溫偉偉，徐榮政，吳友朋，程金星，王慶波，李 帥，劉峰國

(1.中國人民解放軍96901部隊，北京 100095；2.中國人民解放軍96608部隊，河南 洛陽 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，尤其對于地下工程，氡的輻射危害與防護越來越受到重視。氡防護具有多種措施，被廣泛研究和應用，不同氡防護措施具有特定適用范圍和能力指標[1-3]。為了研究適用于地下工程的氡防護措施，分析比對典型氡防護措施的能力指標，以指導地下工程氡防護措施開展，我們基于國防地下工程氡防護工程經驗與性能測試，對通風降氡、吸附降氡、屏蔽降氡等三種防氡方法進行對比研究。

1 氡的危害

1.1 氡的性質

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，其對應產生的氡放射性同位素分別為222Rn、219Rn和220Rn，其簡化衰變鏈如圖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)境當中。聯(lián)合國原子輻射影響科學委員會報告指出，氡及其子體對公眾所造成的年有效劑量為1.3 mSv，占天然輻射源產生的總輻射劑量的50%左右[5]。

注：括號內為α粒子能量，單位MeV，括號內指數(shù)為分支比。圖1 三大天然放射系簡化衰變圖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的含量僅占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。

氡的化學形態(tài)在標準狀態(tài)下為無色無味的惰性氣體，不易發(fā)生化學反應，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。氡在人體組織內的溶解度很低，人員處于高氡環(huán)境時，30～40分鐘吸入與呼出的氡濃度可以保持平衡，離開高氡環(huán)境1小時可將吸入的90%氡排除。總之，氡由于其半衰期相對較長，在人體內停留時間短，氡對人體產生的劑量較低。而氡子體屬于帶電重金屬固體顆粒，具有較強的擴散能力和附壁效應，很容易同空氣中的凝聚核結合形成懸浮于空氣中的放射性氣溶膠，當被吸入體內后則會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。

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世紀德國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)，并且流行病學的發(fā)展也揭示了，在高氡濃度環(huán)境下工作會導致肺癌發(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。氡及其子體對人體的輻射表現(xiàn)為確定性效應和隨機性效應，其中確定性效應是由于氡對脂肪較高的親和力，人體處于高濃度氡環(huán)境下，會引起血細胞的顯著變化。隨機性效應則主要是由于氡子體被吸附于呼吸道或者肺部，釋放的α射線破壞細胞的DNA，從而誘發(fā)癌變。

氡危害的評價主要基于流行病學調查方法和劑量學方法。其中，聯(lián)合國原子輻射影響科學委員會(UNSCEAR)主要采用劑量學方法，使用劑量學模型作為分析手段，結合氡及其子體、人體生理學等相關參數(shù)，計算氡對人員的暴露劑量；國際放射防護委員會(ICRP)則主要采用流行病學調查方法，包括礦山流行病學調查和住宅流行病學調查，利用統(tǒng)計學方法確定氡暴露劑量同健康效應之間的關系。

2 氡的源項分析

可以看出，氡源自226Ra的衰變釋放，只要介質中含有226Ra就會有氡氣的釋放。此外，由于氡能夠溶于水，因此地下水流經巖體，也會浸濾巖體中的鈾系、釷系放射性物質，并載帶巖體釋放的氡?？傊叵鹿こ虄入钡闹饕獊碓窗ㄒ韵路矫妫?/p>

(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源。釋放的氡將通過裂縫向外擴散，釋放量的大小可用氡析出率進行評價，氡析出率指單位面積單位時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將深層巖體中的氡載帶出來，進而擴散到空氣中。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)廢渣或副產品制成的建筑材料，都會有較高的氡產生率，再根據建筑材料的孔隙率、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部通常較低，這也是采用通風降氡的原理。但是，對于某些地下工程，需要注意的是其進風通道如果是裸露巖體狀態(tài)，那么進風管道會累積高氡濃度的空氣，如果直接進行通風操作，會將這部分高氡濃度空氣帶入地下工程內部。

