ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОБЖИГА КАРБОНАТНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД НА ЭФФЕКТИВНУЮ УДЕЛЬНУЮ АКТИВНОСТЬ ЕСТЕСТВЕННЫХ РАДИОНУКЛИДОВ

Соколов П.Э.¹, Чернышов П.Д.²

¹ORCID: 0000-0002-3960-5010, кандидат технических наук, Волгоградский государственный технический университет,  Институт архитектуры и строительства

²ORCID: 0000-0002-7020-5744, магистрант, кафедры строительных материалов и специальных технологий, Волгоградский государственный технический университет, Институт архитектуры и строительства

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОБЖИГА КАРБОНАТНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД НА ЭФФЕКТИВНУЮ УДЕЛЬНУЮ АКТИВНОСТЬ ЕСТЕСТВЕННЫХ РАДИОНУКЛИДОВ

Аннотация

Приведены результаты исследований влияния тепловой обработки (обжига) карбонатных горных пород на эффективную удельную активность естественных радионуклидов. Анализ и обработка полученных результатов позволили получить математическую зависимость между этими величинами для конкретного материала. Установлено, что с увеличением температуры тепловой обработки карбонатных горных пород эффективная удельная активность естественных радионуклидов уменьшается. Результаты исследования показали, что существует возможность, используя технологические режимы производства снизить эффективную удельную активность естественных радионуклидов и как следствие уменьшить дозы облучения населения от этих материалов.

Ключевые слова: эффективная удельная активность естественных радионуклидов, карбонатные горные породы, тепловая обработка.

Sokolov P.E.¹, Tchernyshov P.D.²

¹ORCID: 0000-0002-3960-5010, PhD in Engineering,  Volgograd state technical University, Institute of architecture and construction (VSTU)

²ORCID: 0000-0002-7020-5744, Graduate student, Department of construction materials and special technologies, Volgograd state technical university, Institute of architecture and construction (VSTU)

RESEARSH OF THE IMPACT OF CARBONATE ROCKS STOVING ON THE EFFECTIVE SPECIFIC ACTIVITY OF NATURAL RADIONUCLIDES

Abstract

Results of examinations of agency of a thermal treatment (stoving) of carbonate rocks on an effective specific activity of natural radionuclides are given. The analysis and processing of the gained results have allowed to obtain a mathematical dependence between these quantities for a concrete material. It is efixed, that with magnification of temperature of a thermal treatment of carbonate rocks the effective specific activity of natural radionuclides decreases. Results of examination have shown, that there is an opportunity, by using technological regimes of manufacture to lower an effective specific activity of natural radionuclides and as consequence to reduce exposure doses of the population from these materials.

Keywords: an effective specific activity of natural radionuclides, carbonate rocks, a thermal treatment.

В результате Чернобыльской аварии велись споры о пороге действия радиации. Однако сегодня подавляющее большинство ученых пришло к выводу об отсутствии такого порога: любые, сколь угодно малые, дополнительные дозы радиации могут оказывать повреждающее действие на живой организм [1]. Недавняя авария на АЭС Фукусима-1 вновь напомнила всему человечеству о «радиоактивности» [2].

До недавнего времени облучение от естественных источников ионизирующего излучения рассматривалось как несущественное и неизменное явление радиационного фона. В настоящее время признано, что поглощенная доза населения в жилых и общественных зданиях может быть весьма высокой и ее можно уменьшить, а также избежать значительных доз при строительстве новых зданий [3].

Существенный вклад (до 50%) в коллективную дозу облучения населения вносят природные источники ионизирующего излучения, «переносимые» в жилые дома и производственные помещения строительными материалами [4].

Активность радионуклидов в строительных материалах зависит от концентрации естественных радионуклидов в горных породах, из которых они изготовлены.

В литературных источниках имеется значительное количество данных о величинах А_эфф, как для горных пород используемых для производства строительных материалов, так и для готовых материалов.

