Радиоэкология строительных материалов

Введение

 

 

Мировая общественность стала проявлять серьезную озабоченность  по поводу воздействия ионизирующих излучений на человека и окружающую среду с начала 50-х годов прошлого столетия, когда в результате испытаний ядерного оружия радиоактивный материал стал распространяться по всему земному шару. Однако, на основе многочисленных исследований, были сделаны выводы о том, что основную часть облучения население земного шара получает от естественных источников радиации [1-5]. Уровни земной радиации зависят от концентрации радионуклидов, встречающихся в горных породах земли. В основном это калий-40 и члены двух радиоактивных семейств, берущих начало от урана-238 и тория-232. Наибольшее экологическое значение среди которых имеют радон-222 и радон-220 - продукты радиоактивного распада радия-226 и радия-224. Радон и торон представляют практический интерес с точки зрения радиационной опасности для жизни человека, так как вносят наибольший вклад в годовую эффективную дозу от источников внешнего и внутреннего облучения, получаемую человеком вследствие его хорошей сорбируемости на поверхностях, очень малым периодом полураспада дочерних продуктов распада (ДПР) и значительным периодом полувыведения из организма [6-8]. Согласно оценке НКДАР ООН (Научного комитета по действию атомной радиации ООН) радон вместе со своими дочерними продуктами распада ответственен за 75% годовой индивидуальной эффективной эквивалентной дозы облучения, получаемой населением от земных источников радиации и примерно за половину этой дозы, получаемой от всех естественных источников радиации.

Одним из отрицательных  экологических последствий интенсификации развития промышленности, происходившей во второй половине ХХ столетия, явилось увеличение техногенного радиационного фона в результате перемещения в процессе производственной деятельности огромного количества природных радионуклидов (уран, торий и продукты их распада). Немалую долю в увеличение техногенного радиационного фона вносят различные строительные, в том числе и облицовочные материалы и изделия, используемые в жилищном, промышленном и дорожном строительстве. Они, с одной стороны, являются источниками гамма-излучения за счет содержащихся в них радионуклидов, с другой стороны, наличие в них изотопов радия создает превышение концентрации изотопов радона и продуктов их распада в воздухе помещений по сравнению с их концентрацией в атмосферном воздухе. Так, по данным (ВОЗ), годовая доза облучения в зданиях сопоставима с дозой, получаемой в процессе рентгенодиагностики.

Одним из направлений  в области уменьшения природного облучения населения является установление системы ограничений на облучение от отдельных природных источников, в том числе при проектировании новых зданий жилищного и общественного назначения. В настоящее время в Республике Казахстан, в том числе в Северо-Казахстанской области (СКО), интенсивно развиваются строительные проекты. Анализ геологической карты Казахстана позволяет сделать выводы о том, что население СКО проживает в основном на территориях с повышенным содержанием урана и тория в подстилающих породах, с повышенным содержанием радона в зонах тектонических разломов [3], что в свою очередь, предопределяет определенное содержание естественных радионуклидов в  природных строительных материалах. Отсутствие контроля над содержанием естественных радионуклидов (ЕРН) в природных строительных материалах приведет в дальнейшем к повышенному радиационному фону  изделий, изготовленных на их основе.

Актуальность  темы. Контроль над разработкой и производством строительных материалов, технологических разработок при создании новых строительных изделий, ввозимой готовой продукции позволяет своевременно предотвратить появление материалов с повышенной радиоактивностью. В этой связи вопросы выявления природных источников строительных материалов с повышенным содержанием ЕРН и ограничения их хозяйственного использования весьма актуальны на сегодняшний день.

Цель: изучение соответствия строительных материалов нормам радиационной безопасности НРБ-99.

Задачи:

1. изучить законодательство в области радиационной безопасности при применении строительных материалов;

2. показать взаимосвязь мощности эффективной дозы гамма-излучения внутри помещения с величиной эффективной удельной активности строительных материалов и местом их происхождения (на основе литературных данных);

3. проанализировать содержание естественных радионуклидов в природных строительных материалах, примененных в строительстве в 2007-2009 г.г.;

4. показать  влияние содержания концентрации естественных радионуклидов в природных строительных материалах на величину эффективной удельной активности и класс безопасности готового изделия.

 

 

1.1 естественные источники ионизирующего излучения

 

 

Основную часть облучения  население земного шара получает от естественных источников радиации. Большинство из них таковы, что избежать облучения от них совершенно невозможно. На протяжении всей историй существования Земли разные виды излучения падают на поверхность Земли из космоса и поступают от радиоактивных веществ, находящихся в земной коре. Человек подвергается облучению двумя способами. Радиоактивные вещества могут находиться вне организма и облучать его снаружи; в этом случае говорят о внешнем облучении. Или же они могут оказаться в воздухе, которым дышит человек, в пище или в воде и попасть внутрь организма. Такой способ облучения называют внутренним.

