溫偉偉，徐榮政，吳友朋，程金星，王慶波，李 帥，劉峰國(guó)

(1.中國(guó)人民解放軍96901部隊(duì)，北京 100095；2.中國(guó)人民解放軍96608部隊(duì)，河南 洛陽(yáng) 471000；3.四川聚安惠科技有限公司，成都 610000)

氡是自然界中普遍存在的輻射源項(xiàng)，尤其對(duì)于地下工程，氡的輻射危害與防護(hù)越來(lái)越受到重視。氡防護(hù)具有多種措施，被廣泛研究和應(yīng)用，不同氡防護(hù)措施具有特定適用范圍和能力指標(biāo)[1-3]。為了研究適用于地下工程的氡防護(hù)措施，分析比對(duì)典型氡防護(hù)措施的能力指標(biāo)，以指導(dǎo)地下工程氡防護(hù)措施開(kāi)展，我們基于國(guó)防地下工程氡防護(hù)工程經(jīng)驗(yàn)與性能測(cè)試，對(duì)通風(fēng)降氡、吸附降氡、屏蔽降氡等三種防氡方法進(jìn)行對(duì)比研究。

1 氡的危害

1.1 氡的性質(zhì)

氡是鈾鐳系(起始元素是238U)、錒鈾系(起始元素是235U)和釷系(起始元素是232Th)三大天然放射系衰變鏈中唯一的放射性氣體元素，其對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的氡放射性同位素分別為222Rn、219Rn和220Rn，其簡(jiǎn)化衰變鏈如圖1所示[4]。由于地殼、水體中238U普遍存在，235U基本同238U共生，232Th在一定條件下也同238U共生，因此氡廣泛存在于環(huán)境當(dāng)中。聯(lián)合國(guó)原子輻射影響科學(xué)委員會(huì)報(bào)告指出，氡及其子體對(duì)公眾所造成的年有效劑量為1.3 mSv，占天然輻射源產(chǎn)生的總輻射劑量的50%左右[5]。

注：括號(hào)內(nèi)為α粒子能量，單位MeV，括號(hào)內(nèi)指數(shù)為分支比。圖1 三大天然放射系簡(jiǎn)化衰變圖Fig.1 Simplified decay map of three natural radioactive series

由圖1可以看出，222Rn、219Rn和220Rn的半衰期分別為3.83 d、3.96 s和55.6 s，地殼和水體中產(chǎn)生的219Rn與220Rn只有很少一部分能釋放到大氣環(huán)境中，并且235U的含量?jī)H占238U的0.32%，因此大氣中219Rn的含量極低，220Rn的含量也在222Rn含量的十分之一以下，通常空氣中的氡僅是指222Rn。

氡的化學(xué)形態(tài)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下為無(wú)色無(wú)味的惰性氣體，不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但能夠溶解于水、酒精、石油、甲苯等液體，能夠被活性炭、黏土、膠皮等多孔材料吸附。氡在人體組織內(nèi)的溶解度很低，人員處于高氡環(huán)境時(shí)，30～40分鐘吸入與呼出的氡濃度可以保持平衡，離開(kāi)高氡環(huán)境1小時(shí)可將吸入的90%氡排除。總之，氡由于其半衰期相對(duì)較長(zhǎng)，在人體內(nèi)停留時(shí)間短，氡對(duì)人體產(chǎn)生的劑量較低。而氡子體屬于帶電重金屬固體顆粒，具有較強(qiáng)的擴(kuò)散能力和附壁效應(yīng)，很容易同空氣中的凝聚核結(jié)合形成懸浮于空氣中的放射性氣溶膠，當(dāng)被吸入體內(nèi)后則會(huì)沉淀于氣管壁或肺片上，造成氡子體衰變釋放α射線的持續(xù)輻照，是氡造成人體輻射危害的主要源項(xiàng)。

