PROMIENIOWANIE NATURALNE W ŚRODOWISKU MIESZKALNYM CZŁOWIEKA

Transkrypt

1

2 ARCHITEKTURA I TECHNIKA A ZDROWIE 105 Jan Antoni RUBIN *) PROMIENIOWANIE NATURALNE W ŚRODOWISKU MIESZKALNYM CZŁOWIEKA Streszczenie. Promieniowanie naturalne to istotny czynnik kształtujący środowisko mieszkalne człowieka. Czynnik ten można podzielić na dwa elementy. Po pierwsze radon i promieniowanie alfa. Po drugie zaś promieniowanie gamma od potasu K-40, radu Ra-226 i toru Th-232. Wspomniany radon, to w około 56 80% tzw. radon gruntowy oraz w około 12 25% tzw. radon materiałowy. Ograniczenie aktywności łącznej naturalnych pierwiastków promieniotwórczych zawartych w materiałach budowlanych ujmują dwa współczynniki kwalifikacyjne f 1 i f 2. NATURAL RADIATION IN HABITABLE ENVIRONMENT OF MAN Summary. Radiation natural this essential formative factor habitable environment of man. Factor this it was been possible to divide onto two elements. After first radon and radiation alpha. After second meanwhile radiation gamma from potassium K-40, radium Ra-226 and thorium Th-232. Remembered radon, this in about 56 80% so-called land radon as well as in about 12 25% so-called material radon. Two coefficients qualifying f 1 and f 2 capture limitation of activity of total natural radioactive contain elements in buildings' materials. 1. PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ NATURALNA W ŚRODOWISKU MIESZKALNYM Promieniowanie jonizujące oddziaływuje ciągle w mniejszym lub większym zakresie na organizmy żywe. Promieniowanie to pochodzi z licznych źródeł tak pozaziemskich, jak i ziemskich naturalnych oraz sztucznych. Największą dawkę promieniowania organizmy żywe otrzymują jednak w wyniku wchłaniania powietrza, w którym występuje radon radioaktywny gaz szlachetny. Na rys. 1.1 przedstawiono w sposób poglądowy procentowe udziały poszczególnych rodzajów promieniowania jonizującego, na które wystawiony jest organizm człowieka. *) Dr inż., Pol. Śląska, Wydział Budownictwa, Gliwice, ul. Akademicka 5; jantoni@polsl.gliwice.pl

3 106 ARCHITEKTURA I TECHNIKA A ZDROWIE Rys Procentowe udziały ekspozycyjne mieszkańców Ziemi na promieniowanie jonizujące [9]. Gdzie: 1 promieniowanie wewnętrzne (od pożywienia) 0,3 msv (11%); 2 promieniowanie kosmiczne 0,4 msv (15%); 3 ziemskie promieniowanie gamma (od skał i gleb) 0,6 msv (22%); 4 radon 1,4 msv (52%). Z porównania poszczególnych udziałów promieniowania jonizującego działającego na organizm człowieka wynika, iż radon zawarty w powietrzu stanowi największe zagrożenie w porównaniu z innymi emiterami tegoż promieniowania. 2. MORFOLOGIA RADONU W przyrodzie występują trzy emanacje radonowe: aktynowa, torowa i radowa. Wszystkie izotopy radonu różnią się między sobą własnościami promieniotwórczymi. Najważniejszym izotopem radonu jest radon Rn 222 o 136 neutronach. Radon jest bezbarwnym i bezwonnym gazem szlachetnym, należącym do rodziny głównej helowców. Pochodzi on bezpośrednio od najbardziej rozpowszechnionego izotopu radu Ra 226, który jest ósmym z kolei członem szeregu uranowego (uran U 238). Rozpad radu można przedstawić w postaci jak niżej: Ra Rn + He 4, MeV (2.1) Z zapisu powyższego wynika właśnie, iż rad jest nietrwały i może wyemitować cząstkę alfa, wydzielając w każdym zaistniałym akcie rozpadu 4,87 MeV energii. Czas połowicznego rozpadu radonu Rn 222 wynosi 3 dni, 19 godzin i 12 minut. Sztucznie wytworzone izotopy radonu oraz niektóre naturalne izotopy mają okresy połowicznego rozpadu rzędu kilku godzin lub minut, a nawet i sekund. W przeważającej części, promieniowanie wszystkich izotopów radonu, podczas ich rozpadu przypada na cząstki alfa. Jeśli chodzi o przenikliwe promieniowanie beta oraz gamma, to izotopy radonu prawie wcale ich nie wysyłają w przeciwieństwie do jego pochodnych. Niektóre substancje, takie jak: tłuszcze, kauczuk, parafina, kwarc, platyna pochłaniają energicznie radon. Szczególnie silne własności absorpcyjne mają żel krzemionkowy i węgiel

