[科普中國(guó)]-氡源

氡簡(jiǎn)介氡的發(fā)現(xiàn)

1901年埃爾斯特(Elster·J·)和蓋特(Gertel·H·)在研究大氣導(dǎo)電性時(shí)發(fā)現(xiàn)了氡2。此后不久,E·盧瑟福、F·索迪和W·拉姆奇等一致確認(rèn)這種氣體是一種惰性氣體,從此在氡的性質(zhì)研究方面邁出了關(guān)鍵性的一步。E·盧瑟福稱這種惰性氣體為射氣(Ema-nation)。而W·拉姆奇和R·戈瑞把這種射氣命名為氡(Niton)。1910年施夫格勒 (Schifgner·j)等第一次在斯內(nèi)佰格礦的坑道中測(cè)得了空氣中氡的濃 度。1923年國(guó)際會(huì)議上正式把這種氣體命名為Radon(氡)。這一名稱一直沿用到現(xiàn)在。

氡的性質(zhì)1.惰性氣體2

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下,氡是一種無(wú)色、無(wú)味、透明的具有放射性的惰性氣體,又是單原子氣體。氣體狀態(tài)下純氡的密度為9.73 kg/m3,標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下其密度為9.96 kg/m3,是惰性氣體中最重的元素,也是鈾衰變系中唯一的氣態(tài)元素。

由于氡是一種惰性氣體,化學(xué)性質(zhì)極不活潑,一般不參加化學(xué)反應(yīng),近年來(lái),有人證明:在25 ℃時(shí)氡能被氟化鹵素(如ClF,ClF3,ClF5,BrF,BrF2等)所氧化,它可使氡變成不揮發(fā)飛散的狀態(tài),而且用氟化鹵素和金屬氟化物的混合物(ClF2SbF6,BrF2SbF6等),在低空氣流速度下成功地清除了空氣中的氡。雖然氡比空氣重得多,但它在空氣中所顯的比例極小,約為一萬(wàn)億分之幾,其對(duì)空氣的重率毫無(wú)影響。

2.氡的放射性

氡是由鐳衰變而來(lái)的,氡繼續(xù)衰變產(chǎn)生一系列的子體。

氡是α放射體,其半衰期為3.825 d,一升純氡的放射性活度為5.51×10 16 Bq。3.7×10…10 Bq的純氡其體積僅為0.67 mm3,質(zhì)量只有6.53μg,標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1 Bq Rn222的體積為1.6×10-2 m3。一般情況下,大氣中所含氡的質(zhì)量百分比只有6.53×10-17%,相當(dāng)于氡濃度為4.44 Bq/m3。

鐳的半衰期很長(zhǎng),比氡的半衰期長(zhǎng)得多,所以在觀察氡的放射性活度時(shí),鐳的數(shù)量變化是極其微小的完全可以視為鐳的數(shù)量是不變的,因此在二者之間能達(dá)到永久平衡狀態(tài)。

3.氡的變態(tài)性

隨著溫度的變化氡也有三態(tài)變化。常溫下為氣體;溫度下降到-61.8 ℃變?yōu)橐后w,密度為4.44 t/m3,液態(tài)氡的沸點(diǎn)為-61.8 ℃;溫度降低到-71 ℃(凝固點(diǎn))時(shí)變成閃閃發(fā)光的橙色固體,汽化熱為4 325 k/mol。

4.易溶性

氡可溶解于水和多種液體中,也易溶于血液和脂肪中。

5.吸附性

氡容易被橡膠、黏土、活性炭等多孔材料所吸附,這種吸附是物理吸附,吸附系數(shù)是溫度的函數(shù)。活性炭吸附能力最強(qiáng),隨著溫度的降低,活性炭對(duì)氡的吸附系數(shù)增大;反之,則吸附系數(shù)縮小。當(dāng)溫度升高到200 ℃時(shí),活性炭釋放出被其吸附的全部氡。

6.擴(kuò)散性

在通常條件下,氡以氣體形式存在,這就表明,氡原子的熱運(yùn)動(dòng)相當(dāng)強(qiáng)烈,說(shuō)明氡具有較強(qiáng)的擴(kuò)散能力。其擴(kuò)散作用是由于氡原子的熱運(yùn)動(dòng)和氡在介質(zhì)中濃度梯度的存在而出現(xiàn)的,表示氡在某一具體條件下氡擴(kuò)散能力參數(shù)用擴(kuò)散系數(shù)表示,氡在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)為0.105 cm2/s (20 ℃時(shí)),在水中的擴(kuò)散系數(shù)為0.82×10-5cm2/s(20 ℃時(shí))。