1.2 氡的危害

吸入氡及其子體誘發(fā)肺癌，最早出現(xiàn)在15世紀(jì)德國(guó)Schneeberg礦的礦工，容易患上高死亡率的肺病而引發(fā)研究[6]。直到1924年，人們才逐步確定這種肺癌由吸入氡及其子體照射誘發(fā)，并且流行病學(xué)的發(fā)展也揭示了，在高氡濃度環(huán)境下工作會(huì)導(dǎo)致肺癌發(fā)病率的增高[7]。世界衛(wèi)生組織(WHO)將氡及其子體列為19種致癌物質(zhì)之一，是誘發(fā)居民肺癌僅次于吸煙的第二大因素。氡及其子體對(duì)人體的輻射表現(xiàn)為確定性效應(yīng)和隨機(jī)性效應(yīng)，其中確定性效應(yīng)是由于氡對(duì)脂肪較高的親和力，人體處于高濃度氡環(huán)境下，會(huì)引起血細(xì)胞的顯著變化。隨機(jī)性效應(yīng)則主要是由于氡子體被吸附于呼吸道或者肺部，釋放的α射線破壞細(xì)胞的DNA，從而誘發(fā)癌變。

氡危害的評(píng)價(jià)主要基于流行病學(xué)調(diào)查方法和劑量學(xué)方法。其中，聯(lián)合國(guó)原子輻射影響科學(xué)委員會(huì)(UNSCEAR)主要采用劑量學(xué)方法，使用劑量學(xué)模型作為分析手段，結(jié)合氡及其子體、人體生理學(xué)等相關(guān)參數(shù)，計(jì)算氡對(duì)人員的暴露劑量；國(guó)際放射防護(hù)委員會(huì)(ICRP)則主要采用流行病學(xué)調(diào)查方法，包括礦山流行病學(xué)調(diào)查和住宅流行病學(xué)調(diào)查，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法確定氡暴露劑量同健康效應(yīng)之間的關(guān)系。

2 氡的源項(xiàng)分析

可以看出，氡源自226Ra的衰變釋放，只要介質(zhì)中含有226Ra就會(huì)有氡氣的釋放。此外，由于氡能夠溶于水，因此地下水流經(jīng)巖體，也會(huì)浸濾巖體中的鈾系、釷系放射性物質(zhì)，并載帶巖體釋放的氡?？傊?，地下工程內(nèi)氡的主要來(lái)源包括以下方面：

(1)地下工程周圍的巖體或土壤。巖體或土壤中226Ra的衰變釋放是地下工程中氡的主要來(lái)源。釋放的氡將通過(guò)裂縫向外擴(kuò)散，釋放量的大小可用氡析出率進(jìn)行評(píng)價(jià)，氡析出率指單位面積單位時(shí)間向空間中釋放氡的活度。

(2)地下水或巖體滲水。由于氡能夠溶于水中，地下水的使用通常能夠?qū)⑸顚訋r體中的氡載帶出來(lái)，進(jìn)而擴(kuò)散到空氣中。此外，巖體滲水中通常也具有較高的氡含量。

(3)地下工程中使用的建筑材料。建筑材料，尤其是鐳含量較高的工業(yè)廢渣或副產(chǎn)品制成的建筑材料，都會(huì)有較高的氡產(chǎn)生率，再根據(jù)建筑材料的孔隙率、空隙大小等參數(shù)，按照一定的析出率向空間中釋放。

(4)工程外環(huán)境中的氡。雖然工程外環(huán)境中的氡含量較工程內(nèi)部通常較低，這也是采用通風(fēng)降氡的原理。但是，對(duì)于某些地下工程，需要注意的是其進(jìn)風(fēng)通道如果是裸露巖體狀態(tài)，那么進(jìn)風(fēng)管道會(huì)累積高氡濃度的空氣，如果直接進(jìn)行通風(fēng)操作，會(huì)將這部分高氡濃度空氣帶入地下工程內(nèi)部。

文獻(xiàn)表明，對(duì)于居民室內(nèi)，源于建筑物地基和周圍土壤的氡占60.4%，而源自建筑材料和室外空氣的貢獻(xiàn)分別占19.5%與17.8%[8]。而對(duì)于地下工程，其建筑材料嚴(yán)格依據(jù)GB 6566《建筑材料放射性核素限量》標(biāo)準(zhǔn)選擇使用，其氡來(lái)源的絕大部分是周圍巖體。

3 氡的防護(hù)措施

根據(jù)地下工程建設(shè)與運(yùn)維實(shí)踐，氡的防護(hù)可以采用通風(fēng)降氡、吸附降氡和屏蔽降氡三種措施，并對(duì)通風(fēng)降氡與吸附降氡進(jìn)行了實(shí)際效果測(cè)試，也對(duì)屏蔽降氡方法開(kāi)展了技術(shù)研究和實(shí)驗(yàn)。

