CC BY
15Экологическое строительство
------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Научно-технический и производственный журнал
УДК 621.45.038.77
Л.А. ГУЛАБЯНЦ, д-р техн. наук, Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН(НИИСФ РААСН)
Введение к серии статей по противорадоновой защите
В Федеральном законе № 384-Ф3 от 30 декабря 2009 г. «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» и Нормах радиационной безопасности (НРБ-99/2009) содержатся требования по обеспечению радонобезопасно-сти жилых и общественных зданий. Мероприятия, обеспечивающие выполнение этих требований, должны предусматриваться при проектировании новых и разработке проектов реконструкции существующих жилых и общественных зданий.
Первое в России Пособие по проектированию противорадоновой защиты*, изданное в 1998 г., представляло собой краткое обобщение опыта зарубежных стран, наиболее продвинутых в решении рассматриваемой задачи. За истекшие годы не только выявлены слабые стороны и пробелы этого документа, но и были достигнуты значительные успехи как в разработке теории противорадоновой защиты, так и в отечественной практике ее осуществления. Установлены характерные конструктивные особенности строящихся в России зданий, накоплен опыт применения традиционных и новых, эффективно используемых в целях защиты строительных материалов и конструкций, определены критерии оценки их радонозащитных свойств и др.
Основанием для его коренной переработки явились отмеченные обстоятельства и пожелания многочисленных пользователей первой редакции Пособия, в основном специалистов проектных институтов.
Проблема обеспечения радонобезопасности зданий находится в стадии развития и является достаточно новой не только для населения, но и для многих специалистов строительной отрасли. Поэтому во второй редакции Пособия значительное внимание уделено изложению основ знаний о явлении радиоактивности, дозах облучения, механизме и последствиях облучения радоном и другим вопросам, ознакомление с которыми может способствовать лучшему пониманию пользователями сути про-тиворадоновой защиты и творческому подходу к ее реализации.
Разработка проекта второй редакции Пособия приближается к завершению. Редакция журнала «Жилищное строительство» и автор сочли целесообразным опубликовать этот проект с просьбой к заинтересованным лицам и организациям направить свои предложения и критические замечания по адресу posobie2012@yandex.ru.
Противорадоновая защита жилых и общественных зданий
(Пособие по проектированию, проект)
Часть I
Изложены основы знаний о явлении радиоактивности, дозах облучения, механизмах образования радона и его дочерних продуктов, свойствах радона, медицинских последствиях внешнего и внутреннего облучения радоном, а также другим вопросам, связанным с проблематикой обеспечения радонобезопасности зданий.
Ключевые слова: радиоактивность, радионуклиды, радон, изотопы радона, дочерние продукты, внутреннее облучение, дозы облучения.
Явление радиоактивности и дозы облучения
Существует ряд элементов, атомы которых самопроизвольно (спонтанно) распадаются и превращаются в атомы других элементов. Такие элементы называют радионуклидами, а явление такого распада - радиоактивностью. Сущность явления радиоактивности состоит в самопроизвольном изменении состава атомных ядер, сопровождаемом излучением различного вида микрочастиц, физических полей (элементарных частиц или электромагнитных квантов).
При воздействии сопровождающих распад излучений на вещество его атомы и молекулы возбуждаются, ранее
привязанные к ядру атома и несущие электрический заряд электроны отрываются, становятся свободными, их называют ионами, а вызывающие этот процесс излучения - ионизирующими.
Последовательность радионуклидов, каждый из которых самопроизвольно превращается в следующий, пока не образуется стабильный элемент, называется радиоактивным рядом. Исходный нуклид называют материнским, а остальные в ряду - дочерними продуктами. Состояние статистического равновесия между числом образующихся один из другого радиоактивных элементов называют радиоактивным равновесием.
* Пособие к МГСН 2.02-97 Проектирование противорадоновой защиты жилых и общественных зданий // Правительство Москвы. Москомархитектура. 1998.
Научно-технический и производственный журнал
Экологическое строительство
Для количественной оценки способности радиоактивных элементов к распаду используют понятие их активности. Системной единицей активности, выражающей 1 акт распада в секунду, является 1 беккерель (Бк, с-1). Отношение активности радионуклида к его массе, объему или поверхности называют соответственно удельной, объемной или поверхностной активностью (Бк/кг, Бк/м3, Бк/м2).
Радиоактивный распад сопровождается непрерывным уменьшением числа ядер исходного радионуклида. Это уменьшение происходит по экспоненциальному закону:
N(0 = N0 ■ е-1',
где N0 - исходное число ядер; X - постоянная распада, выражающая число ядер данного элемента, распадающихся в единицу времени, с-1; ' - время, с.