文獻表明，對于居民室內，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分別占19.5%與17.8%[8]。而對于地下工程，其建筑材料嚴格依據GB 6566《建筑材料放射性核素限量》標準選擇使用，其氡來源的絕大部分是周圍巖體。

3 氡的防護措施

根據地下工程建設與運維實踐，氡的防護可以采用通風降氡、吸附降氡和屏蔽降氡三種措施，并對通風降氡與吸附降氡進行了實際效果測試，也對屏蔽降氡方法開展了技術研究和實驗。

3.1 通風降氡

通風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，進行通排風空氣置換以實現(xiàn)降低地下工程中氡含量，是一種“稀釋”的降氡方法。地下工程的通風通常采用以下兩個原則：一是根據地下工程內部溫濕度控制要求進行智能控制通風；二是根據人員活動計劃與氡濃度情況，提前在人員即將開展活動的區(qū)域進行通風。通風模式均采用壓入式通風。

圖2是地下工程某封閉區(qū)域24小時氡濃度隨通風變化趨勢圖，采用KDY測氡儀連續(xù)測量，設置每半小時給出一個測量結果。從監(jiān)測數(shù)據可以看出，氡濃度隨通風情況變化比較明顯，當通風系統(tǒng)開啟1～2 h時后，氡濃度開始有明顯下降，從最高值到最低值下降約400 Bq/m3，下降幅度約為三分之一，通風結束后氡濃度逐漸上升。24小時內智能控制通風總時間約5小時，風機送風速率約為2.0 m3/s，區(qū)域總體積約12 000 m3。

圖2 地下工程某點位24小時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，需要注意的是對于某些地下工程，其進風通道沒有被覆層，裸露巖體的氡容易析出進入通道內，使得進風通道會累積高氡濃度的空氣(達到數(shù)萬Bq/m3)，在進行通風時會將該部分高氡濃度空氣載入地下工程內部，導致通風初始階段地下工程氡濃度升高的現(xiàn)象。經實踐研究，可以在實施通風操作前，先對進風通道進行排風操作，使得積累的高氡濃度空氣排出至地下工程外環(huán)境，然后再進行通風操作。

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、微孔結構發(fā)達、化學特性弱、惰性氣體吸附性強等特點，對空氣中的氡進行吸附滯留，是一種“吸”的降氡方法。國內外對基于活性炭吸附降氡的方法進行了廣泛研究，其降氡效果主要同活性炭質量、吸附溫度和吸附壓力三個因素相關。活性炭質量越大，其吸附和滯留能力越強，但會導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，但其對活性炭吸附系數(shù)的增大具有飽和效應[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，研究表明在一定的溫度范圍內，吸附系數(shù)同絕對溫度呈指數(shù)關系[10]。課題組也針對優(yōu)選的菲律賓椰殼活性炭進行了溫度效應實驗，結果表明，29 ℃時活性炭的最大降氡率為43%，而11 ℃時活性炭的最大降氡率約為60%，溫度對活性炭吸附能力的影響是顯著的。

96901部隊根據國防地下工程實際環(huán)境與運維需求，設計研發(fā)了新型移動降氡裝置，具備高效吸附降氡、飽和活性炭解吸、解吸高濃度氡的轉儲滯留等功能，使降氡裝置能夠連續(xù)高效降氡，并且不會在現(xiàn)場排放氡氣。裝置構成及工作原理如圖3所示，由測氡儀測量空氣中氡濃度水平，當其高于某一設置值時，抽氣泵將環(huán)境中空氣經吸附空氣預冷器傳送至吸附炭床進行氡吸附；當吸附炭床氡吸附量達到某一值時，安裝在吸附炭床內部的電加熱裝置，用于對吸附炭床加熱解吸，同時真空泵在吸附炭床內產生負壓，以利于氡的解吸，并驅動氡進入解吸預冷冷凝器；解析產生的氡經解吸預冷冷凝器，被滯留炭床吸收，進而在滯留炭床中衰變消除；壓縮機制冷裝置為吸附預冷器和解吸預冷冷凝器提供冷源。由移動降氡裝置上的測氡儀顯示空氣中氡濃度隨工作時間變化，結果表明移動降氡裝置工作2小時，能夠使80 m3空間的氡濃度降低55%左右。

