Прогнозирование концентрации радона в проектируемых жилых бетонных зданиях методом компьютерного моделирования
|
ВВЕДЕНИЕ 7
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и выбор основного направления 10
исследования 10
1.1 Основные законы радиационной безопасности населения 10
Российской Федерации 10
1.2 Теоретические основы и история развития радиационного 12
контроля в России 12
1.3 Вклад различных источников ионизирующего излучения в облучение
населения 13
1.3.1 Естественные источники радиации 15
1.3.2 Техногенные источники радиации 16
1.4 Характеристика радона, как основного источника радиационной
опасности для населения 18
1.5 Принципы и особенности формирования радиационного фона в жилых
помещениях 21
1.6 Строительные материалы, как источник естественного излучения 23
ГЛАВА 2. Оборудование и характеристика материалов, используемых в работе. 26
2.1 Отбор проб для анализа радиоактивных измерений 26
2.2 Определение удельной активности гамма - спектрометрическим способом
на сцинтилляционном спектрометрическом комплексе «Прогресс» 27
2.3 Измерение объемной активности на многопараметрическом радоновом
мониторе-дозиметре «ALPHAGUARD PQ 2000» 29
ГЛАВА 3. Исследование удельной эффективной активности естественной радиоактивности и эманирующей способности многокомпонентных строительных материалов 32
3.1 Проведение инструментальных испытаний 33
3.2 Экспериментальное определение удельной активности материалов и
удельной эффективной активности ЕРН 36
3.3 Экспериментальное определение коэффициентов эманирования и
эманирующей способности материалов 39
ГЛАВА 4. Расчет вероятной концентрации радона и моделирование процесса диффузии в изолированном подвальном помещении при заданной удельной активности радия и коэффициента эманирования бетона 46
4.1 Описание пакета программ COMSOL Multiphysics 46
4.2 Математическая модель процесса диффузии 48
4.3 Исходные данные и методика компьютерного моделирования процесса
диффузии 49
4.4 Расчет скорости и интенсивности диффузионного поступления радона в
здание подвального помещения 52
4.5 Компьютерное исследование процесса диффузии радона 54
4.5.1 Модель плотности потока радона в изолированном подвальном
помещении проектируемого жилого бетонного здания 54
4.5.2 Модель концентрации радона в изолированном подвальном
помещении проектируемого жилого бетонного здания 58
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 63
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 65
ПРИЛОЖЕНИЕ А 69
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и выбор основного направления 10
исследования 10
1.1 Основные законы радиационной безопасности населения 10
Российской Федерации 10
1.2 Теоретические основы и история развития радиационного 12
контроля в России 12
1.3 Вклад различных источников ионизирующего излучения в облучение
населения 13
1.3.1 Естественные источники радиации 15
1.3.2 Техногенные источники радиации 16
1.4 Характеристика радона, как основного источника радиационной
опасности для населения 18
1.5 Принципы и особенности формирования радиационного фона в жилых
помещениях 21
1.6 Строительные материалы, как источник естественного излучения 23
ГЛАВА 2. Оборудование и характеристика материалов, используемых в работе. 26
2.1 Отбор проб для анализа радиоактивных измерений 26
2.2 Определение удельной активности гамма - спектрометрическим способом
на сцинтилляционном спектрометрическом комплексе «Прогресс» 27
2.3 Измерение объемной активности на многопараметрическом радоновом
мониторе-дозиметре «ALPHAGUARD PQ 2000» 29
ГЛАВА 3. Исследование удельной эффективной активности естественной радиоактивности и эманирующей способности многокомпонентных строительных материалов 32
3.1 Проведение инструментальных испытаний 33
3.2 Экспериментальное определение удельной активности материалов и
удельной эффективной активности ЕРН 36
3.3 Экспериментальное определение коэффициентов эманирования и
эманирующей способности материалов 39
ГЛАВА 4. Расчет вероятной концентрации радона и моделирование процесса диффузии в изолированном подвальном помещении при заданной удельной активности радия и коэффициента эманирования бетона 46
4.1 Описание пакета программ COMSOL Multiphysics 46
4.2 Математическая модель процесса диффузии 48
4.3 Исходные данные и методика компьютерного моделирования процесса
диффузии 49
4.4 Расчет скорости и интенсивности диффузионного поступления радона в
здание подвального помещения 52
4.5 Компьютерное исследование процесса диффузии радона 54
4.5.1 Модель плотности потока радона в изолированном подвальном
помещении проектируемого жилого бетонного здания 54
4.5.2 Модель концентрации радона в изолированном подвальном
помещении проектируемого жилого бетонного здания 58
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 63
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 65
ПРИЛОЖЕНИЕ А 69
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
В помещениях человек подвергается воздействию как внешнего гамма- излучения, обусловленного содержанием природных радионуклидов в строительных материалах, так и внутреннего облучения, вызываемого попаданием радионуклидов на наружные покровы тела и внутрь организма при вдыхании радиоактивного газа преимущественно радона и его дочерних продуктов распада (ДПР), содержащихся в воздухе помещений и в воде.
