Министерство образования и наук

и Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

На правах рукописи

ПОТАПОВ Роман Валерьевич

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ РАДИОМЕТРИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ

ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОЙ

ОБВОДНЕННОСТИ

Специальность 05.26.01 – Охрана труда (в горной промышленности) Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ –

доктор технических наук, профессор Г.И. Коршунов Санкт-Петербург -

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ФОРМИРОВАНИЕ РАДИАЦИОННОЙ ОБСТАНОВКИ

В ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ ГОРНОДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ................ 1.1 Влияние горно-геологических условий на формирование радиационной обстановки в подземных горных выработках

1.2 Факторы, влияющие на радиоактивность подземных вод

1.3 Особенности формирования радиационной обстановки в подземных горных выработках

1.4 Выводы по главе 1

ГЛАВА 2 МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И НОРМАЛИЗАЦИИ РАДИАЦИОННОЙ

ОБСТАНОВКИ

2.1 Основные методы радиационного контроля

2.2 Особенности измерения радиационно-опасных факторов в подземных горных выработках

2.3 Нормализация радиационной обстановки в подземных выработках........ 2.4 Выводы по главе 2

ГЛАВА 3 НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАДИАЦИОННОЙ

ОБСТАНОВКИ В ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ ЯКОВЛЕВСКОГО РУДНИКА........ 3.1 Горно-геологические условия месторождения

3.2 Результаты радиометрического мониторинга в горных выработках Яковлевского рудника

3.3 Обработка результатов измерений с учетом неопределенности измерений.

3.4 Выводы по главе 3

ГЛАВА 4 ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНО-АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

РАДИАЦИОННОЙ ОБСТАНОВКИ В ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ

4.1 Лабораторное моделирование процессов выделения радона из воды водоисточников

4.2 Разработка математической модели выделения радона из рудничных вод..

4.3 Результаты математического моделирования

4.4 Выводы по главе 4

ГЛАВА 5 КОНТРОЛЬ УРОВНЕЙ РАДИАЦИОННО-ОПАСНЫХ

ФАКТОРОВ, ДЕЙСТВУЮЩИХ В ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ

5.1 Способ учета индивидуальных доз облучения рабочих горнодобывающих предприятий

5.2 Гигиеническая оценка условий труда подземного персонала по радиационно-опасному фактору

5.3 Рекомендации по снижению воздействия РОФ на горнорабочих........... 5.4 Выводы по главе 5

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Радиационная опасность в подземных выработках, связанная с естественными радионуклидами, содержащимися во вмещающих породах, - одна из важных проблем горной отрасли, которая порой недооценивается на горных предприятиях. К группе риска относится главным образом подземный персонал, а также работники поверхностного комплекса шахт, находящиеся в зоне действия исходящей воздушной струи.

Согласно имеющимся данным, воздействие на подземный персонал радиационно-опасного фактора (РОФ) снижено до нормативных значений на урановых рудниках и большинстве угольных шахт, однако эти значения превышаются на ряде полиметаллических, золотодобывающих и железорудных предприятий.

Для обеспечения безопасной работы людей в этих условиях необходимо применение специальных мероприятий, аналогичных используемым на урановых рудниках. Однако анализ литературных источников показал, что основными недостатками, влияющими на оптимальный выбор комплекса мероприятий, являются не до конца решенные вопросы методического обеспечения производимых в настоящее время радиометрических и дозиметрических измерений в горных выработках и некорректный учет доз облучения подземного персонала.

Данная проблема имеет особую актуальность на не являющихся опасными в радиационном отношении предприятиях, характеризующихся высокой обводненностью горных выработок, зачастую, в этих условиях, индивидуальные дозы облучения рабочих составляют пограничное значение предела облучения за год.

Основные направления нормализации радиационной обстановки при ведении подземных горных работ, а также контроля и снижения доз облучения рабочих в производственных условиях отражены в работах А.А. Смыслова, Э.М. Крисюка, Ф.И. Зуевича, М.В. Терентьева, Р.П. Терентьева, М.В. Глушинского, И.Л. Шалаева, Л.Д. Салтыкова, И.В. Павлова, Ю.А. Лебедева, С.Г. Гендлера, А.В. Быховского, А.Д. Альтермана, Н.М. Качурина и ряда других отечественных и зарубежных авторов. Однако проблемы корректного учета индивидуальных доз облучения и оценки полученных результатов измерений значений радиационно-опасных факторов, в условиях высокой обводненности горных выработок, до настоящего времени до конца не решены.

Таким образом, разработка комплексного метрологического и методического подхода к контролю радиационной обстановки при подземных горных работах и разработка мероприятий по учету и снижению доз облучения подземного персонала до допустимых значений является актуальной задачей.

Цель работы. Повышение радиационной безопасности производственного персонала при эксплуатации подземных выработок в условиях высокой обводненности.

Идея работы. Гигиеническая оценка условий труда горнорабочих должна осуществляться с применением единых метрологического и методического подходов к производимым измерениям уровней РОФ, и корректной оценки и прогноза значений индивидуальных доз облучения.

Основные задачи исследований:

1. Анализ мировых и отечественных методов нормализации радиационной обстановки на горнорудных предприятиях.

2. Анализ особенностей формирования радиационной обстановки на горнорудных предприятиях и совокупности влияющих факторов.

3. Проведение комплекса натурных исследований, включающих воздушные, радоновые и гамма-съемки, в горных выработках Яковлевского рудника.

4. Оценка гигиенической обстановки в горных выработках Яковлевского рудника.

5. Разработка принципов построения системы радиометрического контроля горных выработок в условиях высокой обводненности.

Методы исследований. В основу работы положены результаты системного анализа проблемы на основе изучения трудов отечественных и зарубежных Яковлевского рудника, патентно-информационный анализ, статистический анализ данных натурных измерений на основе современных программных средств, а также лабораторное и математическое моделирование процессов формирования радиационной обстановки.

Научная новизна:

1. Установлены закономерности формирования радиационной обстановки в горных выработках Яковлевского рудника, характеризуемые сложной топологией источников радона и внешнего гамма-излучения в выработках.

водопроявлений от температурно-влажностного режима в горных выработках.

Основные защищаемые положения:

1. Вычисление доз облучения горнорабочих с последующей гигиенической оценкой условий труда должно осуществляться по сумме значений максимальной потенциальной эффективной и/или эквивалентной дозы дифференцировано в зависимости от маршрута движения и времени нахождения на каждом участке горных выработок.

неблагоприятных факторов рабочей среды, влияющих на безопасность горнорабочих, должны проводиться с применением комплексного методического и метрологического подхода, включающего учет неопределенности измерений.

3. Вариации ЭРОА радона в воздушной среде горных выработок за счет естественного изменения расхода подземных вод, насыщенных растворенным радоном, достоверно учитываются при помощи математического моделирования базирующегося на решении нестационарного уравнения диффузии для трехмерной задачи.

Практическая значимость работы:

1. Разработан и предложен способ учета индивидуальных доз облучения рабочих горнодобывающих предприятий.

2. Разработана методика измерений мощности амбиентной дозы гаммаизлучения.

3. Разработаны методические принципы радиационного обследования горных выработок неурановых горнодобывающих предприятий.

4. Разработана математическая модель накопления радона в горных выработках, а также программное обеспечение позволяющее учитывать временные вариации дебита радона из рудничных вод.

Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций обеспечивается использованием современных методов исследования и высокоточной аппаратуры, методическим и метрологическим обеспечением измерений, большим объемом натурных исследований на действующем предприятии, близкой сходимостью результатов теоретического моделирования и проведенных измерений, а также применением современных методов обработки экспериментальных данных.

Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертационной работы как в целом, так и результаты отдельных этапов, обсуждались и были одобрены научной общественностью на всероссийских и международных конференциях, в том числе: 8-й международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социальноэкономические и экологические проблемы горной промышленности строительства и энергетики» (Тула-Донецк-Минск, 2012 г.); международной научно-практической конференции «Аэрология и безопасность горных предприятий» (С. Петербург, эффективности освоения георесурсов в современных условиях» (Пермь, 2013 г.) Реализация результатов работы. Обоснованная в диссертационной работе система радиометрического контроля в горных выработках планируется к внедрению на Яковлевском руднике, а также на горнодобывающих предприятиях неурановой промышленности.

Научные и практические результаты работы могут быть использованы в учебном процессе при чтении лекций студентам Национального минеральносырьевого университета «Горный» по курсам «Безопасность жизнедеятельности», «Промышленная санитария».

Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследований, в анализе литературных источников и результатов исследовании и выводе научных результатов, в проведении натурных и лабораторных исследований, обобщении и обработке результатов расчетов и экспериментальных исследований, участии в разработке методик радиационного обследования горных выработок и измерений параметров ионизирующих излучений, участии в математическом моделировании процессов накопления радона, разработке способа учета индивидуальных доз облучения рабочих горнодобывающих предприятий.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, из них 5 в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на страницах машинописного текста, состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 102 источников, включает 36 рисунков, 24 таблицы.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ФОРМИРОВАНИЕ РАДИАЦИОННОЙ ОБСТАНОВКИ В

ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ ГОРНОДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Влияние горно-геологических условий на формирование радиационной 1. В земной коре и гидросфере наряду с атомами стабильных изотопов химических элементов находятся в небольших количествах природные радиоактивные изотопы химических элементы. Эти природные радиоактивные элементы получили название естественных радионуклидов (ЕРН). К ним относятся две группы естественных радионуклидов: радионуклиды уранорадиевого и ториевого семейств периодической системы элементов и долгоживущие радионуклиды калий-40, кальций-48, рубидий-87 и др.

Радиоактивность горных пород определяется их составом, генезисом, условиями залегания, фациальными и другими факторами. Наибольшей радиоактивностью обладают магматические породы кислого и щелочного состава (гранит, кварцевый диорит и др.), наименьшей - основные и ультраосновные породы (габбро, перидотит и др.).

Среди осадочных пород максимальной радиоактивностью обладают глины, глинистые и битуминозные сланцы. Радиоактивность осадочных пород значительно возрастает при обогащении их монацитом, глауконитом и глинистыми минералами [16].

Состав почвенного покрова в значительной мере определяется составом подстилающих горных пород, но варьирует в зависимости от особенностей процесса накопления и выноса элементов при контакте с подстилающими породами, подземными и поверхностными водами и биомассой. Почвы включают неорганический материал (частицы, коллоиды), почвенный раствор, почвенные газы, органические вещества и живые организмы [70].

Упрощенная схема круговорота ЕРН приведена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Схема круговорота ЕРН в системе литосфера [70] (I) – гидросфера (II) – биосфера (III) – атмосфера (IV). Переход в результате радиоактивного распада( ); диффузионный и механический перенос с водой, газами (): ионы K является одним из главных ЕРН в почвах, водах, донных отложениях и в биологических объектах. В почве калий содержится преимущественно в виде оксидов в неорганической фракции и в почвенном растворе в виде солей. В биомассу на земной поверхности поступает преимущественно в растворимой форме через корневую систему. В водные экосистемы поступает из горных пород и почв в растворимой ионной форме и, благодаря хорошей растворимости, весьма однородно распределяется в толще вод.

Процессы миграции радионуклидов семейств 238U и 232Th более сложные изза многообразия участвующих в них радиоактивных элементов. В отличие от материнских 238U и 232Th продукты их распада в результате разрушения минералов при радиоактивном распаде концентрируются в зоне нарушений, что облегчает их выщелачивание из них и переход в подземные воды. Интенсивность миграции этих радионуклидов из горных пород (выноса и перехода в другие среды) зависит как от степени их разрушения, так и состава растворов [40].

Содержание ЕРН в объектах окружающей среды по существу прямо или косвенно определяется радиоактивностью горных пород, содержащих основную массу радиоактивных элементов. Наибольшей радиоактивностью отличаются магматические изверженные породы, которые по Кларку составляют 95% верхнего 16-километрового слоя литосферы (остальные 5% приходятся на осадочные и метаморфические породы) [84].

Согласно А.П. Виноградову, среднее содержание в земной коре урана составляет 2,5·10-4%, тория - 1,3·10-3%. Эти элементы являются рассеянными, но не слишком редкими.

Величины средних содержаний урана и тория в магматических породах приведены в таблице 1.1. Однако эти величины могут сильно варьировать в пределах одного и того же петрохимического типа пород.

Таблица 1.1- Средние содержания U и Th в магматических породах континентов (по Смыслову, 1974) [82] Интрузивные Эффузивные Интрузивные Эффузивные Концентрацию U и Th в магматических породах определяют три важнейших фактора: 1) формационная принадлежность к тому или иному глобальному резервуару; 2) принадлежность к той или иной серии щелочности; 3) принадлежность к определенному петрохимическому типу пород в зависимости от содержания SiO2 [91].

Геохимические особенности урана и тория в зоне экзогенеза определяют характер распределения этих элементов в породах осадочного чехла (таблица 1.2).

Таблица 1.2 - Средние содержания урана и тория в осадочных породах континентальной коры (Смыслов, 1974) [82] Терригенные (песчано-глинистые) полигенного генезиса. Экзогенные инфильтрационные концентрации урана с убогими (< 0,1 %) рудами встречаются как в радиоактивных, так и в слаборадиоактивных мегаблоках [36].

Разработанные принципы регионального геохимического анализа [Смыслов, 1974] и составленные на их основе радиогеохимические карты территории России в целом и отдельных ее регионов позволили установить количественные взаимоотношения между основными составляющими геохимического поля земной коры (рисунок 1.3): близкларковый геохимический фон (= 90 % объема U и Тh) специализированные комплексы (-10%)- рудные концентрации (около 1 %).

Одновременно оценены масштабы мобилизации, переноса и отложения урана в разных тектонических и термодинамических обстановках. Все эти составляющие геохимического поля играют важную роль не только в радиогеохимии и металлогении, но и в радиоэкогеологии, четко фиксируя три уровня накопления радионуклидов и радиации [36].

Рисунок 1.2 - Мегаблоки с разным уровнем содержания ЕРН и Мегаблоки: I, III, V- с кларковой и повышенной радиоактивностью (закрашены) (/Западно-Европейский, ///- Западно-Сибирский, V - Забайкальско-Верхоянский); //, IV, VI— с пониженной радиоактивностью (//- Восточно-Европейский, IV- Сибирский, VI— КурилоКамчатский). 1—4— месторождения урана: 1 - гидрогенные (U 0,020,1 %), 2 гидротермальные (U 0,050,5 %), 3 - полигенные (U 0,15 %), 4- крупные и уникальные; 5границы мегаблоков и их номера; 6- границы ураново-рудных провинций Рисунок 1.3 - Уровни накопления урана и радиоактивность горных пород и руд [36] Уровни радиоактивности и радиационной опасности горных пород и руд: I - низкий, фоновый, экологически благоприятный; II- экологически опасный (радоноопасность); IIIвесьма экологически опасный; IV- чрезвычайно экологически опасный. 1 - глины и глинистые сланцы; 2 - пески и песчаники; 3 -известняки и доломиты; 4- углеродистые сланцы; 5- гнейсы; 6- граниты; 7- вулканиты; 8- коры выветривания; 9- границы между горными породами; 10- тектонические нарушения; 11- бедные руды; 12- рядовые и богатые руды Первый (близкларковый) уровень отвечает нормальному геохимическому фону, при котором содержание основных ЕРН (U, Th, К) не превышает 2,5 кларка земной коры и, как было показано выше, радиоэкологически наименее опасен.

Второй (повышенный) уровень содержания радионуклидов связан с формированием геохимически специализированных комплексов пород, содержание урана и тория в которых достигает 2,5-10 кларков и выше; он является потенциально опасным (таблица 1.3). Над этими достаточно широко распространенными породами отмечаются высокие концентрации радона в воздухе почвы, их использование при строительстве жилых помещений крайне опасно.

Третий (наиболее высокий и радиологически самый опасный) уровень природной радиоактивности обусловлен развитием локальных наложенных (эпигенетических) процессов преобразования горных пород в результате метаморфизма, гидротермальной деятельности или инфильтрации подземных вод. В таких структурах формируется основная масса урановых месторождений (гидротермальных, гидрогенных и полигенных).

1.3 специализированных типах горных пород России и их ориентировочная активность (Русская платформа) Углеродисто-кремнистые, углеродисто-глинистые сланцы 30-300 15-35 460-1200 800- (Евроазиатский континент) Кислые вулканиты (Вост. Саян, Прибайкалье) (Кольский полуостров) Анализ и сопоставление радиогеохимических материалов по разным территориям подтвердили сложный характер связей между ураном-радием в горных породах и свободным радоном в подземном воздухе. В ряде районов интенсивные радоновые аномалии в почвенном воздухе и в подземных водах обнаружены далеко за пределами ураново-рудных полей и узлов, иногда без пространственной связи с обогащенными ураном породами.

Наиболее долгоживущим изотопом эманации является радон, радон известен в 19 изотопных формах с атомным номером 86 и массовыми числами от 204 до 224 [64]. Вместе с тем под названием «радон» объединяют всю плеяду эманаций, поскольку все они являются инертными газами и происходят от изотопов радия. Название «радон» указывает на положение этого изотопического семейства в периодической системе элементов под ксеноном.

Радон не имеет стабильных изотопов. Наиболее устойчив 222Rn (T1/2 =3, дня), входящий в природное радиоактивное семейство урана название «радон» относят именно к этому изотопу. На рисунке 1.4 представлены ряды природных радиоактивных семейств урана и тория до момента образования радиоактивного газа – радона.