3.1 通風(fēng)降氡

通風(fēng)降氡是最常用最直接的降氡方式，是將地下工程外部低氡含量的空氣通入地下工程，進(jìn)行通排風(fēng)空氣置換以實(shí)現(xiàn)降低地下工程中氡含量，是一種“稀釋”的降氡方法。地下工程的通風(fēng)通常采用以下兩個(gè)原則：一是根據(jù)地下工程內(nèi)部溫濕度控制要求進(jìn)行智能控制通風(fēng)；二是根據(jù)人員活動(dòng)計(jì)劃與氡濃度情況，提前在人員即將開(kāi)展活動(dòng)的區(qū)域進(jìn)行通風(fēng)。通風(fēng)模式均采用壓入式通風(fēng)。

圖2是地下工程某封閉區(qū)域24小時(shí)氡濃度隨通風(fēng)變化趨勢(shì)圖，采用KDY測(cè)氡儀連續(xù)測(cè)量，設(shè)置每半小時(shí)給出一個(gè)測(cè)量結(jié)果。從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，氡濃度隨通風(fēng)情況變化比較明顯，當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)開(kāi)啟1～2 h時(shí)后，氡濃度開(kāi)始有明顯下降，從最高值到最低值下降約400 Bq/m3，下降幅度約為三分之一，通風(fēng)結(jié)束后氡濃度逐漸上升。24小時(shí)內(nèi)智能控制通風(fēng)總時(shí)間約5小時(shí)，風(fēng)機(jī)送風(fēng)速率約為2.0 m3/s，區(qū)域總體積約12 000 m3。

圖2 地下工程某點(diǎn)位24小時(shí)空氣中氡濃度變化曲線Fig.2 24-hour variation curve of Radon concentrationat a point of underground facilities

此外，需要注意的是對(duì)于某些地下工程，其進(jìn)風(fēng)通道沒(méi)有被覆層，裸露巖體的氡容易析出進(jìn)入通道內(nèi)，使得進(jìn)風(fēng)通道會(huì)累積高氡濃度的空氣(達(dá)到數(shù)萬(wàn)Bq/m3)，在進(jìn)行通風(fēng)時(shí)會(huì)將該部分高氡濃度空氣載入地下工程內(nèi)部，導(dǎo)致通風(fēng)初始階段地下工程氡濃度升高的現(xiàn)象。經(jīng)實(shí)踐研究，可以在實(shí)施通風(fēng)操作前，先對(duì)進(jìn)風(fēng)通道進(jìn)行排風(fēng)操作，使得積累的高氡濃度空氣排出至地下工程外環(huán)境，然后再進(jìn)行通風(fēng)操作。

3.2 吸附降氡

吸附降氡最常用的方法是采用活性炭吸附，利用活性炭比表面積大、微孔結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、化學(xué)特性弱、惰性氣體吸附性強(qiáng)等特點(diǎn)，對(duì)空氣中的氡進(jìn)行吸附滯留，是一種“吸”的降氡方法。國(guó)內(nèi)外對(duì)基于活性炭吸附降氡的方法進(jìn)行了廣泛研究，其降氡效果主要同活性炭質(zhì)量、吸附溫度和吸附壓力三個(gè)因素相關(guān)?；钚蕴抠|(zhì)量越大，其吸附和滯留能力越強(qiáng)，但會(huì)導(dǎo)致降氡裝置體積與成本增大。增加氣體吸附壓力，能夠提高活性炭吸附系數(shù)，稱為變壓吸附技術(shù)，但其對(duì)活性炭吸附系數(shù)的增大具有飽和效應(yīng)[9]。降低氣體吸附溫度，能夠提高活性炭吸附系數(shù)，稱為變溫吸附技術(shù)，研究表明在一定的溫度范圍內(nèi)，吸附系數(shù)同絕對(duì)溫度呈指數(shù)關(guān)系[10]。課題組也針對(duì)優(yōu)選的菲律賓椰殼活性炭進(jìn)行了溫度效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，29 ℃時(shí)活性炭的最大降氡率為43%，而11 ℃時(shí)活性炭的最大降氡率約為60%，溫度對(duì)活性炭吸附能力的影響是顯著的。

