地下工程氡防护方法及能力研究

温伟伟，徐荣政，吴友朋，程金星，王庆波，李 帅，刘峰国

(1.中国人民解放军96901部队，北京 100095；2.中国人民解放军96608部队，河南 洛阳 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辐射源项，尤其对于地下工程，氡的辐射危害与防护越来越受到重视。氡防护具有多种措施，被广泛研究和应用，不同氡防护措施具有特定适用范围和能力指标[1-3]。为了研究适用于地下工程的氡防护措施，分析比对典型氡防护措施的能力指标，以指导地下工程氡防护措施开展，我们基于国防地下工程氡防护工程经验与性能测试，对通风降氡、吸附降氡、屏蔽降氡等三种防氡方法进行对比研究。

1 氡的危害

1.1 氡的性质

氡是铀镭系(起始元素是238U)、锕铀系(起始元素是235U)和钍系(起始元素是232Th)三大天然放射系衰变链中唯一的放射性气体元素，其对应产生的氡放射性同位素分别为222Rn、219Rn和220Rn，其简化衰变链如图1所示[4]。由于地壳、水体中238U普遍存在，235U基本同238U共生，232Th在一定条件下也同238U共生，因此氡广泛存在于环境当中。联合国原子辐射影响科学委员会报告指出，氡及其子体对公众所造成的年有效剂量为1.3 mSv，占天然辐射源产生的总辐射剂量的50%左右[5]。

注：括号内为α粒子能量，单位MeV，括号内指数为分支比。图1 三大天然放射系简化衰变图Fig.1 Simplified decay map of three natural radioactive series

由图1可以看出，222Rn、219Rn和220Rn的半衰期分别为3.83 d、3.96 s和55.6 s，地壳和水体中产生的219Rn与220Rn只有很少一部分能释放到大气环境中，并且235U的含量仅占238U的0.32%，因此大气中219Rn的含量极低，220Rn的含量也在222Rn含量的十分之一以下，通常空气中的氡仅是指222Rn。

氡的化学形态在标准状态下为无色无味的惰性气体，不易发生化学反应，但能够溶解于水、酒精、石油、甲苯等液体，能够被活性炭、黏土、胶皮等多孔材料吸附。氡在人体组织内的溶解度很低，人员处于高氡环境时，30～40分钟吸入与呼出的氡浓度可以保持平衡，离开高氡环境1小时可将吸入的90%氡排除。总之，氡由于其半衰期相对较长，在人体内停留时间短，氡对人体产生的剂量较低。而氡子体属于带电重金属固体颗粒，具有较强的扩散能力和附壁效应，很容易同空气中的凝聚核结合形成悬浮于空气中的放射性气溶胶，当被吸入体内后则会沉淀于气管壁或肺片上，造成氡子体衰变释放α射线的持续辐照，是氡造成人体辐射危害的主要源项。

1.2 氡的危害

吸入氡及其子体诱发肺癌，最早出现在15世纪德国Schneeberg矿的矿工，容易患上高死亡率的肺病而引发研究[6]。直到1924年，人们才逐步确定这种肺癌由吸入氡及其子体照射诱发，并且流行病学的发展也揭示了，在高氡浓度环境下工作会导致肺癌发病率的增高[7]。世界卫生组织(WHO)将氡及其子体列为19种致癌物质之一，是诱发居民肺癌仅次于吸烟的第二大因素。氡及其子体对人体的辐射表现为确定性效应和随机性效应，其中确定性效应是由于氡对脂肪较高的亲和力，人体处于高浓度氡环境下，会引起血细胞的显著变化。随机性效应则主要是由于氡子体被吸附于呼吸道或者肺部，释放的α射线破坏细胞的DNA，从而诱发癌变。

氡危害的评价主要基于流行病学调查方法和剂量学方法。其中，联合国原子辐射影响科学委员会(UNSCEAR)主要采用剂量学方法，使用剂量学模型作为分析手段，结合氡及其子体、人体生理学等相关参数，计算氡对人员的暴露剂量；国际放射防护委员会(ICRP)则主要采用流行病学调查方法，包括矿山流行病学调查和住宅流行病学调查，利用统计学方法确定氡暴露剂量同健康效应之间的关系。

2 氡的源项分析

可以看出，氡源自226Ra的衰变释放，只要介质中含有226Ra就会有氡气的释放。此外，由于氡能够溶于水，因此地下水流经岩体，也会浸滤岩体中的铀系、钍系放射性物质，并载带岩体释放的氡。总之，地下工程内氡的主要来源包括以下方面：

(1)地下工程周围的岩体或土壤。岩体或土壤中226Ra的衰变释放是地下工程中氡的主要来源。释放的氡将通过裂缝向外扩散，释放量的大小可用氡析出率进行评价，氡析出率指单位面积单位时间向空间中释放氡的活度。

(2)地下水或岩体渗水。由于氡能够溶于水中，地下水的使用通常能够将深层岩体中的氡载带出来，进而扩散到空气中。此外，岩体渗水中通常也具有较高的氡含量。

(3)地下工程中使用的建筑材料。建筑材料，尤其是镭含量较高的工业废渣或副产品制成的建筑材料，都会有较高的氡产生率，再根据建筑材料的孔隙率、空隙大小等参数，按照一定的析出率向空间中释放。