4 ARCHITEKTURA I TECHNIKA A ZDROWIE 107 aktywny. Radon, obecny w powietrzu wentylowanym jest tą częścią atomów tego pierwiastka, która zdołała uwolnić się ze struktur mineralnych (p.w. z gruntu i z materiałów budowlanych). Miarą tego uwalniania jest współczynnik emanacji określający, jaki procent utworzonych w obrębie ciała stałego atomów radonu wydostaje się na zewnątrz. Proces uwalniania się radonu z minerałów jest ułatwiony przez fakt, iż w momencie rozpadu radu dochodzi do emisji wspomnianej już cząstki alfa, a nowoutworzony atom radonu zostaje odrzucony siłą odrzutu w przeciwnym kierunku. Dzięki temu odrzutowi nowopowstały atom radonu może przebyć drogę od minimum 20 nm w obrębie struktury minerału, do maksimum 90 tys. nm w powietrzu. Atomy radonu, które siłą odrzutu zostały wyrzucone poza ziarno mineralne do przestrzeni porowej, tworzą tzw. frakcję uwolnioną w sposób bezpośredni. Ilość atomów radonu uwolnionych z ziaren mineralnych dzięki odrzutowi alfa jest tym większa, im krótsza jest droga do przestrzeni porowej. Jeżeli atomy radu są rozmieszczone równomiernie w obrębie ziarna mineralnego, to długość tej drogi zależy głównie od średnicy tychże ziaren [10]. Pewnego rodzaju uzupełnieniem frakcji uwolnionej w sposób bezpośredni jest tzw. frakcja uwolniona pośrednio. Zjawisko to polega na tym, iż część nowoutworzonych atomów radonu zdolna jest przelecieć przestrzeń porową i wbić się w kolejne ziarno mineralne. Pozostawiają one za sobą kanał wlotowy będący rezultatem upłynnienia lub też odparowania minerału na drodze swego przelotu. Kanał ten ułatwia wsteczną migrację do przestrzeni porowej. Przejście gazowego radonu do przestrzeni porowej jest pierwszym etapem jego migracji w środowisku [11]. Dotyczy to w mniejszym lub większym zakresie wszystkich porowatych ciał mineralnych, w których występuje rad Ra STĘŻENIE RADONU W POWIETRZU POMIESZCZEŃ Izotop radonu Rn 222 (wraz ze swymi pochodnymi) zawarty w powietrzu pomieszczeń mieszkalnych, jest źródłem narażenia wewnętrznego mieszkańców obiektów przeznaczonych na stały pobyt ludzi [1]. Przy oddychaniu radon oraz jego pochodne przedostają się do dróg oddechowych, powodując ich napromieniowanie cząstkami alfa. Na rys. 3.1 przedstawiono w sposób poglądowy schemat przemieszczania się tzw. radonu materiałowego wewnątrz obiektu budowlanego [4].

5 108 ARCHITEKTURA I TECHNIKA A ZDROWIE Rys Schematyczne przedstawienie przemieszczania się tzw. radonu materiałowego wewnątrz budynku [4]. Radon znajduje się w różnych ilościach w mineralnych materiałach budowlanych, w wodach powierzchniowych i głębinowych, w paliwach stałych i gazowych, a przede wszystkim w gruntach budowlanych. Ok. 52% dawki równoważnej promieniowania (rys. 1.1) pochodzi od radonu; przy czym przyjmuje się, iż z tego ok % to tzw. radon materiałowy, a ok. 70% (56 80%) to tzw. radon gruntowy [2]. Wnikanie radonu do powietrza wentylowanego mieszkań odbywa się zarówno na drodze swobodnej molekularnej dyfuzji atomów tegoż radonu z gruntu, jak i efektu ssania. Efekt ten wynika z niewielkiej różnicy ciśnień pomiędzy wnętrzem i zewnętrzem domu, spowodowanej z kolei przez różnicę temperatur (tzw. efekt kominowy ) oraz wiatr, opady i ciśnienie powietrza atmosferycznego. Radon przedostaje się do wnętrza budynku przez spoiny, pęknięcia, otwory instalacyjne, a także różnego rodzaju nieszczelności w ławach i płytach fundamentowych [3][4][7][11]. Na rys. 3.2 przedstawiono najbardziej prawdopodobne drogi wnikania radonu przez poszczególne elementy budowlane do wnętrza budynku [7]. Rys Schemat dróg wnikania radonu zewnętrznego do wnętrza budynku [7].