7.衰變特性

氡的化學(xué)性質(zhì)很不活潑,但卻是放射性氣體,衰變產(chǎn)生一系列新的核素。習(xí)慣上把這些新生的核素叫做氡的子體,而氡叫做母體。

氡危害的特點(diǎn)氡的危害有兩個(gè)特點(diǎn):一是隱蔽性,二是隨機(jī)性2

所謂隱蔽性,有兩重含義:氡作為一種化學(xué)物質(zhì),無(wú)色、無(wú)味,數(shù)量極微,難以覺(jué)察;另一方面,氡的危害主要是輻射生物效應(yīng),它的直接作用(對(duì)生命物資的破壞或傳輸?shù)哪芰?相對(duì)機(jī)械力傷害、燙傷、觸電而言是很微小的,但由此引發(fā)的復(fù)雜生物化學(xué)過(guò)程可以導(dǎo)致嚴(yán)重的傷害。例如,短期接受1 Sv劑量照射時(shí),在生物體內(nèi)產(chǎn)生的電離,激發(fā)分子的比例只有一億分之一,傳輸?shù)哪芰肯喈?dāng)于2×10-4 cal/g。這本身是微小而難以覺(jué)察的,但它可以導(dǎo)致明顯的放射病癥狀(嘔吐、疲倦、血象變化等)。

氡的放射作用一般是慢性的,一年內(nèi)有0.1 Sv的量就算高的,其直接作用是不可能覺(jué)察到的,即無(wú)相關(guān)的自我感覺(jué),但它仍可能引發(fā)肺癌,這就是人們常說(shuō)的“潛伏期”。

所謂隨機(jī)性,就是指氡致肺癌是隨機(jī)性現(xiàn)象。對(duì)于一個(gè)人,可能發(fā)生也可能不發(fā)生,只有確定的幾率。也就是說(shuō),只對(duì)人數(shù)眾多的群體才能體現(xiàn)出確定的發(fā)病率。這就像大家熟知的吸煙可能導(dǎo)致肺癌的現(xiàn)象一樣,也是隨機(jī)性現(xiàn)象。對(duì)大量的人群統(tǒng)計(jì),吸煙者的肺癌發(fā)病率明顯地比不吸煙者高;但就某個(gè)人而言,吸煙者不一定得肺癌,也不能根據(jù)某個(gè)人長(zhǎng)期吸煙卻活到80歲未得肺癌來(lái)證明吸煙無(wú)害。

氡的來(lái)源Rn-222來(lái)源于Ra-226的衰變,1 Bq的Ra-226每秒鐘產(chǎn)生2×10-6 Bq的Rn-222,而Ra-226的多少取決于自然界中的鈾(U-238)含量。鈾是自然界中廣泛分布的微量元素。

由于人類的生產(chǎn)實(shí)踐改變了鈾在自然界中的分布,使得氡的來(lái)源也多樣化。環(huán)境大氣中氡的來(lái)源是多種多樣的,但主要有以下9個(gè)方面3。

大地釋放鈾在地殼中的質(zhì)量比分是3 g/t,海洋中是3 g/1 000 t,陸地為海洋的1 000倍。陸地上鈾的總量為4×109 t,是黃金總量的1 000倍。鈾在土壤和巖石中的含量是不同的。鈾在世界范圍內(nèi)的平均含量為2.8×10-4%,相應(yīng)的土壤中的Ra-226的放射性含量為25 Bq/kg,因此土壤中的氡含量很高,是空氣中的104~106倍。我國(guó)與世界一些天然本底較高地區(qū)相比土壤中天然放射性含量更高。

鐳衰變產(chǎn)生的一部分氡原子經(jīng)放射性反沖、擴(kuò)散遷移至地面,從而進(jìn)入大氣中,地表氡的平均析出率為16 mBq/(m2·s),每年為5.5× 105 Bq/m2,乘上陸地的總面積1.5×1014 m2,得析出氡量7.6×1019 Bq/a,即為陸地表面每年向大氣中釋放的總氡量。