Рисунок 1.4 - Ряды природных радиоактивных семейств до образования радона [94] который называют тороном (Tn). В семейство урана 235U (T1/2=7,13·108 лет) входит Rn (T1/2 =3,96 с), его называют актиноном (An). Конечным продуктом распада у всех трех семейств является один из стабильных изотопов свинца с атомным семейства актиния – Pb. В одну из побочных ветвей (коэффициент ветвления 2·107) семейства урана входит также очень короткоживущий (T1/2 =35 мс) радон Rn. Почти весь радон рассеян в толщах земли и вод. Верхний слой земной коры до глубины 1,6 км содержит по приблизительным подсчетам 115 т радона, в атмосфере его намного меньше, около 4 кг. Радон содержится в недрах Земли, почве, водах океанов и рек, атмосфере, природных газах, нефти, организме человека и животных. Практически отсутствует радон только в воздухе и льдах Антарктики.

Испуская альфа-частицы, изотопы радона превращаются в твердые радиоактивные изотопы, уже не имеющие отношения к группе инертных газов.

Последнее звено в цепи превращений изотопов радона – стабильные изотопы свинца (рисунок 1.5). Ядерно-физические характеристики радона, торона и короткоживущих продуктов их распада представлены в таблице 1.4.

Таблица 1.4 - Ядерно-физические характеристики радионуклидов [94] (RaA), 218Po 3,79·10-3 с- (RaC), 214Bi 5,86· 10-4 с- (RaC'), 218Po 4,23· 103 с- (ThB), 212Pb 1,81· 10-5 с- (ThC), 212Bi 1,91· 10-4 с- (ThC'), 212Po 2,32· 106 с- * – учтена энергия ядер отдачи, образующихся при альфа-распаде ядра В целях радиационной безопасности и радиоэкологии, обычно, при рассмотрении дочерних продуктов распада (ДПР) радона ограничиваются частью распада которого равен 22 года и он не может достигнуть в атмосфере равновесной концентрации. Им и последующими элементами цепочки можно пренебречь.

Продукты распада радона являются металлами. Линейные размеры свободных атомов единицы нм. Атомы металлов могут находиться в атмосфере в нерадиоактивными аэрозолями (твердыми частицами пыли, дыма, капельками тумана и др.), всегда присутствующими в атмосферном воздухе, свободные ДПР радона присоединяются к ним, образуя радиоактивные аэрозоли бльших размеров. Таким образом, линейный размер присоединенных ДПР радона увеличивается на несколько порядков [30,94].

Рисунок 1.5 - Цепочки распада изотопов радона [94] Повсеместно распространены менее четко выраженные природные радиоактивные аномалии, связанные, как правило, с изверженными породами, некоторыми глинами, песчаниками и др. породами с высоким содержанием ЕРН.

При составлении карты потенциальной радоноопасности России использован обширный исходный материал: радиогеохимический (распределение U, Ra, Rn в горных породах, рудах, почвах и подземных водах; данные о концентрациях Rn в помещениях); геологический (данные о неотектоничеких разломах и сейсмической активности и др.). Выделены геологические объекты, продуцирующие радон: месторождения и рудопроявления урана, специализированные на уран формации, комплексы и горные породы, объекты, содержащие радон в аномальных количествах, аномалии в почвах, водах, воздухе зданий [74].

Выделены три категории территорий по степени радоноопасности:

1.Безопасные – отсутствуют горные породы – продуценты радона; массивы горных пород не нарушены; содержание радона в почвенном воздухе несколько десятков кБк/м3; скорость эксгаляции радона с земной поверхности (13) 10- Бк/м2с;

2.Потенциально-опасные – присутствуют потенциально-опасные породы или высокоспециализированные по урану образования перекрыты эманирующими породами; содержание радона в почвенном воздухе до нескольких сотен кБк/м3; скорость эксгаляции радона с земной поверхности (912) 10-6 Бк/м2с;

3.Опасные – широко развиты специализированные на уран (радий) породы, месторождения урановых и урансодержащих руд; имеются области разгрузки потоков радона; содержание радона в почвенном воздухе более 103 кБк/м3;

скорость эксгаляции радона с земной поверхности (1825) 10-6 Бк/м2с и более.

Территорий, опасных по радону в России выделено 3: Прибалтийская (Ново-Онежская), Дальневосточно-Южно-Сибирская и Зауральская.

Территорий потенциально-опасных по радону выделено 12: Волго-Камская, Кольская, Ухта-Северо-Уральская, Северо-Кавказская, Енисейская, Прибайкальская, Анабарская, Бурлинская, Восточная часть ДальневосточноЮжно-Сибирской, Северо-Восточная, Приморская и Камчатская [74].

Недостаточная изученность некоторых регионов радиогеохимическими методами не позволяет принять предложенное районирование как окончательное.

Кроме того, следует учитывать сложный (непрямой) характер связи между ураном, радием и свободным радоном в поверхностных условиях, и тот факт, что часто радоновые аномалии в почвенном воздухе и подземных водах обнаруживаются за пределами уранорудных полей, иногда без пространственной связи с обогащенными ураном породами. Поэтому расчетные оценки распространения эманаций желательно заменить прямым определением радона, тем более, что расчеты не могут учесть влияния антропогенных нагрузок на возрастание радоноопасности вследствие нарушения геолого-ландшафтной обстановки, гидрогеологического режима, роста амплитуд микросейсмического фона (при этом изменяются естественные пути миграции газов, вскрываются природные ловушки и экраны). Его можно считать первым приближением в решении проблемы радоноопасности, позволяющим планировать дополнительные исследования по радону в более широких масштабах с целью детализации и уточнения радоноопасных площадей [92].

Факторы, влияющие на радиоактивность подземных вод Природные воды представляют собой достаточно сложную систему, содержащую в себе разнообразные неорганические и органические соединения, растворенные газы. Формы нахождения веществ в водах также различны молекулы, их диссоциаты, комплексные соединения, коллоиды, взвешенные частицы. В зависимости от распространенности и содержания веществ в водах выделяют макро- и микрокомпоненты [17,85] К макрокомпонентам относятся растворенные вещества в преобладающих относительно других компонентов концентрациях и определяющих химический тип и свойства воды. Это катионы Са2+, Мg2+, Na+, К+ и анионы НСО32-, Сl-, CО42- и другие.

К микрокомпонентам относится большая группа элементов, содержащихся в концентрациях от нескольких микрограммов и менее в 1 дм3. Радионуклиды (как естественные, так и техногенные) входят в эту группу.

В таблицах 1.5 и 1.6 в справочном порядке приведены основные характеристики - и -излучающих радионуклидов естественного и техногенного происхождения.

Таблица 1.5 Основные -излучающие радионуклиды (естественные и техногенные) [85] Po (0,64) 8780(100%) Состав и состояние природных вод под влиянием физико-химических и микробиологических воздействий могут претерпевать серьезные изменения окисление кислородом воздуха, осаждение, сорбция на частицах взвеси, потеря летучих веществ.

Таблица 1.6 Основные -излучающие радионуклиды (естественные и техногенные) [85] K (0,893);

природной К Как правило, переход радионуклидов из вмещающих пород в воду является результатом процессов растворения неустойчивых минералов и выщелачивание, т.е. переход элементов из минерала в раствор без нарушения целостности радиоактивного равновесия в рядах урана (238,235U) и тория (232Th), обусловленное различиями в миграционных характеристиках и геохимических свойствах радиоактивных элементов и их изотопов.

Например, миграционная способность U значительно превышает миграционную способность Тh, а из двух изотопов одного элемента, существенно отличающихся периодами полураспада, короткоживущий более подвижен, так как при выщелачивании не связан с кристаллической решеткой минеральных форм, и, с другой стороны, не успевает диффундировать из раствора в кристаллическую структуру вмещающих пород.

Таким образом, в водах, в отличие от горных пород и почв, соотношения между разными радионуклидами и изотопами одного элемента могут отличаться от равновесных в десятки и сотни раз. В таблице 1.7 приведены наиболее типичные для вод соотношения между радионуклидами [5,7,8,71,72,91].

Таблица 1.7 – Типичные соотношения активности в природных водах [85] активности Поверхностные воды осадочного Уровень содержания радионуклидов и химический состав природных вод целиком подчиняется явлениям климатической зональности, изменяясь от гидрокарбонатно-кальциевых с минерализацией 0,1-0,2 г/дм3 в северных широтах, где осадки преобладают над испарением, до сульфатно-хлоридно-натриевокальциевых с минерализацией 2-5 г/дм3 и более в засушливых районах, где испарение преобладает над осадками. В соответствии с этим изменяется и содержание в водах радиоактивных элементов.

Активность, солевой и радионуклидный состав природных вод варьируют в очень широком диапазоне, в зависимости от типа вод (речные, озерные, грунтовые, подземные), климатических условий, состава вмещающих пород, тектонических особенностей района. При этом, как правило, природная радиоактивность вод обусловлена, прежде всего, присутствием изотопов радона (222, 220Rn), радия (226, 228, 224Ra), урана (234, 238 U), калия (40К), полония (210Po), свинца (210Pb). Содержание тория (232Th) в водах весьма низкое, но могут встречаться повышенные акnивности менее долгоживущих изотопов тория (228, 230Тh).