6 ARCHITEKTURA I TECHNIKA A ZDROWIE 109 Ponieważ stężenie radonu w powietrzu wewnątrz zamkniętych pomieszczeń zależy od bardzo wielu czynników, to najistotniejszą rzeczą wydaje się określenie jego źródeł. Wymaga to rozważenia tak sposobu generowania radonu przez grunt oraz materiały budowlane, jak też trybu jego transportowania przez różne media. Na ruch radonu wewnątrz budynku ma wpływ (oprócz rozpadu promieniotwórczego), także poziom wymiany powietrza wentylowanego [5]. Troska o możliwie niską koncentrację radonu w pomieszczeniach gdzie przebywają ludzie, prowadzi naturalnie do zagadnień związanych z postępowaniem mającym za cel zredukowanie tej koncentracji do akceptowalnego poziomu. Zalecane do stosowania działania ochronnej profilaktyki radonowej przedstawiają się następująco: A) Radonu występującego w wodzie wodociągowej można się pozbywać stosując np. filtry z węgla aktywnego lub poprzez napowietrzanie. B) Zabezpieczenie przed radonem występującym w gazach glebowych polega p.w. na izolacji fundamentów oraz na przewietrzaniu przestrzeni pod fundamentami. C) Z kolei walka z radonem wydzielanym przez materiały budowlane polega m.in. na unikaniu stosowania materiałów zawierających wysoki poziom radu Ra-226, stosowanie izolacji powierzchniowych, częste wietrzenie oraz stosowanie wymuszonego przepływu powietrza przez pomieszczenia. Wydzielanie radonu z materiałów budowlanych, czyli tzw. ekshalację radonu wg [8] można ująć zależnością: E Rn = S η ρ λ Ra p Rn d 2 (3.1) gdzie: E Rn ekshalacja radonu Rn 222, [Bq/m 2 h]; S Ra stężenie radu Ra 226, [Bq/kg]; η współczynnik emanacji radonu Rn 222, (<1); ρ p gęstość pozorna materiału budowlanego, [kg/m 3 ]; λ Rn stała rozpadu radonu Rn 222 = 7, , [h 1 ]; d grubość elementu budowlanego, [m].

7 110 ARCHITEKTURA I TECHNIKA A ZDROWIE Tabela 3.1. Wartości współczynnika η dla przykładowych surowców i materiałów budowlanych. Nazwa minerału lub materiału budowlanego: Wartość współczynnika η w [%]: Beton komórkowy 5,0 Beton zwykły 2,2 Cegła ceramiczna 0,4 Cegła silikatowa 9,0 Gips naturalny 4,0 Gips syntetyczny apatytowy 2,0 Gips syntetyczny fosforytowy 9,3 Granit 7 33 Piaskowiec naturalny 10,0 Pumeks hutniczy 1,0 Pumeks naturalny 2,5 Żużel hutniczy 0,8 Przy znanej ekshalacji radonu, jego stężenie w powietrzu pomieszczeń zamkniętych można w pewnym przybliżeniu określić z warunku [8]: S Rn ( w ) = E Rn F 1 V + L S λ + L Rn ( z ) (3.2) gdzie: S Rn(w) stężenie radonu Rn 222 w powietrzu pomieszczeń zamkniętych (powietrze wewnętrzne ), [Bq/m 3 ]; E Rn ekshalacja radonu Rn 222, [Bq/m 2 h]; F V 1 stosunek powierzchni całkowitej pomieszczenia do jego objętości, [m 1 ]; L wymiana powietrza, [h 1 ]; λ Rn stała rozpadu radonu Rn 222 = 7, , [h 1 ]; S Rn(z) stężenie radonu Rn 222 w powietrzu zewnętrznym, [Bq/m 3 ]. Stężenie radonu pochodzącego z materiałów budowlanych w powietrzu wewnętrznym jest tym wyższe: im większa jest ekshalacja radonu z materiałów budowlanych, im większy jest stosunek powierzchni całkowitej pomieszczenia do jego objętości, im mniejsza jest wymiana powietrza oraz im większe jest stężenie radonu w powietrzu zewnętrznym. Obliczenia stężenia radonu wg zależności (3.2) mogą dostarczyć tylko informacji jakościowej o stanie zagrożenia radonem w pomieszczeniach mieszkalnych, gdyż zależność ta nie uwzględnia wpływu rodzaju materiału przegród i ich faktury zewnętrznej (rodzaju farby malarskiej, jakości tapety, itp.) na efektywność ekshalacji radonu.