陸地表面氡的析出率受許多因素的影響,如土壤和巖石中的鐳含量、孔隙度、水分、氣象條件等。其中氣壓、水分、溫度的影響是明顯的。

(1)大氣壓的影響 大氣壓力的微小變化都會(huì)導(dǎo)致氡析出率的大幅度改變。圖6.2是墻壁內(nèi)氡析出率隨氣壓的變化曲線,而土壤中氡析出率隨氣壓的變化比這更加顯著。氣壓變化1%,氡析出率要向相反的方向變化一倍。實(shí)驗(yàn)還證明大氣壓力波動(dòng)對(duì)氡析出影響明顯,但當(dāng)大氣壓力趨于穩(wěn)定后,氡析出影響較小。

(2)水分稍微潮濕的土壤比干燥土壤氡的析出率高,但水分增加到一定程度時(shí)析出率急劇下降,因?yàn)樗肿佣氯穗痹舆\(yùn)動(dòng)的通道。這是由于氡在水中的擴(kuò)散系數(shù)(0.82×10-5 cm2/s)比氡在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)(0.1 cm2/s)小五個(gè)量級(jí)以上,水分是影響氡析出的最主要原因。

(3)溫度 隨著溫度的增加氡析出率也增加,但也有相反的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

海洋釋放海水中含有一定量的鐳-226,平均濃度為1 Bq/m3,海底比海面要高一個(gè)量級(jí)。這樣的鐳濃度導(dǎo)致海洋表面氡的平均析出率為7×10-5 Bq/(m2·s)，即2.2×103 Bq/(m2·a),乘以海洋的總面積3.6×1014 m2，得8×1017 Bq/a, 即海洋每年向大氣釋放8×1017 Bq的氡。該值比陸地釋放量低兩個(gè)量級(jí),造成海洋上大氣中的氡濃度明顯低于陸地。

大陸和海洋上大氣中氡濃度差異懸殊,導(dǎo)致了海岸附近大氣中的氡濃度會(huì)受風(fēng)向的影響。當(dāng)風(fēng)從海上吹向陸地時(shí),氡濃度下降,反之上升。即使距海岸幾百千米的大陸深處,這種影響亦是明顯的。

植物和地下水的載帶植物的生長(zhǎng)將增加地表氡的釋放。實(shí)測(cè)結(jié)果表明,種五谷的土地氡的釋放率是那些不毛之地的3~5倍。地下水會(huì)把地殼深處的氡帶到地表面而釋放到環(huán)境大氣中。地下水中的氡濃度很高,一般在1.85×105 Bq/m3左右,高者可達(dá)1.85×107 Bq/m3左右,可形成局部地區(qū)的重要氡源。由于植物和地下淺層水的作用,每年向大氣中釋放約1×1019 Bq的氡。

核工業(yè)釋放核工業(yè)的發(fā)展,尤其是在核燃料生產(chǎn)過(guò)程中,如采礦、水冶是釋放氡的主要環(huán)節(jié)。

隨著對(duì)核燃料需要量的增加,鈾礦石的產(chǎn)量以驚人的速度增長(zhǎng)著。以鈾產(chǎn)量來(lái)衡量這種增長(zhǎng),1855—1900年間全世界的鈾產(chǎn)量總共只有3t,二次大戰(zhàn)期間迅速增加,1942年的年產(chǎn)量上升到100t,目前的年產(chǎn)量已達(dá)到30000 t。美國(guó)、俄羅斯、加拿大、澳大利亞等國(guó)都是產(chǎn)鈾國(guó)。

鈾礦井內(nèi)積累的大量的氡,通過(guò)回風(fēng)井排入環(huán)境,排出量因礦山規(guī)模不同而有差異。我國(guó)一個(gè)正在生產(chǎn)的中等鈾礦山每天要排入環(huán)境1010 Bq的氡,對(duì)環(huán)境是有影響的。

在水冶過(guò)程中鈾-238與釷-230,鐳-226分離,其中95%的釷-230和99%鐳-226進(jìn)入尾礦堆,于是尾礦堆便成了人工氡氣源。尾礦的特點(diǎn)一是數(shù)量多,二是占地面積大。到1977年止美國(guó)17個(gè)在役的水冶廠共有尾礦1.15×108 t,占地8.1×106 m2,已停產(chǎn)的23個(gè)水冶廠有尾礦2.3×10 7 t,占地4.05×106 m2。