Техногенная радиоактивность может быть связана, в первую очередь, с присутствием Sr и Сs в поверхностных водах, реже - в грунтовых и подземных. В районах деятельности предприятий ядерно-топливного цикла (ЯТЦ) и радиационных аварий в природных водах могут встречаться повышенные активности трансурановых элементов (ТУЭ): 238,239,240,241Pu, 241Am.

В таблице 1.8, составленной по литературным, фондовым источникам и [5,7,8,22,37,71,72,73,91,96,100,101,102], приведены наиболее вероятные значения активности радионуклидов в водах разных типов.

Таблица 1.8 – Типичные диапазоны вариаций объемной активности естественных и техногенных радионуклидов в природных водах, Бк/дм3; min-max;

(в скобках: в среднем для центральной части России) [85] Анализ этих данных показывает, что говорить о каких-либо средних фоновых значениях не представляется возможным, так как диапазон вариаций природных содержаний одного радионуклида даже в водах одного типа в пределах единой климатической зоны может достигать одного порядка, а в разных климатических зонах 2-4 порядков.

Суммируя наиболее вероятные значения активности - и -излучающих радионуклидов, получаем для поверхностных вод (реки, озера) средней полосы Европейской части России значение суммарной -активности в пределах 0,04-0, Бк/дм3 и суммарной -активности 0,35-0,85 Бк/дм3. Для подземных вод соответственно 0,04-0,35 Бк/дм3 и 0,5-4 Бк/дм3.

Как правило, -активность низкоактивных природных вод на 50-90% обусловлена присутствием 40К. Основной вклад в суммарную -активность вносят изотопы 234, 238 U, 226, 224Ra, 210Ро и 228, 230Тh.

Приведенные значения минимальны, так как не учитывают присутствие в Rn и короткоживущих продуктов его распада, а также трития (3Н), водах углерода (14С) и некоторых других радионуклидов.

Таким образом, используемые для анализа природных вод методики и аппаратура должны обеспечивать нижний порог количественного измерения активности не более 0,02 Бк/дм3, а -активности не более 0,1-0,2 Бк/дм3 [42]. При этом расчетное значение средней энергии суммы основных -излучателей в типичной пробе неактивной природной воды составит около 350-500 кэВ.

Особенности формирования радиационной обстановки в подземных ионизирующего излучения в среднем по Российской Федерации составляет 83%, а в некоторых субъектах 90% и более [1]. Принято считать, что радиационная обстановка в горных выработках определяется в основном естественными причинами и это является основным положением при построении системы радиационной защиты персонала, работающего в подземных условиях [21,50,86].

В течение длительного времени считалось, что радиационному воздействию подвержены только горняки урановых рудников и лица, работающие с приборами, содержащими источники ионизирующего излучения, и только с 1961 г. было начато систематическое изучение радиационной обстановки на предприятиях, не связанных с добычей и переработкой радиоактивных полезных ископаемых [67,68].

Радиационная обстановка при подземной разведке и добыче полезных ископаемых формируется за счет загрязнения рудничной атмосферы изотопами радона и продуктами их распада, а также долгоживущими природными радионуклидами уранового и ториевого рядов в витающей рудничной пыли. В некоторых случаях значительный вклад в облучение работников может давать гамма-излучение руд и вмещающих пород. Источниками поступления изотопов радона в атмосферу подземных сооружений являются породы, содержащие в том обогащенные 222Rn [18,25].

Основными источниками выделения радона в рудничную атмосферу являются:

1) массив пород и руд в действующих выработках и выработанных пространствах;

2) разрыхленная горная масса (отбитая и замагазинированная руда, закладочный материал, породы в обрушенном пространстве);

Количество радона, поступающего из этих источников, зависит от ряда причин, определяемых геолого-геофизическими и горно-техническими условиями разработки. Так, например, поступление радона из массива пород и руд в общем балансе рудника может составлять 20-80%, из разрыхленной горной массы 10 из рудничных вод 0—30%.

Процесс выделения радона в рудничную атмосферу можно разделить на три этапа. На первом этапе происходит эманирование радона, т.е. выделение его из кристаллической решетки минералов в поры горных пород. Как правило, выделяется не весь радон, а только его определенная часть. Долю высвободившегося радона характеризует коэффициент эманирования. В таблице 1. приведены значения коэффициента эманирования для некоторых минералов, пород и руд.

Таблица 1.9 - Значения коэффициентов эманирования для некоторых минералов, пород и руд Минералы, породы, руды Коэффициент Минералы, породы, Коэффициент На втором этапе радон диффундирует в порах и микротрещинах отдельного горного массива. За время диффузии часть радона распадается. Поэтому в трещины между отдельностями массива попадает только часть свободного радона. Доля радона, выделяющегося в трещины, зависит от коэффициента диффузии радона в отдельностях массива от их размеров.

На третьем заключительном этапе процесса происходит фильтрационнодиффузионное распространение радона по макротрещинам горного массива, где также распадается часть радона. Доля радона выносимого из трещин в горные выработки, зависит главным образом от скорости фильтрации воздуха по трещинам, которая в свою очередь определяется проницаемостью массива и перепадами давления воздуха между горными выработками.

Большое число факторов, влияющих на процесс радоновыделения, и вариабельность горно-геологические условия не позволяют теоретически рассчитать дебит радона, поэтому для его оценки обычно используют метод аналогий и эмпирические зависимости, установленные в процессе предварительного радиационного обследования шахт.

Анализ данных об уровнях облучения лиц [5,76,89], находящихся в горных выработках подземных сооружений различного назначения показывает, что основные факторами, определяющие радиационную обстановку, состоят из следующих компонентов:

внешнее облучение гамма-излучением, создаваемым природными радионуклидами уранового и ториевого рядов и калием-40, содержащимися в горных породах, окружающих выработки и в материалах, использованных при возведении крепи;

- внутреннее облучение за счет вдыхания радона-222 и радона-220 (торона) и их дочерних продуктов, содержащихся в воздухе подземных сооружений;

- внутреннее облучение долгоживущими природными радионуклидами уранового и ториевого рядов (ЕРН), поступающими в организм в составе минеральной пыли.

Оценивая происхождение и удельный вес каждой из вышеперечисленных составляющих, следует отметить, что внешнее облучение обусловлено присутствием в горных породах природных радионуклидов 238U, 232Th и продуктов их распада, а также нуклида К. В зонах с повышенной урановой или ториевой минерализацией мощность дозы внешнего гамма-излучения может достигать десятков и сотен мкЗв/час. Однако такие случаи достаточно редки и, как правило, вклад внешнего гамма-излучения в суммарную эффективную дозу лиц, находящихся в подземных сооружениях, не превышает единиц процентов.

Похожая ситуация характерна и для облучения за счет ингаляционного поступления долгоживущих естественных радионуклидов, содержащихся в витающей минеральной пыли. Его величина может быть значимым лишь тогда, когда удельная активность ЕРН в пылеобразующих породах близка к значениям, соответствующим активности урановых и ториевых руд, или когда весовая концентрация пыли составляет сотни мг/м3, что свойственно только периоду строительства подземных объектов. Во всех остальных случаях вклад в дозу от долгоживущих ЕРН не превышает долей процента.

Основными компонентами, характеризующими природные радиационные факторы, являются радон-222, радон-220 (торон) и их дочерних продукты. Изотопы радона Rn образуются при распаде Ra, который входит в состав уранового радиоактивного семейства и присутствует практически во всех горных породах.

Период полураспада и химическая инертность делают возможной миграцию атомов радона на расстояния в несколько метров внутри массива горных пород. В том случае, когда образование атомов радона происходит вблизи горных выработок или других подземных полостей, становиться возможным попадание радона в их атмосферу. По мере распада радона происходит накопление его дочерних продуктов (ДПР) в той среде, в которой изначально содержался чистый радон. Они представляют собой ионизированные атомы короткоживущих изотопов свинца, полония, висмута и таллия, с периодами полураспада от долей секунды до получаса. Находясь в воздухе, дочерние продукты радона существуют в течение нескольких секунд в виде свободных атомов, затем либо оседают на ближайшей поверхности, либо присоединяются к аэрозольным частицам, причем большая часть из них (до 90%) присоединяется к аэрозолям диаметром менее 1 мкм. Таким образом, в атмосфере подземных объектов присутствуют газообразный радон и аэрозоли его дочерних продуктов. При этом, установлено, что доля ДПР в величине суммарной индивидуальной эффективной дозы может достигать 99% [36].