圖3 吸附裝置構成及工作原理圖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)性有害物質積累、易生霉菌等問題。并且對于普遍使用的防氡涂料，當墻體或地面應力結構發(fā)生變化時，防氡涂料容易產生裂紋或者脫落，造成防氡性能嚴重下降。

根據地下工程實際情況，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現(xiàn)整體設計，網格化拼裝。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。

對該型聚酰亞胺樹脂型防氡板材與膠液性能指標進行測試，其中阻氡效率測量是對比增加防氡板材后氡析出率變化計算得出，耐濕熱、耐鹽霧、耐霉菌等測量項目均在具備測量資質單位依據相應標準實施。測試結果列于表1，表明新型防氡材料阻氡效率大于99.5%，遠高于現(xiàn)有產品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Tab.1 Performance Indicators of polyimide resin-basedradon-proof board and adhesive

3.4 氡防護措施對比

分別從降氡效果、工程量、建設費用、運維難易度、適用范圍等方面對上述三種氡防護措施進行對比，列于表2?？梢钥闯?，從降氡效果來看，屏蔽降氡能夠從源頭防止氡氣析出進入地下工程內部，尤其是研究的新型降氡材料，能夠實現(xiàn)99.5%的阻氡能力，但是屏蔽降氡方法工程量大、建設費用高，適用于針對氡析出率高的區(qū)域進行局部使用；通風降氡方法效果稍低于屏蔽降氡，但其工程量適中，建設費用小，適合于大區(qū)域的整體降氡；吸附降氡采用移動降氡裝置，其降氡效果較好，但如果整個地下工程均采用該措施，則建設費用較大，運維困難，并且在人員開啟移動降氡裝置前以及開啟初段時間，人員仍會受到較高氡濃度的輻射危害，其適用于人員集中活動區(qū)域，如會議室等房間，進行局部區(qū)域的進一步降氡。

表2 三種應用于地下工程的氡防護措施對比Tab.2 Comparison of three radon protection measuresapplied in underground facilities

根據地下工程降氡實踐經驗，以及三種氡防護措施對比，歸納地下工程降氡措施開展的原則與流程如下：一是以通風降氡為主，通風時間與周期首先應以滿足地下工程溫濕度要求為前提，然后根據人員活動計劃與氡濃度監(jiān)測水平，選擇性針對某些人員擬活動區(qū)域進行加強通風，使得該區(qū)域在人員到達前或者開展工作期間，其氡濃度處于規(guī)定范圍；二是以吸附降氡方法為輔，主要是針對通風換氣率較低，且人員活動頻繁區(qū)域進行局部房間降氡，如會議室、住宿房間布設移動降氡裝置；三是以屏蔽降氡為補充，結合地下工程氡析出率的監(jiān)測，對氡析出率較高區(qū)域，局部區(qū)域進行防氡材料安裝，從源頭減少氡進入地下工程。此外，從人員防護角度來說，還應通過減少人員在地下工程內工作時間、佩戴防護口罩等方式降低氡吸入危害。

4 結論

隨著氡輻射危害關注度的不斷提升，地下工程氡防護也越來越受到重視。氡防護措施的選擇應基于各地下工程的實際情況確定，其總體原則是首先在地下工程選址時應盡量避免氡高析出率區(qū)域；然后以通風降氡為主要措施，同時也需要充分考慮通風對地下工程溫濕度、噪音等造成的影響；其次以吸附降氡為輔助措施，通過在人員密集活動或者通風死角區(qū)域，增加移動降氡裝置實施局部降氡；最后以屏蔽降氡為補充措施，對地下工程中高氡析出率點位針對性進行防氡材料安裝，從源頭減少氡進入地下工程。此外，氡防護主要是針對人員的防護，對于地下工程人員也可以通過合理安排停留時間，佩戴氡防護口罩等方式進行個體防護。