（核技术及应用专业论文）地空界面放射性氡析出率研究.pdf

摘要 地一空界面放射性氡析出率研究 李利红，女，1 9 8 2 年5 月出生，2 0 0 4 年师从于葛良全教授，于2 0 0 7 年7 月毕 业于成都理工大学核技术及应用专业并获工学硕士。 摘要 放射性氡及其子体普遍存在于大气中。半个世纪以来，氡的双重性受到了 广泛的关注，一方面，氡可以被人们广泛使用在地质、工业、医学等领域，为 人类造福；另一方面，氡及其子体所致公众剂量及对健康的影响在世界范围内 更是倍受高度重视。许多国家和地区对作为环境中氡最主要来源的土壤氡析出 问题进行了系统研究。与此相比，在我国有关氡的研究中，更多的集中在有关 空气中氡浓度、室内氡浓度和土壤氡浓度方面，而氡析出率作为评价环境空气 中氡水平高低的根源很少受关注。在某些高本底地区和窑洞地区，土壤及土质 建材的氡析出问题己不容忽视。 本文是在国家自然科学基金“地一空界面氡场及其辐射环境效应研究”项目 ( 编号：4 0 3 7 4 0 5 1 ) 与四川省学术与技术带头培养基金“地一空界面氡辐射场的 数学模型研究”项目( 编号：2 2 0 0 3 3 7 ) 研究基础上完成的。 本文从氡的性质、来源、危害和防护等基础知识入手，首先阐明了进行土 壤氡析出规律研究的意义。接着，对氡从土壤中析出的机理以及相关的影响因 素作了详尽的分析和整理，并在此基础上，总结了关于计算土壤氡析出率的经 典理论或经验公式，建立了基于氡在土壤中扩散析出理论的简化计算模型。本 文还详细的介绍了氡析出率的测量原理、仪器和具体方法过程，阐述了最终选 择本院自行研制仪器的原因。 本次设计是在成都理工大学校内进行了氡析出率测量的实践活动。通过对 比模型计算的理论值与实验平均值，论证了模型的可参考性。在此基础上，通 过一系列的实验数据，分析了氡析出率随气象因素( 气压、相对湿度、温度) 的变化规律及其氡析出率随含水率的变化情况。结果表明，土壤氡析出率的变 化规律与温度、相对湿度成正相关，与气压成负相关。所有这些分析，给人们 防氡带来更多的可参考依据。 关键词氡析出率理论模型气象因素土壤性质 成都理：t = 大学硕十学位论文 s t u d yo ns o i lr a d o ne x h a l a t i o nr a t e o nt h eg a s - g r o u n di n t e r f a c e a b s t r a c t e n v i r o n m e n t a lr a d o na n di t sp r o g e n i e sa r ec o m m o n l yc o n s i s ti na i r o v e rt h e p a s t f e wd e c a d e s ，t h e r eh a sb e e nal a r g es c i e n t i f i ci n t e r e s ti n t h es t u d yo f e n v i r o n m e n t a lr a d o n sd u a l i s m o nt h eo n eh a n d ，e n v i r o n m e n t a lr a d o ni su s e d 、i d e l y i nt h ef i e l do f g e o l o g y 、i n d u s t r y 、m e d i c i n ea n do t h e r ，m a k et h eb e n e f i to f p e o p l e ； o nt h eo t h e rh a n d ，t h ep u b l i cd o s ea n dt h ee f f e c tt op e o p l e sh e a l t hc a u s e db y e n v i r o n m e n t a lr a d o na n di t sp r o g e n i e sr e c e i v e dm o r ea t t e n t i o na r o u n dt h ew o r l d m a n yc o u n t r i e sa n dr e g i o n sc a r r i e do u ts y s t e m a t i cs t u d i e so n t h er a d o ne x h a l a t i o nr a t e f r o ms o i l ，c o n s i d e r i n gt h es o i la st h em a j o rs o u r c eo fe n v i r o n m e n t a lr a d o n c o m p a r e d w i mo t h e rc o u n t r i e s ，t h er a d o ne x h a l a t i o nr a t ef r o mc o m l n o ns o i l s ，w h i c hi sr e g a r d e d a st h er o o to fe n v i r o n m