CC BY
98
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПОВЕДЕНИЯ РАДОНОВОЙ РАДИОАКТИВНОСТИ В ПОМЕЩЕНИЯХ ЗДАНИЙ И ПРИНЦИП КОНТРОЛЯ
LOW OF BEHAVIOR INDOOR RADON RADIOACTIVITY AND CONTROL PRINCIPLE
А.А.Цапалов
A.A.Tsapalov
НИИСФ PAACH
Установлено, что вариации радона в помещениях сдаваемых в эксплуатацию зданий в основном обусловлены температурным влиянием. Показан принцип и структура формулы для оценки с заданной точностью среднегодовой ЭРОА радона в помещениях этих зданий с учетом температурного влияния.
Established that the variation of indoor radon in buildings put into operation mainly due to the influence of temperature. Submission of the principle and structure of the formula for estimating a given accuracy average annual indoor radon EEC these buildings, taking into account the temperature influence.
Известно, что в современных условиях человек подвергается наибольшему воздействию ионизирующего излучения в помещениях зданий, где проводит около 80% времени жизни. Основным источником радиации в зданиях является радоновая радиоактивность - короткоживущие дочерние продукты распада (ДПР) изотопов радона (Rn-222 и Rn-220), которые в большем или меньшем количестве всегда присутствуют в воздухе помещений. На долю только этих изотопов в структуре облучения от всех естественных природных источников радиации в среднем по земному шару приходится более половины суммарной эквивалентной эффективной дозы1 [1]. Причем их вклад в дозу поддается регулировке и его можно снизить. В связи с этим в нормах радиационной безопасности [3] содержатся требования по ограничению среднегодового содержания радоновой радиоактивности в помещениях отдельно для существующих и для вновь построенных (или реконструированных) зданий. Однако до сих пор нерешенной задачей остается оценка с приемлемой достоверностью среднегодовой концентрации ДПР изотопов радона в помещениях зданий по результатам краткосрочных измерений. Проблема заключается во временной нестабильности радоновой радиоактивности, отличающейся значительными суточными и сезонными вариациями (Рис.1).
Изотопы радона образуются в результате естественного распада радионуклидов в цепочках радиоактивных семейств U-238 и Th-232, естественным образом неравномерно распределенных в земной коре. Благодаря уникальным для своих семейств свойствам инертного газа, а также способности выделяться из твердой кристаллической структуры вещества в поровое пространство, изотопы радона обладают возможностью мигрировать в земной коре и пористых строительных материалах. В результа-
1 Эквивалентная эффективная доза характеризует потенциальный ущерб или меру воздействия на организм человека ионизирующей радиации с учетом природы и вида радиоактивного излучения
те некоторая их часть оказывается внутри зданий. Поскольку период полураспада Яп-222 (3.82 суток) существенно больше, чем у изотопа Яп-220 (56 сек), концентрация атомов Яп-222 в воздухе помещений всегда несопоставимо выше. Поэтому в помещениях зданий основное внимание обычно отводится радиоактивности, связанной с изотопом Яп-222 (далее радон) и его короткоживущими ДПР.
Рис.1. Характерные результаты непрерывных измерений ЭРОА радона и температуры воздуха в помещениях нежилых зданий [4]
Напомним, что опасность для человека представляет не сам газообразный радон, а его ДПР, которые обладают свойствами металлов и поэтому способны осаждаться и накапливаться в органах дыхания. ДПР радона образуют при альфа-распаде значительную концентрацию так называемой "скрытой энергии", величина которой пропорциональна дозе облучения или объемной активности смеси ДПР во вдыхаемом воздухе. Поскольку все короткоживущие ДПР (Ро-218, РЬ-214, Б1-214 и Ро-214) имеют значительно меньший, чем у радона период полураспада (меньше 30 мин), их цепочка стремится к состоянию радиоактивного равновесия2 с радоном. Однако в помещениях из-за естественного стока ДПР из воздуха в результате их осаждения на поверхностях, а также воздухообмена, состояние радиоактивного равновесия никогда не достигается (за исключением Б1-214 с Ро-214, т.к. период полураспада последнего составляет всего лишь 164 мкс). Поэтому в воздухе любого помещения смесь ДПР постоянно находится в динамичном неравновесном состоянии. Усредненную с определенными весовыми коэффициентами активность такой неравновесной смеси ДПР в воздухе принято выражать в виде эквивалентной равновесной объемной активности (ЭРОА) радона (1), которая по определению создает такую же концентрацию скрытой энергии, как гипотетическая равновесная смесь.