Облучению от естественных источников радиации подвергается любой  житель Земли, однако одни из них получают большие дозы, чем другие. Уровень радиации в некоторых местах земного шара, особенно там, где залегают радиоактивные породы, оказывается значительно выше среднего. Доза облучения зависит также от образа жизни людей. Применение некоторых строительных материалов, использование газа для приготовления пищи, открытых угольных жаровень, герметизация помещений и даже полеты на самолетах - все это увеличивает уровень облучения за счет естественных источников радиации.

Земные источники радиации в сумме ответственны за большую  часть облучения, которому подвергается человек за счет естественной радиации. В среднем они обеспечивают более 5/6 годовой эффективной эквивалентной дозы, получаемой населением, в основном вследствие внутреннего облучения. Остальную часть вносят космические лучи и источники земной радиации, главным образом путем внешнего облучения [9-11].

Космическое излучение. Радиационный фон, создаваемый космическими лучами, дает чуть меньше половины внешнего облучения, получаемого населением от естественных источников радиации. Космические лучи в основном приходят к нам из глубин Вселенной, но некоторая их часть рождается на Солнце во время солнечных вспышек. Космические лучи могут достигать поверхности Земли или взаимодействовать с ее атмосферой, порождая вторичное излучение и приводя к образованию различных радионуклидов.

Одни участки земной поверхности более подвержены действию лучей, чем другие. Северный и Южный полюсы получают больше радиации, чем экваториальные области, из-за наличия у Земли магнитного поля, отклоняющего заряженные частицы (из которых в основном и состоят космические лучи). Уровень облучения растет и с высотой, поскольку воздух выполняет роль защитного экрана. Люди, живущие на уровне моря, получают в среднем из-за космических лучей эффективную эквивалентную дозу около 0,3 мЗв (миллизивертов) в год; для людей же, живущих выше 2000 м над уровнем моря, это величина в несколько раз больше. Еще более интенсивному, хотя и относительно непродолжительному облучению, подвергаются экипажи и пассажиры самолетов. При подъеме с высоты 4000 м (максимальная высота, на которой расположены человеческие поселения: деревни шерпов на склонах Эвереста) до 12000 м (максимальная высота полета трансконтинентальных авиалайнеров) уровень облучения за счет космических лучей возрастает примерно в 25 раз и продолжает расти при дальнейшем увеличении высоты до 20000 м (максимальная высота полета сверхзвуковых реактивных самолетов) и выше.

Всего за счет использования воздушного транспорта человечество получает в год коллективную эффективную эквивалентную дозу около 2000 чел.-Зв.

Земная радиация. Основные радиоактивные изотопы, встречающиеся в горных породах Земли, - это калий-40, рубидий-87 и члены двух радиоактивных семейств, берущих начало соответственно от урана-238 и тория-232 - долгоживущих изотопов, включившихся в состав Земли с самого ее рождения.

Разумеется, уровни земной радиации неодинаковы для разных мест земного шара и зависят от концентраций радионуклидов в том или ином участке земной коры. В местах проживания основной массы населения они примерно одного порядка. Примерно 95% населения живет в местах, где мощность дозы облучения в среднем составляет от 0,3 до 0,6 мЗв в год. Но некоторые группы населения получают значительно большие дозы облучения. В некоторых районах Земли уровни земной радиации намного выше.

По подсчетам НКДАР  ООН (Научный Комитет по делам  атомной радиации) средняя эффективная эквивалентная доза внешнего облучения, которую человек получает за год от земных источников естественной радиации, составляет примерно 0,35 мЗв, т.е. чуть больше средней индивидуальной дозы облучения из-за радиационного фона, создаваемого космическими лучами на уровне моря.

Для оценки годовой эквивалентной  дозы внешнего Н_вш облучения от радионуклидов, содержащихся в грунте или почве, при их известной концентрации используют соотношение:

 

(1)

 

где 8766 — среднее число  часов в году;

С_K , C_U и C_Th — удельные активности ⁴⁰K, ²³⁸U и ²³²Th соответственно;

— отношение массовых коэффициентов поглощения фотонов  в биологической ткани и в воздухе;

коэффициенты 0,4310^-10, 4,27*10^-10 и 6,62*10^-10 - рассчитанные значения мощности дозы в Гр/ч на 1 Бк/кг.