不加覆蓋的尾礦堆氡的析出率是土壤的2~3 000倍。如此大的波動(dòng)是由各尾礦堆中的鐳-226的含量不同,氣象條件的變化以及覆蓋情況的差異引起的，尾礦堆上空氣中的氡濃度明顯增高,在其周?chē)? km內(nèi)天然本底將有所增加。

估計(jì)全世界的鈾礦山和水冶廠每年釋放到大氣中1×1019 Bq的氡。這也是一個(gè)不可忽略的數(shù)字。

使用中的尾礦堆可利用水覆蓋，廢棄的尾礦堆要加土進(jìn)行永久性覆蓋，一層60 cm的水可使氡的析出率降到10%,1 m厚的土層可使氡的析出率降到1%,6 m厚的土層可使尾礦堆附近氡氣降到本底水平。因?yàn)楸韺油寥罆?huì)流失,需要定期修理和加厚。

煤的燃燒煤是工業(yè)和居民生活中廣泛使用的化石燃料,每年各國(guó)要燃燒掉大量的煤。一個(gè)普通的取暖鍋爐(20 t)每年要燒掉6 000 t煤,一個(gè)中型的火力發(fā)電廠每年要燒30萬(wàn)噸煤。煤中的鈾含量平均為1.0×10-4%,灰量以10%計(jì),則灰中的鈾含量便被濃縮到1.0×10-3%。有鈾必然有鐳,煤灰也就成了一種人工氡氣源。估計(jì)全世界由于燃煤每年釋放到大氣中的氡約1×1013 Bq。

煤灰的產(chǎn)量是驚人的,而且隨意堆放,與尾礦堆相比,具有更大危害性

(1)尾礦堆被人重視而加以覆蓋,遠(yuǎn)離居民點(diǎn),而煤灰無(wú)人過(guò)問(wèn),分散在居民中間;

(2)尾礦堆中的放射性物質(zhì)是以釷-230的半衰期(8.3×10 000 a)衰減
的,而煤灰堆中的放射性物質(zhì)是以鈾-238的半衰期(4.5×109 a)衰減的,比尾礦堆要大5個(gè)數(shù)量級(jí),也就是說(shuō)煤灰?guī)缀跏怯啦幌У碾痹础?/p>

磷酸鹽工業(yè)磷酸鹽礦石中的鈾含量較高,尤其以海生磷酸鹽礦石為最高。摩洛哥、前蘇聯(lián)、美國(guó)和中國(guó)都大量生產(chǎn)磷酸鹽礦石,美國(guó)此礦石的生產(chǎn)量約占全世界總產(chǎn)量的40%,而其中80%又集中產(chǎn)在佛羅里達(dá)。美國(guó)磷酸鹽礦石中的鈾含量為8×10-6~4×10-4，平均為8.0×10-5，1973年生產(chǎn)礦石1.27億噸,含鈾一萬(wàn)噸,可供60座反應(yīng)堆使用一年。

磷酸鹽的80%作為磷肥而施撒在土地上,施磷肥的土地其氡的析出率不亞于鈾尾礦堆,原因是土壤中富集了較高濃度的鐳-226。美國(guó)Belgan Agricultural研究中心在試驗(yàn)田里施撒磷肥(五氧化二磷)，11年間在兩塊地里分別施磷肥343 kg/ha和1 366 kg/ha(1 ha=104m2),結(jié)果使0~20 cm深的土層中鐳-226的平均比活度達(dá)32.2 Bq/kg,比正常土地增加了28%。

磷酸鹽工業(yè)的副產(chǎn)品石膏通常作為建筑材料,無(wú)疑會(huì)增加室內(nèi)的氡濃度。估計(jì)全世界由于磷酸鹽工業(yè)每年釋放到大氣中1×1018 Bq的氡。

非鈾礦山據(jù)全國(guó)16個(gè)省市85個(gè)有色金屬礦山調(diào)查,礦井氡的平均濃度為 1 238~2 031 Bq/m3。據(jù)全國(guó)13個(gè)省市15個(gè)礦物局的煤礦調(diào)查,井下平均氡濃度在0.37~9.81 Bq/L之間,有氡危害的礦物局占85.71%。這一切說(shuō)明非鈾礦山氡釋放量也是可觀的。

天然氣20世紀(jì)初就知道天然氣中有放射性物質(zhì),并測(cè)定了其中的氡濃度。1919年召開(kāi)了第一次世界性有關(guān)氡的報(bào)告,主要內(nèi)容有:(1)美國(guó)天然氣中氡含量;(2)燃燒天然氣造成室內(nèi)氡濃度增高;(3)計(jì)算呼吸道劑量。