ЭРОА = 0.105 • OAA + 0.515 • ОАв + 0.380 • ОАс, (1)
где ОАлвс - объемная активность в воздухе помещения изотопов Ро-218, РЬ-214
и Б1-214, соответственно, Бк/м3.
Величина сдвига радиоактивного равновесия между радоном и смесью его ДПР количественно характеризуется значением коэффициента равновесия F = ЭРОА/ОА, которое в помещениях примерно изменяется от 0.2 до 0.7 [4], при среднем значении 0.4 [1].
Таким образом, радон выполняет ключевую роль в механизме формирования уровня радоновой радиоактивности в помещениях, являясь поставщиком опасности -скрытой энергии или ЭРОА радона, которая как "хвост" следует во времени и пространстве за динамично изменяющейся концентрацией радона, но при меньшей, пропорционально величине F, активности.
Баланс радона в помещении описывается при стационарном состоянии известным соотношением [2]
ОА = ~j + ОАнаруж ,
Лш (2)
где ОА - объемная активность радона в помещении, Бк/м3;
у - суммарная удельная скорость поступления радона от всех источников (кроме наружного воздуха) в помещение, Бк/(м3ч);
Хео - кратность воздухообмена в помещении (Хео >0.05), 1/ч;
ОАяаруж - объемная активность радона в наружном воздухе, Бк/м3.
Наблюдаемые временные вариации ОА и ЭРОА радона в помещениях (Рис.1) являются следствием суперпозиции изменения каждого из трех параметров в правой
2 Состояние радиоактивного равновесия радионуклидов характеризуется равенством их активностей в единице массы или объема вещества; активность радионуклида (Бк) - это среднее количество актов распада
ядер всех его атомов за 1 сек или величина произведения количества его атомов на постоянную распада этого радионуклида
части соотношения (2). Оценим степень влияния каждого из этих параметров на вариации ОА радона в помещении.
Вариации радона в наружном воздухе. В наружном воздухе на высоте от 1 до 100 м над материковой частью суши ОА радона составляет в среднем около 8 Бк/м3 при наиболее вероятном диапазоне значений от 5 до 20 Бк/м3. Сравнение этих значений с нормативным [3], приближенно пересчитанным из единиц ЭРОА (100 Бк/м3) в единицы ОА (~200 Бк/м3), указывает, что относительно небольшое содержание радона в наружном воздухе незначительно влияет на вариации ОА радона в помещении на уровне норматива.
Вариации скорости поступления радона в помещение. Поступление радона в помещение в основном обусловлено его выделением из грунта под зданием, а также ограждающих конструкций самого здания, если материалы конструкций включают неорганические компоненты земляного происхождения.
Результаты недавно проведенных исследований закономерности выделения радона из грунта под зданиями показали [4,8], что амплитуда временных вариаций плотности потока радона с поверхности подвальных полов, сложенных из осадочных мелкодисперсных грунтов в состоянии стабильной низкой влажности, существенно ниже амплитуды наблюдаемых вариаций ОА и ЭРОА радона в помещениях зданий. Поэтому с учетом практически постоянной интенсивности диффузионного выделения радона ограждающими конструкциями, колебания скорости поступления радона внутрь здания из его материалов и грунта также не могут оказывать значимого влияния на вариации радона в помещениях.
Вариации кратности воздухообмена в помещениях. Сравнительный анализ амплитуды временных флуктуаций входящих в соотношение (2) параметров свидетельствует о том, что вариации радона в воздухе помещений обусловлены только изменениями величины кратности воздухообмена и направления движения потоков воздуха внутри здания. Экспериментально установлено [4], что характер вариаций ОА радона (и тем более ЭРОА) в эксплуатируемых помещениях жилых зданий в принципе не поддается закономерному описанию, т.к. в этом случае наибольшее воздействие на формирование воздухообменного процесса оказывает повседневная деятельность человека, как правило, периодически, но не регулярно и не в равной степени, влияющего на воздушно-тепловое состояние помещений в своем жилище. В тоже время в помещениях нежилых зданий, характеризующихся более стабильным воздушно-тепловым состоянием, обнаруживается явно выраженная обратная связь между суточными трендами ЭРОА радона и величиной разности температуры воздуха внутри помещения и снаружи здания (Рис.1).