Время, в течение которого число исходных ядер уменьшается в два раза, называется периодом полураспада (Т1/2, с ) и вычисляется по формуле:
Т1/2 = 0,693 / X.
Период полураспада - величина постоянная для каждого радионуклида и практически не зависит от внешних условий.
Ослабление излучения при его прохождении через среду подчиняется закону:
1(х1) = 1(0) ■ е-тх<,
где 1(х1), 1(0) - произвольные характеристики направленного излучения в координатах х=х1, х=0, соответственно, м; т - линейный коэффициент ослабления излучения, м-1.
Наибольшей проникающей способностью обладает фотонное (гамма- и рентгеновское) излучение. Для защиты от фотонного излучения используют свинец, бетон, свинцовое стекло, воду и др. материалы. Максимальный пробег в-частиц в воздухе достигает нескольких метров, а в биологической ткани не превышает 1 см. Пробег а-частиц в воздухе составляет 4-10 см, в мягких тканях человека он измеряется микронами.
Для радиационной безопасности наиболее важными характеристиками ионизирующих излучений являются их энергия и проникающая способность.
Энергию любого вида излучения, поглощенную в 1 г вещества, называют поглощенной дозой (Р). Единица измерения поглощенной дозы - 1 Грей (Гр) - доза, при которой 1 кг облучаемого вещества поглощает энергию в 1 Дж.
Поглощенную веществом в единицу времени дозу называют мощностью поглощенной дозы (Гр/с).
Возникающие при облучении биологических объектов отрицательные последствия помимо величины поглощенной дозы зависят от вида излучения и от восприимчивости различных органов к тем или иным видам излучений.
Величину, которая учитывает не только сумму поглощенной энергии, но и биологическую реакцию различных органов и в целом организма человека на вид и энергию излучений, называют эквивалентной дозой облучения (Н).
Эквивалентная доза для Т-й ткани или органа, созданная излучением й, определяется по формуле:
нг =;£>„■ огя, 1
где 07Я - поглощенная доза излучения й, усредненная по Т-й ткани или органу; - весовой множитель (или коэф-
фициент качества) излучения й, значения которого устанавливают на основе радиобиологических экспериментов. Единица измерения эквивалентной дозы - 1 Зиверт (Зв). Эквивалентную дозу, образуемую в веществе в единицу времени, называют мощностью эквивалентной дозы (Зв/с).
Для учета восприимчивости различных органов к тем или иным видам излучений используют понятие эффективной дозы облучения (Е), величину которой определяют по формуле:
Е = X м Н ,
^ т т'
где шт - весовой тканевый множитель, выражающий вклад данного органа или ткани в полный ущерб, наносимый организму человека вследствие облучения всего тела.
Эффективная доза по своему смыслу представляет меру ожидаемых отрицательных последствий облучения, проявляющихся в патологических изменениях органов и тканей человека и эквивалентных им по значимости генетических отклонениях в потомстве.
Источники и последствия облучения
В зависимости от основного предмета внимания используют различные системы классификации источников ионизирующих излучений. Существенными признаками, по которым производится классификация в этих системах, являются:
- природа происхождения (искусственные, природные);
- направление воздействия на человека (внешние, внутренние);
- геометрические характеристики (точечные, поверхностные, объемные);
- тип излучения (альфа-, бета-, гамма-, рентгеновское и др.);
- возможность регулирования (управляемые, неуправляемые);
- время полураспада (долгоживущие, короткоживущие). К внешним относятся источники космического происхождения и естественные радионуклиды земного происхождения. Внутренние источники - радионуклиды, входящие в состав различных органов и тканей, а также поступающие в организм извне с воздухом или пищей. Контролируемые и неконтролируемые источники характеризуются с точки зрения реальной возможности влиять на создаваемую ими дозу.
Исторически первыми были установлены и классифицированы дозы кратковременных мощных облучений от искусственных источников, в результате которых возникают острые лучевые поражения и в короткие сроки развивается лучевая болезнь. Было обнаружено, что если накопление дозы растянуто во времени, то вероятность лучевого поражения и тяжесть последствий оказываются меньше, чем при той же дозе, но полученной в короткое время. Было определено минимальное значение поглощенной дозы, ниже которой современные методы медицины не позволяют обнаружить в короткий период времени изменения в состоянии здоровья. В последние десятилетия установлено, что отрицательные последствия от воздействия относительно небольших, формируемых природными источниками доз с определенной вероятностью проявляются через 10-15 лет. Ведущее место среди таких последствий занимают злокачественные новообразования различных органов и тканей. Кроме того, возрастает частота и тяжесть генетических отклонений.
