Радионуклиды в строительных материалах

Оглавление

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Воздействие на человека тех или иных источников радиации поможет оценить следующая диаграмма (по данным А.Г.Зеленкова, 1990).

 

 

По происхождению радиоактивность делят на естественную (природную) и техногенную. Естественная радиоактивность существует миллиарды лет, она присутствует буквально повсюду. Ионизирующие излучения существовали на Земле задолго до зарождения на ней жизни и присутствовали в космосе до возникновения самой Земли. Радиоактивные материалы вошли в состав Земли с самого ее рождения. Любой человек слегка радиоактивен: в тканях человеческого тела одним из главных источников природной радиации являются калий-40 и рубидий-87, причем не существует способа от них избавиться.

Учтем, что современный человек до 80% времени проводит в помещениях - дома или на работе, где и получает основную дозу радиации: хотя здания защищают от излучений извне, в стройматериалах, из которых они построены, содержится природная радиоактивность.

Большинство строительных материалов непосредственно являются природными компонентами экосистемы и поэтому имеют свои специфические радиационные свойства. Например, все строительные материалы минерального состава содержат в различном количестве химические элементы, изотопы которых радиоактивны. Использование на протяжении долгих лет традиционно считавшихся безопасными строительных материалов, в свете их радиационного воздействия на людей, заставило по-новому оценить эти материалы с экологической точки зрения (рисунок 1).

Наиболее опасными в этом отношении могут быть строительные материалы из природного камня и материалы на основе минеральных вяжущих. Кроме того, необходимо знать, что для одного и того же вида материала показатели по радиоактивности могут отличаться в зависимости от местоположения месторождения, поэтому возможен некоторый разброс данных от средних фоновых значений. Радиоактивность строительных материалов зависит от многих факторов, среди которых необходимо отметить вид горной породы, использованной для производства строительных материалов; место добычи горной породы, а также вид отходов, задействованных на производство строительного материала в виде наполнителя или связующего. Так как большинство строительных материалов являются многокомпонентными, выявление закономерностей содержания естественных радионуклидов в таких материалах в зависимости от эффективной удельной активности исходных компонентов является актуальным для обеспечения радиационной безопасности. Радиоактивность строительных материалов является главной составляющей технологически измененного фона, существующего за счет перераспределения естественных радионуклидов. Радиационные характеристики строительных материалов определяются их способностью к эманации радона и гамма-фоном в помещении. В середине 90-х годов, когда участились случаи повышенного содержания радона в сдаваемых в эксплуатацию домах, специалисты пришли к выводу, что это связано с повышенным содержанием радионуклидов в строительных материалах. В результате был значительно изменен порядок радиационного контроля стройматериалов.

 

Радионуклиды в строительных материалах

Естественная радиоактивность строительных материалов обусловлена содержанием в них природных радионуклидов, а именно: радия-226, тория-232, калия-40. Составить представление о сравнительной радиационной опасности некоторых строительных материалов из природного камня, которые в последние годы особо популярны и широко используются при новом строительстве и реконструкции старого жилья, можно по сопоставлению данных об их радиационной активности, приведенной в таблицах 1-4.

Радиоактивность всех горных пород обусловлена присутствием в них долго живущих (то есть имеющих очень большие периоды полураспада) радионуклидов, принадлежащих семействам урана — 238, тория — 232 и калия — 40. Среднее содержание (кларки) в земной коре этих радионуклидов составляет: 238U — 2,1*10-4%, 232Th - 7,0*10-4%, 40К - 1,8%.

Удельная активность 40К, 238 U , 232 Th в обычных горных породах и соответствующая мощность поглощенной дозы в воздухе на высоте 1 м от поверхности земли.

 

Таблица 1 – Удельная активность радионуклидов в камне

 

Вид камня по происхождению (тип породы)	Удельная активность, мБк/г			Мощность поглощенной дозы в воздухе, мкГр/г
	40К	238U	232Th
Вулканические
Кислые (граниты)	1000	60	80	0,12
Промежуточные (диориты)	700	20	30	0,06
Магматические (базальты)	240	10	10	0,02
Ультроосновные (дюриты)	150	0,4	25	0,02
Осадочные
известняки	90	30	7	0,02
карбонаты	-	27	8	0,02
песчаники	370	19	10	0,03
сланцы	700	44	45	0,008

 

 

 

Таблица 2 - Средние концентрации радиоактивных элементов в магматических породах

Группа пород	Породы	К,%	U 10-4, %	Th 10-4, %	Th/U
Основные	габро, лабрадорит	1,0	0,6	1,8	3,0
	базальт, диабаз	1,0	0,7	2,3	3,2
Средние	диорит	1,8	1,8	6,0	3,3
	андезит	1,7	1,2	4,0	3,3
Кислые	плагиогранит	2,5	2,7	9,6	4,0
	гранит, гранодиорит	2,3-4,0	2,1-7,0	8,3-40,0	4,0-5,6