В этой связи поведение радона наиболее детально изучалось в редко посещаемых помещениях нежилых зданий, воздухообменный режим которых в наибольшей степени соответствует состоянию помещений в незаселенном доме после окончания строительства, т.е. условиям проведения производственного контроля при приемке зданий в эксплуатацию. Детальные исследования выполнялись в специально отобранных десяти помещениях разного типа в нежилых зданиях Московского региона [4]. В основном помещения располагались в подвалах или на первых этажах зданий. Четыре из них эксплуатировались без ограничений (действующие помещения), а в другие шесть помещений люди не допускались (закрытые помещения). В течение одного года (с 2009 по 2010) в каждом помещении был произведен непрерывный мониторинг ЭРОА радона и температуры воздуха с периодом регистрации 3 часа. Наиболее характерные результаты мониторинга показаны на Рис.1. Проведение подобного долгосрочного мо-
ВЕСТНИК .МГСУ
ниторинга стало возможным благодаря новому (Рис.2) аэрозольному альфа-радиометру радона "АльфаАЭРО" (более подробная информация о приборе на сайте разработчика "НТЦ АМПЛИТУДА").
Рис. 2. Радиометр "АльфаАЭРО"
Статистический анализ временных рядов ЭРОА и температуры в экспериментальных помещениях, а также метеорологических параметров воздушной среды снаружи зданий, подтвердил существование мощной корреляционной связи обратного действия между ЭРОА радона и величиной разности температуры внутри помещения и снаружи здания (коэффициент корреляции по годовой выборке, примерно, "- 0.7") [4]. При этом оказалось, что состояние помещения (действующее или закрытое) не имеет определяющего значения. Нарушение отмеченной закономерности наблюдалось из десяти лишь в одном помещении №83 (Рис.1), что, очевидно, было связано с нестабильностью его воздушно-теплового состояния, вызванного ярко выраженными, нехарактерными для других помещений, колебаниями температуры воздуха.
Таким образом, характер вариаций ЭРОА радона в помещениях, зависящий в основном от интенсивности воздухообмена, в решающей мере определяется величиной разности температуры воздуха внутри помещения и снаружи здания, но только при определенных условиях, обеспечивающих стабильность воздухообменного режима помещения. Причем изоляция помещения от присутствия человека не является достаточным требованием для обеспечения этих условий.
В работе [4] предложен набор из пяти критериев, характеризующих условия стабильности воздухообменного режима помещения на основе количественного анализа характера флуктуаций ЭРОА радона и температуры воздуха. В итоге по результатам проверки соответствия требованиям каждого из пяти критериев были отобраны 4 помещения из 10 экспериментальных, причем одно из них эксплуатируемое без ограничений (Рис.1). В этих четырех помещениях в течение всего периода проведения исследования наблюдалось стабильное воздушно-тепловое состояние, вследствие чего поддерживался устойчивый воздухообменный режим. Поэтому экспериментальная ин-
В этом помещении мониторинг был досрочно остановлен из-за значимого влияния деятельности служебного персонала на естественный воздухообменный режим
формация по этим четырем помещениям составила основу для вывода количественных закономерностей и обобщений с целью оценки с заданной точностью среднегодовой ЭРОА радона в помещениях новых зданий перед их вводом в эксплуатацию.