8 ARCHITEKTURA I TECHNIKA A ZDROWIE 111 Na terenie Polski zgodnie z Zarządzeniem Prezesa PAA [13], średnie wartości roczne stężenia radonu-222 w pomieszczeniach przeznaczonych na stały pobyt ludzi nie mogą przekraczać: 1) 400 Bq/m 3 w budynkach istniejących i oddawanych do użytku przed dniem r., 2) 200 Bq/m 3 w budynkach oddawanych do użytku po dniu r. Metody i warunki pomiarów radonowych omówiono w Instrukcji ITB 352/98 [6]. 4. PROMIENIOWANIE GAMMA Spośród naturalnych pierwiastków promieniotwórczych występujących w przyrodzie, istotne znaczenie ze względu na poziom tła naturalnego w środowisku mieszkalnym mają: potas K 40, uran U 238 wraz z izotopami promieniotwórczymi szeregu uranowego (np. Ra-226), tor Th 232 wraz z izotopami promieniotwórczymi szeregu torowego. Ponadto wybuchy jądrowe, a także awarie energetyki jądrowej wprowadzają do środowiska cez Cs 134 i Cs 137 (okres półrozpadu około 33 lat). Rozpad promieniotwórczy tych izotopów jest źródłem cząstek alfa i beta oraz promieniowania gamma. Od stężenia promieniotwórczego potasu K 40 i izotopów promieniotwórczych szeregu uranowego (pochodnych uranu U 238) oraz szeregu torowego (pochodnych toru Th 232) w zewnętrznej warstwie skorupy ziemskiej i w materiałach budowlanych zależy moc dawki naturalnego promieniowania γ zarówno na otwartym terenie jak i wewnątrz budynku. W pewnych sytuacjach [2] także stężenie cezu Cs 137 w zastosowanych materiałach budowlanym może stanowić istotny składnik zanieczyszczenia promieniotwórczego mikrośrodowiska mieszkalnego człowieka. W tabeli 4.1 zaprezentowano przykładowe zakresy stężeń naturalnych pierwiastków promieniotwórczych w różnych materiałach w Polsce wg ITB.

9 112 ARCHITEKTURA I TECHNIKA A ZDROWIE Tabela 4.1. Zakresy stężeń naturalnych pierwiastków promieniotwórczych w różnych przykładowych materiałach w Polsce (wg ITB). Materiał budowlany: Stężenie w [Bq/kg]: K 40 Ra 226 Th 232 Beton zwykły Cegła ceramiczna Cegła wapienno piaskowa 181,3 37 1,1 Cement hutniczy Cement portlandzki Drewno znikome znikome znikome Gips naturalny Granit Piasek naturalny Popiół lotny Wełna szklana znikome znikome znikome Żużel WSPÓŁCZYNNIKI KWALIFIKACYJNE Określenie zanieczyszczeń promieniotwórczych w surowcach i materiałach budowlanych polega na wyznaczeniu sumarycznej aktywności występujących w nich radionuklidów oraz pośrednio wielkości emisji gazowego radonu i porównaniu wyników z wymaganiami zawartymi w Instrukcji ITB 234/95 [5]. Wyznaczenie stężenia naturalnych pierwiastków promieniotwórczych w badanych surowcach i materiałach pozwala na wyliczenie współczynników kwalifikacyjnych. Warunkiem stwierdzenia ograniczenia aktywności sumarycznej naturalnych pierwiastków promieniotwórczych, tzn. potasu K-40, radu Ra-226 i toru Th-232 jest ustalona wielkość współczynnika kwalifikacyjnego f 1, zaś ograniczenia stężenia radu co wiąże się z ekshalacją gazowego radonu wielkość współczynnika kwalifikacyjnego f 2. Współczynniki kwalifikacyjne f 1 i f 2 mają następującą postać matematyczną [5][6][12]: f 1 = 0,00027 S K + 0,0027 S Ra + 0,0043 S Th 1 (5.1) f 2 = S Ra 185 [Bq/kg] (5.2) gdzie: S K, S Ra, S Th stężenie potasu, radu i toru w badanych surowcach, w [Bq/kg].

