6. Meteorológiai és éghajlattani alapismeretek (Bartholy Judit,
7.3. A radiopotenciál vizsgálata
7.3.1. A vizsgálat elméleti háttere
A földkéreg természetes radioaktivitásának egyik fontos eleme a radon, amely nemesgáz.
Mindenütt jelen van a geoszférában (kőzetekben, talajban, felszín alatti vizekben), emanálódik az építőanyagokból, különböző mennyiségben jelen van a természetes gázok-ban, a külső atmoszférágázok-ban, valamint a belterekben is. Folyamatosan keletkezik a rádium-ból, amely kötött formában van jelen a kőzetek és talaj ásványaiban. Egyes felszín alatti vizekben és természetes gázokban a radon a kőzetek repedésein keresztül diffúzió és más transzportfolyamatok segítségével vándorol, valamint feloldódik a felszín alatti vizekben.
A légkörbe diffúzió során kerül, ez képezi a földkéreg radonfluxusát.
Az urán mindhárom bomlási sorában megjelenik a radon. A radon (222Rn), melynek fe-lezési ideje 3,82 nap az urán bomlási sorának tagja (238U; T1/2 = 4,47109 év; 99,37%) és a
226Ra alfa bomlásából keletkezik (T1/2 = 1600 év). A toron (220Rn), melynek felezési ideje 55,6 sec a tórium bomlási sorának tagja (232Th; T1/2 = 1,411010 év; 100%) és a 224Ra alfa bomlásából keletkezik (T1/2 = 3,66 nap). A természetes radioaktivitás dózisának nagy része a 222Rn-ból ered (~60%), ennél fogva különösen nagy jelentőséget kell tulajdonítani ennek az elemnek.
A radon, kiszabadulva a kőzetbe zárt rádiumból, gáznemű anyagként a kőzetek pórusa-iban diffundálva, rövidebb-hosszabb idő alatt könnyen a földfelszínre is tud érni. Törésvo-nalak mentén a diffúziója könnyebb, ott előszeretettel jelentkezik. Ha a radon egy kőzetben mélyen jön létre, akkor kevés esélye van a felszínre vándorolni és kijutni a levegőbe, va-lamint hozzájárulni a levegő radioaktivitásához. Mégis, a töredezett, nagy áteresztőképes-ségű kőzetek esetén a radongáz jelentős mértékben elvándorolhat keletkezése helyéről, behatolhat a talaj menti gázokba vagy vizekbe, és kijuthat a levegőbe is, ahol tovább ván-dorolhat. Az út, amit a radon meg tud tenni, elsősorban a kőzetek porozitásától, a geológiai jellemzőktől és a meteorológiai tényezőktől függ. Így szerepe van például a talajvíznek, nedvességtartalomnak, hőmérsékletnek, nyomáskülönbségeknek is. A talaj minősége is erősen befolyásolja a radon vándorlását. Például homokos talajban majdnem zavartalan, nedves, agyagos talajban erősen gátolt a mozgása. A 222Rn diffúziós úthossza szilárd kőze-tekben néhány cm-től néhányszor tíz méterig változhat. Minden talaj, építőanyag és
általá-www.tankonyvtar.hu © Papp Botond, BBTE
2. szisztematikus mérések elvégzése ezeken a területeken, minél több lakóházra néz-ve;
3. ajánlat a vizsgálatok végén a radonszint-csökkentési beavatkozások elvégzésére a létező házakra nézve, és a továbbiakban egy olyan módszer kidolgozása, mely ki-egészítő módszerekkel figyelembe veszi a radoncsökkentést az új lakóházak terve-zésében és építésében.
A radon bejutása a talajból az épületekbe és a belterekbe főképpen a talaj radonkoncentrációjától, valamint a permeabilitásától (gázáteresztő képességétől) függ.
A talajok és kőzetek permeabilitása az egyik fő paraméter az épületek helyének radonkockázati szempontból való osztályozásában. A talaj radonpotenciáljának meghatá-rozásához szokás mérni ugyanabban az időben a radonkoncentrációt a talajban és a talaj permeabilitását kb. 80 cm mélységben. E két paraméter helyszíni mérése a talaj radonpotenciáljának meghatározásához vezet.