天然氣中氡濃度差異很大,大致在(5.6~37)×104 Bq/m3。不同城市天然氣中氡濃度不同。估計(jì)每年由于天然氣的燃燒向大氣中釋放約1×1014 Bq的氡。

與燃煤相比,燒天然氣更容易增加室內(nèi)的氡濃度。

建筑物的釋放由于建筑材料中都含有一定量的鐳-226,墻壁、地板、天花板內(nèi)產(chǎn)生的氡有一部分釋放到室內(nèi)空氣中。我國(guó)普通磚、水泥和煤渣及工業(yè)廢渣磚,天然放射性核素含量見(jiàn)表6.13。

一般室內(nèi)空氣中的氡濃度比環(huán)境中要高一個(gè)數(shù)量級(jí),在通風(fēng)和擴(kuò)散的作用下室內(nèi)的氡便進(jìn)入環(huán)境。估計(jì)全世界有標(biāo)準(zhǔn)房間(室內(nèi)表面積350 m2,體積200 m3)1×109個(gè),每年釋放到環(huán)境中的氡約1×1018 Bq。

常見(jiàn)氡源GD—L2流氣式固體氡氣源構(gòu)成原理4

GD—L2流氣式固體氡氣源由裝有特殊的含鐳物質(zhì)并有足夠屏蔽厚度的金屬容器、閥門(mén)、過(guò)濾器、托板及恒流泵組成。

GD—L2流氣式固體氡氣源是一種能產(chǎn)生確定量氡氣的發(fā)生器5。由于鐳的半衰期長(zhǎng)達(dá)1 602年。而且氡源中特殊含鐳物質(zhì)的射氣系數(shù)穩(wěn)定且高達(dá)95%以上，所以氡的產(chǎn)生率PR是非常穩(wěn)定的，當(dāng)空氣流量廠恒定時(shí)，氣流中的氡放射性活度濃度C(Bq/L)就會(huì)趨向一個(gè)恒定值。這個(gè)恒定濃度的氣流可以作為氡的標(biāo)準(zhǔn)樣品用來(lái)標(biāo)定各種測(cè)氡儀。

RN-FD型循環(huán)式固體氡氣源RN—FD型循環(huán)式固體氡氣源是由加拿大RN—150型固體氡氣源(包括國(guó)產(chǎn)FD一3024型固體氡氣源)改造而來(lái)，具體是利用固體鐳源，更換較大的足夠屏蔽厚度的金屬外殼整體密封4。

金屬容器上方有2個(gè)出氣口閥門(mén)、2個(gè)進(jìn)氣口閥門(mén)(其中2個(gè)為備用閥門(mén))、一個(gè)密封抽氣泵及電源插頭等配件。其氡氣的生成原理與RN一150型固體氡氣源是一致的。在正常的環(huán)境條件下，由于該固體226 Ra源的強(qiáng)度是已知的，故放射出氡氣在封閉空間達(dá)到平衡時(shí)標(biāo)準(zhǔn)氡的總量也是確定的，固體源裝置的體積也是已知的，封閉30 d后氡放射達(dá)到平衡氡的活度濃度C(Bq/L)就已經(jīng)基本恒定了?？梢岳枚ㄖ捣峙淦?提取微量(1‰源體積)的有效氡氣來(lái)標(biāo)定各種測(cè)氡儀。

RN-150型固體氡氣源氡氣固體標(biāo)準(zhǔn)源的儲(chǔ)氣罐底部特制的鉛盒內(nèi)裝有固體放射性鐳源(226Ra)，該鐳源不斷衰變產(chǎn)生氡氣，在104。12個(gè)氡的半衰期(3.825 d)后．儲(chǔ)氣罐內(nèi)的氡氣達(dá)到放射性平衡狀態(tài)．氡氣的量保持不變。使用氡氣固體標(biāo)準(zhǔn)源時(shí)．用裝置內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)體積的定值分配器量取儲(chǔ)氣罐中氡氣總量的約0.1%，送入測(cè)氡儀器進(jìn)行測(cè)量。由于鐳源的活度、衰變速率和體積都是確定的,所以每次吸取的氡氣量也是確定的，可以用來(lái)對(duì)測(cè)氡儀器進(jìn)行標(biāo)定。