Период полураспада изотопа радона-220 (торона) очень мал - 56 c, что порождает определенные отличия механизмов его поступления в атмосферу выработок от радона-222 [9,10]. Считается, что поступление торона в атмосферу выработок в основном определяется его выделением из стен выработок [59,95].

Для оценки содержания в воздушной среде радона и его дочерних продуктов используется понятие эквивалентной равновесной объемной активности (ЭРОА).

Эта величина характеризует уровень воздействия дочерних продуктов радона на человека, вдыхающего воздух, их содержащий, и выражается как объемная активность равновесной смеси дочерних продуктов радона, имеющей такую же дозообразующую способность, как и фактическая смесь ДПР, которую этим значением описывают.

ЭРОА радона и торона определяется следующим образом [79]:

для 222Rn: ЭРОАRn = 0,1.ОАRaA+0,5.ОАRaB+0,4.ОАRaC;

для 220Rn: ЭРОАТn = 0,91.ОАThB+0,09.ОАThC.

Основными факторами влияющими на величину эквивалентной равновесной объемной активности дочерних продуктов распада радона и торона (ЭРОА) в воздухе подземных выработок являются скорость эксхаляции изотопов радона из пород и руд, удельная активность Rn в шахтных водах, интенсивность и способ проветривания выработок и способ их отработки.

В 1987-1991 годах было проведено первичное обследование радиационной обстановки на 59 подземных рудниках бывшего СССР [49,88].

золотодобывающих и 6 железорудных.

Было установлено, что основной вклад в индивидуальные дозы облучения подземного персонала вносят дочерние продукты распада радона (до 90 мЗв/год).

Вклад в дозу других радиационно-опасных факторов был существенно меньше:

дочерние продукты торона – до 7 мЗв/год; внешнее гамма-излучение – до 0, мЗв/год; долгоживущие радионуклиды ряда урана и тория – до 0,4 мЗв/год.

Средние по отдельным шахтам дозы облучения персонала находились в пределах 0,3-90 мЗв/год, максимальные – в пределах 0,6-740 мЗв/год [69].

Доля рудников, где индивидуальные дозы облучения отдельных лиц обследованных рудников выше норматива оказалось среднее по руднику значение дозы облучения подземного персонала. На 24% рудников имеет место превышение профессионального предела оказалась средняя доза облучения персонала.

Благоприятная радиационная обстановка (максимальные дозы облучения 2 мЗв/год) имеет место на 25% рудников, значительная часть которых расположена в зоне вечной мерзлоты. На 15% рудников максимальные дозы облучения 1 мЗв/год и необходимость в проведении здесь радиационного контроля отсутствует [60].

Средние по отдельным рудникам значения удельной активности (УА) радияв рудовмещающих породах находились в диапазоне 9-360 Бк/кг, среднее значение по всем обследованным рудникам составило 74 Бк/кг. Средние по рудникам значения УА тория-232 в рудовмещающих породах оказались в диапазоне 6-180 Бк/кг.

обстановкой приведены в таблице 1.10. Для этих рудников характерны высокие значения УА радия-226 и тория-232 в рудовмещающих породах и/или малая интенсивность проветривания горных выработок. Наиболее высокие значения ЭРОАRn, зафиксированы на рабочих местах, расположенных в зоне действия исходящей воздушной струи рудника[60].

Таблица 1.10 -Уровни облучения подземного персонала полиметаллических рудников, золотодобывающих и железорудных шахт [60] Предприятие Рудник (шахта) Сырье активность, НПО "Сибруда" Михайловский Южуралзолото Верш-Дарас. ГРЭ Садонский комб-т Ингичкинское РУ Койташское РУ «Казвольфрам»

радиационная обстановка на большей части обследованных полиметаллических рудников и железорудных шахт является неблагоприятной.

Основной причиной таких высоких уровней облучения является то, что до последнего времени вопросам радиационной безопасности горняков неурановых горных предприятий и подземных сооружений практически не уделялось внимания, поскольку считалось, что при работе с нерадиоактивными полезными ископаемыми возникновение неблагоприятных радиационно-гигиенических условий труда маловероятно [21].

Последствия воздействия ионизирующего излучения от радона и его ДПР проявляются в стохастических (вероятностных) эффектах облучения, которые приводят к увеличению относительной частоты различных заболеваний - в первую очередь онкологических заболеваний органов дыхания - легких и верхних дыхательных путей [77].

2. Радиоактивность горных пород обусловлена нахождением в них естественных радионуклидов присутствующих в различных концентрациях во всех компонентах литосферы. Основными естественными радионуклидами являются радионуклиды уранорадиевого и ториевого семейств периодической системы элементов и долгоживущий радионуклид калий-40.

3. Радиоактивность природных вод, как правило, обусловлена процессами перехода радионуклидов из горных пород в результате растворения неустойчивых минералов или выщелачивания, т.е. перехода элемента из минерала в раствор без нарушения целостности кристаллической решетки.

4. Радиационная обстановка в горных выработках определяется природными источниками ионизирующего излучения, основным из которых является радон-222 и его дочерние продукты распада.

радиационная обстановка на большей части обследованных полиметаллических рудников и железорудных шахт является неблагоприятной.

6. Имеющиеся данные о высоких значениях доз облучения персонала на полиметаллических рудниках и железорудных шахтах свидетельствуют об актуальности проблемы детального изучения радиационной обстановки в них и, в случае необходимости, - разработки рекомендаций и (или) системы мероприятий по обеспечению радиационной безопасности рабочих при ведении горных работ.

ГЛАВА 2 МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И НОРМАЛИЗАЦИИ РАДИАЦИОННОЙ

ОБСТАНОВКИ

Радиационный контроль является неотъемлемой частью системы обеспечения радиационной безопасности; он включает радиометрический и дозиметрический контроль, осуществляемый приборными средствами и расчетными методами[41].

Контроль радиационной обстановки должен отвечать требованиям всего комплекса принципов обеспечения радиационной безопасности, изложенных в НРБ-99/2009, а именно: обоснованию, оптимизации и нормированию.

Поскольку основной вклад в дозу вносят дочерние продукты распада (ДПР) радона и торона, нормами радиационной безопасности регламентирована среднегодовая эквивалентная равновесная объемная активность (ЭРОА). Для оценки радиационного воздействия по измерениям только объемной активности (ОА) радона вводятся понятия «скрытой энергии» и коэффициента равновесия F.

Скрытая энергия - это суммарная энергия альфа-излучения, которая выделяется при распаде всех короткоживущих ДПР (для Rn - до RaС'), находящихся в единице объема воздуха. Величина скрытой энергии пропорциональна мощности эквивалентной дозы, создаваемой ДПР радона в легочной ткани [20].

Для того чтобы охарактеризовать радиационное воздействие произвольной смеси ДПР, вводят также величину, имеющую размерность ОА - эквивалентную равновесную объемную активность (ЭРОА) радона. ЭРОА радона определяется как такая ОА радона, находящегося в равновесии со своими ДПР, которая даст такую же величину скрытой энергии, что и данная неравновесная смесь ДПР.

Коэффициент равновесия определяется как отношение ЭРОА к реальной измеренной величине ОА радона:

ЭРОА связана с ОА ДПР следующими соотношениями:

Рb, Вi (С1 и С2) для ряда Rn соответственно. Коэффициенты перед ОА характеризуют вклад данного ДПР в общую величину скрытой энергии.

Многочисленные измерения показывают, что типичный диапазон изменения коэффициента равновесия 222Rn в помещениях -от 0,1 до 0,9, среднее значение - 0,5.

F зависит от кратности воздухообмена в помещении и вероятности присоединения ДПР к аэрозолям [20]. Измерение ОА радона дает оценку значения ЭРОА с учетом коэффициента равновесия, характерного для данных условий.

Измерения ОА непосредственно радона необходимы при обнаружении источников поступления радона в помещения; определении скорости эксхаляции радона из почвы и строительных материалов; определении нормируемых концентраций радона в воде, бытовом газе, подпочвенном воздухе; геофизических и геологических измерениях. Кроме того, знание ОА позволяет оценить ЭРОА с учетом среднего коэффициента равновесия, характерного для данных условий.

Поэтому в некоторых странах, например, в США, нормируется не ЭРОА. а величина ОА радона.

В силу указанных причин, необходимы измерения как ОА ДПР радона в воздухе, так и непосредственно ОА радона. Методики измерений ОА радона и ДПР в воздухе можно разделить на три группы:

1. Мгновенные измерения с отбором проб воздуха (проба отбирается за короткий период времени, обычно несколько минут, а затем анализируется, Методика применяется для обнаружения источников радона, определения текущих уровней ОА радона в горных выработках. При проведении серий измерений методика позволяет оценить средние ОА радона и его ДПР).

2. Методики непрерывного контроля (мониторинга). Отбор проб и анализ происходят одновременно, обеспечивая выдачу результатов измерений в режиме реального времени. Такие методики применяются в ситуациях, когда требуется контролировать быстрые изменения ОА радона при определении эффективности вентиляции в радоноопасных горных выработках, а также для определения средних ОА радона и ДПР [3].