В то же время малоизученным остается вопрос изменения А_эфф в процессе переработки сырьевых материалов в строительные, в частности в процессе обжига. Поэтому изучение влияния обжига на эффективную удельную активность естественных радионуклидов и поиск путей и возможностей ее снижения при производстве строительных материалов представляет определенный интерес. С целью поиска и выявления этой зависимости были проведены исследования по оценке влияния тепловой обработки на А_эфф.

В качестве материалов для исследований были взяты карбонатные породы. Они достаточно широко применяются при производстве строительных материалов (известь, портландцемент) и изделий на их основе (силикатный кирпич и блоки, бетоны и т.д.), поэтому являются источником, который создает определенную дозу облучения населения. Широкое распространение этих материалов требует в современных условиях соблюдения всех норм и требований безопасности. Эффективная удельная активность естественных радионуклидов является одной из нормируемых величин [5, 6]. Поэтому нами проведены исследования по оценке влияния тепловой обработки (обжига) карбонатных горных пород на эффективную удельную активность естественных радионуклидов.

В заводских условиях для получения извести температура обжига известняка обычно составляет 1000-1200°С и устанавливается в зависимости от плотности известняка, наличия примесей, типа печи и ряде других факторов. Обжиг портландцементного клинкера ведется при температурах порядка 1450-1500°С и также зависит от целого ряда факторов.

Определение удельных активностей естественных радионуклидов производилось на сцинтилляционном гамма-спектрометре с детектором на основе кристалла NaI(Tl) Ø63´63 мм. Время измерения стандартное и составляло 30 минут [7]. Тепловая обработка проб осуществлялась в муфельной печи в интервале температур от 20 до 1500 °С.

В качестве исследуемых материалов были выбраны три вида карбонатного сырья используемого для производства извести и портландцемента: мел Себряковского месторождения и известняки Фроловского и Арчединского месторождений. Для этих материалов были отобраны по три представительские пробы массой 1 кг [8]. Для этих проб были определены удельные активности естественных радионуклидов ⁴⁰K, ²²⁶Ra и ²³²Th. По полученным удельным активностям был произведен расчет А_эфф до тепловой обработки в нормальных условиях по формуле [5]:

                                              (1)

где А_K – удельная активность ⁴⁰K, Бк/кг; A_Ra – удельная активность ²²⁶Ra, Бк/кг; A_Th – удельная активность ²³²Th, Бк/кг.

Далее отобранные пробы подвергались тепловой обработке в интервале от 20°С до 1500°С, с шагом 150°С. После каждого этапа у проб определялась масса и удельная активность естественных радионуклидов. По полученным удельным активностям рассчитывалась А_эфф. Результаты расчетов А_эфф естественных радионуклидов приведены в табл. 1.

Таблица 1 - Эффективные удельные активности естественных радионуклидов (Бк/кг) при различных температурах обжига (°С)

Аэфф (Бк/кг) при различных температурах обжига (°С)
20	150	300	450	600	750	900	1050	1200	1350	1500
мел Себряковского месторождения
29,2	29,4	59,6	46,2	62,3	62,8	54,0	38,3	29,0	16,4	8,2
известняк Фроловского месторождения
58,2	61,3	102,4	106,6	99,1	92,2	95,1	62,6	48,6	40,2	32,4
известняк Арчединского месторождения
51,0	53,3	91,7	91,5	89,9	84,9	84,8	56,5	43,7	34,2	26,3

По данным, приведенным в табл. 1 и результатам изменения массы пробы в процессе исследований построены графики, приведенные на рис. 1 и 2.

Рис. 1 - Изменение эффективной удельной активности естественных радионуклидов в процессе тепловой обработки

Рис. 2 - Изменение массы исследуемых материалов в процессе их тепловой обработки

Анализируя график, приведенный на рис. 1, построенный по данным табл. 1 можно выделить два участка: первый – в интервале температур от 20 до 450°С на котором происходит рост величины А_эфф; второй – интервал от 450 до 1500°С – на данном участке происходит уменьшение А_эфф. На графике (см. рис. 2) приведены значения изменения массы проб исследуемых материалов при различных температурах. Из графика видно, что уменьшение масс проб начинается при достижении температур обжига 450-600°С. Что хорошо согласуется с практическими значениями.

