[科普中国]-氡源

氡简介氡的发现

1901年埃尔斯特(Elster·J·)和盖特(Gertel·H·)在研究大气导电性时发现了氡2。此后不久,E·卢瑟福、F·索迪和W·拉姆奇等一致确认这种气体是一种惰性气体,从此在氡的性质研究方面迈出了关键性的一步。E·卢瑟福称这种惰性气体为射气(Ema-nation)。而W·拉姆奇和R·戈瑞把这种射气命名为氡(Niton)。1910年施夫格勒 (Schifgner·j)等第一次在斯内佰格矿的坑道中测得了空气中氡的浓 度。1923年国际会议上正式把这种气体命名为Radon(氡)。这一名称一直沿用到现在。

氡的性质1.惰性气体2

标准状态下,氡是一种无色、无味、透明的具有放射性的惰性气体,又是单原子气体。气体状态下纯氡的密度为9.73 kg/m³,标准状态下其密度为9.96 kg/m³,是惰性气体中最重的元素,也是铀衰变系中唯一的气态元素。

由于氡是一种惰性气体,化学性质极不活泼,一般不参加化学反应,近年来,有人证明:在25 ℃时氡能被氟化卤素(如ClF,ClF3,ClF5,BrF,BrF2等)所氧化,它可使氡变成不挥发飞散的状态,而且用氟化卤素和金属氟化物的混合物(ClF2SbF6,BrF2SbF6等),在低空气流速度下成功地清除了空气中的氡。虽然氡比空气重得多,但它在空气中所显的比例极小,约为一万亿分之几,其对空气的重率毫无影响。

2.氡的放射性

氡是由镭衰变而来的,氡继续衰变产生一系列的子体。

氡是α放射体,其半衰期为3.825 d,一升纯氡的放射性活度为5.51×10 16 Bq。3.7×10…10 Bq的纯氡其体积仅为0.67 mm³,质量只有6.53μg,标准状态下1 Bq Rn222的体积为1.6×10-2 m³。一般情况下,大气中所含氡的质量百分比只有6.53×10-17%,相当于氡浓度为4.44 Bq/m³。

镭的半衰期很长,比氡的半衰期长得多,所以在观察氡的放射性活度时,镭的数量变化是极其微小的完全可以视为镭的数量是不变的,因此在二者之间能达到永久平衡状态。

3.氡的变态性

随着温度的变化氡也有三态变化。常温下为气体;温度下降到-61.8 ℃变为液体,密度为4.44 t/m³,液态氡的沸点为-61.8 ℃;温度降低到-71 ℃(凝固点)时变成闪闪发光的橙色固体,汽化热为4 325 k/mol。

4.易溶性

氡可溶解于水和多种液体中,也易溶于血液和脂肪中。

5.吸附性

氡容易被橡胶、黏土、活性炭等多孔材料所吸附,这种吸附是物理吸附,吸附系数是温度的函数。活性炭吸附能力最强,随着温度的降低,活性炭对氡的吸附系数增大;反之,则吸附系数缩小。当温度升高到200 ℃时,活性炭释放出被其吸附的全部氡。

6.扩散性

在通常条件下,氡以气体形式存在,这就表明,氡原子的热运动相当强烈,说明氡具有较强的扩散能力。其扩散作用是由于氡原子的热运动和氡在介质中浓度梯度的存在而出现的,表示氡在某一具体条件下氡扩散能力参数用扩散系数表示,氡在空气中的扩散系数为0.105 cm²/s (20 ℃时),在水中的扩散系数为0.82×10-5cm²/s(20 ℃时)。

7.衰变特性

氡的化学性质很不活泼,但却是放射性气体,衰变产生一系列新的核素。习惯上把这些新生的核素叫做氡的子体,而氡叫做母体。

氡危害的特点氡的危害有两个特点:一是隐蔽性,二是随机性2

所谓隐蔽性,有两重含义:氡作为一种化学物质,无色、无味,数量极微,难以觉察;另一方面,氡的危害主要是辐射生物效应,它的直接作用(对生命物资的破坏或传输的能量)相对机械力伤害、烫伤、触电而言是很微小的,但由此引发的复杂生物化学过程可以导致严重的伤害。例如,短期接受1 Sv剂量照射时,在生物体内产生的电离,激发分子的比例只有一亿分之一,传输的能量相当于2×10-4 cal/g。这本身是微小而难以觉察的,但它可以导致明显的放射病症状(呕吐、疲倦、血象变化等)。

