Яковлева В.С. Методы измерения плотности потока радона и торона с поверхности пористых материалов

Подождите немного. Документ загружается.

3.4. НАКОПЛЕНИЕ РАДОНА В ВОЗДУХЕ ИЛИ

НА АКТИВИРОВАННОМ УГЛЕ

По способу накопления различают методы с накоплением радона:

 в воздухе (объеме) внутри НК (около 70% опубликованных на-

учных работ посвящено этому методу);

 на активированном угле, расположенном внутри НК (~ 30 %

опубликованных работ).

Метод с накоплением радона на активированном угле [36, 112114,

131149] используется в сочетании со следующими методами измере-

ния накопленной активности:

1. гамма-спектрометрический метод с использованием сцинтилля-

ционного, обычно NaI(Tl), или германиевого полупроводникового

детектора;

2. радиометрический метод: гамма- или бета-радиометр, альфа/бета

счетчик на основе жидкого сцинтиллятора.

Метод с накоплением радона в воздухе внутри НК, который часто

называют "методом накопительной камеры" (английские эквиваленты

названия данного метода: closed-can method; can technique; closed cham-

ber method; static chamber method; accumulation method), также использу-

ется в сочетании с известными методами измерения накопленной ак-

тивности (в скобках указан процент опубликованных научных работ,

где использован данный метод):

1. сцинтилляционный (~ 35 %) [18, 78, 113, 141, 150164];

2. полупроводниковый (также в сочетании с электростатическим

осаждением заряженных продуктов распада радона) (~ 15 %) [73,

165171];

3. ионизационный (ионизационные камеры, газоразрядные счетчики,

электретные детекторы) (~ 30 %) [41, 86, 115, 172188];

4. трековый (трековые твердотельные детекторы) (~ 20 %) [106, 182,

189202].

Методы измерения накопленной активности радона и торона, в за-

висимости от принципа работы детектора (с использованием источни-

ков питания, или без) подразделяют на (рис. 3.1):

1. активные методы;

2. пассивные методы.

Пассивными методами называют группу методов измерения объ-

емной активности радона и торона, в которых детектор накапливает ин-

формацию о радоне и тороне пассивным способом, т.е. без использова-

ния источников электроэнергии. Последующее считывание накоплен-

ной детектором информации производят с привлечением электроприбо-

ров. К пассивным методам относят трековые [203–206], электретные

методы [185, 186, 207, 208] и методы с адсорбцией радона и торона на

активированном угле [138, 209, 210]. Пассивные методы измерения яв-

ляются интегральными (или квазиинтегральными).

Активными методами измерения накопленной активности радона и

торона называют группу методов, в которых измерение активности

производят по вторичному признаку (испускаемое ионизирующее излу-

чение) с использованием источников электроэнергии. К активным ме-

тодам относят сцинтилляционный, полупроводниковый и ионизацион-

ный методы [211, 212]. Активные методы относят к мгновенным (экс-

прессным).

3.5. ДРУГИЕ КЛАССИФИКАЦИИ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ

По длительности одного измерения методы измерения плотности

потока, по аналогии с методами измерения ОА радона, можно разде-

лить на:

 интегральные (длительность одного измерения от нескольких

дней до месяца). Пример: статический метод с использованием

трековых детекторов;

 квазиинтегральные (от одного до нескольких дней). Пример:

динамический метод с использованием электретных детекторов;

статический метод с использованием угольных адсорберов;

 мгновенные (от десятков минут до нескольких часов). Пример:

статический метод с использованием сцинтилляционного, полу-

проводникового детекторов, ионизационной камеры, газораз-

рядных счетчиков; статический метод с накоплением радона

внутри НК на активированном угле.

Все разработанные методы измерения плотности потока можно

классифицировать, в зависимости от целей применения их результатов:

 для однократных измерений. Цель: оценка радоноопасности

территорий в радиоэкологии, строительстве, геоэкологии. Ос-

новное требование к устройству: легкий вес → мобильный; де-

шевый → массовые измерения;

 для длительных (непрерывных) измерений. Цель: монито-

ринг, научные исследования. Основное требование: автоматизи-

рованная НК в сочетании с одним из мгновенных методов, что

позволит получать временные ряды данных с высокой частотой

дискретизации.

Последняя и самая важная классификация методов по измеряемым

изотопам радона:

1. Методы измерения плотности потока радона:

 в которых пренебрегают вкладом торона в результат измерения;

 в которых отделяют торон, используя различные технические

способы и приемы (выдержка до полного распада торона, задер-

живающие объемы, задерживающие фильтры.

2. Методы одновременного измерения плотностей потока радона и то-

рона.

3. Метод измерения плотности потока торона.

ГЛАВА 4. КОСВЕННЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ

ПЛОТНОСТИ ПОТОКОВ РАДОНА И ТОРОНА

Косвенные методы определения плотности потока радона и торона

применяют, в основном, для оценок радоноопасности больших террито-

рий, когда требуются оценки средних значений плотности потока или

нет возможности проведения непосредственных измерений в силу раз-

личных обстоятельств. Применяют косвенные методы и для расчета

плотностей потоков радона и торона с поверхностей строительных кон-

струкций для последующих оценок радоноопасности зданий.

4.1. МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ПОТОКОВ

РАДОНА И ТОРОНА ПО СОДЕРЖАНИЮ

226

Ra И

232

ППР и ППТ с поверхности земли

Исторически первым был разработан метод определения плотности

потока радона, основанный на диффузионной модели переноса радона в

грунтах и законе Фика. Этот метод заключается в определении ППР с

использованием измеренных, либо справочных данных по физико-

геологическим характеристикам грунтов: удельная активность

226

(

238

U), пористость, плотность грунта, коэффициенты эманирования и

диффузии радона [213] из выражения

Dzq





))((

)(



, (4.1)

где: A(z) – объемная (поровая) активность радона, приходящаяся на

единицу объема порового пространства, Бк/м

;

– эффективный ко-

эффициент диффузии радона, м

/с;



– пористость грунта, отн. ед.

