Smart Future Smart Future

ЕСТЕСТВЕНА РАДИОАКТИВНОСТ НА СТРОИТЕЛНИТЕ МАТЕРИАЛИ

 

 

Естествената радиоактивност се дължи на космическото лъчение и естествено съществуващите в природата радиоактивни изотопи. Радиоактивността на скалите се дължи основно на наличието на изотопите U-238, U-235, Th-232 и K-40. Почвата е източник на Rn-222, продукт на разпада на Ra-226. Този доклад предлага кратък обзор на естествената радиоактивност. Акцентира се върху видовете радиоактивни изотопи в строителните материали. Цитирани са данни за измерени нива на специфини активности на някои най-често използвани строителни материали, както и за приноса на строителните материали към общия радиационен фон в сградите.

 

Ключови думи: радиоактивност, естествени радиоизотопи, строителни материали, специфична активност, радон

 

 

The natural radioactivity is result of the cosmic radiation and the radioactive isotopes that exist naturaly in the Earth. The radioactivity of the rocks is mainly due to the presence of the isotopes U-238, U-235, Th-232 and K-40. The soil is source of the Rn-222 – decay product of Ra-226. This paper offers short overiew of the natural radioactivity with accent on the radioactive isotops in the building materials. Some data for measured levels of the mass-actiity of the most often used  building materials are cited, as well as for the contribution of the building materials to radiation background in the homes.

 

Keywords: radioactiity, isotops, building materials, NORM, radon

 


  1. Увод.

На Земята съществува естествен радиационен фон. Той се състои от йонизиращи лъчения с природен произход. Дължи се на космичното лъчение и естествено съществуващите в земната кора и атмосферата радионуклиди (нар. още радиоизотопи или нестабилни изотопи). Космичното лъчение е природна даденост и облъчването от него не може да се предотврати или да се управлява от човека. Типичната стойност на средната индивидуална годишна доза, която се получава при външно облъчване от космично лъчение за средни географски ширини е около 0,4 mSv. Естествените  (природни) радионуклиди не са резултат на човешката дейност. Те се намират във всички компоненти на живата и нежива природа на Земята.

На Земята съществуват три групи естествени радионуклиди: радиоизотопи, които образуват семейства, радиоизотопи, които не образуват семейства и космогенни радионуклиди (които се образуват непрекъснато в атмосферата под действието на космичното лъчение). Семействата естествени радиоизотопи са три: семейството на U-238 (уран-радиево), семейството на Th-232 (ториево) и семейството на U-235 (актиниево), наименувани според родоначалния изотоп, който е с най-голям период на полуразпад. Те представляват вериги радионуклиди, които се получават един от друг чрез α- или β-разпад и завършват със стабилен изотоп на оловото. Радионуклидите от трите семейства имат различни свойства, но те винаги се генерират там, където има налично количество от уран и торий. Изотопите, които не принадлежат към изброените семейства, но допринасят съществено към природния радиационен фон са К-40 и С-14. Последният е космогенен.

Радионуклидите са източници на йонизиращи лъчения (α-частици, β-частици, γ-лъчи или неутрони), за които е добре известно, че са опасни за човека. Материалите, които съдържат радионуклиди също представляват източници на йонизиращи лъчения. За тези от тях, които се срещат в природата, се използва абривиатурата NORM (Naturally Occurring Radioactive Materials).

Естественият гама-фон над земната повърхност се създава главно от радионуклидите, които се съдържат в горния почвен слой с дебелина около 30 cm. Външното облъчване от естественото гама-лъчение от земната повърхност се дължи: 35% на К-40, 25% на гама-емитерите от семейството на U-238 (главно Pb-214 и Bi-214) и 40%  на гама-емитерите от семейството на Th-232 (главно Тl-208 и Аc-228).

Човекът е приспособен към естествения радиационен фон. Средната за света годишна ефективна доза от общото външно и вътрешно облъчване, дължащо се на естественa радиация, е 2,4 mSv/а [1]. Материалите от типа NORM, намиращи се в количества/концентрации, както са естествено в природата, не крият опасност от облъчване. В много случаи обаче, добивът, преработката, транспортът или депонирането на големи количества от материали от типа  NORM може да доведе до повишаване на радиационния фон над естествения за даденото място.