Рост значений А_эфф на первом интервале можно объяснить следующим образом: происходит удаление физической воды, выгорание органических примесей и частичная деструкция материала, что в целом способствует лучшей регистрации удельных активностей естественных радионуклидов, за счет снижения плотности исследуемого материала. Помимо этого данный интервал не представляет особого интереса, поскольку в нем не происходит химических реакций приводящих к получению готового продукта.

Второй интервал является наиболее значимым, т.к. при достижении температур порядка 500-600°С начинаются реакции декарбонизации, которые с ростом температур приводят к образованию СаО и получению извести. Поэтому для дальнейшей обработки полученных результатов мы будем использовать значения А_эфф для интервала 450-1500°С. Для этого интервала построен график зависимости эффективной удельной активности естественных радионуклидов от температуры обжига, на примере известняка Фроловского месторождения (см. рис. 3).

Рис. 3. Корреляционное поле эффективной удельной активности естественных радионуклидов от температуры обжига известняка Фроловского месторождения

Анализируя график (см. рис. 3) можно сделать вывод о том, что с увеличением температуры обжига карбонатных пород эффективная удельная активность уменьшается. При этом закономерность, по которой это происходит, имеет вид:

                                                        (2)

По имеющимся данным зависимости А_эфф от температуры нагрева в интервале 450-1500°С определим коэффициент корреляции. Для исследуемых материалов он составляет: –0,87 – мел Себряковского месторождения; ­–0,96 – известняк Фроловского месторождения; –0,96 – известняк Арчединского месторождения. Полученные значения указывают на то, что связь между переменными очень сильная и имеет место линейная обратно пропорциональная зависимость. Следовательно, с увеличением температуры А_эфф снижается. Оценим значимость коэффициента корреляции, для чего рассмотрим две гипотезы. Основную Н₀: r_xy=0 и альтернативную H₁: r_xy≠0. Для проверки гипотезы Н₀ рассчитаем t-статистику Стьюдента, она составит t_расч=–9,2. Сравним полученное значение с критическим значением t_n,a распределением Стьюдента (при ν=6 и доверительной вероятности α=0,05, t_ν,α=2,44). Можно сделать вывод – между переменными существует зависимость и найденный коэффициент корреляции значим. Определим количественные связи между зависимыми величинами. Для установления степени зависимости между откликом и факторами используем величины ковариации и коэффициент корреляции.

Для нахождения модели регрессии (т.е. коэффициентов a и b) используем графический способ – построение линии тренда на диаграмме в среде MS Excel. Коэффициенты a и b для Фроловского известняка будут равны соответственно –0,077 и 147,76 соответственно, а уравнение регрессии будет иметь вид:

                                              (3)

На диаграмме помещена величина достоверности аппроксимации, которая равна R²=0,93. Значение R² близко к 1, что говорит о том, что линия тренда близка к фактическим данным и, следовательно, соответствует действительности.

Таким образом, из вышеизложенного следует, что с увеличением температуры обжига сырья А_эфф уменьшается, что в конечном итоге приводит к уменьшению дозы облучения населения. Однако, при этом обязательно необходимо учитывать, что температуру нагрева нельзя повышать бесконтрольно и безгранично. Поэтому с точки зрения получения качественной готовой продукции с минимальными показателями А_эфф необходимо получать материалы при возможно более высоких температурах, но, не выходя за границы получения качественной продукции. Т.к. превышение этих границ ведет к образованию производственного брака.