e n t a lr a d o n ，o t h e rt h a nt h ec o n c e n t r a t i o no fg a s 、i n d o o r c o n c e n t r a t i o na n ds o i lc o n c e n t r a t i o nh a v en o tb e e nw e l ls t u d i e di no u rc o u n t r y , i n s o m eh i 曲b a c k g r o u n dr e g i o n s ，t h er a d o ne x h a l a t i o nf r o ms o i la n db u i l d i n gm a t e r i a l s m a d eo f s o i lc a u s e sr e a lp r o b l e m st h a tc a nn o tb en e g l e c t e d t h i st e x ti sb a s e do nt h ep r o j e c to f “s t u d yo nr a d o nr a d i a t i o nf i e l da n di t s e n v i r o n m e n t a le f f e c to nt h eg a s g r o u n di n t e r f a c e , f i n a n c e db yn a t i o n a ln a t u r a l s c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n af n o ：4 0 3 7 4 0 5 1 ) a n d “r e s e a r c ho nt h em a t h e m a t i c e q u a t i o no fr a d o nr a d i a t i o nf i e l do nt h eg a s g r o u n di n t e r f a c e ”，f i n a n c e db yt h e a c a d e m i ca n dt e c h n o l o g i c a lf o u n d a t i o no f s i c h n a np r o v i n c en 崎o ：2 2 0 0 3 3 7 ) i nt h i sp a p e r , f i r s t l yt h eb a s i ck n o w l e d g eo nr a d o np r o p e r t y , s o u r c e s ，h a z a r da n d p r o t e c t i o nw a si n t r o d u c e di no r d e rt oc l a r i f yt h em e a n i n go fs o i lr a d o ne x h a l a t i o n s t u d y t h e nb a s e do nas y s t e m a t i cr e v i e wo ft h em e c h a n i s m so fr a d o ne m a n a t i o n , t r a n s p o r t a t i o na n de x h a l a t i o ni ns o i l ，am a t h e m a t i c a lm o d e lf o rc a l c u l a t i n gr a d o n e x h a l a t i o nr a t ef r o ms o i lw a se s t a b l i s h e d a f t e r w a r d s ，t h ep r i n c i p l e s 、i n s t r u m e n t sa n d m e t h o d so fm e a s u r i n gt h er a d o ne x b a l a t i o nr a t ef r o ms o i lw e r ed e s c r i b e di nd e t a i l s ， f i n a l l y , t h i st e x te x p l a i n sw h yw em u s tc h o o s et h ei n s t r u m e n td e v e l o p e db yo u r c o l l e g e t h i sp r a c t i c a lm e a s u r e m e n tw a sc a r d e do u ti nc h e n g d uu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y b yu s eo ft h ei n t r o d u c e de q u i p m e n t c o m p a r e dt h er e s u l to fm o d e lt