22012
29
Экологическое строительство
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
Схема образования изотопов радона
При низких, растянутых во времени дозах облучения возможность появления вредных последствий зависит от большого числа разнородных факторов и процесс развития патологических явлений носит случайный характер. Отрицательные эффекты от облучения такого рода называют стохастическими. Считают, что вероятность появления стохастических эффектов тем ниже, чем ниже накапливающаяся во времени доза. В связи с этим в отношении облучения природными источниками излучений мировым сообществом принята беспороговая концепция радиационной безопасности. Эта концепция обусловливает необходимость целенаправленных действий, в результате которых вероятность стохастических эффектов понижается.
Значимость того или иного источника радиации определяется его вкладом в формирование суммарной дозы облучения от всех источников.
По мировым данным, около 70% суммарной среднегодовой эффективной дозы облучения населения Земли всеми источниками формируется за счет действия природных источников.
Основными природными факторами, определяющими уровень облучения людей в зданиях, являются: космическое излучение, излучение ограждающих конструкций, излучение содержащегося в воздухе помещений радона и его дочерних продуктов.
Дозы, создаваемые космическим излучением, мало зависят от географической широты и в значительной мере - от высоты, удваиваясь примерно через каждые 1,5 км. Ограждающие конструкции зданий ослабляют космическое излучение незначительно, обычно его рассматривают как не поддающийся управлению фактор и ограничиваются учетом его вклада в формирование суммарной дозы.
Излучение ограждающих конструкций обусловлено распадом долгоживущих природных радионуклидов, содержащихся в использованных строительных материалах. Природные радионуклиды содержатся во всех материалах, получаемых из горных пород в чистом виде или после их переработки. С целью снижения доз облучения ограждающими конструкциями применять для их изготовления строительные материалы с активностью, превышающей установленные нормами пределы, не допускается.
Наиболее значимым источником, создающим более половины дозы всех природных источников, является радон.
Радон и его свойства
Радон - радиоактивный элемент периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, представляет собой благородный одноатомный газ. Его плотность при 0оС - 9,81 мг/см3. Элемент получил название по своему наиболее долгоживущему изотопу - радону-222, образующемуся в результате а-распада изотопа радия ^а-226). Обычно, говоря о радоне, имеют в виду собственно радон ^п-222) и его короткоживущие изотопы - торон ^п-220) и актинон ^п-219). В природе наиболее распространен Rn-222. Период его полураспада относительно велик - 3,82 сут. Прежде чем распасться, он успевает распространиться в окружающей среде на значительное расстояние. Период полураспада торона менее одной минуты, актинона - около четырех секунд. Вследствие этого их вклад в формирование дозовой нагрузки невелик и составляет менее 10% вклада радона.
Масса содержащегося в литосфере и атмосфере радона намного меньше массы любого из других известных элементов. Присутствие радона в воздухе по вкусу, цвету или запаху распознать невозможно.
Изотопы радона являются продуктами трех природных радионуклидов - урана-238, тория-232 и урана 235. Ряды их распада в сокращенном виде и периоды полураспада материнского и дочерних продуктов показаны на рисунке.
Уран и торий присутствуют в породообразующих материалах земной коры с момента ее образования и распространены практически повсеместно. Среднее массовое содержание урана в земной коре составляет около 2,510-4%, тория - в несколько раз больше. По данным Международной комиссии по радиационной защите (МКРЗ), среднее содержание урана в организме человека составляет около 910-8 г. В микроскопическом количестве он, как и ряд других природных радионуклидов, необходим для нормальной жизнедеятельности животных и растений. Поскольку периоды полураспада изотопов урана исчисляются миллиардами лет, процесс образования радия и затем радона в принципе является постоянным.
Так как уран и торий - первоисточники радона, их долевое содержание в материале в определенной мере характеризует способность материала к выделению радона. Распределение радонообразующих элементов в грунтах зависит от многих факторов. В частности, от характера развития пород в определенных геологических периодах, геоморфологии, прошлой и текущей тектонической деятельности и т. п. Наиболее достоверную информацию об их
Научно-технический и производственный журнал
Экологическое строительство
Тип грунта Объемная активность радона, Бк/м3, тыс.
Песок, мелкий песок, суглинок 2-20
Морена обычная 5-30
Глина 10-60
Гравий, насыпные материалы 10-150
Морена с гранитом 10-200
Морена с квасцами и сланцами 50-1000
содержании на конкретной территории получают на основе результатов радиационно-геологических исследований.
Образующийся в породе радон частично поступает в по-ровое пространство и частично задерживается в кристаллической решетке породообразующих минералов. Отношение количества радона, попавшего в поровое пространство, к общему количеству образующегося в породе радона, называют коэффициентом эманирования.