Список литературы / References

1. Сидельникова О.П. Радиационная безопасность в зданиях : справочник / О.П. Сидельникова, И.В. Стефаненко, П.Э. Соколов / под общ. ред. О.П. Сидельниковой. - М.: Энергоатомиздат, 2006. - 328 с.
2. Ishii K. Measures against radioactive contamination due to Fukushima first nuclear power plant accidents part III: Removing and decontamination of contaminated soil / K. Ishii, A. Terakawa, S. Matsuyama and others // International Journal of PIXE. January 2012, Vol. 22, No. 01n02: pp. 13-19. doi: 10.1142/S0129083512400323.
3. Крисюк Э.М. Уровни и последствия облучения населения / Э.М. Крисюк //АНРИ. – 2002. – №1 (28). – с. 4–13.
4. Крисюк Э.М. Радиационный фон помещений. / Э.М. Крисюк. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 120 с.
5. СанПиН 2.6.1.2523 Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009) : [утв. гл. гос. санитар. врачом Рос. Федерации 07.07.2009 : введ. 01.09.2009].- М.: Минздрав России, 2009. - 93 с.
6. ГОСТ 30108-94. Материалы и изделия строительные. Определение удельной эффективной активности естественных радионуклидов. - Введ. 1995-01-01. - М.: Стандартинформ, 2007. - 11 с.
7. Измерение активности гамма-излучающих радионуклидов на сцинтилляционном спектрометре с использованием пакетов программ SM и EXPRESS: Методические рекомендации / ВНИИФТРИ. М., 1993. – 31 с.
8. Антропов С.А. Прикладная гамма-спектрометрия /С.А. Антропов//АНРИ. – 1994. – №3 (3). – с. 41–46.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Sidelnikova O.P. Radiacionnaya bezopasnost v zdaniyah : Spravochnik [Radiating safety in buildings: the directory] / O.P. Sidelnikova, I.V. Stefanenko, P.E. Sokolov; edited by O.P. Sidelnikova. -M.: Energoatomizdat, 2006. - 328 p. [in Russian]
2. Ishii K. Measures against radioactive contamination due to Fukushima first nuclear power plant accidents part III: Removing and decontamination of contaminated soil / K. Ishii, A. Terakawa, S. Matsuyama and others // International Journal of PIXE. January 2012, Vol. 22, No. 01n02: pp. 13-19. doi: 10.1142/S0129083512400323.
3. Krisjuk Je.M. Urovni i posledstvija obluchenija naselenija [Levels and effects of radiation exposure of the population] / Je.M. Krisjuk //ANRI. – 2002. – №1 (28). – p. 4–13. [in Russian]
4. Krisjuk Je.M. Radiacionnyj fon pomeshhenij [Background radiation areas]. / Je.M. Krisjuk. – M.: Energoatomizdat, 1989. – 120 p. [in Russian]
5. SanPiN 2.6.1.2523 Normy radiacionnoj bezopasnosti (NRB-99/2009) [Norms of radiating safety] : [Approved by the main state doctor of the Russian Federation 07.07.2009]. - Vved. 01.09.2009. - M.:Minzdrav Rossii, 2009. 93 p. [in Russian]
6. GOST 30108-94. Materialy i izdeliya stroitelnye. Opredelenie udelnoj ehffektivnoj aktivnosti estestvennyh radionuklidov [Materials and products building. Definition of specific effective activity natural radioniclides]. - Vved. 1995-01-01. M.: - Standartinform, 2007. - 11 p. [in Russian]
7. Izmerenie aktivnosti gamma-izluchajushhih radionuklidov na scintil-ljacionnom spektrometre s ispol'zovaniem paketov programm SM i EXPRESS: Metodicheskie rekomendacii [Measurement of activity of gamma-emitting radionuclides in scintil-translational spectrometer using software packages such as SM and EXPRESS: guidelines] / VNIIFTRI. M., 1993. – 31 p. [in Russian]
8. Antropov S.A. Prikladnaja gamma-spektrometrija [Applied gamma-ray spectrometry] / S.A. Antropov //ANRI. – 1994. – №3 (3). – p. 41–46. [in Russian]