Так, при содержании в грунте 1000 Бк/кг ⁴⁰K, 60 Бк/кг ²³⁸U и 80 Бк/кг ²³²Th мощность дозы на расстоянии 1 м будет равна 0,12 мкГр/ч. Следовательно, за год эквивалентная доза от такого грунта составит значительную величину Н_вш = 8766*0,12*1,11 = 1,168 мЗв, которая в три раза больше средней эквивалентной дозы внешнего облучения от земных источников радиации, равной, по данным НКДАР 0,35 мЗв/год.

Аналогичные оценки эквивалентной  дозы, выполненные для песчаника дают величину Н_вш = 0,298 мЗв/г (таблицы 1, 2).

 

Таблица 1

Мощность поглощенной  дозы в воздухе на высоте 1 м от поверхности Земли при содержании радионуклида 1 Бк/кг (НКДАР, 1982)

Радионуклид	Мощность дозы, 10-10 Гр/ч
40K	0,43
238U	4,27
232Th	6,62

 

Таблица 2

 Удельная активность ⁴⁰K, ²³⁸U и ²³²Th в породах и почвах и мощность дозы на высоте 1 м (НКДАР, 1982)

Порода или почва		Удельная активность, Бк/кг			Мощность дозы на высоте 1 м, мкГр/ч
		40K	238U	232Th
Породы	Граниты	1000	60	80	0,12
	Базальты	240	10	10	0,02
	Известняки	90	30	7	0,02
	Песчаники	370	19	10	0,03
	Сланцы	700	44	45	0,08
Почвы	Сероземы	670	31	48	0,074
	Черноземы	410	22	36	0,051
	Каштановые	550	27	37	0,060
	Серые лесные	370	18	27	0,041
	Подзолистые	150	9	12	0,018
	Торфянистые	90	6	6	0,011
	Средние	370	26	26	0,046
	Типичный диапазон	110- 740	11- 52	7,5- 48	0,014- 0,090

 

Внутреннее  облучение. В среднем примерно 2/3 эффективной эквивалентной дозы облучения, которую человек получает от естественных источников радиации, поступает от радиоактивных веществ, попавших в организм с пищей, водой и воздухом. Совсем небольшая часть этой дозы приходится на радиоактивные изотопы типа углерода-14 и трития, которые образуются под воздействием космической радиации. Все остальное поступает от источников земного происхождения.

В среднем человек  получает около 0,18 мЗв в год за счет калия-40, который усваивается организмом вместе с нерадиоактивными изотопами калия, необходимыми для жизнедеятельности организма. Однако значительно большую дозу внутреннего облучения человек получает от нуклидов радиоактивного ряда урана-238 и в меньшей степени от радионуклидов ряда тория-232.

Определение доз внутреннего облучения  за счет природных радионуклидов, поступающих в организм из внешней среды, требует учета многих факторов. Попавшие внутрь организма человека по пищевым цепочкам с продуктами питания и питьевой водой, а также с вдыхаемым воздухом, радионуклиды, как и стабильные изотопы, вступают в обменные процессы, могут избирательно накапливаться в критических органах (например, радий - в костях) либо более-менее равномерно распределяться по всему организму (как углерод, калий). Имеют значение скорость и пути выведения радионуклида, виды и энергетические характеристики излучения, образующегося при его распаде, длительность периодов полураспада и ряд других [12].

Облучение в  помещениях. Большинство людей  проводят значительную часть времени внутри помещений, поэтому для оценки облучения населения важно знать уровни радиации внутир зданий. С учетом возраста и климата человек в среднем проводит вне помещений только 20 % своего времени. Облучение в помещениях определяетяс в первую очередь конструкцией зданий и использованными строительными материалами. Если применяются местные строительные материалы, то мощность дозы внутри помещений должна быть выше, чем снаружи, из-за того, что облучение происходит со всех сторон, а не только с поверхности земли. Как правило, только в деревянных домах облучение в помещениях примерно такое же, как и на открытом воздухе.

Исследования 45 % населения Земли показывают, что наименьшие значения дозы облучения внутри помещений характерны для Новой Зеландии, США, Исландии, где преобладают деревянные конструкции, в этих странах мощность поглощенной дозы на открытом воздухе больше, чем в помещении. Максимальные мощности дозы – в тех странах, где используют каменную или кирпичную кладку. В странах с разными климатическими поясами и различными типами строений, среднее значение мощности дозы является достаточно формальным показателем, так как реальное дозовое распределение может иметь два или три максимума.