ot h ea v e r a g e r e s u l to fe x p e r i m e n t , i tc a nd e m o n s t r a t e sw e l lt h er e f e r e n c eo fm o d e l b a s e do nt h e m e a s u r e m e n td a t a , w ea n a l y z e dt h ec h a n g er u l eo fr a d o ne x h a l a t i o nr a t eu n d e r l i a b s t r a c t d i f f e r e n tw e a t h e r f a c t o r ，i n c l u d i n gp r e s s u r e 、h u m i d i t y 、t e m p e r a t u r e ，a sw e l l a s m o i s t u r ec o n t e n t a c c o r d i n gt ot h er e s u l t s ，ap o s i t i v ec o r r e l a t i o nb e t w e e nr a d o n e x h a l a t i o nr a t ea n dt e m p e r a t u r e ，r e l a t i v eh u m i d i t y , a n dan e g a t i v ec o r r e l a t i o nb e t w e e n p r e s s u r ew e r ea p p e a r e d a l lt h e s ea n a l y s i s ，c a nb r i n gp e o p l em o r er e f e r e n c et oc k l r y o u tp r e v e n t i o nm e a s u r eo f e n v i r o n m e n t a lr a d o n k e y w o r d s ：r a d o l le x h a l a t i o nr a t e m o d e lw e a t h e rf a c t o r ss o i lp r o p e r t i e s 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盛签堡王太堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者导师签名：为酚瑶二 学位论文作者签名：篓勿噱， 2 0 0 7 年0 6 月1 5 臼 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛整堡王太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盛都堡王太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 奶l ；备 2 0 0 7 年0 6 月1 5 日 第一章前言 第一章前言 1 1 科学意义 放射性氡及其子体普遍存在于室内外大气中。近年来，人们对氡的研究兴趣 倍增，一是其应用领域广泛，例如用氡浴来治疗某些疾病；根据氡气异常来寻 找矿产、圈定构造破碎带、预报地震；还可以在工业上用来做核素跟踪、无损检 测等等，更重要的是，它对公众健康的危害受到密切的关注。矿工的流行病学调 查、实验动物、细胞和分子水平的实验室研究都证明氡是致癌物。1 9 8 8 年国际 癌症研究机构将氡列为人类致癌物，w h o 公布放射性氡是1 9 种人类重要致癌物 之一”1 。1 9 9 0 年美国兴起美国国家氡行动周( n a t i o n a lr a d o n a c t i o n w e e k ，n r a w ) ， 由国会决定，采用由白宫发表总统公开信的形式，鼓励美国公民对来自氡的健康 危害采取预防行动。1 9 9 3 年联合国原子辐射效应科学委员会( u n s c e a r ) 的报告 指出：人类生活环境中天然本底辐射引起人年均剂量当量有一半是来自氡及其子 体。因此，氡及其子体暴露所引起的危害和防治已经成为公众和环境保护工作者 的一个热门话题，促使人们从不同的角度对其加以研究。 氡析出率是指单位时间、单位面积介质表面释放到空气中的氡量，它反映的 是介质表面氡析出的速率。全球每年向大气中释放的氡如表卜1 所示。 表卜1全球每年释放到大气中的氡 来源 2 船r n 年析出率( b q a ) 土壤 7 5 x1 0 1 9 海水 9 0 1 0 1 7 植物和地下水 2 o x1 0 1 9 天然气 3 1 0 1 4 煤 2 x1 0 1 3 建筑物 3 1 0 8 总计 1 1 0 ” 由表卜l 可以看出，全球来讲，环境空气中的氡主要来源于陆地表面释放， 占环境空气中氡的全部来源的7 7 7 。世界平均而言，来源于建筑物地基和周围 土壤的氡约占室内氡的6 0 4 。