 

  1. Облъчване от радон

Изотопът Rn-222 е радионуклид от уран-радиевото семейството. Генерира се в земната кора при α-разпада на Ra-226. Съществуват още два изотопа на радона: актинон (Rn-219) и торон (Rn-220), но поради малкия си период на полуразпад, те нямат съществено отношение към темата и в текста по-долу под радон ще разбираме именно Rn-222. Средната годишна ефективна доза, която получава човек в резултат на вдишването на радон и неговите краткоживущи дъщерни продукти, съдържащи се в атмосферния въздух, се оценява на 1,2 mSv/а, т.е 50% от естественото облъчване.

Радонът е α-радиоактивен инертен газ, по-тежък от въздуха. Може да бъде вдишан и да причини изключително опасното вътрешно облъчване с α-частици. При радиоактивното разпадане на радона (3,8 дни период на полуразпад) се образува верига от нови радиоактивни дъщерни продукти с периоди на полуразпад под 30 минути: Po-218, Pb-214, Bi-214 и Po-214. Те са в твърдо агрегатно състояние, но също могат да бъдат вдишани, прилепнали към аерозоли от въздуха. Установено е, че 98% от вътрешното облъчване на човека от радон се дължи на вдишване на дъщерните му радиоактивни продукти (които се задържат и въздействат върху белите дробове), а само 2% се дължи на самия радон.

Естественият уран е широко разпространен елемент по цялата земна кора, като неговото съдържание се оценява средно на 3.10-4 % (средно около 3 грама в 1 тон земна маса) [1]. Съответно радонът, като член на семейството на U-238, е разпространен навсякъде по Земята – в почви, скали, минерали, води, въздух. Част от радона, отделен в почвата, дифундира през въздушните пори, достига до нейната повърхност и постъпва в приземния атмосферен въздух – ексхалация на радона. Типичната средна концентрация на радон в приземния атмосферен въздух на открито е 10 Bq/m3.  Активността на радона, който се отделя от единица площ на дадена местност за единица време, се нарича скорост на ексхалацията на радон. За повечето видове почви скоростта на ексхалация на радон е около 60 Bq/m2.h (при концентрация на Ra-226 в почвата около 25 Bq/kg). Скоростта на ексхалация на радон от морета и океани е около 100 пъти по-малка и  концентрацията на радон във въздуха над морета и океани е значително по-малка от 10 Bq/m3. Концентрацията на радон в атмосферата намалява с увеличаване на надморската височина.

Концентрацията на радон в сградите е по-висока от тази на открито и зависи от вида на строителните материали. Типичната средна концентрация на радон в сгради е 40 Bq/m3. ICRP (lnternational Commission on Radiological Protection) и IAEA (International Atomic Energy Agency) препоръчват компетентните държавни органи във всяка страна да въведат референтни нива за радон в сгради (указателни нива за намеса), които могат да бъдат в диапазона от 200 Bq/m3 до 600 Bq/m3. Ако концентрацията на радон в сгради достигне установените референтни нива, компетентните органи трябва да се намесят, като предприемат съответни коригиращи мерки. Стандартните мерки са подобряване на вентилацията, изолиране на пътищата за проникване на радон в засегнатите помещения, “запечатване” на подове и стени с подходящи покрития.

В българското законодателство с документа Наредба за основните норми за радиационна защита [2] са определени следните референтни нива за средногодишната концентрация на радон в сгради: 200 Bq.m-3 за новопостроени жилищни и обществени сгради и 300 Bq.m-3 за съществуващи жилищни и обществени сгради. В специфични случаи, когато продължителността на обитаване в съществуващи сгради с обществено предназначение е малка, министърът на здравеопазването може да определи за референтно ниво, по-голямо от 300 Bq.m-3, но не повече от 1000 Bq.m-3. Пак съгласно [2] при идентифициране на сгради и работни места, където референтните нива са надвишени, се предприемат мерки за намаляване концентрацията на радон във въздуха: информиране и насърчаване на хората, живеещи в съществуващи сгради, за предприемане на действия за намаляване концентрацията на радон (подобряване на вентилацията, ограничаване на постъплението на радон и др.) и системен контрол на концентрацията на радон в сгради и работни места с повишено съдържание на радон във въздуха.