Для расчетной оценки среднегодовой ЭРОА радона в закрытом помещении нового здания по результатам краткосрочных измерений за основу принят принцип учета температурного влияния, как наиболее эффективный [6]. Впервые этот принцип с описывающей его структурой формулы был предложен в работе [8] и затем развивался в публикациях [5,7]. В последней по теме работе [4] предложен усовершенствованный вариант формулы расчета среднегодовой ЭРОА радона, который позволяет без изменения сути принципа учитывать в совокупности влияющие на воздухообменный режим характеристики помещения
--о рпл
ЭРОА =-=-, (3)
К (6>) • к2 - к1 +1 ^
где ЭР0Аизм - измеренное значение ЭРОА радона в удовлетворяющем критериям отбора помещении, Бк/м3;
К(#) - температурный коэффициент, выражающий отклонение измеренного значения ЭРОА радона от среднегодового (Рис.3), отн.ед.;
Т - Т
в = =—= -1 - разность температуры внутреннего и наружного воздуха в без-Т - Т
размерном виде (Тв - Тн > 5 °С);
Т, Тв - измеренная и расчетная среднегодовая температура воздуха внутри помещения, °С;
Тн, Тн - измеренная и расчетная среднегодовая температура наружного воздуха, °С.
Значения коэффициентов к1=0.1 и к2=1 определены на основе экспериментальных данных по четырем отобранным помещениям. На примере усовершенствованного варианта структуры формулы (3) напомним суть принципа учета температурного влияния, распространяющегося только на удовлетворяющие критериям отбора помещения.
Связь между величинами ЭРОАызм и ЭРОА учитывается с помощью коэффициента, зависящего от степени отклонения текущей, т.е. соответствующей времени проведения измерений, разности температуры внутреннего и наружного воздуха от ее среднегодовой величины. Осуществляется это с помощью входящего в (3) регионального климатического коэффициента к1, а также температурного коэффициента К, зависимость которого от безразмерной разности температуры в показана на Рис.3 сплошной линией.
Из формулы (3) и Рис.3 можно видеть, что при в = 0, т.е. равенстве текущей и среднегодовой разностей температуры (или в гипотетическом случае, когда температуры внутреннего и наружного воздуха в течение всего года постоянны), результаты краткосрочного измерения ЭРОА радона равны его среднегодовому значению. С увеличением абсолютного значения | в | неопределенность оценки ЭРОА возрастает, что соответствует условиям выполнения измерений в жаркие или морозные дни. Неопределенность такой оценки обусловлена разнообразием характеристик помещений и их
ВЕСТНИК _МГСУ
ограждающих конструкций, т.е. различием условий воздухообмена в разных помещениях с внешней средой при одинаковых погодных условиях. Такая неопределенность отражается на поведении функции К(#), которая для относительно герметичных помещений с пониженным (в среднем за год) воздухообменом имеет вид показанной на Рис.3 пунктирной кривой "А", а в случае помещений с интенсивным естественным воздухообменом - вид пунктирной кривой "Б". Подобное различие воздухообменных режимов в помещениях учитывается в совокупности с помощью коэффициента к2.
Дополнительная возможность снижения неопределенности оценки ЭРОА заключается в увеличении продолжительности измерения величины ЭРОАызм , а также температуры внутреннего и наружного воздуха.
К
Б
А о. е
1 0 2
- -1—
Рис.3. Зависимость коэффициента К от безразмерной разности температуры в [7]
На основе накопленного массива экспериментальных данных по четырем удовлетворяющим критериям отбора помещениям выполнена оценка неопределенности расчета по формуле (3) среднегодовой ЭРОА радона 5, отн.ед., в зависимости от продолжительности измерения с учетом температурного влияния (Рис.4), а также без учета температуры (в этом случае к1 =0 и к2 =0).
Сопоставление точности расчетной оценки среднегодовой ЭРОА радона по результатам краткосрочных измерений на Рис.4 демонстрирует целесообразность учета температурного влияния при проведении радонового контроля зданий перед их вводом в эксплуатацию. Учет температуры без каких-либо существенных дополнительных затрат значительно повышает достоверность оценки среднегодового значения ЭРОА радона в помещениях, либо при той же точности позволяет радикально сократить продолжительность измерения, максимально оптимизируя процедуру радонового контроля зданий.
Результаты работы могут составить основу для разработки методики по радиационному обследованию зданий. Однако представленный в работе [4] набор критериев, а также значения коэффициентов в формуле (3) получены на весьма ограниченном экспериментальном материале. Поэтому необходимо провести дополнительные исследования в разного рода помещениях, находящихся в зданиях иного типа, а также расположенных в других климатических зонах на территории РФ.