岩石、土壤、建筑材料、铀矿石及水冶厂尾矿中 都含有氡，其向空中析出氡的速率大小与这些含氡物质本身的性质( 铀含量、镭 含量、射气系数、孔隙度、结构特征、含水率) 及气象条件( 温度、湿度、压强) 等多种因素有关，对环境空气中氡及其子体的浓度有直接的影响。因此，发现空 成都理jr = 大学硕十学位论文 气中氡及其子体浓度异常时，应通过含氡物质表面氡析出率的测量来寻找其来 源。 土壤氡析出率与空气氡浓度之间有相当高的关联度，氡析出率大，进入空气 的氡多，空气氡浓度就高；相反，空气氡浓度则低。而土壤氡浓度与空气氡浓度 之间的关联度是比较小的。所以，土壤氡析出率将从根源上给出环境空气中氡水 平高低的评价，能更直接的反映土壤氡对人们危害的程度，也就是说测量土壤氡 析出率比测量土壤氡浓度有更大意义1 。同时，由于土壤是室内环境氡的主要来 源，天然辐射照射水平调查，特别是室内氡水平监测时，土壤氡析出率就成了一个 重要的评价指标。 1 2 国内外研究动态 氡析出率的影响因素很多，主要分为测量方法给氡析出率结果带来的误差影 响、仪器在测量过程中造成的影响以及土壤本身导致的氡析出率的变化( 主要包 括土壤的特性和气象因素) ，国内外对后者研究的比较多，对前者的考虑比较少。 1 2 1 氡析出率测量方法的研究 环境氡析出率的测量方法有很多种，关于氡析出率测量方法的研究国内外已 经有一些报道。 i e l s c h 等人提出了一种利用岩石和土壤的地球化学和物理性质参数来计算 土壤表面的氡析出率的模式t r a c h g e o ，对法国西部地区进行了氡析出率的测量， 通过该模式预测的氡析出率比现场测量值高出4 5 ”。 2 0 0 3 年，f a z a l u r r e h m a n 等人用固体核径迹法和静电收集法“1 ( 如图卜1 所示) 对不同种类建材的析出率进行了测量。两种方法的线性相关系数为0 5 7 ， 研究发现，花岗岩石材有较高的氡析出率，对于氡析出率较低的样品可以采用固 体核径迹法采用两个月的累积时间进行测量，而用静电收集法无法探测到。 图1 - 1 静电收集法测介质表面氡析出率示意图 v g e s c o b a r 等人用活性炭吸附法测量土壤的”2 r n 析出率，通过实验得出， 在3 0 0 小时内，采样时间和2 2 2 r n 的增量成正比关系，选择2 4 小时的采样时间可 以获得较好的统计效果，同时可以消除日变化规律对氡析出率的影响”1 。 2 第一章前言 王南萍、肖磊等人用活性炭吸附法对广东珠海斗门高本底风化花岗岩地区进 行了2 r n 析出率的调查，根据地质图，氡浓度以及沉积岩的孔隙度和渗透性等 参数研究了氡析出率、土壤2 r n 浓度与室内2 r n 浓度的关系。1 。 付锦等人在只考虑氡扩散的情况下提出了简单的氡析出率模型计算了铀尾 矿的氡析出率，并讨论了理论计算方法与活性炭吸附法各自的优缺点，将理论计 算方法、活性炭吸附法和静电收集法测量结果进行了对比，总结出年平均氡析出 率的最佳测量季节和测量条件“。 孙凯男、郭秋菊等也用理论计算方法对氡析出率填图进行了初步探讨，在 北京地区将理论计算方法与静电收集法( e r s - 2 仪器) 测量值进行了对比，得出理 论计算值比静电收集法测量值低3 0 “”。 1 2 2 氡析出率测量仪器的研究 目前，随着测氡技术的飞速发展，国际上商品化测氡仪器种类繁多。使用的 仪器主要取决于测量的辐射类型、是否测量氡衰变予体以及测量时间长短等，但 多数是以空气氡测量为主的多用途测氡仪。 a b 一5 是加拿大普隆公司生产的便携式放射性检测仪( 如图1 - 2 所示) ，它具 有一个大范围的模块装配，与不同的配件连合使用能用来测量氡和钍射气、空气 中的子体产物、表面污染、，、x 或射线。其中测量氡气的主要配件是p y l o n 3 0 0 a 型卢卡斯闪烁室。 图卜2a b - 5 型氡析出率仪 a b 一5 的每一个闪烁室在完成一次测量后要等待2 4 小时恢复本底才能进行下 一次测量，从采气到开始测量还有等3 5 小时使氡子体达到平衡；由于多次取气 会引入新的误差，a b 一5 方法实际上是采用两点斜率法来计算氡析出率的，这样 多点拟合计算误差比较大。而且现有条件下，没有a b 一5 的配套软件，所有计算 需要手工完成，这些都使得工作效率很低。 德国t r a c e r l a b 公司生产的e r s 一2 ( e l e c t r o s t a t i c r a d o n - s a m p l e r ) 型静电 收集式氡采样器( 如图卜3 所示) ，是该公司系列测氡仪器中主要为测量土壤 成都理工大学硕士学位论文 图1 - 3e r $ - 2 型氡析出率仪 或建材表面氡钍射气析出率而设计的一款仪器，同时也具有连续测量氡钍射气浓 度的功能，集衰变计数室、p i p s o ! 探测器、2 5 6 道口谱仪和微机控制系统于一身。 e r s 一2 把收集和累积氡气的容器与测量仪器本身一体化设计，使得测量更 方便、更适于野外移动式测量，同时减少了气体从累积装置转移到测量装置过程 中造成的误差；e r s 一2 从进行一次完整的氡析出率测量，到冲洗集氡腔，等待仪 器恢复本底总共只需2 小时左右，在闪烁室总数目不多的情况下，测量效率比较 高；但是其价格非常昂贵，性价比不高。 