氡的放射作用一般是慢性的,一年内有0.1 Sv的量就算高的,其直接作用是不可能觉察到的,即无相关的自我感觉,但它仍可能引发肺癌,这就是人们常说的“潜伏期”。

所谓随机性,就是指氡致肺癌是随机性现象。对于一个人,可能发生也可能不发生,只有确定的几率。也就是说,只对人数众多的群体才能体现出确定的发病率。这就像大家熟知的吸烟可能导致肺癌的现象一样,也是随机性现象。对大量的人群统计,吸烟者的肺癌发病率明显地比不吸烟者高;但就某个人而言,吸烟者不一定得肺癌,也不能根据某个人长期吸烟却活到80岁未得肺癌来证明吸烟无害。

氡的来源Rn-222来源于Ra-226的衰变,1 Bq的Ra-226每秒钟产生2×10-6 Bq的Rn-222,而Ra-226的多少取决于自然界中的铀(U-238)含量。铀是自然界中广泛分布的微量元素。

由于人类的生产实践改变了铀在自然界中的分布,使得氡的来源也多样化。环境大气中氡的来源是多种多样的,但主要有以下9个方面3。

大地释放铀在地壳中的质量比分是3 g/t,海洋中是3 g/1 000 t,陆地为海洋的1 000倍。陆地上铀的总量为4×109 t,是黄金总量的1 000倍。铀在土壤和岩石中的含量是不同的。铀在世界范围内的平均含量为2.8×10-4%,相应的土壤中的Ra-226的放射性含量为25 Bq/kg,因此土壤中的氡含量很高,是空气中的104~106倍。我国与世界一些天然本底较高地区相比土壤中天然放射性含量更高。

镭衰变产生的一部分氡原子经放射性反冲、扩散迁移至地面,从而进入大气中,地表氡的平均析出率为16 mBq/(m²·s),每年为5.5× 105 Bq/m²,乘上陆地的总面积1.5×1014 m²,得析出氡量7.6×1019 Bq/a,即为陆地表面每年向大气中释放的总氡量。

陆地表面氡的析出率受许多因素的影响,如土壤和岩石中的镭含量、孔隙度、水分、气象条件等。其中气压、水分、温度的影响是明显的。

(1)大气压的影响 大气压力的微小变化都会导致氡析出率的大幅度改变。图6.2是墙壁内氡析出率随气压的变化曲线,而土壤中氡析出率随气压的变化比这更加显著。气压变化1%,氡析出率要向相反的方向变化一倍。实验还证明大气压力波动对氡析出影响明显,但当大气压力趋于稳定后,氡析出影响较小。

(2)水分稍微潮湿的土壤比干燥土壤氡的析出率高,但水分增加到一定程度时析出率急剧下降,因为水分子堵塞了氡原子运动的通道。这是由于氡在水中的扩散系数(0.82×10-5 cm²/s)比氡在空气中的扩散系数(0.1 cm²/s)小五个量级以上,水分是影响氡析出的最主要原因。

(3)温度 随着温度的增加氡析出率也增加,但也有相反的实验结果。

海洋释放海水中含有一定量的镭-226,平均浓度为1 Bq/m³,海底比海面要高一个量级。这样的镭浓度导致海洋表面氡的平均析出率为7×10-5 Bq/(m²·s)，即2.2×103 Bq/(m²·a),乘以海洋的总面积3.6×1014 m²，得8×1017 Bq/a, 即海洋每年向大气释放8×1017 Bq的氡。该值比陆地释放量低两个量级,造成海洋上大气中的氡浓度明显低于陆地。

大陆和海洋上大气中氡浓度差异悬殊,导致了海岸附近大气中的氡浓度会受风向的影响。当风从海上吹向陆地时,氡浓度下降,反之上升。即使距海岸几百千米的大陆深处,这种影响亦是明显的。