Рис.4. Неопределенность расчетной оценки среднегодовой ЭРОА радона в помещении, удовлетворяющем критериям отбора, в зависимости от продолжительности измерения с учетом температурного влияния (толстая линия) и без учета температуры (тонкая линия) [4]
Список литературы
1. Источники, эффекты и опасность ионизирующей радиации. Доклад Научного комитета ООН по действию атомной радиации Генеральной Ассамблее за 2000 г., с приложениями. Том 1., 2001.
2. Крисюк Э.М. Радиационный фон помещений. М., Энергоатомиздат, 1989. 118 с.
3. Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009). СанПиН 2.6.1.2523-09. М., Минздрав России, 2009.
4. Пополнение и анализ результатов экспериментальных исследований корреляции вариаций ЭРОА радона в помещениях с параметрами внешней среды. Отчет о НИР ООО "НТЦ АМПЛИТУДА". Москва, Зеленоград, 2010. 88 с.
5. Цапалов А.А. Оценка среднегодового уровня ЭРОА радона в помещениях на основе результатов краткосрочных измерений радиометром "АльфаАЭРО" // АНРИ. 2008. № 3, С.49-58.
6. Цапалов А.А. Системное исследование динамики ЭРОА радона в помещениях и принципы контроля // АНРИ. 2010. № 2, С.2-14.
7. Цапалов А.А., Ермилов А.П., Гулабянц Л.А., Губин А.Т., Кувшинников С.И. Принцип оценки среднегодовой ЭРОА радона в зданиях по результатам краткосрочных измерений //Радиационная гигиена. 2010. T.3. № 3, С.23-27.
8. Цапалов А.А., Кувшинников С.И. Зависимость объемной активности радона в помещениях от разности внутренней и наружной температур воздуха // АНРИ. 2008. № 2, С.37-43.
Literature:
1. Istochniki, effekty i opasnost' ioniziruyuschei radiacii. Doklad Nauchnogo komiteta OON po deistviyu atomnoi radiacii General'noi Assamblee za 2000 g., s prilojeniyami. Tom 1., 2001.
2. Krisyuk E.M. Radiacionnyi fon pomeschenii. M., Energoatomizdat, 1989. 118 s.
3. Normy radiacionnoi bezopasnosti (NRB-99/2009). SanPiN 2.6.1.2523-09. M., Minzdrav Ros-sii, 2009.
4. Popolnenie i analiz rezul'tatov eksperimental'nyh issledovanii korrelyacii variacii EROA rado-na v pomescheniyah s parametrami vneshnei sredy. Otchet o NIR OOO "NTC AMPLITUDA". Moskva, Zelenograd, 2010. 88 s.
5. Capalov A.A. Ocenka srednegodovogo urovnya EROA radona v pomescheniyah na osnove rezul'tatov kratkosrochnyh izmerenii radiometrom "Al'faAERO" // ANRI. 2008. № 3, S.49-58.
6. Capalov A.A. Sistemnoe issledovanie dinamiki EROA radona v pomescheniyah i principy kontrolya // ANRI. 2010. № 2, S.2-14.
7. Capalov A.A., Ermilov A.P., Gulabyanc L.A., Gubin A.T., Kuvshinnikov S.I. Princip ocenki srednegodovoi EROA radona v zdaniyah po rezul'tatam kratkosrochnyh izmerenii //Radiacionnaya gigiena. 2010. T.3. № 3, S.23-27.
8. Capalov A.A., Kuvshinnikov S.I. Zavisimost' ob'emnoi aktivnosti radona v pomesche-niyah ot raznosti vnutrennei i narujnoi temperatur vozduha // ANRI. 2008. № 2, S.37-43.
Ключевые слова: радон, ЭРОА радона, объемная активность радона, вариации радона, коэффициент равновесия, кратность воздухообмена, воздухообменный режим, воздушно-тепловое состояние помещения, температурное влияние.
Keywords: radon, radon EEC, radon concentration, radon variation, equilibrium factor, air exchange, air exchange mode, the air-thermal condition in room, the temperature influence
127238, Москва, Локомотивный проезд, 21, НИИСФ, Лаборатории радиационной безопасности в строительстве
Тел./факс (495) 482-3965 Radon222@mailfrom.ru