Обеспечение радиационной безопасности населения обуславливает необходимость выявления, изучения, оценки естественной радиоактивности строительных материалов и источников поступления радиоактивного газа радона в воздух жилого помещения.
Тематика исследования особенно актуальна для регионов с повышенным содержанием естественной радиоактивности строительного сырья и высоким содержанием радона в грунте.
По результатам отечественных и зарубежных исследований, человек проводит внутри помещений большую часть своей жизни, по некоторым данным, эти значения варьируются от 60 до 90 %. И, находясь в искусственной среде малопроветриваемого жилого помещения, человек подвергается облучению за счет повышенного содержания естественных радионуклидов (ЕРН) и распада дочерних продуктов радона (ДПР), накапливающихся в воздухе помещений. Радон - это природный радиоактивный газ, образующийся в результате распада радия-226 в ряду естественного урана. Вдыхание воздуха с высокой активностью радона и его ДПР приводит к увеличению риска и частоты заболевания раком легких. По оценке службы здравоохранения США у населения США за-регистрировано около 20 000 случаев заболевания раком легких с летальным исходом, вызванного воздействием радона. Ущерб для здоровья населения, по её оценке, «возможно в 10 раз превышает ущерб от загрязнения воздуха вне помещения».
Анализ литературных источников показал, что уровень концентрации радона может изменяться в широком диапазоне в зависимости от различных природных и техногенных факторов. В России значение эквивалентной равновесной объемной активности (ЭРОА) в воздухе, в соответствии с нормами радиационной безопасности, не должно превышать 200 Бк/м3 для эксплуатируемых жилых и общественных зданий. При проектировании новых зданий жилищного и общественного назначения должно быть предусмотрено, чтобы ЭРОА в воздухе помещений не превышала 100 Бк/м3.
В современной нормативной документации доза облучения от естественных источников ионизирующего облучения не нормируется. Ограничение об-лучения населения достигается путем установления системы ограничений на облучение населения от отдельных природных источников излучения.
Предмет исследования - формирование естественной радиоактивности многокомпонентных строительных материалов и процесс эманирования - выделение радиоактивных атомов радона из строительных материалов в воздушную среду жилого помещения.
Цель исследования. Развитие научных основ и расчетных методов оценки поступления и скорости выхода радона в воздух жилых помещений
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Произвести анализ зарубежных и отечественных научных исследований по заданной тематике исследования;
2. Произвести спектрометрические замеры по содержанию радионуклидов и удельной активности Радия 226 в исходном строительном сырье и в готовых бетонных образцах;
3. Определить объемную активность радона и произвести эманиционные измерения испытуемых образцов;
4. Произвести численное моделирование процесса диффузии радона для подвального помещения на основе эманационных измерений, с учетом скорости поступления радона в поровое пространство бетона
5. Рассчитать вероятную концентрацию радона в воздухе проектируемого подвального помещения;
6. Установить закономерности распределения концентрации радона в грунте в зависимости от ширины и глубины здания.
Обеспечение радиационной безопасности населения обуславливает необходимость выявления, изучения, оценки естественной радиоактивности строительных материалов и источников поступления радиоактивного газа радона в воздух жилого помещения.
Тематика исследования особенно актуальна для регионов с повышенным содержанием естественной радиоактивности строительного сырья и высоким содержанием радона в грунте.
По результатам отечественных и зарубежных исследований, человек проводит внутри помещений большую часть своей жизни, по некоторым данным, эти значения варьируются от 60 до 90 %. И, находясь в искусственной среде малопроветриваемого жилого помещения, человек подвергается облучению за счет повышенного содержания естественных радионуклидов (ЕРН) и распада дочерних продуктов радона (ДПР), накапливающихся в воздухе помещений. Радон - это природный радиоактивный газ, образующийся в результате распада радия-226 в ряду естественного урана. Вдыхание воздуха с высокой активностью радона и его ДПР приводит к увеличению риска и частоты заболевания раком легких. По оценке службы здравоохранения США у населения США за-регистрировано около 20 000 случаев заболевания раком легких с летальным исходом, вызванного воздействием радона. Ущерб для здоровья населения, по её оценке, «возможно в 10 раз превышает ущерб от загрязнения воздуха вне помещения».
Анализ литературных источников показал, что уровень концентрации радона может изменяться в широком диапазоне в зависимости от различных природных и техногенных факторов. В России значение эквивалентной равновесной объемной активности (ЭРОА) в воздухе, в соответствии с нормами радиационной безопасности, не должно превышать 200 Бк/м3 для эксплуатируемых жилых и общественных зданий. При проектировании новых зданий жилищного и общественного назначения должно быть предусмотрено, чтобы ЭРОА в воздухе помещений не превышала 100 Бк/м3.