Egy adott geológiai képződmény vagy földrajzi zóna radonkoncentrációja a talajban jelentős mértékben változhat helyről helyre (és a mélység függvényében), ami a helyi geo-lógiai képződmény változatos struktúrájából adódik. A radonkoncentráció egy adott helyen elsődlegesen a kőzetekben és a talajban az uránium- és rádiumtartalomtól függ, továbbá a hely jellegzetes szerkezetétől, porozitásától, a nedvességtartalomtól, sűrűségtől, permeabilitástól. A gránitok, vulkanikus kőzetek rádiumtartalma nagy, a szedimentáris és metamorf kőzetek közepes radioaktivitásúak, a bazaltos kőzetek és mészkövek rádiumtar-talma pedig kicsi. A kőzetek rétegzettsége, repedések segítik a radon helyi felhalmozódá-sát, befolyásolják a radon vándorlását a talajban és a felszín felé. Másodlagos tényezők, melyek még fontos szerepet játszhatnak a radon transzportjában, a hőmérséklet-különbségek okozta konvektív áramlások, a légnyomásváltozás okozta advektív áramlások, valamint a szél hatása.
A talajban mért radonkoncentráció alapján a talajok három csoportba sorolhatók:
Magas kockázatú zóna, ahol a talaj radonkoncentrációja > 50 kBq/m3; ide sorolhatók azok a területek, ahol az altalaj gazdag uránban, és a nagy permeabilitású talajok;
Közepes kockázatú zóna, ahol a talaj radonkoncentrációja 10–50 kBq/m3; ide sorolhatók azok a területek, ahol az uránkoncentrációk nem haladják meg a „normális értékeket” és az átlagos permeabilitású talajok;
Kis kockázatú zóna, ahol a talaj radonkoncentrációja < 10 kBq/m3; ide sorolhatók azok a területek, amelyeknél az uránkoncentrációk alacsonyabbak az átlagértéknél.
A radonkockázatok osztályozásában, a gázokra vonatkozó permeabilitásértékek becslése szempontjából lehetséges egyes talajok gázokra vonatkozó permeabilitáskategóriáinak létrehozása, a következő határértékek alapján:
Nagy permeabilitású: k 4,010-12 m2;
Közepes permeabilitású: 4,010-12 m2 k 4,010-13 m2; Kis permeabilitású: k 4,010-13 m2.
Ez a geológiai kritériumok szerint történő felosztás alapul szolgálhat egy földrajzi zóna radontérképének elkészítéséhez, és irányvonalat adhat az épülendő lakóházak alapjának, konstrukciójának tervezésében.
7.3.2. Vizsgálati módszerek
Radonkoncentráció mérése talajban, a RAD7 detektor és működése
Radonkoncentráció mérése talajban a RAD7 nevű radondetektorral, valamint egy talaj-gázszonda segítségével végezhető el (7.2.2. ábra). A RAD7 nevű berendezés a radon és a
toron radioaktív nemesgázok aktivitáskoncentrációinak mérésére használatos hordozható készülék. A RAD7 egy szilárdtest Si-kristály félvezető detektort használ. A félvezető de-tektor a készülék belsejében egy 0,7 literes, félgömb alakú cella központjában van elhe-lyezve. A félgömböt belülről elektromos vezető réteg borítja, amely nagyfeszültségre (2000–2500 V) van csatlakoztatva, ami elektromos teret hoz létre a cella belsejében.
A levegővel keveredett 222Rn gázt egy pumpa két szűrőn keresztül szívja be a detek-torba, ami visszatartja a levegővel keveredett szennyeződéseket, illetve kiszűri a bejutáskor keletkezett radon leányelemeket. A detektorcellában a radonatomok bizonyos valószínű-séggel elbomlanak, és 218Po keletkezik belőlük. A már töltéssel rendelkező Po atomokat az elektromos tér az Si detektorra irányítja. A detektor aktív felületén a rövid felezési idejű (T1/2 = 3,05 perc) 218Po atommagok gyorsan elbomlanak. A keletkezett alfarészecskéket a detektor érzékeli, és számukkal arányos nagyságú elektromos jelet hoz létre. Ezeket a jele-ket a RAD7 elektronikus berendezése felerősíti, kiszűri az elektromos zajokat és rendezi a nekik megfelelő energiák szerint. Az alfarészecskék számlálásával a detektor meghatároz-za a radon aktivitáskoncentrációját, kBq/m3-ben vagy pCi/l-ben. Ez a mód rövid idejű mé-résekre szolgál, és nagy érzékenységgel rendelkezik.