r e m i i 型氡析出率仪是为一种可携式介质表面氡析出率测量仪( 如图1 - 4 所示，图1 - 5 是其工作原理图) ，其造型和结构尤适用于建筑材料、装璜材料、土 壤、地面、墙壁以及尾矿等表面的氡析出率测量，是一种寻找居室和工作场所等 氡的来源和铀尾矿治理的必备装置。 半导体探畏孵 图1 - 4r e 卜i i 型氡析出率仪 图卜5 仪器工作原理图 r e m - i i 氡析出率仪具有轻便可携、耗电省、灵敏度高、响应时间快、对普通 环境半小时给出测量结果等特点，可直接测量矿山、普通建材、水泥及土壤地面 等表面氡析出率。但是由于被测介质表面空气湿度变化对r e m i i 的探测效率有很 大影响，受现场多变的环境条件限制较大，难以精确确定其相对湿度及其对刻度 系数进行修正。 综合以上对仪器的分析，我们不难看出这些氡析出率都各有特点，能够在特 定环境下，尽量的满足一些测量需求，但是他们都存在一个共同的缺陷：都不能 4 第一章前言 用于现场测量氡析出率的动态监测。 1 2 3 氡析出率影响因素的研究 影响土壤中气体氡析出率的因素较多，其中土壤的特性和气象因素较为重 要。土壤特性包括镭在土壤中的质量活度、土壤结构、孔隙度、颗粒大小、渗透 性及含水量。气象因素包括气温、气压、湿度及地表温度等。关于气象等因素影 响氡析出率的研究，国内外都开展了大量工作。8 0 年代和9 0 年代，美国、瑞士、 奥地利、俄罗斯等国相继开展了研究，我国于9 0 年代开始这项工作的研究。 根据e s t r a n d e n 等人的实验结果，含水率对射气介质氡析出率的影响比较 明显。对应一定含水率值，氡析出率较高，此前有一个坪区，此后则急剧下降。 陈凌等“”指出：气压波动时，射气介质的氡面析出率将随之变化；在稳态情 形，即射气介质温度与外界温度一致时，温度高时氡面析出率高，升高的程度与样 品含水率有关。 李韧杰“”指出：降雨可使废石或尾矿中水的质量分数快速增加，导致氡析出 率快速降低。 j w i e g a n d “”研究了地形、植被、车辆的振动、地质构造、地表覆盖等对氡 析出率的影响。 程冠、吴自香、周星火等也都基于各因素对氡析出率的影响做了研究呻“ 眈1 1 3 论文的项目来源及研究内容 本论文是在国家自然科学基金“地一空界面氡场及其辐射环境效应研究”项 目( 编号：4 0 3 7 4 0 5 1 ) 与四川省学术与技术带头培养基金“地一空界面氡辐射场 的数学模型研究”项目( 编号：2 2 0 0 3 3 7 ) 研究基础上完成的。 本文主要研究内容包括：土壤氡析出率的理论探讨；天然条件下土壤氡析出 率的测量方法；测量仪器与装备；以及在不同土壤物理特性、不同气象条件下土 壤氡析出率的变化规律。 成都理一 大学硕十学位论文 第二章氡的理论基础 2 1 氡的特性 氡是由镭衰变产生的自然界唯一的无色、无味、无臭的天然放射性惰性气 体，是元素周期表中的第8 6 位元素。在标准状态下，气态氡的密度为 9 7 2 7 x i 0 。k g m 3 ，约为空气的7 5 倍，也是惰性气体中最重的元素。在温度为一 6 1 8 下转化为液体，- - 7 1 转化为闪闪发亮的橙黄色固体。氡的这种三态变化 性质，常为低本底实验室除氡所用。 氡能溶解于水和多种液体，还能溶解于血液和脂肪。但在人体内组织的溶解 度却很低，一旦脱离含氡气体环境，很快经肺排出。实验表明，氡在水中的溶解 度系数取决于温度t 和水的矿化度，随着温度和盐度的升高而降低，具体遵循 规律： c o 1 0 5 7 + 0 4 0 5 e - - 0 0 5 ”。 氡的吸附能力较强，几乎能被所有固体尤其是橡胶、粘土、活性碳等多孔材 料吸附。尤其是低温时，氡更易被吸附，如在一1 8 0 时氡可以全部被吸附。 自然界中，氡有三种放射性同位素，即2 ”r n 、”r n 、2 r n 。他们分别来自于 三个天然放射性系列：铀系、钍系和锕系。2 ”r n 为母体核素”5 u 经过7 次衰变的 产物，”5 u 在地壳中的丰度很小，而且“9 r n 衰期很短，只有3 9 6 s ，其对人体产 生的辐射剂量也很小，所以在环境氡的研究中，一般对其不予考虑。r n 为母体 核素2 1 h 经过5 次衰变的产物，2 ”r n 的半衰期也很短，仅为5 5 6 s ，其子体也无 短寿命和长寿命之分，对人产生的内照射剂量也不及r n 及其子体的1 4 ，所以 在我们的研究中，暂且也不予考虑。2 r n 为母体核素2 3 8 u 经过一系列衰变后的中 表2 1 氡及其子体的辐射特征( 能量单位：m e v ) 核素半衰期 口8， 2 2 r n7 r n )口 3 8 2 5 d5 4 9 ( 1 0 0 ) 0 5 1 ( 0 0 7 ) “b p o ( r a a )口3 0 5 m 5 4 9 ( 1 0 0 )0 3 3 ( 0 0 1 9 ) 2 “p b ( r a b ) 卢、， 2 6 8 m0 6 5 ( 5 0 )0 2 9 5 ( 1 9 ) 0 7 1 ( 4 0 ) 0 3 5 2 ( 3 6 ) 0 9 8 ( 6 ) z b i ( r a c ) 9 、71 9 7 m 5 4 5 ( o 0 1 2 )1 0 ( 2 3 )0 6 0 9 ( 4 7 ) 5 5 1 ( o 0 0 8 )1 5 1 ( 4 0 )1 1 2 ( 1 7 ) 3 2 6 ( 1 9 )1 7 6 ( 1 7 ) 2 “p o ( r a c )口1 6 4 us7 6 9 ( 1 0 0 )0 7 9 9 ( o 0 1 4 ) 6 第二章氡的理论基础 间产物，半衰期最长，为3 8 2 5 d 。