабильных изотопов и около 1500 радиоактивных.

Миграция радионуклидов имеет также природное и техногенное происхождение. Природная миграция радионуклидов вызвана исключительно природными явлениями, в то время как техногенная вызвана деятельностью человека. Миграция радионуклидов возможна в различных средах: горных породах, почвогрунте, в воде, в воздухе; и в различных направлениях, как горизонтальном, так и вертикальном.

Под вертикальной миграцией понимаются процессы перераспределения радионуклидов вглубь. К последствиям такого перемещения относятся:

1. изменение распределения радионуклидов в корнеобитаемом слое почвы;

2. снижение уровня радиации над поверхностью земли;

3. уменьшение интенсивности выдувания и вымывания радионуклидов;

4. возможно загрязнение грунтовых вод радионуклидами.

Интенсивность вертикальной миграции определяется свойствами почвы, свойствами радионуклидов, видом биоценоза и т.д.

Вертикальная миграция осуществляется путем:

1. конвективного переноса с током жидкостей;

2. диффузии ионов;

3. механического переноса с частицами почвы;

4. переноса на коллоидных частицах;

5. переноса через корневые системы растений [1, 2].

Вышеперечисленные процессы не являются равнозначными, наибольшее значение имеют конвекция и диффузия. Конвекция является переносом радионуклидов посредством восходящих и нисходящих потоков пара или жидкости. Результатом данного процесса является перемещение и увеличение концентрации радионуклидов в нижних слоях почвы. Диффузия является самопроизвольным выравниванием концентрации радионуклидов при соприкосновении с частицами почвы. Результатом диффузии является расширение области, в которой находятся радионуклиды и как следствие, уменьшение их максимальной концентрации. Конвекция и диффузия зависят от поглощения и прочности закрепления радионуклидов твердой фазой почвы. При ослаблении сорбции радионуклидов в почве, тем усиливается интенсивность этих процессов. Конвекция и диффузия

присущи для водорастворимой и обменной формы радионуклидов. Роющая, пахотная деятельность человека, а также ток воды и пыли по трещинам и разломам почвы приводит к механическому переносу радионуклидов, который присущ всем формам радионуклидов.

Горизонтальная миграция является перераспределением радионуклидов вдоль поверхности почвы. Она происходит при двух природных процессах — ветровая и водная эрозия почвы. Ветровая эрозия является ветровым переносом радионуклидов. Величина ветровой миграции зависит от: скорости ветра, погодно-климатическиих условий, свойств радиоактивных выпадений, дисперсности частиц и прочности их фиксации на растительном покрове, свойств почвы, характера подстилающей поверхности, особенностей рельефа и ландшафта, структуры посевов, системы обработки почвы и др. Большая часть радионуклидов мигрирует в слое почвы с мелкой фракцией. Максимальная миграция радионуклидов с ветром (в атмосфере) наблюдается в весенне-летний период. Максимальный уровень накопления радионуклидов наблюдается в местах, для которых характерно резкое снижение скорости ветра (низины, впадины, подветренные стороны склонов). Необходимо учитывать, что миграционная способность Э1г-90 в 10 и более раз выше, чем Св-137. Потому, что стронций пребывает в грунте в водорастворимой форме и в виде комплексов с органическим материалом преимущественно. С поверхностными и грунтовыми водами радионуклиды выносятся в реки и мигрируют по течению рек до впадения в моря. В результате этого происходит очистка почвогрунта и вторичное загрязнение водных систем радионуклидами.

Естественные радионуклиды обнаруживаются во всех типах природных вод. Радиоактивность воде придают в основном уран, торий и радий, образующие растворимые комплексные соединения, которые вымываются почвенными водами, а также газообразные продукты их радиоактивных превращений. Концентрация радиоактивных элементов в реках меньше, чем в морях и озерах, а содержание их в пресноводных источниках зависит от типа горных пород, климатических факторов, рельефа местности и т.д. Концентрация урана, радия и тория особенно высока в подземных водах.

