松散破碎射气介质氡析出能力的测量与计算

李广悦,丁德馨,陈 翔,徐文平,刘玉龙

(1.中南大学资源与安全工程学院,湖南 长沙 410083;

2.南华大学核资源与核燃料工程学院,湖南 衡阳 421001)

铀矿石经机械或爆破破碎后形成的颗粒材料称为松散破碎射气介质。松散破碎射气介质是多孔介质的一种,由固体颗粒和孔隙组成。松散破碎射气介质与土壤、裂隙岩体等其他多孔介质相比,具有的特点是：①颗粒粒径分布极不均匀;②颗粒粒径较大;③颗粒中不断有氡析出;④孔隙中氡与空气并存[1]。

松散破碎射气介质中因镭衰变而产生的氡,分为能自由运移的氡和不能自由运移的氡[2-4]。单位体积的松散破碎射气介质在单位时间内产生的可以自由运移的氡的量,定义为松散破碎射气介质的氡析出能力[2]。

对于射气介质的氡析出能力,传统的计算方法是通过将介质置于一密闭测试装置中,测量当其中的氡析出达到平衡时介质的射气系数Se,再采用式(1)计算获得：

式中：a为介质的氡析出能力,Bq/m3◦s;Se为介质的射气系数;ρ为介质的密度,kg/m3;U为铀的百分含量,%;Kp为铀镭平衡系数。

显然,采用该式计算松散破碎射气介质的氡析出能力是不合理的。因为,松散破碎射气介质是由大小不同的铀矿石颗粒组成,其氡的析出是以氡浓度梯度为动力的扩散析出[6-8]。由于有浓度梯度,必定存在反扩散。反扩散的存在使得松散破碎射气介质的氡析出能力不是定值,而是随浓度的变化而变化的[9-13]。

对于松散破碎介质的氡析出能力,国内外学者尚未开展研究。而这一物理量对于确定铀矿山地下采场及地下原地爆破浸出采场降氡通风的需风量是非常重要的,对于模拟松散破碎射气介质中氡的析出与运移则更是不可缺少的。

本文根据解决上述问题的需要,设计了松散破碎射气介质不同时刻氡浓度的测量装置,建立了根据不同时刻氡浓度计算其氡析出能力的方法,并采用所设计的装置和建立的方法,计算了2种不同级配松散破碎射气介质的氡析出能力。

1 测量装置及计算原理

1.1 测量装置

自制的测量装置如图1所示。装置由主体部分14、上层顶盖8、下层顶盖6、洗耳球1及膜盒压力表 12等组成。主体部分的长、宽、高均为250mm,由厚度为10 mm的铁皮焊接而成,并与下层顶盖6焊为一体。上层顶盖8和下层顶盖6采用厚度5 mm的铁皮制作,其间加胶皮垫圈7,它们之间的接触面采用玻璃胶粘连,再采用螺栓10、13固定下层钢条 5和上层钢条 9。装置上的取样口4、加压口11及排气口15均为气门芯。取样口4与洗耳球1之间通过胶皮管3连接。

图1 松散破碎射气介质中氡浓度测量装置Fig.1 Apparatus formeasuring radon concentration in the loose fragmented radon-em ittingmedium

1.2 计算原理

采用图1所示的测量装置,通过测量不同时刻松散破碎射气介质中的氡浓度C,绘出氡浓度C随时间t变化的散点图,拟合出氡浓度C随时间t变化的关系式,求出,将其乘以松散破碎介质的孔隙率,即得到松散破碎射气介质氡析出能力a随时间t变化的关系式。代入与氡浓度相对应的时间,即可计算得到与之相对应的氡析出能力a,从而可建立氡析出能力与氡浓度的关系。根据各测点的氡析出能力和所对应的氡浓度数据,绘出松散破碎射气介质氡析出能力a随氡浓度C变化的散点图,最终拟合出氡析出能力a随氡浓度C变化的关系式。

2 2种松散破碎射气介质氡析出能力的测量与计算

这里以两种不同级配的铀矿样为例,说明松散破碎射气介质氡析出能力的测量与计算。

铀矿样1按质量分数配制。各粒组的质量分数为：0～1 cm占57.44%,1～2 cm占16.45%,2～3 cm占9.50%,3～4 cm占6.41%,4～5 cm占4.73%,5～7 cm占5.47%,总重25 kg。按质量分数分别称重,混合均匀,装入按图1制作的测量装置A中并密封。该铀矿样的含水率0.96%,孔隙率0.303 4。测量时的压力为常压,温度为27℃,湿度为44%。