За оценка на получените дози от вдишване на радон и неговите дъщерни продукти ICRP препоръчва съответни конверсионни дозови коефициенти. За лица от населението, пребиваващи в сгради (за жилища се счита 7000 часа в годината), конверсионният дозов коефициент се приема за равен на 0,017 mSv/а за 1 Bq/m3.

 

  1. Естествена радиоактивност на материали в строителството

Изключвайки уранодобива  и всички дейности, свързани с ядрения горивен цикъл, промишлените дейности, за които се счита, че имат отношение към NORM са:

  • Добив и използване на каменни въглища
  • Нефтена и газова индустрия
  • Добив и топене на метали
  • Промишлено преработване на минерални пясъци (редкоземни елементи, титан, цирконий).
  • Производство на торове (фосфати)
  • Строителство
  • Преработка на отпадъци

Поради много широкото разпространение на уран и торий в земната кора, някои от строителните материали имат известна радиоактивност. Водещи в това отношение  са гранитите, червените тухли, бетонът и всички материали, съдържащи естествени или преработени скали и глини.   Радиоактивността на строителните материали се дължи главно на радионуклидите Ra-226 (от уран-радиевото семейство с родоначалник U-238, генерира Rn-222), Th-232 и K-40. В Табл.1 са показани данни за измерени специфични активности на тези радионулиди в някои строителни материали.

 

Табл.1 Специфични активности на NORM в строителни материали [3]

материал Radionuclide Concentration (Bq.kg-1)
Ra-226 Th-232 K-40
бетон 1 – 250 1 – 190 5 – 1570
глинени (червени) тухли 9 – 2200 < 1 – 220 180 – 1600
Варо-пясъчни тухли/пясъчник 6 – 50 1 – 30 5 – 700
Естествен строителен камък 1 – 500 1 – 310 1 – 4000
Естествен гипс <1 – 70 < 1 – 100 7 – 280
Цимент 7 – 180 7 – 240 24 – 850
Плочки (глазирани и неглазирани) 30 – 200 20 – 200 160 –1410
Фосфогипс, гипсокартон 4 – 700 1 – 53 25 –120
Камък и цимент от доменни шлаки 30 – 120 30 – 220

 

Данните показват, че активностите на строителни материали от К-40 достигат значителните стойности от 4000 Bq/kg за естествен камък и 1600 Bq/kg за червени тухли и бетон. Тухлите съдържат също Ra-226 до 2200 Bq/kg. Наред с данните от Табл.1, в [4] се съобщават и екстремни нива на измерени специфични активности на бетон от 5000Bq/kg  (от U-238).

Гранитът, един широко използван материал за облицовка в обществени и жилищни сгради, съдържа средно от 3 ppm (40 Bq/kg) уран и 17 ppm (70 Bq/kg) торий [5]. Гранитите са магмени скали. Тъй като са се формирали много бавно, минералите в тях са кристализирали, което придава на гранита специфична красота, трайност и го прави популярен строителен материал за облицовки и изработка на плотове. Съдържанието на уран в гранитите от различни области е много различно, а следователно произведените гранитни строителни материали имат различна специфична активност. В някои случаи измерената радиация от гранитни повърхности може да има нива, подобни на тези от хвостохранилище на уранова мина [5].

В практиката са известни множество случаи, когато повишено съдържание на радионуклиди се открива в метални изделия, включително в арматурно желязо. Най-често това се дължи на попадане на високоактивен източник в метален скрап и претопяване. Получената продукция има повишена радиоактивност. В повечето страни има строг радиационен контрол на металните отпадъци за рециклиране. В България се провежда задължително измерване на гама-фона при дейности с метален скрап [6].

През 1999 Европейската Комисия публикува  принципите за радиационна защита, визирайки радиоактивността на строителните материали [7],  както и референтните нива за работните места,  където се преработват материали, съдържащи естествени радионуклиди. През 2001 Европейската Комисия публикува  и препоръки [8] за разрешените нива на NORM. Тези препоръки дават рамката за регулиране на страните членки на ЕС, с което е съобразена и нормативната база в България [2].