(4)工程外环境中的氡。虽然工程外环境中的氡含量较工程内部通常较低，这也是采用通风降氡的原理。但是，对于某些地下工程，需要注意的是其进风通道如果是裸露岩体状态，那么进风管道会累积高氡浓度的空气，如果直接进行通风操作，会将这部分高氡浓度空气带入地下工程内部。

文献表明，对于居民室内，源于建筑物地基和周围土壤的氡占60.4%，而源自建筑材料和室外空气的贡献分别占19.5%与17.8%[8]。而对于地下工程，其建筑材料严格依据GB 6566《建筑材料放射性核素限量》标准选择使用，其氡来源的绝大部分是周围岩体。

3 氡的防护措施

根据地下工程建设与运维实践，氡的防护可以采用通风降氡、吸附降氡和屏蔽降氡三种措施，并对通风降氡与吸附降氡进行了实际效果测试，也对屏蔽降氡方法开展了技术研究和实验。

3.1 通风降氡

通风降氡是最常用最直接的降氡方式，是将地下工程外部低氡含量的空气通入地下工程，进行通排风空气置换以实现降低地下工程中氡含量，是一种“稀释”的降氡方法。地下工程的通风通常采用以下两个原则：一是根据地下工程内部温湿度控制要求进行智能控制通风；二是根据人员活动计划与氡浓度情况，提前在人员即将开展活动的区域进行通风。通风模式均采用压入式通风。

图2是地下工程某封闭区域24小时氡浓度随通风变化趋势图，采用KDY测氡仪连续测量，设置每半小时给出一个测量结果。从监测数据可以看出，氡浓度随通风情况变化比较明显，当通风系统开启1～2 h时后，氡浓度开始有明显下降，从最高值到最低值下降约400 Bq/m3，下降幅度约为三分之一，通风结束后氡浓度逐渐上升。24小时内智能控制通风总时间约5小时，风机送风速率约为2.0 m3/s，区域总体积约12 000 m3。

图2 地下工程某点位24小时空气中氡浓度变化曲线Fig.2 24-hour variation curve of Radon concentrationat a point of underground facilities

此外，需要注意的是对于某些地下工程，其进风通道没有被覆层，裸露岩体的氡容易析出进入通道内，使得进风通道会累积高氡浓度的空气(达到数万Bq/m3)，在进行通风时会将该部分高氡浓度空气载入地下工程内部，导致通风初始阶段地下工程氡浓度升高的现象。经实践研究，可以在实施通风操作前，先对进风通道进行排风操作，使得积累的高氡浓度空气排出至地下工程外环境，然后再进行通风操作。

3.2 吸附降氡

吸附降氡最常用的方法是采用活性炭吸附，利用活性炭比表面积大、微孔结构发达、化学特性弱、惰性气体吸附性强等特点，对空气中的氡进行吸附滞留，是一种“吸”的降氡方法。国内外对基于活性炭吸附降氡的方法进行了广泛研究，其降氡效果主要同活性炭质量、吸附温度和吸附压力三个因素相关。活性炭质量越大，其吸附和滞留能力越强，但会导致降氡装置体积与成本增大。增加气体吸附压力，能够提高活性炭吸附系数，称为变压吸附技术，但其对活性炭吸附系数的增大具有饱和效应[9]。降低气体吸附温度，能够提高活性炭吸附系数，称为变温吸附技术，研究表明在一定的温度范围内，吸附系数同绝对温度呈指数关系[10]。课题组也针对优选的菲律宾椰壳活性炭进行了温度效应实验，结果表明，29 ℃时活性炭的最大降氡率为43%，而11 ℃时活性炭的最大降氡率约为60%，温度对活性炭吸附能力的影响是显著的。

96901部队根据国防地下工程实际环境与运维需求，设计研发了新型移动降氡装置，具备高效吸附降氡、饱和活性炭解吸、解吸高浓度氡的转储滞留等功能，使降氡装置能够连续高效降氡，并且不会在现场排放氡气。装置构成及工作原理如图3所示，由测氡仪测量空气中氡浓度水平，当其高于某一设置值时，抽气泵将环境中空气经吸附空气预冷器传送至吸附炭床进行氡吸附；当吸附炭床氡吸附量达到某一值时，安装在吸附炭床内部的电加热装置，用于对吸附炭床加热解吸，同时真空泵在吸附炭床内产生负压，以利于氡的解吸，并驱动氡进入解吸预冷冷凝器；解析产生的氡经解吸预冷冷凝器，被滞留炭床吸收，进而在滞留炭床中衰变消除；压缩机制冷装置为吸附预冷器和解吸预冷冷凝器提供冷源。由移动降氡装置上的测氡仪显示空气中氡浓度随工作时间变化，结果表明移动降氡装置工作2小时，能够使80 m3空间的氡浓度降低55%左右。