96901部隊(duì)根據(jù)國(guó)防地下工程實(shí)際環(huán)境與運(yùn)維需求，設(shè)計(jì)研發(fā)了新型移動(dòng)降氡裝置，具備高效吸附降氡、飽和活性炭解吸、解吸高濃度氡的轉(zhuǎn)儲(chǔ)滯留等功能，使降氡裝置能夠連續(xù)高效降氡，并且不會(huì)在現(xiàn)場(chǎng)排放氡氣。裝置構(gòu)成及工作原理如圖3所示，由測(cè)氡儀測(cè)量空氣中氡濃度水平，當(dāng)其高于某一設(shè)置值時(shí)，抽氣泵將環(huán)境中空氣經(jīng)吸附空氣預(yù)冷器傳送至吸附炭床進(jìn)行氡吸附；當(dāng)吸附炭床氡吸附量達(dá)到某一值時(shí)，安裝在吸附炭床內(nèi)部的電加熱裝置，用于對(duì)吸附炭床加熱解吸，同時(shí)真空泵在吸附炭床內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，以利于氡的解吸，并驅(qū)動(dòng)氡進(jìn)入解吸預(yù)冷冷凝器；解析產(chǎn)生的氡經(jīng)解吸預(yù)冷冷凝器，被滯留炭床吸收，進(jìn)而在滯留炭床中衰變消除；壓縮機(jī)制冷裝置為吸附預(yù)冷器和解吸預(yù)冷冷凝器提供冷源。由移動(dòng)降氡裝置上的測(cè)氡儀顯示空氣中氡濃度隨工作時(shí)間變化，結(jié)果表明移動(dòng)降氡裝置工作2小時(shí)，能夠使80 m3空間的氡濃度降低55%左右。

圖3 吸附裝置構(gòu)成及工作原理圖Fig.3 Composition and working principle diagram of adsorption device

3.3 屏蔽降氡

屏蔽降氡是采用防氡材料涂抹或者粘接安裝在墻體或地面表面，用于阻止巖體的氡向地下工程中析出，是一種“堵”的降氡方法。傳統(tǒng)的防氡材料普遍選擇活性炭、沸石、海泡石等氡吸附材料，或者重晶石、沉淀硫酸鋇、石膏等重水化膠凝材料。但這些材料基本在地面建筑使用，對(duì)于地下工程環(huán)境的高濕、高氡濃度、密閉性好等情況，傳統(tǒng)防氡材料會(huì)出現(xiàn)難以干燥成膜、高濃度氡輻射老化、揮發(fā)性有害物質(zhì)積累、易生霉菌等問(wèn)題。并且對(duì)于普遍使用的防氡涂料，當(dāng)墻體或地面應(yīng)力結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，防氡涂料容易產(chǎn)生裂紋或者脫落，造成防氡性能嚴(yán)重下降。

根據(jù)地下工程實(shí)際情況，研究了一種基于聚酰亞胺樹脂的防氡板材和防氡膠液。其中，防氡板材由聚酰亞胺樹脂、高性能氟硅功能助劑和阻氡功能材料等組成無(wú)溶劑熱熔粉末涂料，采用噴涂方式覆蓋于支撐基板(鋁合金薄板)表面支撐。其中，酰亞胺樹脂、氟硅功能助劑和阻氡功能材料皆具有優(yōu)異的耐老化性能、良好的環(huán)境相容性與穩(wěn)定性，滿足其高效降氡、綠色環(huán)保的工程應(yīng)用發(fā)展需求。施工方式采用板狀型材和膠狀材料配合使用可實(shí)現(xiàn)整體設(shè)計(jì)，網(wǎng)格化拼裝。地下工程洞壁、洞頂施工使用防氡板材作為主體材料，由防氡膠液作為粘接材料，直接與墻體粘貼，板與板之間對(duì)接縫隙要小于2 mm，縫隙涂滿防氡膠液，上面貼防氡板材加工的壓條。地面直接使用防氡膠液鋪平。

對(duì)該型聚酰亞胺樹脂型防氡板材與膠液性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，其中阻氡效率測(cè)量是對(duì)比增加防氡板材后氡析出率變化計(jì)算得出，耐濕熱、耐鹽霧、耐霉菌等測(cè)量項(xiàng)目均在具備測(cè)量資質(zhì)單位依據(jù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施。測(cè)試結(jié)果列于表1，表明新型防氡材料阻氡效率大于99.5%，遠(yuǎn)高于現(xiàn)有產(chǎn)品90%左右的阻氡效率[11-13]，并且耐濕熱、耐鹽霧、耐霉菌性能完全適用于地下工程特殊環(huán)境需求。