Объемную активность радона в почвенном воздухе определяют из

решения диффузионной модели переноса радона в пористых средах, ко-

торая учитывает перенос радона в вертикальном направлении под дей-

ствием градиента концентрации, для стационарного случая

0)(

)(







AzA



, (4.2)

где:



– постоянная распада радона, с

-1

; A

∞

– поровая активность радона,

находящегося в радиоактивном равновесии с

226

Ra, равная









)1(

sRaem

, K

– коэффициент эманирования, отн. ед.; А

–

удельная активность

226

Ra, Бк/кг;



– плотность твердых частиц грунта,

кг/м

Позже была разработана диффузионно-адвективная (диффузионно-

конвективная) модель переноса радона в пористых средах [49, 153, 213],

которая учитывает перенос радона под действием градиентов концен-

трации, температуры и давления. Эта модель имеет простое аналитиче-

ское решение в некоторых частных случаях, при многих ограничениях и

допущениях (стационарный случай, однородная среда и пр.).

Термин «адвекция», активно используемый за рубежом [214223],

был введен для обозначения перемещения радона под воздействием

внешних сил, в основном, градиента давления, а также конвекции,

фильтрации и других процессов, имеющие место в рассматриваемой си-

туации, кроме молекулярной диффузии. В России, авторами работ [213,

224227], был введен условный термин «конвекция», для обозначения

перемещения радона под действием тех же внешних воздействий, одна-

ко, в настоящее время он встречается в научной литературе гораздо ре-

же [228233]. Для того, чтобы избежать путаницы в подразумеваемых

под условным термином «конвекция» процессах переноса радона, далее

используется только термин «адвекция».

Одномерное диффузионно-адвективное уравнение переноса радона

(и его изотопов) имеет вид

eee















)(

)()()(



, (4.3)

где υ – скорость адвективного переноса радона в грунте, м/с.

Решение уравнения (4.3) для стационарного случая с граничными

условиями A(0)=0 и A(∞)=A

∞

имеет вид (ось z направлена вниз от по-

верхности земли, z ≥ 0)













































DDD

eee

AzA

exp1)(



. (4.4)

Плотность потока изотопов радона определяется согласно первому

закону Фика и с учетом адвективного переноса выражением

)(

))((

)( zA

Dzq











, (4.5)

которое с учетом (4.4) и при z=0 запишется следующим образом

































eee

DDD

ADzq

)(





. (4.6)

Таким образом, плотность потока радона (торона) с поверхности

грунта или другого пористого материала определяется в общем случае

соотношением































eee

sRaeme

DDD

AKDzq

)1()(





, (4.7)

и при υ=0 (диффузионная модель переноса)



esRaeme

DAKDAzq )1()(







(4.8)

Существующие методы оценки ППР и ППТ, основанные на диффу-

зионно-адвективной модели переноса, требуют подробной информации

о физико-геологических параметрах грунтов и различаются методами

расчета необходимого параметра модели – скорости адвекции.

Скорость адвекции почвенных газов, в том числе, радиоактивных, в

свою очередь является мало изученной на настоящий момент величи-

ной. Под адвекцией почвенного радона принято понимать [213] его пе-

ремещение под действием геотермальных градиентов и градиентов

давления в земной коре, газоподъемной силы при заполнении пор во-

дой, турбулентных эффектов в почвенном воздухе при изменении

внешних условий – барометрического давления, температуры, ветра, за

счет таких процессов взаимодействия в системе «атмосфера-суша», как

теплообмен и влагооборот, и пр.

Математическое описание разных процессов и механизмов перено-

са изотопов радона в грунте, кроме молекулярной диффузии, связанных

с изменчивостью состоянии атмосферы, литосферы и космической по-

годы затруднено тем, что кратковременные изменения в состоянии при-

земного слоя атмосферы являются труднопрогнозируемыми и к на-

стоящему времени недостаточно изучены [234].

Для определения скорости адвекции предложено несколько спосо-

бов. Например, за рубежом наиболее распространен следующий подход

[223, 235–243], в котором скорость адвекции рассматривают как ско-

рость фильтрационного переноса почвенного радона, который описыва-

ется законом Дарси [223]

 









, (4.9)

где k – газопроницаемость породы, м

; μ – динамическая вязкость воз-

духа (1,83·10

-5

Па·с при Т = 20˚С); P

– давление воздуха, Па; ρ

– плот-

ность воздуха, кг/м

; g – ускорение свободного падения, м/с

В работе [239] использована небольшая модификация закона Дар-

си, т.е. перенос радона в вертикальном направлении рассмотрен как по-

ток воды, перемещающийся вместе с растворенным в ней радоном в

почвенном слое к дневной поверхности согласно потенциальному урав-

нению Ричарда. А скорость адвекции в этом случае определяется соот-

ношением





, где K

, м/с, – насыщенная гидравлическая

проводимость, а



, м, – гидростатический напор.

Способы, основанные на гидродинамической модели, являются

трудоемкими и малоэффективными. К основным их недостаткам можно

отнести, во-первых, необходимость измерения газопроницаемости и

градиента давления почвенного газа в грунтах, во-вторых, (заведомо)

большую погрешностью определения скорости конвекции по формуле

(4.9), поскольку в ней не учтены процессы теплообмена и влагооборота

в системе «атмосфера-суша».

Газопроницаемость грунта можно оценивать из следующего выра-

жения