3. Интегральные измерения (длительная экспозиция сроком от нескольких дней до года. Методика дает среднюю ОА за период времени).

Основными требованиями к приборам, предназначенным для мгновенных измерений радона, являются:

- высокая чувствительность, когда время измерений, необходимое для получения значения ОА с заданной точностью, должно быть наименьшим;

- использование экспрессных методов, позволяющих выдавать результаты измерений в режиме реального времени. Типы детекторов, требующие трудоемкой обработки данных, непригодны для задач определения текущих уровней ОА;

- селективность, когда необходимо разделение изотопов радона и их ДПР.

Реальные условия массовых измерений радона накладывают ограничения на вес, энергопотребление и размеры аппаратуры.

Наиболее распространенные радиометры для экспрессных измерений и мониторы радона представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1- Радиометры, предназначенные для измерения ОА радона, внесенные в реестр СИ РФ [3] А1рhaGUARD PQ, Genitron instruments,

Защита», Россия РРА-01М- Защита», Россия Защита», Россия *- наличие датчиков температуры/давления/влажности, соответственно.

Конструктивно и по своим параметрам эти типы приборов сходны между собой, отличаясь лишь режимом измерений. Так как измеряются мгновенные значения ОА, время измерений не превышает десятков минут. Мониторы оснащены программами, которые позволяют непрерывно измерять и фиксировать результаты измерений для их дальнейшего анализа.

поступления воздуха в рабочий объем камеры - пассивная диффузия. В некоторых случаях это затрудняет измерения, так как при резких изменениях ОА радона инерционность пробоотбора приводит к искажению результатов. Время цикла измерений устанавливается пользователем и составляет 1 мин, 10 мин или 60 мин.

К достоинствам радиометра следует отнести возможность работы в жестких климатических условиях - вблизи «точки росы», при отрицательных температурах и при высокой (до 99%) влажности. Радиометр оснащен датчиками температуры, давления и влажности.

Принцип действия радиометров типа РРА-01М и РГА-04 основан на последующим спектрометрическим анализом проб [4]. Радиометр РРА-01М- «Альфарад» является наиболее широко распространенным прибором, который используется в государственных органах контроля и надзора. Радиометр имеет несколько рабочих программ, которые реализуют различные режимы измерений.

Встроенная воздуходувка осуществляет быструю замену проб воздуха, что снижает фоновую составляющую в случае резких перепадов величины ОА в процессе измерений. Следующая модель радиометра (РРА-01М-03) позволяет проводить измерения в режиме монитора, оснащена датчиками температуры, влажности и давления воздуха; имеет программное обеспечение для хранения и обработки накопленных данных. Метод электроосаждения обладает селективными свойствами и позволяет разделять вклад в ОА радона и торона [31]. Перечисленные радиометры могут оснащаться пробоотборными устройствами, которые позволяют измерять ОА радона в воде: подпочвенном воздухе, а также плотность потока с поверхности грунта или строительных конструкций. Радиометр радона РГА- предназначен для интегральных среднегодовых измерений объемной активности радона (ОАР) в воздухе и оснащен световой сигнализацией превышения установленных пределов объёмной активности радона. Прибор позволяет анализировать суточные и сезонные колебания ОАР (коэффициента вариации) в течение длительного времени, проводить усреднение результатов за любой промежуток времени, оценивать эффективность противорадоновых защитных мероприятий [3].

Измерение ОА радона с помощью сорбции на активированном угле является одним из наиболее распространенных интегрирующих методов регистрации радона (дающих среднюю, за период экспонирования, ОА радона). Принцип действия метода основан на способности активированного угля поглощать радон из окружающей атмосферы. Преимущество таких детекторов - невысокая стоимость и простота изготовления, назначение - получение информации об усредненной за временной период в несколько дней ОА радона.

Адсорбция радона на угле подчиняется закону Генри:

где А - поглощенная активность, m - масса угля, С - ОА радона в воздухе.

Таким образом, измерение А при известном коэффициенте k дает ОА радона.

Измерение может происходить как с пассивной диффузией радона, так и с принудительной прокачкой воздуха с примесью радона через поглотительный патрон с углем. Рабочий цикл состоит из следующих операций: подготовка активированного угля путем прогрева при 120-140°С для удаления радона и воды, взвешивание адсорбера, герметизация для хранения, экспозиция открытого адсорбера в месте измерения, герметизация адсорбера после экспозиции, оценка количества накопившейся влаги с помощью взвешивания, измерение на сцинтилляционном спектрометре бета (гамма)-излучения смеси продуктов распада радона. Для снижения предела регистрации детектор бета (гамма)-спектрометра окружен защитой. Пробоотборники с активированным углем можно использовать для организации массовых измерений средних значений ОА радона в воздухе помещений при экспозициях от 1 до 6 суток; средней за 1-10 часов плотности потока радона с поверхности земли и строительных конструкций. С помощью пробоотборников можно измерять также ОА радона и радия-226 в пробах воды.

Основные характеристики комплекта «Камера-01» реализующего метод сорбции на активированном угле приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 - Диапазоны, погрешности измерений и рабочие условия применения комплекса «Камера»

(производитель) измерительный колонки СК-13 с пассивный отбор для мониторинга активированным в воздухе, Бк/м3 30(5) – * - в скобках указан диапазон измерений с блоком детектирования гамма-излучения БДКГ-01Ф Комплект используется совместно со сцинтилляционным бета (гамма)спектрометром; который применяется для измерения активности экспонированного угля, расчета определяемой величины и вывода информации в удобном для пользователя виде. Использование такого комплекта особо актуально для проведения детальных радиационных обследований выявленных объектов с повышенным природным фоном [58].

Твердотельные трековые детекторы (ТД) также находят применение в области регистрации радона и ДПР [34,46]. Принцип их действия основан на способности альфа-частиц образовывать треки при прохождении через различные материалы (в первую очередь, диэлектрики). Область измененной структуры (трек), как правило, обладает повышенной химической растворимостью. Этот трек (латентный трек) может быть сам по себе обнаружен при помощи электронного микроскопа либо химическими методами. Однако для обнаружения треков обычно растворителями (травление). При этом на поврежденных участках происходит образование пустотелых цилиндрических или конических каналов, уходящих использованием специального искрового счетчика треков. Поверхностная плотность треков N (трек/см2), в чувствительном слое ТД связана со значением ОА радона в воздухе и длительностью экспонирования ТД в контролируемой атмосфере соотношением:

где Т - длительность экспонирования ТД, сутки; A - значение ОА радона в воздухе, Бк/м3; К (трек.м3.Бк-1-сутки-1-см-2) - коэффициент, значение которого определяется всей совокупностью условий экспонирования ТД в данной пробоотборной камере, химической обработкой ТД, его физико-химическими свойствами, режимом считывания треков, характеристиками считывающего устройства и др [3].

Комплект «ТРЕК-РЭИ-1М» (таблица 2.3) предназначен для измерения объемной активности радона-222 в воздухе жилых домов и зданий социальнобытового, медицинского и производственного назначения (время экспонирования 10-120 суток), а также в почвенном воздухе (время экспонирования 2-10 суток).

Комплект может использоваться как в лабораторных, так и в экспедиционных условиях.

Таблица 2.3 - Диапазоны, погрешности измерений и рабочие условия применения комплекса «ТРЕК-РЭИ-1М»

Метод измерения величины ЭРОА основан на сборе атомов ДПР, свободных или присоединенных к аэрозолям, на фильтр, путем прокачки заданного объема воздуха за известное время с последующим измерением активности фильтра.

Поскольку необходимо определить содержание трех ДПР согласно соотношениям (2.2 и 2.3), метод измерения общей активности (без спектрометрии) требует измерений за три интервала времени, после чего по известным формулам можно Rn соответственно. Измерения общей активности имеют преимущества в простоте аппаратуры, но требуют больших временных затрат. В настоящее время, как правило, для измерения активности фильтра используют альфаспектрометрический метод анализа с использованием ППД (таблица 2.4). В радиометре аэрозолей РАА-10 измерение ЭРОА радона и торона основано на осаждении дисперсной фазы радиоактивных аэрозолей на фильтр АФА-РСП-10 с последующим альфа-спектрометрическим анализом пробы. Объемная скорость прокачки пробы составляет 15 л/мин и контролируется электронным ротаметром.

Особенностью радиометра является электрический привод фильтродержателя, с помощью которого происходит перемещение фильтра с позиции отбора пробы на позицию измерения и обратно [33,93].