Радиоактивность атмосферы обусловлена наличием в ней радиоактивных веществ в газообразном состоянии ^п-222 и ^-220 (торон), 14С, 3Н) или в виде аэрозолей (40К, уран, радий и др.). Радионуклиды поступают в атмосферу различными путями. Некоторое количество радионуклидов попадает в воздух в результате выветривания земных пород и разложения органических веществ. Определенная доля радиоактивности атмосферы обусловлена наличием в воздухе космогенных радионуклидов. Существенное значение имеет диффузия из почвы в приземные слои атмосферы радона ^п-222) и торона (^-220), являющихся продуктами радиоактивного распада соответственно Ra-226 и Ra-224.

Радиоактивные вещества, попадающие в атмосферу, в конечном счете, концентрируются в почве. Они могут частично вымываться из почвы и попадать в грунтовые воды. Однако почва довольно прочно удерживает попадающие в нее радиоактивные вещества.

Поскольку радионуклиды образуют в природе определенные соединения и в соответствии со своими химическими свойствами входят в состав определенных минералов, то распределение естественных радионуклидов в земной коре неравномерно. Концентрация радионуклидов в различных типах почв отличается. В основном большие концентрации радиоактивных элементов наблюдаются в глинистых почвах, в отличии от песчаников и известняков за счет процессов сорбции. Чернозем занимает промежуточное место. Горные гранитные породы характеризуются повышенным содержанием тяжелых радиоактивных элементов. Доза гамма-излучения у поверхности Земли различна в разных регионах планеты и

варьируется от 0,26 мГр/год до 11,5 мГр/год. Необходимо отметить, что существуют такие районы, в которых фоновые значения достигают достаточно высоких значений гамма-излучения в результате выхода на поверхность Земли радиоактивных руд и пород, а также значительной примеси в почве урана и радия. Естественный радиационный фон в разных местах земного шара разный. Это связано с тем, что с высотой над уровнем моря фон увеличивается за счет космического излучения, в местах выхода на поверхность гранитов или богатых торием песков радиационный фон также выше [3-5].

Факторы, влияющие на миграцию радионуклидов разнообразны по природе и степени влияния. К ним относятся:

- свойства радионуклидов;

- форма нахождения в почве;

- физико-химические свойства почв (присутствие в почвенном растворе катионов; величина рН; наличие в растворе мигрирующих коллоидов; комплексообразующая способность растворенных органических веществ и др.);

- климатические и геоморфологические свойства (смена почв с глубиной, гидрология, характер подстилающих пород);

- тип растительности [7];

- хозяйственная деятельность человека.

Все радиоактивные семейства имеют продукты распада, основными из которых являются стабильные изотопы свинца и радиоактивный газ радон. В свою очередь основным дочерним продуктом распада выступает гамма-излучение, по уровню которого возможно определить тенденции и динамику миграции радионуклидов [810].

В связи с вышесказанным целью исследования явилось:

определение динамики накопления радионуклидов в постройках из различного материала.

Задачи исследования:

> произвести мощности дозы гамма-излучения в различных постройках;

> определить годовую дозу гамма-излучения, получаемую населением;

> сделать вывод о тенденциях накопления радионуклидов различными материалами.

Для проведения данного исследования были произведены измерения гамма-излучения, как основного вторичного продукта распада большинства радионуклидов в панельных постройках различных годов дозиметром «Грач». Измерения проводились внутри кирпичных и панельных зданий на первых этажах. Статистическая погрешность данного дозиметра не превышала 7%.

Далее результаты измерения мощности дозы гамма-излучения усреднялись полиномиальной функцией второй степени [6].

Рассмотрим результаты исследования мощности дозы гамма-излучения в постройках из кирпича и панелей (рис. 1, 2).