A detektor üzemi kezelése egyszerű. Négy billentyűt kell használni, amelyek a követ-kezők: MENÜ; ENTER; (nyíl balra); (nyíl jobbra). A MENÜ billentyű segítségével visszamehetünk a készülék programjának főmenüjébe. A nyíl billentyűk ((nyíl balra);
(nyíl jobbra)) segítségével az aktuális menüpont utasításai közti váltást végezhetjük el.
Az ENTER billentyű segítségével a kiválasztott menüpont megnyitását, ill. a kiválasztott utasítást hajthatjuk végre.
A talajgáz mintavételezése egy talajgázszondán keresztül történik. A mintavételező szonda egy egyszerű acélcső, melynek hossza min. 1 m és a talajba van süllyesztve, adott mélységig. Egyetlen hely talajgáz-radonkoncentrációjának mérése kb. 30 perc (7.2.2. ábra).
www.tankonyvtar.hu © Papp Botond, BBTE
A permeabilitás mérésének elméleti alapja a Darcy-törvényen alapszik. Tekintsük a talajt homogénnek és izotrópnak, valamint a talajgázt összenyomhatatlannak (a nyomás-különbségek sokkal kisebbek, mint a légnyomás). A talajból kiszívott gáz hozama a követ-kező összefüggéssel határozható meg: alak-faktora, k [m2] a talaj permeabilitása, [Pas] a levegő dinamikus viszkozitása (= 1,7510-5 Pas, 10 C-on), valamint p [Pa] a földbe szúrt szonda alsó vége és feje közötti nyomás-különbség.
Ezen típusú permeabilitásmérések kritikus része a szonda alakfaktorának meghatározása.
Egyes kutatók szerint ez a faktor a következő összefüggésből határozható meg:
talajfelszín és a szonda aktív vége közötti mélység. Az adott készülékkel való mérés, va-lamint a használt paraméterek értéke: d = 12 mm, l = 45 mm, és a mérésekhez használt standard mélység D = 0,8 m. Innen, a szonda alakfaktorának tipikus értéke: F = 0,149 m.
A vízpalackos rendszer használatával a talajok gázokra vonatkozó permeabilitásának mért tartománya 10-12–10-14 m2 között lehetséges. A maximális mérési határ 510-8 m2 (amely 12 s mérési időnek felel meg), valamint a minimális mérési határ 710-14 m2 (amely 40 perc mérési időnek felel meg).
A talaj permeabilitásának meghatározása egy speciális módszer segítségével végezhető el, ami egy műanyag palackból kifolyó víz kifolyási hozamának mérésén alapszik. Az 1,5 l térfogatú vízmennyiséggel feltöltött palack közvetlenül a talajgáz szondához van csatla-koztatva. A vízoszlop kifolyási hozama a mérések esetében 0,3–1,5 l/perc. A palack fölső pontján levő (1-es) csap közvetlen kapcsolódik a talajba leszúrt szonda felszíni végéhez, egy műanyag csövön keresztül (melynek átmérője megegyezik a szonda átmérőjével). A szonda ugyanarra a mélységre van leszúrva a talajba, mint a radonkoncentráció-mérések esetén. A műanyag palack alsó végén levő (2-es) csap csak a kifolyási időmérés indítása-kor nyitható meg, és a palackban levő vízmennyiség ezen a csapon keresztül folyik ki.
(7.2.3. ábra). E rendszerrel így a palackból a víz kifolyási idejét (t) mérjük. A kifolyási hozam (q), amely a talaj permeabilitásával arányos (k), a víz térfogatának (V) és kifolyási idejének (t) arányából határozható meg (q = V / t). Arra az esetre, amikor a rendszer nincs csatlakoztatva a talajszondához, a maximális hozam mérhető, ami levegőben, laboratóriu-mi körülmények között (lev= 7,95 liter/perc).