2 r n 继续衰变为各种子体，其中2 r n 的子体 又分短寿命子体和长寿命子体，短寿命子体“ p o 、“4 p o 是2 辐射体，”4 p b 、“4 b i 是p 辐射体( 见表2 - 1 ) 。而导致肺癌的元凶是2 2 2 r n 及其口辐射体，所以对人体 产生内照射剂量的主要是2 r n 及其2 ”p o 和2 “p o 。我们通常所说的氡主要指2 r n ， 本文讨论的范围也是指2 r n 。 2 2 氡的来源 氡是自然界唯一的天然放射性气体，是惰性气体，它的化学性质虽然稳定， 但是活动性能却很强，主要以扩散、对流、团簇等方式迁移，抽吸作用、温度变 化也能促使氡从母体铀中释放出来。据报道，按世界平均，来源于建筑物的地基 和周围的土壤约占室内氡的6 0 4 ，来自建筑材料和室外空气的分别占1 9 5 和 1 7 8 。 2 2 1 大气环境中氡气的主要来源 ( 1 ) 地基土壤、裂缝和孔隙中析出的氡。在地层深处含有铀、镭、钍的土壤 和岩石中，人们可以发现高浓度的氡。这些氡可以通过地层断裂带，进入土壤和 大气层，并沿着地的裂缝扩散到室内。作为氡气主要来源的岩石和土壤有：各种 火成岩、黑色页岩、泥岩、富铀的变质岩和磷灰岩，以及由它们风化而成的土壤。 ( 2 ) 建筑材料中析出的氡。建筑材料对大气氡浓度的影响仅次于岩石和土壤。 不同的建筑材料对大气氡浓度的影响也不同。 ( 3 ) 从生活用水中逸出。不同来源的水，其氡浓度是不同的。地表水的氡浓 度一般较低，为1 0 到数b q m 3 。而地下水的氡浓度的变化范围却很大，可达 1 0 2 1 0 3 b q m 3 。与土壤或岩石、建材相比，水对大气中氡浓度的影响最小，所以， 一般可以忽略。只有当水源的氡浓度很高时，尤其是富存在黑色页岩、花岗岩等 富含铀、镭地区的水时，才考虑其影响。 ( 4 ) 燃料燃烧时逸出的。人们日常生活中用的燃料有煤和燃气。煤富含大 量的有机物质，对铀具有吸附作用，所以煤的放射性元素含量比较高。当煤燃烧 时，其结构受到破坏，煤中铀含量平均在1 0 x 1 0 。1 左右，若灰量以1 0 计，则 灰中的铀含量便被浓缩到1 0 x 1 0 。3 。这样，煤灰也就成了一种人工氡气源。估 计全世界由于烧煤而每年释放到大气中的氡约为1 0 x 1 0 ”b q 。 这里需要强调指出的是：在这个工业化时代，煤灰的产量是惊人的，而且随 意堆放，无人过问，分散在居民生活空间。煤灰中的放射性物质是以2 ”u 的半衰 期4 5 x 1 0 9 a 衰变的，比尾堆矿要大5 个数量级，也就是说，煤灰几乎是永不消 失的氡源。 2 2 2 室内空气中氡的主要来源 一般认为，室内氡气的浓度要高于室外。我国存在着严重的氡污染问题，1 9 9 4 年以来我国调查了1 4 座城市的1 5 2 4 个写字楼和居室，每m 3 空气中氡含量超过国 7 成都理工大学硕十学位论文 家标准的占6 8 ，氡含量最高的达到5 9 6 b q ，是国家标准的6 倍! 有关部门曾 对北京地区公共场所进行室内氡含量调查，发现室内氡含量最高值是室外的3 5 倍。室内氡的来源可 1 图2 - 1 说明。 图2 1 室内氡来源图 ( 1 ) 从房基土壤中析出的氡。在地层深处含有铀、镭、钍的土壤、岩石中人 们可以发现高浓度的氡。这些氡可通过地层断裂带，进入土壤和大气层。建筑物 建在上面，氡就会沿着地的裂缝扩散到室内。从北京地区的地质断裂带上检测表 明，三层以下住房室内氡含量较高。 ( 2 ) 从建筑材料中析出的氡。1 9 8 2 年联合国原子辐射效应科学委员会的报 告中指出，建筑材料是室内氡的最主要来源。如花岗岩、砖沙、水泥及石膏之类， 特别是含有放射性元素的天然石材，易释放出氡。从近期室内环境检测中心的检 测结果看，此类问题不可忽视。 ( 3 ) 从户外空气中进入室内的氡。在室外空气中，氡被稀释到很低的浓度， 几乎对人体不构成威胁。可是一旦进入室内，就会在室内大量地积聚。 ( 4 ) 从供水及用于取暖和厨房设备的天然气中释放出的氡。这方面，只有水 和天然气的含量比较高时才会有危害。 2 3 氡的危害 氡对人体健康的危害主要表现为确定性效应和随机效应。确定性效应表现为 以下：在高浓度氡的暴露下，机体出现血细胞的变化。氡在人体组织内有很好的 亲和力，特别是氡与神经系统结合后，危害更大。随机效应主要表现为肿瘤的发 生。由于氡是放射性气体，当人们将其吸入体内后，氡衰变产生的口粒子像小炸 弹一样轰击肺细胞，使肺细胞受损，诱发肺癌。氡气对人体的早期健康效应不易 觉察，潜伏期为2 0 年左右。