 

  1. Надфоново облъчване в сградите

Наличието на естествени радионуклиди в строителните материали влияе на радиационния фон в сградите. Той е по-висок в сгради, построени от тухли и бетон, в сравнение с фона в дървени  или сглобяеми къщи (построени със строителни материали с по-малко съдържание на естествени радионуклиди). Съдържанието на естествени радионуклиди в строителните материали и суровини  причинява надфоново облъчване на обитателите на сградите. Резултати от такова проучване [9] са показани  в Табл.2. Пресмятането на дозата (в сградата) е направено на базата на съдържанието на  K-40, Ra-226 и Th-232 в строителните материали.

.

Табл.2 Надфонова доза, получена от радионуклиди в NORМ

Строителен материал

 

Надфонова доза

(mSv/а)

Дърво
Пясък, пясъчник 0 – 0,1
Тухли, цимент 0,1 – 0,2
Естествен камък, технически произведен гипс 0,2 – 0,4
Шлакови тухли, гранит 0.4 – 2

 

Тухлите и камъкът са по-радиоактивни от дървото, тъй като съдържат повече уран и торий. По данни на Национални съвет за радиационна защита на САЩ [10] строителните материали добавят около 0.008 µSv/h към естествения радиационен фон в тухлените сгради. Същият източник предлага оценка (за САЩ) за общата средна годишна радиационна доза на човек от населението – около 3.11 mSv/а, от които 0.07 mSv/а е от строителните материали.

Въпреки наличието на допълнителни радиационни дози в сградите и най-вече в тухлените,   не съществува риск да се живее в тухлена къща [11].  Известно е, че 1 mSv/а над естествения радиационен фон е приемлива доза, при която ефекти върху здравето не съществуват, или са твърде малки, за да бъдат регистрирани.

 

  1. Заключение

От казаното по-горе може да се заключи, че поради наличието на естествени радионуклиди в природата, такива съществуват и в строителните материали, независимо през каква преработка са преминали те.  В Наредбата „Основни норми за радиационна защита“ са указани критериите за освобождаване от контрол на материали, съдържащи един или повече изотопи (по активност и по специфична активност) за малки количества (до 1000kg) и за големи количества. Радиоактивността на строителните материали (тухли, гранити, бетон и др.), произведени с местни суровини не представлява съществен проблем. Поради географските различия в разпределението NORN обаче,  при внос на строителни материали, особено червени тухли, гранитни плочи, цимент и изделия от газобетон, е препоръчително да се изисква сертификат за състава, удостоверяващ съдържанието на уран (или радий), торий и калий. Радиоактивността на строителните материали добавя малък процент към естествения радиационен фон и не е повод за безпокойство при работа с тях или при обитаване на сградите. Въпреки това, някои гранитни материали е по-добре да се използват с мярка.

 

 

 

Литература

  • Агенция за Ядрено Регулиране – публична информация
  • Наредба за основните норми за радиационна защита. Приета ПМС № 229 от09.2012 г. (Обн. ДВ. бр.76 от 5 Октомври 2012г)
  • Malcolm B. Cooper, Naturally Occurring Radioactive Materials (NORM) in Australian Industries – Review of Current Inventories and Future Generation, ERS-006, A Report prepared for the Radiation Health and Safety Advisory Council
  • Extent of Environmental Contamination by Naturally Occurring Radioactive Material (NORM) and Technological Options for Mitigation, IAEA 2003 Tech Report 419, p 104
  • Naturally-Occurring Radioactive Materials (NORM), World Nuclear Assosiation (Updated December 2014)
  • Ръководство за контрол на метален скрап и реагиране при откриване на радиоактивен скрап, АЯР, РР-4/2010
  • Radiological Protection Principles Сoncerning the Natural Radioactivity of Building Materials, Radiation protection 112 ЕС, 1999
  • European Commission, Radiation Protection 122 – Practical use of the Concepts of Clearance and Exemption – Part II : Application of the concepts of exemption and clearance to natural radiation sources (2001).
  • Zalewski, M. Tomczak, J. Kapata, Radioactivity of Building Materials Available in Northeastern Poland, Polish Journal of Environmental Studies Vol. 10, No. 3 (2001)
  • National Council on Radiation Protection Report 160, Ionizing Radiation Exposure of the Population of the United States
  • Health Physics Sosiety, Ionizing Radiation Safety Standards for the General Public. PS005-3

 

 

0 responses on "ЕСТЕСТВЕНА РАДИОАКТИВНОСТ НА СТРОИТЕЛНИТЕ МАТЕРИАЛИ"

Leave a Message