7.3.2. ábra: Talajpermeabilitás-mérő berendezés vázlata 7.3.3. A mérési feladatok
Radonkoncentráció mérése talajban
Csatlakoztassunk a RAD7 bemenetére (kis fehér szűrő) egy kis szárítóegységet! Figyeljünk oda, hogy a szárítóegység kékes végét csatlakoztassuk a RAD7 bemenetére! Kapcsoljuk be a detektort, és indítsunk el egy 5-10 perces időtartamú TEST PURGE tisztítási utasítást, aminek a lényege a detektor nedvességtartalmának csökkentése.
Ezzel párhuzamosan, egy kalapács segítségével verjük le a talajba a talajgázszondát (acélcső) 80 cm mélységig! Ezután ezt 5 cm-rel emeljük ki, hogy a végében egy aktív tér-részt hozzunk létre a talajgáz áramlásához.
A RAD7 detektor szárítócsövének másik végét csatlakoztassuk egy nedvességszűrőre, amely meggátolja a talajnedvesség, ill. a talajvíz detektorba való bejutását. A nedvesség-szűrő másik végét csatlakoztassuk a talajba mélyített cső felszíni végére! Az összekötése-ket műanyag csövekkel oldjuk meg, és figyeljünk oda, hogy ezek jól záródjanak! A RAD7 kimenetét hagyjuk szabadon!
Miután a rendszert összeállítottuk, mérési protokollként a RAD7-et állítsuk GRAB módra (SETUP PROTOCOL GRAB), ebben a mérésvezető segítségét kérjük!
A RAD7 nyomtató formátumát állítsuk rövid nyomtatásra, majd mentsük el a beállítá-sokat! Helyezzük a nyomtatót a RAD7-re! Kapcsoljuk be a nyomtatót, kapcsoljuk ki a RAD7-et, majd kapcsoljuk be újra, ami után a nyomtató kinyomtatja a készülék elmentett
www.tankonyvtar.hu © Papp Botond, BBTE
Több helyen elvégezve a fenti mérést, az eredményeket vezessük a 7.1. táblázatba. A meg-jegyzés oszlopba jegyezzük be, milyen radonkockázatú kategóriába soroljuk az adott he-lyet, a fent említett osztályozás szerint.
Mérés
Ugyanazt a mintavételező szondát (csövet) használjuk a talaj permeabilitásának méréséhez is, amivel a talaj radonkoncentrációját mértük, ugyanazon mélységben (80 cm), és ugyana-zon kiemelés mellett (5 cm).
A palack mindkét csapját zárjuk le, csavarjuk le a kimenő csapot (1), és töltsük meg 1,5 liter vízzel, a jelzésig! Ezután csavarjuk vissza a csapot! Egy műanyag csövet csatla-koztassunk a palack másik végén lévő bemenő csapra (2), a cső másik végét pedig a talajba leszúrt mintavételező cső felszíni végéhez.
Egy stopperóra segítségével mérjük a víz kifolyási idejét a palackból! Mérés előtt nul-lázzuk a stopperórát! A palackot a szájával (1-es csap) lefelé fordítsuk! A mérésindítás pillanatában nyissuk meg előbb a bemenő csapot (1), utána a kimenő csapot (2), és ezzel egy időben indítsuk el a stopperórát! Figyelnünk kell arra, hogy a kimenő csap (2) kinyitá-sa és a stopper indítákinyitá-sa egy időben történjen! Amikor a víz szintje a palackból az alsó jel-zésig ért, állítsuk le a stoppert!
Olvassuk le a diagramról (7.2.4. ábra) a mérési időnek (t) megfelelő kifolyási ho-zam/nyomás arányt (q/p)! Vigyázzunk, logaritmikus skálában vagyunk!
Számoljuk ki a szonda alakfaktorát (F) a fenti képlet és értékek segítségével! A hasz-nált paraméterek értékei: d = 12 mm, l = 50 mm, D = 0,8 m.
A fenti képlet segítségével számoljuk ki az adott pontban mért permeabilitásértéket (k)!
Több helyen elvégezve a fenti mérést, az eredményeket vezessük a 7.2. táblázatba. A meg-jegyzés oszlopba jegyezzük be az adott talajtípust, valamint a permeabilitás kategóriáját, a fenti osztályozásnak megfelelően.
7.3.3. ábra: A hozam/nyomás (q/p) függése a kifolyási időtől (t)