科学家测算，如果生活在室内氡浓度为2 0 0b q m 3 的环境中，相当于每人每天吸烟1 5 根，氡是世界卫生组织确认的主要环境致癌 物之一，是除吸烟以外的引起肺癌的第二大因素。同时，氡在液体和脂肪中有 8 第二章氡的理论基础 较高的溶解度，它会聚集在脂肪较多的器官中，并衰变产生氡子体，造成对人体 的危害。人体在高浓度氡的影响下表现出血细胞( 红、白细胞) 总数升高、血压 下降和血管扩张等效应。氡子体所放射的口射线是构成人体肺癌和血液病的主要 原因之一。口、口射线的外照射能损伤人体五官，产生皮肤干燥，毛发脱落等病 变，严重时会引起皮肤癌。医学研究已经证实，氡气还可能引起白血病、不孕不 育、胎儿畸形遗传等后果。 2 4 氡的防护 氡及其子体的辐射照射是公众所受天然辐射照射的主要来源，保护公众健 康、控制和减少公众受到的辐射照射也是辐射防护的主要任务。 因科学技术的发展和经济水平的差异，各国对氡环境评价和采取的治理方 法有所不同。其中，制定相应的法规和标准是氡危害防治的重要组成部分。许多 国家已制定了有关氡的法规和计划，并已取得了明显得效果。例如，美国国会在 1 9 8 8 年颁发了室内氡减低法，其目标是“在美国建筑物内的空气应和建筑 物外周围环境空气中的氡大体相同“”。 从1 9 9 5 年到2 0 0 4 年，我国先后颁布了住房内氡浓度控制标准 g b t 1 6 1 4 6 1 9 9 5 、民用建筑工程室内环境污染控制规范g b 5 0 3 2 5 - 2 0 0 1 、地 下建筑氡及其子体控制标准g b l 6 3 5 6 1 9 9 6 、人防工程平时使用环境卫生标准 g b w 1 7 2 1 6 - 1 9 9 8 和室内空气质量标准g b t 1 1 8 8 8 3 2 0 0 2 ，均明确了各类建筑 物的室内氡浓度控制标准。2 0 0 4 年国家住宅与居住环境工程中心制订的健康 住宅建设技术要点( 2 0 0 4 版) 中也将氡浓度控制标准列入了人居健康工程的 室内空气质量标准的要素之中。其中，民用建筑工程室内环境污染控制规范 g b 5 0 3 2 5 2 0 0 1 内容集中在以下条款： 第4 2 3 条要求：当民用建筑工程场地土壤氡浓度不大于2 0 0 0 0 b q m 3 或土 壤表面氡析出率不大于0 0 5 b q ( m 2 s ) 时，工程设计中可不采取防氡工程措施。 第4 2 4 条要求：当民用建筑工程场地土壤氡浓度调查结果大于 2 0 0 0 0 b q m 3 、但小于3 0 0 0 0 b q m 3 时，或土壤表面氡析出率大于0 0 5 b q ( m 2 s ) 、 但小于0 1 b q ( 2 s ) 时，工程设计中应采取建筑物底层地面抗开裂措施。 第4 2 5 条要求：当民用建筑工程场地土壤氡浓度调查结果大于或等于 3 0 0 0 0 b q m 3 、但小于5 0 0 0 0 b q m 3 时，或土壤表面氡析出率大于或等于 0 1 b q ( m 2 s ) 、但小于0 3 b q ( m 2 s ) 时，除采取建筑物底层地面抗开裂措施外， 还必须按现行国家标准地下工程防水技术规范g b 5 0 1 0 8 中的一级防水要求， 对基础进行处理。 第4 2 6 条要求：当民用建筑工程场地土壤氡浓度调查结果大于或等于 5 0 0 0 0 b q m 3 ，或土壤表面氡析出率大于0 3 b q ( m 2 s ) 时，除采取本规范4 2 5 条 9 成都理1 ：人学硕十学位论文 防氡处理措施外，还应按照国家标准新建地层住宅建筑设计与施工氡控制导则 g b t 1 7 7 8 5 1 9 9 9 的有关规定，采取综合建筑构造防氡措施。 氡的防护应该从源头抓起，根据对其来源分析，要降低室内氡水平必须从 选址、选材、设计、通风、密封等几个方面入手。具体控制措施概括起来有以下 六点m 1 ： ( 1 ) 正确选择地基。不要将居民住宅建于地质断裂带和含氡较高的矿渣和 工业废渣场上。 ( 2 ) 建筑材料在其生产和销售中一定要严格执行国家有关建筑材料放射性 核素限量的标准，杜绝生产和销售不合格产品。 ( 3 ) 在装修前要对一些板材如花岗岩、大理石、瓷砖等进行必要的检测， 其结果符合规定要求再进行装修。还可以适当使用防氡涂料。 ( 4 ) 采用自然通风，开启门窗是降低室内氡浓度的简单而有效的办法。 ( 5 ) 使用空气净化器、负离子发生器也可以降低室内氡浓度。 ( 6 ) 虽然煤气、天然气中氡的浓度很小，但在使用时也要开启抽油烟机或 门窗，以减少室内氡浓度。 最后，我们非常有必要加强对公众开展宣传和教育，开展“人类环境氡调查” 是国际原子能机构对各成员国政府的建议，氡的照射与危害涉及到千家万户，公 众的参与尤其重要。 1 0 第三章地空界面士壤氡析出率的理论研究 第三章地一空界面土壤氡析出率的理论研究 土壤中的氡分为自由氡( 也称游离氡) 和束缚氡两部分。自由氡是指存在 于土壤孔隙、裂隙之中并在自然条件下能参与扩散、对流，与外界进行交换的那 部分氡；束缚氡是指被牢牢地束缚在土壤颗粒内部，不能参与扩散、对流等其他 方式，不能与外界进行交换的那部分氡。土壤中自由氡和束缚氡的总和，称为土 壤氡的总量。