铀矿样2亦按质量分数配制。各粒组的质量分数为：0～1 cm占49.36%,1～2 cm占17.23%,2～3 cm占11.06%,3～4 cm占8.14%,4～5 cm占6.45%,5～7 cm 占7.76%,总重25 kg。按质量分数分别称重,混合均匀,装入按图1制作的测量装置B中并密封。该铀矿样的含水率0.96%,孔隙率0.263 0。测量时的压力为常压,温度为27℃,湿度为44%。

试验开始前,打开排气口15、加压口11、止水夹2,使用鼓风机通风20 m in,尽可能排除装置内已产生的氡气。然后关闭排气口15、加压口 11、止水夹 2,再将 2个体积为0.09 L的洗耳球1中的空气排出,分别连接到装置A、B的胶皮管3上,吸入装置内已产生的氡气,再通过胶皮管3将气体压入装置中,重复操作 2 min。然后将 2支量程为0.05 L的针孔注射器分别插入装置A、B的胶皮管3中,各抽取0.05 L的氡气,再分别注入体积均为0.5 L的ST206型闪烁室中并封存,3 h后将闪烁室置于中核北京核仪器厂生产的FD125型氡钍分析仪上,连接FH 463B型自动定标器分别读取其计数率。以0.5 h为时间间隔,重复取样。

所测得的铀矿样1和铀矿样2的氡浓度C随时间t而变化的数据如表1所示。

表1 铀矿样1和铀矿样2的氡浓度C随时间t而变化的数据Table 1 The variation ofmeasured radon concentration w ith time for uranium ore samp les 1 and 2

通过对铀矿样1的氡浓度C随时间t变化的数据进行回归分析,得到铀矿样1的氡浓度C随时间t变化的拟合方程：

同样,通过对铀矿样2的氡浓度C随时间t变化的数据进行回归分析,得到铀矿样2的氡浓度C随时间t变化的拟合方程：

将拟合方程(2)对时间t求导,得到铀矿样1的氡析出能力a随时间t变化的表达式：

同样,将拟合方程(3)对时间t求导,得到铀矿样2的氡析出能力a随时间t变化的表达式：

从表1中铀矿样1的第2个测点开始,将各测点的对应的时间代入式(4),得铀矿样1各测点的氡析出能力。这样,即可计算得到与铀矿样1各测点的氡浓度相对应的氡析出能力。同样,从表1中铀矿样2的第2个测点开始,将各测点所对应的时间代入式(5),求得铀矿样2各测点的氡析出能力。同样即可计算得到与铀矿样2各测点的氡浓度相对应的氡析出能力。

以氡浓度C为横坐标,以氡析出能力a为纵坐标,作出铀矿样1和铀矿样2的氡析出能力a随氡浓度C变化的散点图,如图2和图3所示。

图2 铀矿样1的氡析出能力a随氡浓度C变化的散点图Fig.2 The relationship between radon emanation capability(a)and radon concentration(C)for uranium ore sample 1

图3 铀矿样2的氡析出能力a随氡浓度C变化的散点图Fig.3 The relationship betw een transient radon emanation capability(a)and transient radon concentration(C)for uranium ore samp le 2

对图2和图3进行回归分析,得到铀矿样1和铀矿样2的氡析出能力a随氡浓度C变化的拟合方程：

3 结束语

目前,通过测量松散破碎射气介质的射气系数所计算得到的氡析出能力,是一个常量。采用这一参数模拟松散破碎射气介质中氡的析出与运移以及计算铀矿山地下采场和地下原地爆破浸出采场降氡通风所需的风量是不合理的,因为这没有考虑到松散破碎射气介质的氡析出能力是随氡浓度而变化的这一重要特性。

本文针对这一问题,设计了测量松散破碎射气介质中不同时刻氡浓度的装置,建立了根据不同时刻氡浓度计算其氡析出能力的方法。这对于铀矿山地下采场和地下原地爆破浸出采场降氡通风需风量的调节,以及铀矿堆中氡的析出与运移的模拟,都具有重要意义。

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