表1 聚酰亞胺樹脂型防氡板材與膠液性能指標(biāo)Tab.1 Performance Indicators of polyimide resin-basedradon-proof board and adhesive

3.4 氡防護(hù)措施對(duì)比

分別從降氡效果、工程量、建設(shè)費(fèi)用、運(yùn)維難易度、適用范圍等方面對(duì)上述三種氡防護(hù)措施進(jìn)行對(duì)比，列于表2?？梢钥闯?，從降氡效果來(lái)看，屏蔽降氡能夠從源頭防止氡氣析出進(jìn)入地下工程內(nèi)部，尤其是研究的新型降氡材料，能夠?qū)崿F(xiàn)99.5%的阻氡能力，但是屏蔽降氡方法工程量大、建設(shè)費(fèi)用高，適用于針對(duì)氡析出率高的區(qū)域進(jìn)行局部使用；通風(fēng)降氡方法效果稍低于屏蔽降氡，但其工程量適中，建設(shè)費(fèi)用小，適合于大區(qū)域的整體降氡；吸附降氡采用移動(dòng)降氡裝置，其降氡效果較好，但如果整個(gè)地下工程均采用該措施，則建設(shè)費(fèi)用較大，運(yùn)維困難，并且在人員開(kāi)啟移動(dòng)降氡裝置前以及開(kāi)啟初段時(shí)間，人員仍會(huì)受到較高氡濃度的輻射危害，其適用于人員集中活動(dòng)區(qū)域，如會(huì)議室等房間，進(jìn)行局部區(qū)域的進(jìn)一步降氡。

表2 三種應(yīng)用于地下工程的氡防護(hù)措施對(duì)比Tab.2 Comparison of three radon protection measuresapplied in underground facilities

根據(jù)地下工程降氡實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以及三種氡防護(hù)措施對(duì)比，歸納地下工程降氡措施開(kāi)展的原則與流程如下：一是以通風(fēng)降氡為主，通風(fēng)時(shí)間與周期首先應(yīng)以滿足地下工程溫濕度要求為前提，然后根據(jù)人員活動(dòng)計(jì)劃與氡濃度監(jiān)測(cè)水平，選擇性針對(duì)某些人員擬活動(dòng)區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)通風(fēng)，使得該區(qū)域在人員到達(dá)前或者開(kāi)展工作期間，其氡濃度處于規(guī)定范圍；二是以吸附降氡方法為輔，主要是針對(duì)通風(fēng)換氣率較低，且人員活動(dòng)頻繁區(qū)域進(jìn)行局部房間降氡，如會(huì)議室、住宿房間布設(shè)移動(dòng)降氡裝置；三是以屏蔽降氡為補(bǔ)充，結(jié)合地下工程氡析出率的監(jiān)測(cè)，對(duì)氡析出率較高區(qū)域，局部區(qū)域進(jìn)行防氡材料安裝，從源頭減少氡進(jìn)入地下工程。此外，從人員防護(hù)角度來(lái)說(shuō)，還應(yīng)通過(guò)減少人員在地下工程內(nèi)工作時(shí)間、佩戴防護(hù)口罩等方式降低氡吸入危害。

4 結(jié)論

隨著氡輻射危害關(guān)注度的不斷提升，地下工程氡防護(hù)也越來(lái)越受到重視。氡防護(hù)措施的選擇應(yīng)基于各地下工程的實(shí)際情況確定，其總體原則是首先在地下工程選址時(shí)應(yīng)盡量避免氡高析出率區(qū)域；然后以通風(fēng)降氡為主要措施，同時(shí)也需要充分考慮通風(fēng)對(duì)地下工程溫濕度、噪音等造成的影響；其次以吸附降氡為輔助措施，通過(guò)在人員密集活動(dòng)或者通風(fēng)死角區(qū)域，增加移動(dòng)降氡裝置實(shí)施局部降氡；最后以屏蔽降氡為補(bǔ)充措施，對(duì)地下工程中高氡析出率點(diǎn)位針對(duì)性進(jìn)行防氡材料安裝，從源頭減少氡進(jìn)入地下工程。此外，氡防護(hù)主要是針對(duì)人員的防護(hù)，對(duì)于地下工程人員也可以通過(guò)合理安排停留時(shí)間，佩戴氡防護(hù)口罩等方式進(jìn)行個(gè)體防護(hù)。