0.150.14-^ 0.130.120.11 -0.10. 0.090.08-

0.07-1-.-,-.-,-.-,-.-,--

1995 1990 1985 1980 1975

год постройки

Рис. 1. Мощность дозы гамма излучения внутри панельных зданий

| 0.15£ 0.14г

и '

£ 0.13-

1 0.12-

I

л  | 0.11л

= 0.10.0 .

| 0.09;; 0.08-э

2 2010 2000 1990 1980

>

год постройки

Рис. 2. Мощность дозы гамма излучения внутри кирпичных зданий

Так, согласно измерениям, видно, что жилые дома, построенные более 10 лет назад, создают дозу облучения выше, чем фоновые значения, и указанные значения мощности дозы гамма излучения с увеличением срока службы дома увеличиваются.

Причем, необходимо отметить, что кирпич обладает большей накопительной способностью в течение первых десяти лет.

Спустя 30 лет эксплуатации как панельных, так и кирпичных жилых помещений наблюдалось насыщение уровня гамма-излучения (Рис. 1 , 2). Дома, построенные 2030 лет назад, имеют значения мощности дозы гамма-излучения на 0,02-0,03мкЗв/час больше, чем в домах, построенных недавно.

Выводы

1. Согласно оценке дозиметрических характеристик в постройках из кирпича на территории города Юрги, получены значения, превышающие максимально допустимую дозу гамма-излучения, если срок эксплуатации составлял более 10 лет.

2. Повышенные значения мощности дозы гамма-излучения в кирпичных домах, построенных 30-40 лет назад, свидетельствуют о накоплении радиоактивных изотопов строительными материалами.

3. Уровень накопления радионуклидов является накопительной предельной характеристикой, выше которых накопление и миграция радионуклидов будет невозможна.

Список литературы

1. Оробец В.А., Рыбальченко О.А. Радиоэкология: учебное пособие / В.А. Оробец, О.А. Рыбальченко. - Ставрополь: АГРУС, 2007. - 204 с.

2. Наука: Миграция радионуклидов чернобыль, припять, чернобыльская АЭС и зона отчуждения / [Электронный ресурс] // http://chornobyl.in.ua/radionuclide-migration.html.

3. Костенко О.В. Орлова К.Н. Построение нейроалгоритма по определению суммарного облучения человека//Научно-технический вестник Поволжья. - 2013. -№ 2. - С. 142-145.

4. Медведева О.В., Орлова К.Н., Большанин В.Ю. Нейросетевые технологии алгоритмизации по определению радиационного облучения в повседневной жизни человека //Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2014. - № 10-2. С. 17-20.

5. Гайдамак М.А., Орлова К.Н. Влияние электромагнитного излучения в быту на человека В сборнике: «Экология и безопасность в техносфере: современные проблемы и пути решения» Сборник трудов Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. Юргинский технологический институт (филиал) Национального исследовательского Томского политехнического университета. 2014. - С. 376-378.

6. Градобоев, А.В. Исследование деградации мощности излучения гетероструктур AlGalnP красного и желтого цвета свечения при облучении гамма-квантами [Электронный ресурс] / А.В. Градобоев, К.Н. Орлова, И.А. Асанов // Журнал радиоэлектроники. 2013. - № 4. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/apr13/7/text.pdf.

7. Кизеев, А.Н. Накопление радионуклидов в древесной растительности в индустриально развитых регионах Кольского полуострова / А.Н Кизеев., А.Н. Никанов // Экология человека. 2006. - №1. - С. 38-41.

8. Орлова, К.Н. Анализ уровня гамма-излучения в постройках из кирпича / К.Н. Орлова, М.А. Гайдамак // Технологии техносферной безопасности. 2016. - №3(67). -С. 1-5.

9. Орлова, К.Н. Анализ уровня гамма-излучения в панельных постройках / К.Н. Орлова, М.А. Гайдамак // Технологии техносферной безопасности. 2016. - №4(68). -С. 1-5.

10. Концепция защиты населения Республики Беларусь при радиационных авариях на АЭС / [Электронный ресурс] // http://do.gendocs.ru/docs/index-222106.html?page=2.