植物和地下水的载带植物的生长将增加地表氡的释放。实测结果表明,种五谷的土地氡的释放率是那些不毛之地的3~5倍。地下水会把地壳深处的氡带到地表面而释放到环境大气中。地下水中的氡浓度很高,一般在1.85×105 Bq/m³左右,高者可达1.85×107 Bq/m³左右,可形成局部地区的重要氡源。由于植物和地下浅层水的作用,每年向大气中释放约1×1019 Bq的氡。

核工业释放核工业的发展,尤其是在核燃料生产过程中,如采矿、水冶是释放氡的主要环节。

随着对核燃料需要量的增加,铀矿石的产量以惊人的速度增长着。以铀产量来衡量这种增长,1855—1900年间全世界的铀产量总共只有3t,二次大战期间迅速增加,1942年的年产量上升到100t,目前的年产量已达到30000 t。美国、俄罗斯、加拿大、澳大利亚等国都是产铀国。

铀矿井内积累的大量的氡,通过回风井排入环境,排出量因矿山规模不同而有差异。我国一个正在生产的中等铀矿山每天要排入环境1010 Bq的氡,对环境是有影响的。

在水冶过程中铀-238与钍-230,镭-226分离,其中95%的钍-230和99%镭-226进入尾矿堆,于是尾矿堆便成了人工氡气源。尾矿的特点一是数量多,二是占地面积大。到1977年止美国17个在役的水冶厂共有尾矿1.15×108 t,占地8.1×106 m²,已停产的23个水冶厂有尾矿2.3×10 7 t,占地4.05×106 m²。

不加覆盖的尾矿堆氡的析出率是土壤的2~3 000倍。如此大的波动是由各尾矿堆中的镭-226的含量不同,气象条件的变化以及覆盖情况的差异引起的，尾矿堆上空气中的氡浓度明显增高,在其周围1 km内天然本底将有所增加。

估计全世界的铀矿山和水冶厂每年释放到大气中1×1019 Bq的氡。这也是一个不可忽略的数字。

使用中的尾矿堆可利用水覆盖，废弃的尾矿堆要加土进行永久性覆盖，一层60 cm的水可使氡的析出率降到10%,1 m厚的土层可使氡的析出率降到1%,6 m厚的土层可使尾矿堆附近氡气降到本底水平。因为表层土壤会流失,需要定期修理和加厚。

煤的燃烧煤是工业和居民生活中广泛使用的化石燃料,每年各国要燃烧掉大量的煤。一个普通的取暖锅炉(20 t)每年要烧掉6 000 t煤,一个中型的火力发电厂每年要烧30万吨煤。煤中的铀含量平均为1.0×10-4%,灰量以10%计,则灰中的铀含量便被浓缩到1.0×10-3%。有铀必然有镭,煤灰也就成了一种人工氡气源。估计全世界由于燃煤每年释放到大气中的氡约1×1013 Bq。

煤灰的产量是惊人的,而且随意堆放,与尾矿堆相比,具有更大危害性

(1)尾矿堆被人重视而加以覆盖,远离居民点,而煤灰无人过问,分散在居民中间;

(2)尾矿堆中的放射性物质是以钍-230的半衰期(8.3×10 000 a)衰减
的,而煤灰堆中的放射性物质是以铀-238的半衰期(4.5×109 a)衰减的,比尾矿堆要大5个数量级,也就是说煤灰几乎是永不消失的氡源。

磷酸盐工业磷酸盐矿石中的铀含量较高,尤其以海生磷酸盐矿石为最高。摩洛哥、前苏联、美国和中国都大量生产磷酸盐矿石,美国此矿石的生产量约占全世界总产量的40%,而其中80%又集中产在佛罗里达。美国磷酸盐矿石中的铀含量为8×10-6~4×10-4，平均为8.0×10-5，1973年生产矿石1.27亿吨,含铀一万吨,可供60座反应堆使用一年。