В современной нормативной документации доза облучения от естественных источников ионизирующего облучения не нормируется. Ограничение об-лучения населения достигается путем установления системы ограничений на облучение населения от отдельных природных источников излучения.
Предмет исследования - формирование естественной радиоактивности многокомпонентных строительных материалов и процесс эманирования - выделение радиоактивных атомов радона из строительных материалов в воздушную среду жилого помещения.
Цель исследования. Развитие научных основ и расчетных методов оценки поступления и скорости выхода радона в воздух жилых помещений
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Произвести анализ зарубежных и отечественных научных исследований по заданной тематике исследования;
2. Произвести спектрометрические замеры по содержанию радионуклидов и удельной активности Радия 226 в исходном строительном сырье и в готовых бетонных образцах;
3. Определить объемную активность радона и произвести эманиционные измерения испытуемых образцов;
4. Произвести численное моделирование процесса диффузии радона для подвального помещения на основе эманационных измерений, с учетом скорости поступления радона в поровое пространство бетона
5. Рассчитать вероятную концентрацию радона в воздухе проектируемого подвального помещения;
6. Установить закономерности распределения концентрации радона в грунте в зависимости от ширины и глубины здания.
В работе представлены результаты исследования многокомпонентного строительного материала - тяжелого бетона по определению удельной эффективной активности (АЭфф) естественных радионуклидов (ЕРН) и эманированию по радону в воздушную среду. В ходе работы были проведены комплексные исследования процесса диффузии и поступления, скорости выхода радона в воздух жилых помещений, с применением аналитических и численных экспериментов. Были получены следующие результаты:
1. Удельную эффективную активность материалов, не подвергающиеся термической обработке, можно рассчитать, учитывая массовые расходы компонентов, входящих в состав бетона.
2. Прогнозирование эманирования готового бетона на основе показателей эманирующей способности его отдельных компонентов (песок, щебень, цемент) без учета гидравлической активности цемента не представляется возможным.
3. Предложена формула для расчета и прогнозирования естественной радиоактивности многокомпонентного материала (на примере тяжелого бетона) на основе данных о естественной радиоактивности и массового состава его компонентов: цемента, мелкого и крупного заполнителя. Установлена принципиальная возможность получения достоверных расчетных значений удельной эффективной активности многокомпонентных строи-тельных материалов на основе цемента.
4. На основе полученных значений удельной активности ЕРН и коэффициента эманирования бетона, было выполнено компьютерное моделирование процесса диффузии массопереноса, и спрогнозирована концентрация радона в помещении и плотность потока с поверхности грунта. Численное значение концентрации радона в воздухе подвального помещения равно С = 243,3 Бк/м3. Численное значение плотности потока радона, взятое с поверхности моделируемого грунта, равно ПНР = 55 мБк/м3- с, и со-ответствует среднему значению ПНР по Красноярску. Полученные численные значения соответствуют нормативным.
5. Была выявлена зависимость кратности воздухообмена и концентрации радона в воздухе, так как концентрация радона в воздухе внутри помещений зависит от скорости выделения радона из грунта под зданием и ограждающих конструкций. Повышенные значения концентрации радона в воздухе помещений обусловлены низким воздухообменом.
1. Удельную эффективную активность материалов, не подвергающиеся термической обработке, можно рассчитать, учитывая массовые расходы компонентов, входящих в состав бетона.
2. Прогнозирование эманирования готового бетона на основе показателей эманирующей способности его отдельных компонентов (песок, щебень, цемент) без учета гидравлической активности цемента не представляется возможным.
3. Предложена формула для расчета и прогнозирования естественной радиоактивности многокомпонентного материала (на примере тяжелого бетона) на основе данных о естественной радиоактивности и массового состава его компонентов: цемента, мелкого и крупного заполнителя. Установлена принципиальная возможность получения достоверных расчетных значений удельной эффективной активности многокомпонентных строи-тельных материалов на основе цемента.
4. На основе полученных значений удельной активности ЕРН и коэффициента эманирования бетона, было выполнено компьютерное моделирование процесса диффузии массопереноса, и спрогнозирована концентрация радона в помещении и плотность потока с поверхности грунта. Численное значение концентрации радона в воздухе подвального помещения равно С = 243,3 Бк/м3. Численное значение плотности потока радона, взятое с поверхности моделируемого грунта, равно ПНР = 55 мБк/м3- с, и со-ответствует среднему значению ПНР по Красноярску. Полученные численные значения соответствуют нормативным.
5. Была выявлена зависимость кратности воздухообмена и концентрации радона в воздухе, так как концентрация радона в воздухе внутри помещений зависит от скорости выделения радона из грунта под зданием и ограждающих конструкций. Повышенные значения концентрации радона в воздухе помещений обусловлены низким воздухообменом.