Содержащая уран (радий) порода представляет собой среду с внутренним распределенным постоянным источником радона. Объемную мощность такого источника определяют по формуле:
Wo = Сйа ■ р ■ кэм ■ X, Бк/(м3 ■ с),
где Сйа - удельная активность радия-226, Бк/кг; р - плотность грунта, кг/м3; кэм - коэффициент эманирования.
Концентрацию (объемную активность) радона в смеси газов, заполняющих поровое пространство грунта, определяют экспериментально. Приближенно ее можно оценить по эмпирической формуле:
А =Сяа-Р3-кэ„-(1-Р)
"Ял. пор р.[т.(А>-1) + 1] '
где Р3 - плотность породообразующих минералов, кг/м3; р - общая пористость; т - коэффициент насыщения грунта влагой (отношение объема влаги в порах к общему объему пор); кт - коэффициент распределения содержания радона в водной и воздушной фазах.
При изменении влагосодержания и температуры грунта и прочих равных условиях концентрация радона в поровом пространстве может изменяться в несколько раз.
В таблице приводятся типичные значения величин, соответствующие понятию о «нормальном» содержании радона в почвенном газе на глубине 1 м; экстремальные значения могут превышать приведенные в таблице в несколько раз.
Внешнее и внутреннее облучение радоном
Ряды распада изотопов радона включают в себя семейства промежуточных элементов (дочерних продуктов) и завершаются стабильными элементами - изотопами свинца. Каждый акт распада исходного и промежуточного элементов сопровождается выделением а- или в-частицы. В отличие от изотопов радона, являющихся газами, их дочерние продукты - твердые вещества. В их число входят такие мощные источники а-излучения, как нестабильные изотопы свинца, висмута, полония и таллия.
Обычно, когда говорят об облучении радоном, имеют в виду не только облучение собственно радоном, но и всеми его дочерними продуктами. Для образования полного ряда распада радона, завершающегося стабильным элемен-
том, требуется определенное время, называемое временем установления радиоактивного равновесия. В замкнутом объеме с момента поступления в него радона до момента установления радиоактивного равновесия концентрация дочерних продуктов непрерывно изменяется. Например, в случае вентиляции объема помещения часть поступившего в него радона и образовавшихся дочерних продуктов удаляется, не успев полностью распасться. Мерой текущего значения концентрации радона и его дочерних продуктов служит величина его эквивалентной равновесной объемной активности (ЭРОА). Величина ЭРОА радона связана с величиной его объемной активности (ОА) соотношением:
ЭРОА = ОА ■ F,
где F - коэффициент сдвига радиоактивного равновесия между радоном и его дочерними продуктами. Величина F зависит от большого числа факторов, определяющих скорость удаления дочерних продуктов из внутреннего воздуха помещений; удаление происходит не только вследствие вентиляции, но и из-за осаждения на поверхностях ограждающих конструкций, мебели, одежде людей и т. п. В связи с высокой вариабельностью этих факторов точное значение величины F расчету не поддается.
Существует принципиальное различие между внешним и внутренним облучениями радоном. При определенных обстоятельствах первое может быть полезным, второе нанесет существенный вред.
Радон хорошо растворяется в воде и содержится в больших количествах в водах некоторых природных подземных источников. Ряд из них с давних времен приобрел репутацию целебных. Их бальнеологическое использование основано на том, что содержащийся в воде радон воздействует преимущественно на кожу человека. Во время приема радоновых ванн происходит поглощение кожей короткоживущих дочерних продуктов радона с их последующим распадом и выделением а-, в- и у-излучений. Проникая в эпидермис, а-частицы вызывают ионизацию молекул воды и белка в клетках. Тем самым инициируется выделение биологически активных веществ и запускается сложный механизм реакции всего организма на раздражитель. Положительные результаты ограниченного по времени приема радоновых ванн с целью излечения ряда заболеваний сегодня не вызывают сомнений.
Присутствие радона в воздухе неразрывно связано с поступлением в воздух его дочерних продуктов. Под воздействием сил притяжения они осаждаются на взвешенных в воздухе частицах пыли и влаги (аэрозолях) и затем попадают в дыхательные пути человека. Ингалированные дочерние продукты радона задерживаются на всем протяжении дыхательного тракта. Соотношение между количествами вдыхаемых и выдыхаемых частиц - носителей радиоактивных элементов определяется их размерами, склонностью элементов к гидролизу и периодом их полураспада. Опаснее всего проникновение наиболее мелких частиц в альвеолярные отделы легких, откуда они практически не выводятся.
Распад задержанных в дыхательных органах дочерних продуктов радона обусловливает внутреннее облучение этих органов, что приводит к ряду заболеваний, в числе которых рак легких занимает первое место. Вероятность возникновения заболеваний зависит от индивидуальных свойств людей, но главным образом от уровня и продолжительности облучения.
2'2012
31