图3 吸附装置构成及工作原理图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装在墙体或地面表面，用于阻止岩体的氡向地下工程中析出，是一种“堵”的降氡方法。传统的防氡材料普遍选择活性炭、沸石、海泡石等氡吸附材料，或者重晶石、沉淀硫酸钡、石膏等重水化胶凝材料。但这些材料基本在地面建筑使用，对于地下工程环境的高湿、高氡浓度、密闭性好等情况，传统防氡材料会出现难以干燥成膜、高浓度氡辐射老化、挥发性有害物质积累、易生霉菌等问题。并且对于普遍使用的防氡涂料，当墙体或地面应力结构发生变化时，防氡涂料容易产生裂纹或者脱落，造成防氡性能严重下降。

根据地下工程实际情况，研究了一种基于聚酰亚胺树脂的防氡板材和防氡胶液。其中，防氡板材由聚酰亚胺树脂、高性能氟硅功能助剂和阻氡功能材料等组成无溶剂热熔粉末涂料，采用喷涂方式覆盖于支撑基板(铝合金薄板)表面支撑。其中，酰亚胺树脂、氟硅功能助剂和阻氡功能材料皆具有优异的耐老化性能、良好的环境相容性与稳定性，满足其高效降氡、绿色环保的工程应用发展需求。施工方式采用板状型材和胶状材料配合使用可实现整体设计，网格化拼装。地下工程洞壁、洞顶施工使用防氡板材作为主体材料，由防氡胶液作为粘接材料，直接与墙体粘贴，板与板之间对接缝隙要小于2 mm，缝隙涂满防氡胶液，上面贴防氡板材加工的压条。地面直接使用防氡胶液铺平。

对该型聚酰亚胺树脂型防氡板材与胶液性能指标进行测试，其中阻氡效率测量是对比增加防氡板材后氡析出率变化计算得出，耐湿热、耐盐雾、耐霉菌等测量项目均在具备测量资质单位依据相应标准实施。测试结果列于表1，表明新型防氡材料阻氡效率大于99.5%，远高于现有产品90%左右的阻氡效率[11-13]，并且耐湿热、耐盐雾、耐霉菌性能完全适用于地下工程特殊环境需求。

表1 聚酰亚胺树脂型防氡板材与胶液性能指标Tab.1 Performance Indicators of polyimide resin-basedradon-proof board and adhesive

3.4 氡防护措施对比

分别从降氡效果、工程量、建设费用、运维难易度、适用范围等方面对上述三种氡防护措施进行对比，列于表2。可以看出，从降氡效果来看，屏蔽降氡能够从源头防止氡气析出进入地下工程内部，尤其是研究的新型降氡材料，能够实现99.5%的阻氡能力，但是屏蔽降氡方法工程量大、建设费用高，适用于针对氡析出率高的区域进行局部使用；通风降氡方法效果稍低于屏蔽降氡，但其工程量适中，建设费用小，适合于大区域的整体降氡；吸附降氡采用移动降氡装置，其降氡效果较好，但如果整个地下工程均采用该措施，则建设费用较大，运维困难，并且在人员开启移动降氡装置前以及开启初段时间，人员仍会受到较高氡浓度的辐射危害，其适用于人员集中活动区域，如会议室等房间，进行局部区域的进一步降氡。

表2 三种应用于地下工程的氡防护措施对比Tab.2 Comparison of three radon protection measuresapplied in underground facilities

根据地下工程降氡实践经验，以及三种氡防护措施对比，归纳地下工程降氡措施开展的原则与流程如下：一是以通风降氡为主，通风时间与周期首先应以满足地下工程温湿度要求为前提，然后根据人员活动计划与氡浓度监测水平，选择性针对某些人员拟活动区域进行加强通风，使得该区域在人员到达前或者开展工作期间，其氡浓度处于规定范围；二是以吸附降氡方法为辅，主要是针对通风换气率较低，且人员活动频繁区域进行局部房间降氡，如会议室、住宿房间布设移动降氡装置；三是以屏蔽降氡为补充，结合地下工程氡析出率的监测，对氡析出率较高区域，局部区域进行防氡材料安装，从源头减少氡进入地下工程。此外，从人员防护角度来说，还应通过减少人员在地下工程内工作时间、佩戴防护口罩等方式降低氡吸入危害。

4 结论

随着氡辐射危害关注度的不断提升，地下工程氡防护也越来越受到重视。氡防护措施的选择应基于各地下工程的实际情况确定，其总体原则是首先在地下工程选址时应尽量避免氡高析出率区域；然后以通风降氡为主要措施，同时也需要充分考虑通风对地下工程温湿度、噪音等造成的影响；其次以吸附降氡为辅助措施，通过在人员密集活动或者通风死角区域，增加移动降氡装置实施局部降氡；最后以屏蔽降氡为补充措施，对地下工程中高氡析出率点位针对性进行防氡材料安装，从源头减少氡进入地下工程。此外，氡防护主要是针对人员的防护，对于地下工程人员也可以通过合理安排停留时间，佩戴氡防护口罩等方式进行个体防护。