10 ARCHITEKTURA I TECHNIKA A ZDROWIE 113 Oba wymienione powyżej warunki muszą być spełnione przez materiały budowlane stosowane w budownictwie przeznaczonym na stały pobyt ludzi ; jeśli chodzi zaś o surowce mineralne, to dopuszcza się przekroczenia do 20 % (tzn. f 1 1,20 oraz f [Bq/kg]), pod warunkiem że zostaną one zastosowane w wyrobach budowlanych w takich ilościach i przy wykorzystaniu takich technologii, iż gotowy wyrób będzie spełniał normatywne warunki (5.1) i (5.2). 6. PODSUMOWANIE Człowiek od początku swego istnienia był narażony na przyjmowanie pewnych dawek promieniowania pochodzącego zarówno z ziemskiego promieniowania tła, jak również z promieniowania kosmicznego, ale do tych dawek organizm ludzki zdążył się przystosować i w pewnym sensie są one dla niego konieczne (rola bakteriobójcza i stymulująca promieniowania). Zaobserwowana w minionym stuleciu zmiana sposobu bycia, spędzania 80% czasu w pomieszczeniach zamkniętych, a także zwiększenie ilości źródeł promieniowania (tak naturalnych jak i sztucznych) może wpłynąć na takie zmiany ekspozycyjne człowieka, że przekroczą one jego zdolności adaptacyjne. Wskutek tego promieniowanie może spowodować poważne szkody w organizmie, a naświetlony organizm nie zdaje sobie z tego sprawy. Rodzaj i rozmiar objawów wywołanych przez promieniowanie zależą od rodzaju promieniowania i od głębokości wnikania, a także od wielkości powierzchni ciała, na które działa promieniowanie oraz czasu jego trwania. Ważna jest także tzw. odporność osobnicza. LITERATURA 1. Brunarski L., Krawczyk M.: Metody zabezpieczeń mieszkańców przed zagrożeniem radonowym. Konferencja Naukowo Szkoleniowa na temat: Naturalna promieniotwórczość w środowisku. GIG. Katowice, luty 1996r. 2. Brunarski L., Krawczyk M.: Promieniotwórczość naturalna w budynkach. XL Konferencja Naukowa Komitetu Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN i Komitetu Nauki PZITB. Krynica, 1994r. 3. Brunarski L.: Promieniotwórczość naturalna wyrobów budowlanych. SBPB. Warszawa, 1997r. 4. Handbook of RADON in buildings: Detection, Safety, and Control. Mueller Associates, Inc. SYSCON Corporation. Brookhaven National Laboratory. New York 1988 London. 5. Instrukcja 234/95: Wytyczne badania promieniotwórczości naturalnej surowców i materiałów budowlanych. Instytut Techniki Budowlanej. Warszawa, 1995r.

11 114 ARCHITEKTURA I TECHNIKA A ZDROWIE 6. Instrukcja 352/98: Metody i warunki wykonywania pomiarów stężenia radonu w powietrzu w pomieszczeniach budynków przeznaczonych na stały pobyt ludzi. Instytut Techniki Budowlanej. Warszawa, 1998r. 7. Mamont Cieśla K.: Radon w mieszkaniach. Przegląd Budowlany, 7/ Neroth G.: Radon in Innenräumen. Ergebnisse einer Untersuchungsreihe im Fichtelgebirge. Bauphysik 15 (1993), Heft 5. Berlin, Promieniotwórczy radon. Seria: Ochrona przed promieniowaniem ; zeszyt 5. Wydano na zlecenie Departamentu Szkolenia i Informacji Społecznej Państwowej Agencji Atomistyki. Warszawa, 1993r. 10. Solecki A.T.: Geochemia radonu. XVII Szkoła Jesienna Polskiego Towarzystwa Badań Radiacyjnych im. Marii Skłodowskiej Curie. Zakopane, 1997r. 11. Wysocka M.: Radon w domach na terenie Górnośląskiego Okręgu Węglowego. Konferencja Naukowo Szkoleniowa na temat: Naturalna promieniotwórczość w środowisku. GIG. Katowice, luty 1996r. 12. Zarządzenie Ministra Zdrowia i Opieki Społecznej z dn r. w sprawie dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia, wydzielanych przez materiały budowlane i elementy wyposażenia w pomieszczeniach przeznaczonych na pobyt ludzi (MP, nr 19/1996, poz. 231). 13. Zarządzenie Prezesa Państwowej Agencji Atomistyki, z dn. 31 marca 1988r. w sprawie dawek granicznych promieniowania jonizującego i wskaźników pochodnych określających zagrożenie promieniowaniem jonizującym, (MP 14/88, poz. 124).