Таблица 2.4- Радиометры аэрозолей предназначенные для измерений объемных концентраций ДПР радона и торона в воздухе, ЭРОА ООО «НТМ-Защита», Россия РАА-20П2 «ПОИСК», В радиометре РАА-20П2 («Поиск») также используется аспирационный способ отбора пробы на фильтр с одновременной селективной регистрацией альфаизлучения 218Ро (RаА) и - 214Ро (RаС') для экспрессного измерения ЭРОА радона. В радиометре «Рамон-02» используется осаждение аэрозолей ДПР на фильтр АФАРСП-20 с помощью воздуходувки производительностью 30 л/мин. Установка фильтра на позицию «измерение» после отбора пробы осуществляется оператором вручную. В приборе предусмотрено два метода измерений, выполняемые автоматически: спектрометрический метод и интегральный (метод Маркова).

Имеется возможность накапливать результаты замеров с последующим выводом их на ПК. Индикатор оборудован подсветкой, имеется звуковой канал вывода результата измерений.

Объемную активности радона в воде измеряют в основном двумя способами:

переводом радона из пробы воды в измерительную камеру и с непосредственным измерением активности пробы [47].

Первый способ заключается в отборе пробы в емкость с последующим переводом радона по циркуляционной или вакуумной схеме в измерительную камеру - сцинтилляционную или ионизационную. После измерения активности радона в камере проводится расчет ОА радона в воде. Достоинство метода большой объем проб воды и соответственно лучшая чувствительность, недостаток - необходимость учета температуры воды, объема циркуляционной или вакуумной системы, что приводит к дополнительным погрешностям, а также возможность потери радона при отборе пробы и его переводе в измерительную камеру.

При измерении по второму способу обычно применяют гаммаспектрометрический метод. Пробы воды при этом отбираются в контейнеры, объем которых определяется геометрией детектора спектрометра. Измерение активности пробы проводится не ранее чем через три часа после отбора пробы. Недостаток метода - необходимость лабораторных измерений, достоинство - уменьшение риска потери радона.

Измерение мощности дозы гамма-излучения могут проводиться с использованием различных видов детекторов - от ионизационных и газоразрядных до полупроводниковых [61,80,88]. В нашей стране наибольшее распространение получили дозиметры, основанные на газоразрядных счетчиках - ДРГ-01Т1, ДБГТ и сцинтилляционные гамма-радиометры типа СРП-68, 88. 97 Дозиметры позволяют определять мощность дозы начиная с уровня 0.1 мкЗв/ч, а радиометры используются для поисковых работ. Для проведения индивидуальной дозиметрии гамма-излучения чаще всего применяются термолюминесцентные дозиметры [59,77,87].

Оценка уровней воздействия долгоживущих ЕРН на лиц, работающих в горных выработках, является одной из самых сложных в методическом плане. На урановых рудниках, вследствие высокой удельной активности ЕРН в пылеобразующих породах этому фактору уделяется значительное внимание и для его оценки применяются методы непосредственного определения ОА ЕРН в воздухе [77]. Так же как и при измерении ОА аэрозолей ДПР здесь проводится обор проб пыли и аэрозолей на фильтр типа АФА-РСП. Объем аспирируемого воздуха обычно составляет от 100 л до нескольких кубических метров, а массу пылевого осадка определяют весовым способом. Измерение активности пробы проводится после полного распада короткоживущих ДПР и ДПТ, на альфарадиометре (сцинтилляционном, ППД или трековым), с последующим расчетом спектрометрическое определение активности отдельных ЕРН в пробе, но из-за дополнительной погрешности, обусловленной поглощением альфа-частиц в слое пробы, этот метод находит свое применение лишь в научных исследованиях.

На горных объектах, не связанных с ядерными технологиями, удельная активность ЕРН в пылеобразующих материалах редко бывает выше средней для пород земной коры [47]. Поэтому в санитарно-гигиенической практике принят упрощенный метод оценки ОА ЕРН в воздухе [87]. Он основан на том, что на большинстве горных предприятий ведется постоянный контроль весовой концентрации пыли в воздухе рабочих мест. Для оценки ОА ЕРН дополнительно проводится исследование удельной активности (УА) ЕРН в пылеобразующих материалах, которыми обычно являются разрушаемые горные породы. Для этой цели осуществляется отбор проб пород и измерение УА ЕРН в них гаммаспектрометрическим методом. Эти данные позволяют оценить ОА ЕРН в воздухе и их поступление в организм шахтеров.

мониторинга радона и его ДПР, порождает широкий спектр средств измерений для их решений. К сложным и дорогим приборам первого класса задач относятся инспекционные приборы или радиометры для экспрессного измерения Длительность измерения такими приборами от единиц минут до нескольких часов. Эти средства измерения позволяют локализовать источники поступления радона в помещения, провести оценку ЭРОА, решать научные задачи, например, исследовать градиент распределения OA в одном помещении и др.

Среди пользователей приборов существует ложное мнение, что, поскольку нормируется эквивалентная равновесная объемная активность (ЭРОА) радона, а значит фактически его ДПР – следовательно, необходимо применять средства, измеряющие не OA радона, а его ДПР.

Во-первых, корректно измерять ЭРОА практически очень сложно. Широко используемые методы измерения ДПР во времени по методу Маркова или Кузнеца, оперируют так или иначе с рядом констант и тогда конечный результат является плодом математической обработки. Ошибка на уровне констант или алгоритма обработки может привести к неправильным результатам.

Во-вторых, за рубежом, понимая сложность измерения ЭРОА, переходят к измерению OA радона, что более надежно в большинстве случаев, когда нет существенного сдвига равновесия (F) между радоном и его ДПР (полное отсутствие вентиляции F - 0,9 или, наоборот, использование мощных компрессоров - F - 0,1) [29].

Таким образом, в условиях подземных горных выработок с целью снижения погрешности измерений целесообразно измерять ОА радона и переходить к ЭРОА изотопов радона с использованием коэффициентов равновесия.

Особенности измерения радиационно-опасных факторов в подземных Контроль состояния радиационной обстановки осуществляется путем проведения измерений уровней радиационно-опасных факторов в горных выработках [86].

Радиационное обследование горных выработок проводят с целью получения данных о радиационной обстановке на всех стадиях ведения горных работ.

Результаты обследования могут быть использованы для обеспечения не превышения значений дозовых пределов существующих РОФ, а также сбора данных для принятия решения по оптимизации защиты в случаях превышения пределов радиационного воздействия на рабочих [55].

При радиационном обследовании горных выработок измеряют следующие РОФ:

- мощность амбиентной дозы гамма-излучения;

- эквивалентную равновесную объемную активность (ЭРОА) радона и торона в воздухе горных выработок;

- удельную активность долгоживущих радионуклидов рядов урана-238 и тория-232.

Также для определения топологии источников радиоактивности должны анализироваться вмещающие породы шахтные воды и конструкционные материалы на содержание природных радионуклидов.

К проведению радиационного обследования допускаются средства измерений, имеющие свидетельства о поверке с не истекшим сроком действия.

При радиационном обследовании условия, влияющие на показания прибора (метеоусловия, запыленность и др.) должны соответствовать допустимым условиям эксплуатации указанным в технической документации на средство измерений и должны быть зафиксированы.

Поиск зон с повышенными значениями мощности амбиентной дозы осуществляют с помощью высокочувствительного поискового прибора, например СРП-68-01 методом гамма-съемки поверхностей горной выработки.

Измерения мощности амбиентной дозы гамма-излучения выполняют в контрольных точках, место расположения которых определяют по результатам поискового обследования, в том числе, на постоянных рабочих местах, типовых маршрутах движения рабочих в горных выработках и в зонах с повышенными значениями гамма-фона. Измерения выполняют с помощью дозиметра, например дозиметра-радиометра МКС-АТ1125 согласно Методике измерений мощности амбиентной дозы (МИ МАД).

Измерения эквивалентной равновесной объемной активности радона и торона выполняют с помощью радиометра аэрозолей, например РАА-10. Также эквивалентную равновесную объемную активность радона можно оценивать как объемную активность радона, умноженную на коэффициент равновесия 0,5 [32].

На практике для получения более достоверных результатов радиационного обследования целесообразно определять для типовых участков и штатных режимах вентиляции коэффициент равновесия по измеренным в них OA и ЭРОА радона.

Выбор оптимального объема точек измерений и периодичности измерений является одной из главных задач радиационного обследования. Сеть точек контроля и периодичность измерений должны обеспечивать точность необходимую для объективной оценки индивидуальных доз облучения рабочих.

Особенно это актуально для значений ЭРОА изотопов радона, для которых характерны временные вариации.

Еще одним фактором, который необходимо учитывать при определении необходимой частоты измерений РОФ, является среднее время пребывания производственного персонала в этой зоне. Очевидно, что чем меньше это время, тем меньший вклад в общую ошибку вносит погрешность определения РОФ в этой точке. Поэтому общие требования к частоте проведения плановых измерений в контрольной точке можно сформулировать следующим образом: количество измерений должно возрастать вместе со средним уровнем значений РОФ, их вариацией во времени и временем пребывания персонала в этой точке [59].