 

Таблица 3 - Средние концентрации радиоактивных элементов в метаморфических породах

Породы	К, %	U 10-4, %	Th 10-4, %	Th/U
мрамор, мраморизованный известняк	0,2	1,1	2,2	2,0
кварцит	0,6	0,8	3,1	3,9
кристаллический сланец	3,1	2,6	10,0	3,8
полевошпатный гнейс	3,4	3,5	15,0	4,0
гранитогиейс	3,6	3,2	16,1	5,0

 

Таблица 4 - Концентрация калия, урана и тория в осадочных породах

Породы	К, %	U 10-4, %	Th 10-4, %	Th/ U
известняк	0,3	1,6	1,8	1,1
доломит	0,4	3,7	2,8	0,8
гипс	0,02	1,0	1,0	1,0
песчаник	1,7	2,9	10,4	3,6
кварцевый конгломерат	1,2	6,3	31,0	5-10

 

В процессе радиоактивного распада постоянно образуется 40 радиоактивных изотопов. Средняя эффективная эквивалентная доза внешнего облучения, которую человек получает за год от земных источников, составляет около 0.35мЗв, то есть чуть больше средней индивидуальной дозы, обусловленной облучением из-за космического фона на уровне моря [5].

Если человек находится в помещении, доза внешнего облучения изменяется за счет двух противоположно действующих факторов:

1) Экранирование внешнего излучения зданием;

2) Облучение за счет  естественных радионуклидов, находящихся  в материалах, из которого построено  здание.

 В зависимости от  концентрации радиоактивных изотопов в различных строительных материалах мощность дозы в домах изменяется от 4 10-8 дО 12 10-8 Гр/ч. В среднем в кирпичных, каменных и бетонных зданиях мощность дозы в 2-3 раза выше, чем в деревянных.

Таблица 5 - Мощность излучения различных источников радона

Источник радона	Мощность излучения, кБк/сут
Природный газ	3
Вода	4
Наружный воздух	10
Стройматериалы и грунт  под зданием	60

 

Естественно, что при выборе камня с повышенным фоном радиации радиационный фон будет повышаться и в доме. В этом случае необходимо подсчитать суммарный уровень радиационного фона от всех возможных источников и не допускать, чтобы сумма нагрузок превысила показатель природного фона.

Наиболее системно информация о радиационной активности материалов представлена в монографии Пархоменко В.И. В таблице 6 для предварительной оценки радиационных свойств материалов приведен радиевый эквивалент для основных из них (пКи/г), полученный при исследовании образцов из разных регионов страны.

Таблица 6 - Радиевый эквивалент ряда минеральных материалов и строительных материалов на их основе (по данным Пархоменко В.И.)

Материал	Радиевый эквивалент, пКи/г
строительный камень	0,9-15,9
бетон	0,5-10,1
глина	1,4-6,7
кирпич глиняный (красный)	2,2-7,0
цемент	0,8-4,3

Продолжение табл.6

щебень известняковый	0,1-3,2
известь	0,1-2,6
песок	0,2-5,6
кирпич силикатный	0,3-2,8
отходы промышленности и изделия на их основе	0,9-11,6
шлак, пепел и фосфогипс (по данным, полученным в Польше)	до 60

 

Единственным газообразным продуктом, который рождается в процессе распада трех семейств ЕРЭ, является радон. Наибольший вклад в газовую составляющую естественных радиоактивных элементов  вносят радиоактивные семейства урана-238 и тория-232, в процессе распада которых образуются радиоактивные радон-222 и радон-220 (последний часто называют торон по имени исходного материнского нуклида).

Радон - это инертный газ без цвета и запаха, почти в 10 раз тяжелее воздуха, точка кипения - 65С, растворяется в воде. Радон, как и его "родители", альфа-излучатель. В процессе распада он продуцируют семейство других альфа-излучателей, которые в целом называют дочерними продуктами распада (ДПР). Причем в отличие от радона и торона ДПР представляют собой не газы, а твердые вещества - нестабильные изотопы свинца, висмута, полония и таллия, которые сами по себе являются мощными источниками альфа-излучения. Например, при распаде семейства урана-238 выделяется восемь альфа-частиц, из которых четыре приходится на радон и его ДПР. Причем первые четыре альфа-частицы выделяются с полупериодом около 1 млрд лет (распад уран-радий), а следующие три с полупериодом 3,825 дня, то есть интенсивность альфа-излучения радона и ДПР во много раз выше интенсивности альфа-излучения урана и радия, вместе взятых.