我们用测氡仪器只能测量土壤中的自由氡。 3 1 氡的产生 铀和镭是地球上普遍存在的元素，而氡是由镭衰变产生的。土壤表面的氡 析出是指氡从土壤表面释放到大气中。氡的析出通常可分为两大阶段：一是自由 氡的产生，也就是镭衰变时，氡原子与口粒子之间由于动量守恒使氡原子获得 8 6 k e v 的动能，在这个反冲动能的作用下，新衰变产生的氡原子离开固体晶格， 在运动一段距离后( 这段距离称为反冲距离) 进入连通的微裂隙中形成可迁移的 氡；二是孔隙中的自由氡通过扩散或对流等其他方式运移至土壤表面。因此，土 壤氡析出率与土壤中镭的比活度、土壤密度、射气系数和扩散系数等相关。 反冲距离的大小取决于发生衰变介质的密度和组成，4 r n 在一般固体中的 反冲距离为0 0 2 0 0 7 聊，在水中是0 1 z m ，在空气中是6 3 9 i n m l 。在普通密 度的矿物中，如果镭原子离颗粒表面的距离大于7 0 h m 时，它就会阻止在晶格里 面，不对析出部分作贡献。所以固体中镭衰变后，产生的氡原子并不全是可迁移 的，进入孑l 隙中的可迁移部分所占的份额叫做射气系数( 占) 。射气系数是决定土 壤中可迁移的有效氡含量的源项。 3 2 氡的迁移作用 氡的迁移机理是氡法找铀矿及其他矿种测量结果的推断解释、环境氡水平估 计和地震检测与预报等方面的重要依据之一。为了解释氡气由产生地点向周围介 质迁移的动力，国内外很多学者都进行了相关研究，但是由于氡是一种放射性气 体，迁移所受的影响因素较多，迁移规律十分复杂，至今仍没有统一、完整的认 识。到目前为止，主要提出有以下几种氡的迁移作用： 3 2 1 扩散作用 氡气迁移的扩散理论模式早在2 0 世纪4 0 年代就提出来了。几十年来，这个 理论模式一直是解释氡气迁移的主要依据。但是该理论解释不了地面几十米以下 的氡向上的运移。 氡气是一种可随时间而衰变的放射性气体，它的分子由于受热运动的影响， 从浓度较高处向浓度较低处的方向运动，称为扩散。 氡气的扩散迁移服从一般气体扩散的f i c k 定律： 成都理下大学硕+ 学位论文 ：一d 丝 ( 3 1 ) 。 血 一生 d = d o e ” ( 3 - 2 ) 式中：j - - - 扩散迁移的氡活度，b q ( c m 2 s ) l ； d 一一介质中氡的扩散系数，【c m 2 s 】5 c 一一介质孔隙中氡浓度，lb q c m 3l ； x 一一垂直于介质表面指向介质内部的计算坐标，【c m 】。 取扩散常数； q 一扩散激活能( 原子克服势垒所必须的能量) ； r 一一气体常数； r 一一热力学温度。 3 2 2 对流作用 当存在压力差时，射气便从压力高的地方向压力低的地方流动，这种现象称 为对流。由于地表压力小，深部压力大，因此地表和深部之间存在压力差。另外， 由于土壤空气与大气之间也存在压力差，因而使得深部矿石或岩石逸散的射气向 地表方向迁移。 通常情况下，空气的压力梯度不大，对流速度也不是很快，此时对流服从达 西定律： z = c 矿( 3 - 3 ) 式中； 五一一对流迁移的氡活度， b q ( c m 2 j ) ； c 一介质孔隙中氡浓度， b q c m 3i ； 矿介质中氡的对流速度， c m l s 】； 其中 v = 一r 胃i g ) g r a d p ( 3 - 4 ) k 介质的渗透率，【c m 2 】； 一一气体的粘滞系数，【n s c m 2 】； p 一一气体内的压力， n l c m 2 】； g r a d p p 在测量点的压力梯度，【p a i c m 】。 空气压力梯度g r a d p 是产生对流作用的原动力，气压、风力和温度的变化都会造 成土壤内部孔隙与地面空气之间的压力差。土壤渗透率k 与土壤粒径大小、土壤 成分、孔隙度大小以及孔隙的连通情况有密切关系m 1 。很多研究都表明，土壤的 渗透率是决定土壤氡潜势的重要因素“5 ”。式中的是空气的粘滞系数，与空 气温度有关，但随温度变化不大，一般来说自然界空气的粘滞系数可认为是常数。 1 2 第三章地空界面十壤氡析出率的理论研究 式( 3 - 4 ) 表明氡气对流速度与气体的压力是成反比的。表3 - 1 为不同介质中氡 的对流速度： 表3 - 1 不同介质中氡的对流速度 介质 对流速度( c m s ) 小粒和中粒砂 ( 8 8 0 ) x1 0 4 细砂粒、粉砂和泥质砂 ( 8 8 0 ) x1 0 。5 黄土和黄十状的亚粘土 ( 8 8 0 ) 1 0 5 各种极弱破碎岩石 ( 8 8 0 ) x1 0 1 粘土、泥灰质粘土 5 8 x 1 0 1 在低渗透性( 小于1 0 1 c i i l 2 i s ) 的土壤中，扩散是氡迁移的主要方式。在较 高渗透性( 大于1 0 1 c m 2 i s ) 的土壤中，对流是氡迁移的主要方式。然而在多数 实际情况中，氡的迁移是扩散和对流方式的结合。 3 2 3 团簇作用 氡及其子体的产生均与口衰变有关。1 2 粒子是高速运动的h e 核，当其减速 后，则称为4 h e ，4 h e 为波色子，极易相互结合成团簇。4 h e 团簇可大可小，能 在2 - 1 0 64 h e 之间波动。4 h e 团簇也可与氡等相结合成复