Основные принципы организации радиационного контроля и оценка полученных результатов измерений РОФ в горнодобывающей промышленности имеет ряд различий с организацией радиационного контроля жилых домов, общественных зданиях и сооружений эти особенности должны быть учтены при проведении радиационного обследования горных выработок.

Согласно сложившейся практики организации радиационного контроля и в соответствии с МУ 2.6.1.2838-11 радиационный контроль жилых домов, общественных зданиях и сооружений фактически сводится к поиску аномальных участков и локальных источников на территории контролируемого объекта. При этом контролируемой величиной в жилых домах и общественных зданиях и сооружениях является разность между мощностью эквивалентной дозы гаммаизлучения в помещениях и на прилегающей территории, которая не должна превышать 0,3 мкЗв/ч [43].

Контролируемой величиной в производственных зданиях и сооружениях, сдающихся в эксплуатацию после окончания строительства, капитального ремонта или реконструкции, является мощность эквивалентной дозы гаммаизлучения в помещениях, которая не должна превышать 0,6 мкЗв/ч с учетом фона.

Помещения жилых и общественных зданий считают соответствующими требованиям НРБ-99/2009 и ОСПОРБ-99/2010 по данному показателю, если выполняется условие [43]:

Помещения производственных зданий и сооружений соответствуют требованиям санитарных правил и гигиенических нормативов по мощности дозы гамма-излучения, если для них выполняется условие:

где H * (10) k - измеренное значение мощности амбиентной дозы гаммаизлучения (МАД) в k-ой точке измерений, мкЗв/ч;

согласно МИ МАД, мкЗв/ч;

H * (10) ф - наименьшее значение МАД естественного радиационного фона на прилегающей местности, мкЗв/ч.

Как было показано выше, основными источником радиоактивности в горных выработках являются вмещающие породы и подземные воды. Содержащиеся в них ЕРН в основном формируют гамма-фон в горных выработках неурановой промышленности. Мощность дозы гамма-излучения на различных участках горных выработок может варьироваться в значительных пределах. Поэтому в условиях горных выработок невозможно определить контрольный (фоновый) уровень мощности дозы гамма-излучения, а, следовательно, и выполнение соотношений 2. и 2.7. Что позволяет сделать вывод о невозможности применения стандартных методов контроля мощности дозы гамма-излучения в условиях горных выработок.

Также при поиске аномальных участков и локальных источников в помещениях производственных зданий и сооружений рекомендуется средство измерений располагать таким образом, чтобы центр активной части детектора прибора был направлен в сторону участка, характеризующегося повышенным значением мощности дозы гамма-излучения, это необходимо, чтобы снизить погрешность измерений за счет анизотропии чувствительности прибора, так как градуировка (поверка) дозиметров проводится в колимированном поле излучения, когда излучение падает на плоскость детектора в перпендикулярном направлении (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 - Расположение плоскости детектора МКС-АТ При измерении мощности дозы гамма-излучения в горных выработках следует учитывать угол падения гамма-излучения на детектор прибора (анизотропию чувствительности), поскольку расположение природных радионуклидов являющиеся источниками гамма-излучения имеет сложную топологию и повсеместное распространение. Следовательно, анизотропия чувствительности будет вносить дополнительный вклад в погрешность измерений мощности дозы гамма-излучения в горных выработках. Анизотропия чувствительности обязательно должна учитываться при оценке неопределенности измерений гамма-излучения. Типовые зависимости чувствительности прибора МКС-АТ1125 от угла падения излучения относительно направлений градуировки наглядно представлены на рисунке 2.2.

AT OMTEX

Рисунок 2.2 - Типовая зависимость чувствительности прибора МКС-АТ1125 от угла падения излучения относительно направления градуировки Также согласно МУ 2.6.1.2838-11 контролируемой величиной в жилых домах, общественных и производственных зданиях и сооружениях, сдающихся в эксплуатацию после окончания их строительства, капитального ремонта или реконструкции, является среднегодовое значение ЭРОА изотопов радона в воздухе помещений.

Среднегодовое значение эквивалентной равновесной объемной активности изотопов радона ( ЭРОАСГ ) в воздухе помещений жилых домов и общественных соответствовать следующему условию[43]:

При проведении радиационного контроля помещения следует подготовить к измерениям: в них должны быть установлены и закрыты все окна и двери, смонтирована и включена в штатном режиме система вентиляции с механическим приостановлены) внутренние отделочные работы, производство которых обычно связано с периодическим открыванием окон и дверей [43].

При соблюдении этих условий и предварительной выдержке здания при закрытых окнах и дверях (как в помещениях, так и в подъездах) и штатном режиме работы принудительной вентиляции (при ее наличии) не менее 12 ч, оценка среднегодового значения ЭРОА изотопов радона в воздухе здания проводится по формуле:

где D Rn и DTn - абсолютная погрешность определения ЭРОА радона и торона в воздухе соответственно.

Численное значение коэффициента К в формуле (2.9) зависит от температуры внутри и снаружи контролируемого помещения, атмосферного давления, силы и направления ветра в период проведения измерений, а также от среднегодовых значений этих же величин. В силу этого конкретные значения коэффициента имеют региональные особенности и определяются периодом года, когда проводятся измерения. Функциональные зависимости региональных коэффициентов от перечисленных параметров подлежат определению в рамках специального аналитического обобщения результатов проводимых обследований в совокупности со значениями влияющих факторов. До получения функциональной зависимости значение коэффициента принимается равным 1 для зимнего периода года и 1,3 - для летнего [43].

Измерение ЭРОА изотопов радона в горных выработках имеет ряд отличий от зданий и сооружений:

экстремальных условиях измерения (высокая температура, повышенная влажность, сильная запыленность и др.). При выборе приборной базы для измерений должны быть учтены условия измерений и выбраны приборы или принципы измерений, имеющие минимальную зависимость от экстремальных условий, или корректно оценена неопределенность измерений, вызванная этими условиями;

- при проведении измерений на действующих предприятиях измерения производятся в условиях ведения горных работ;

- штатный режим проветривания горных выработок является основной причиной сдвига радиоактивного равновесия между радоном и его дочерними продуктами распада, что может привести к некорректной оценке измеряемой величины в связи с непостоянством режимов проветривания;

- среднегодовое значение ЭРОА изотопов радона в воздухе горных выработок может не выполнять условия неравенства 2.8, в условиях горных выработок должны измеряться действительные значения ЭРОА изотопов радона и учитываться их вклад и индивидуальную дозу облучения рабочих с последующей гигиенической оценкой условий труда.

По данным измерений в точках горные выработки разбиваются на участки, характеризующиеся близкими по значению МАД и соответствующие им значения ЭРОА радона и ЭРОА торона.

В связи с отсутствием возможности измерения естественного радиационного фона на прилегающей местности, оценка соответствия радиационной обстановки горных выработок неурановых горнодобывающих предприятий должна осуществляться согласно п. 4 НРБ 99/2009. При многофакторном воздействии внешнего гамма-излучения и продуктов распада Rn-222 и Rn-220, должно выполняться неравенство:

Не выполнение приведенного неравенства свидетельствует о возможном превышении уровня годовой эффективной дозы облучения природными источниками излучения рабочими имеющими постоянные рабочие места на данном участке горной выработки и должно повлечь применение мероприятий по нормализации радиационной обстановки на данном участке, либо ограничение времени пребывания на нем рабочих.

Нормализация радиационной обстановки в подземных выработках Согласно действующим нормам радиационной безопасности, меры направленные на обеспечение радиационной безопасности должны основываться на следующих основных принципах [79]:

- непревышение допустимых пределов индивидуальных доз облучения граждан от всех источников излучения (принцип нормирования);

- запрещение всех видов деятельности по использованию источников излучения, при которых полученная для человека и общества польза не превышает риск возможного вреда, причиненного дополнительным облучением (принцип обоснования);

- поддержание на возможно низком и достижимом уровне с учетом экономических и социальных факторов индивидуальных доз облучения и числа облучаемых лиц при использовании любого источника излучения (принцип оптимизации).

Эти принципы являются основополагающими при построении системы противорадиационных защитных мероприятий на территории РФ [78].

Однако проведенный анализ результатов исследования радиационной обстановки на подземных горных предприятиях неурановой отрасли показал, что уровни облучения работников за счет природных источников излучения практически везде достигают, а в ряде случаев и превышают значения, допустимые для персонала (таблица 2.5). Ведущим радиационным фактором на неурановых шахтах являются дочерние продукты изотопов радона. Исключение составляют шахты по добыче золота, угля и сланца, где наибольший вклад в дозу облучения работников вносят долгоживущие природные радионуклиды, содержащиеся в витающей рудничной пыли [25]. Большое количество работающих делает актуальной проблему обеспечения гигиенически благоприятных условий труда эксплуатацией подземных сооружений.

Таблица 2.5 - Уровни облучения природными источниками работников предприятий горнодобывающей отрасли (неурановая промышленность)[25] Добываемое сырье Вольфрам, олово