磷酸盐的80%作为磷肥而施撒在土地上,施磷肥的土地其氡的析出率不亚于铀尾矿堆,原因是土壤中富集了较高浓度的镭-226。美国Belgan Agricultural研究中心在试验田里施撒磷肥(五氧化二磷)，11年间在两块地里分别施磷肥343 kg/ha和1 366 kg/ha(1 ha=104m²),结果使0~20 cm深的土层中镭-226的平均比活度达32.2 Bq/kg,比正常土地增加了28%。

磷酸盐工业的副产品石膏通常作为建筑材料,无疑会增加室内的氡浓度。估计全世界由于磷酸盐工业每年释放到大气中1×1018 Bq的氡。

非铀矿山据全国16个省市85个有色金属矿山调查,矿井氡的平均浓度为 1 238~2 031 Bq/m3。据全国13个省市15个矿物局的煤矿调查,井下平均氡浓度在0.37~9.81 Bq/L之间,有氡危害的矿物局占85.71%。这一切说明非铀矿山氡释放量也是可观的。

天然气20世纪初就知道天然气中有放射性物质,并测定了其中的氡浓度。1919年召开了第一次世界性有关氡的报告,主要内容有:(1)美国天然气中氡含量;(2)燃烧天然气造成室内氡浓度增高;(3)计算呼吸道剂量。

天然气中氡浓度差异很大,大致在(5.6~37)×104 Bq/m³。不同城市天然气中氡浓度不同。估计每年由于天然气的燃烧向大气中释放约1×1014 Bq的氡。

与燃煤相比,烧天然气更容易增加室内的氡浓度。

建筑物的释放由于建筑材料中都含有一定量的镭-226,墙壁、地板、天花板内产生的氡有一部分释放到室内空气中。我国普通砖、水泥和煤渣及工业废渣砖,天然放射性核素含量见表6.13。

一般室内空气中的氡浓度比环境中要高一个数量级,在通风和扩散的作用下室内的氡便进入环境。估计全世界有标准房间(室内表面积350 m²,体积200 m³)1×109个,每年释放到环境中的氡约1×1018 Bq。

常见氡源GD—L2流气式固体氡气源构成原理4

GD—L2流气式固体氡气源由装有特殊的含镭物质并有足够屏蔽厚度的金属容器、阀门、过滤器、托板及恒流泵组成。

GD—L2流气式固体氡气源是一种能产生确定量氡气的发生器5。由于镭的半衰期长达1 602年。而且氡源中特殊含镭物质的射气系数稳定且高达95%以上，所以氡的产生率PR是非常稳定的，当空气流量厂恒定时，气流中的氡放射性活度浓度C(Bq/L)就会趋向一个恒定值。这个恒定浓度的气流可以作为氡的标准样品用来标定各种测氡仪。

RN-FD型循环式固体氡气源RN—FD型循环式固体氡气源是由加拿大RN—150型固体氡气源(包括国产FD一3024型固体氡气源)改造而来，具体是利用固体镭源，更换较大的足够屏蔽厚度的金属外壳整体密封4。

金属容器上方有2个出气口阀门、2个进气口阀门(其中2个为备用阀门)、一个密封抽气泵及电源插头等配件。其氡气的生成原理与RN一150型固体氡气源是一致的。在正常的环境条件下，由于该固体226 Ra源的强度是已知的，故放射出氡气在封闭空间达到平衡时标准氡的总量也是确定的，固体源装置的体积也是已知的，封闭30 d后氡放射达到平衡氡的活度浓度C(Bq/L)就已经基本恒定了。可以利用定值分配器(提取微量(1‰源体积)的有效氡气来标定各种测氡仪。

RN-150型固体氡气源氡气固体标准源的储气罐底部特制的铅盒内装有固体放射性镭源(226Ra)，该镭源不断衰变产生氡气，在104。12个氡的半衰期(3.825 d)后．储气罐内的氡气达到放射性平衡状态．氡气的量保持不变。使用氡气固体标准源时．用装置内标准体积的定值分配器量取储气罐中氡气总量的约0.1%，送入测氡仪器进行测量。由于镭源的活度、衰变速率和体积都是确定的,所以每次吸取的氡气量也是确定的，可以用来对测氡仪器进行标定。