温度对多孔射气介质氡析出影响试验研究*

张忠相　李向阳　邓文辉　蒋复量　谢东　周星火

(1.南华大学环境保护与安全工程学院　湖南衡阳 421001；　2核工业北京化工冶金研究院 　北京 101149)



职业健康

温度对多孔射气介质氡析出影响试验研究*

张忠相1李向阳1邓文辉2蒋复量1谢东1周星火1

(1.南华大学环境保护与安全工程学院湖南衡阳 421001；2核工业北京化工冶金研究院 北京 101149)

摘要为了研究围岩中温度对氡析出率的影响，选取某铀矿铀尾矿矿砂试样，根据相似准则设计并制作了测量多孔射气介质氡析出率的室内试验装置。采用RAD-7氡测量仪，运用等时间间隔取样方法测量氡浓度。采用对照试验的方法研究了温度对多孔射气介质氡析出率的影响规律。试验结果表明，在自然压力下，在温度为20 ℃到60 ℃范围内，随着温度的升高，多孔介质氡析出率逐渐增大，并且氡析出率与温度符合线性函数关系。

关键词温度多孔射气介质氡析出率等时间间隔

0引言

随着国家积极发展核能，铀矿的研究和勘查工作力度不断加大，在一些重要铀矿区深部1 000 m左右的深度处发现了良好的工业铀矿化，目前江西某铀矿开采深度已达600 m，地下开采的铀矿山将加速向深部发展。大量研究表明，氡在多孔介质中的迁移行为是一个与温度、压力、含水率、孔隙度、渗透性等内外因素相关的时效过程。深部开采时将面临一系列复杂的技术难题，目前对高地热环境下围岩中氡迁移行为的研究仍然处于空白，因此，在将来铀矿深部开采中，可能由于对深部复杂环境下氡迁移行为的认识不足而面临重大的辐射安全隐患。为此，开展高温对多孔射气介质氡析出率影响的室内试验研究，具有前瞻性理论意义。

1温度对氡析出率影响试验原理

1.1温度对氡析出影响原理

对流为流体空间位置的转移。只要有流体流动，就有对流作用发生，而温度势作为流体流动的驱动力之一。当多孔介质体系中温度势增大，流速增大，对流作用加强。流体从低温的地方流向高温的地方，多孔介质温度梯度越大，对流作用越强，在氡析出多孔射气介质模型中，温度梯度越大，氡析出量越大。在多孔射气介质模型中，氡气不能占据多孔介质整个空间，因此仅占据多孔介质的孔隙空间，则

(1)

根据分子扩散原理，在氡析出多孔射气介质模型中，氡气从高浓度的地方扩散到低浓度的地方，这种扩散是由分子的随机热运动引起的质点分散现象，存在于氡气的所有运动过程中，其扩散方向与浓度梯度方向相反。温度越高，氡分子热运动越剧烈。

1.2等时间间隔氡取样原理

由于氡收集器边缘泄漏与气压平衡造成的泄漏和氡析出面积与空间容积比值很大，使得氡析出密度很大。积累箱内氡浓度的上升又是非线性的，为此，采用等时间间隔取样的方法，方法原理[1]如下。

若取样时间间隔(氡积累时间)为ΔT，取样前的本体氡浓度为C(0)，则

(2)

式中，C(n)(n=0,1,2，…)表示氡浓度，Bq/m3；J表示氡析出率，Bq/(m2·s)；λe为等效衰变系数，s-1；V表示模型容积，m3；S表示模型内表面积，m2；ΔT表示时间间隔，s。下式中符号意义相同。

(3)

依此类推，则第n个样品的氡浓度为

(4)

令

在任意一次测量中，a和b均为常数，在第n次测量中有式(5)：

C(n)=a+C(n-1)b

(5)

则在第n+1测量时有式(6)：

C(n)=a+C(n)b

(6)

将式(5)和式(6)联立可得到：

(7)

(8)

等效衰变系数：

(9)

氡析出率：

(10)

1.3试验装置

1.3.1试验样品

试验材料为某铀矿铀尾矿矿砂，其镭比活度为8.75 Bq/kg、铀品位为0.013%。筛选粒径为1～2 mm的矿砂与水泥按5∶1均匀混合，将其浇筑成1个长940 mm，外径400 mm，内径110 mm的空心圆柱体。

1.3.2试验装置

试验装置结构如图1所示。其尺寸长为950 mm、宽为500 mm、高为500 mm。试验装置供风选用上海电机厂旋涡气泵(HG-370SB型)，其供风压力范围(0～16 kPa)；为了使模型内壁能更好的均匀受热，采用ED330L数字显示加热控制器加热，其误差为±1 ℃；为避免通风过程中造成模型两端受热不均，在风机出口连接有风箱，能够连续缓慢送风；为了测量多孔射气介质模型内壁温度，在其内壁内装有3个热电偶，其外连接XMTD数显控制仪；运用DYS-1数字气压表与温度计测量室内气压和温度环境参数，采用RAD-7测氡仪测量氡浓度。

1-风机；2-风箱；3-阀门；4-加热器；

5-多孔射气介质；6-垫木；7-累积箱

图1实验装置结构

1.3.3试验方法和步骤

试验假设：①试验模型为多孔均匀射气介质；②多孔射气介质受热均匀；③试验模型内壁两侧温度相等。

为了准确测量积累箱中的氡浓度，降低室内环境湿度对仪器探测灵敏度的影响，采用RAD-7测氡仪，采用等时间间隔取样。试验测量时间为2015年10月到11月份，上午9点到12点。试验的基本步骤为：

(1)对多孔射气介质加热。加热时间为18∶00到次日氡浓度测量结束，保证测量时内壁温度达到热稳定平衡状态。

(2)氡浓度测量。首先打开RAD-7测氡仪，净化20 min，将仪器内残留的氡气排出并使仪器内空气湿度降低到10%以下；再打开风机20min，排出积累箱中的残留氡气；然后将RAD-7设置为“sniff”模式，用来快速跟踪快速变化的氡浓度；将每次测量的时间设置为30 min，测量循环次数为6次，可得到C(n)(n=1,2,…6)；泵的设置为auto模式。

(3)测量环境参数。氡的累积过程中测量室内的气温、气压等。

2试验结果及分析

2.1实测数据结果

根据试验测试结果，表1中列出了自然压力下内壁在20、25、30、35、40、45、50、55、60 ℃这9种情况下的氡浓度测量值，如表1所示，C(n)(n=0,1,2，…6)表示氡浓度，Bq/m3。

表1　氡浓度测量值　Bq/m3

根据表1氡浓度C(1)～C(6)数值，按照式(5)～式(10)计算出多孔射气介质的氡析出率，氡析出率值如表2所示。

表2　不同温度下介质表面氡析出率

2.2试验结果分析

从表2中可以看出在自然压力下，随着内壁温度升高平均氡析出率数值逐渐增大。一方面由于加热过程中内壁与外壁温度不同，在等体积过程中，随着温度增加，积累箱内气压增大；而多孔射气介质是透气的，必然在射气介质内造成气体渗流，因为温度增加对流作用加强，氡析出率增大。另一方面根据氡的扩散运移理论。第一步，氡析出进入空隙；第二部，氡在空隙中运移。在介质内部非常容易产生空气渗流。温度升高使得介质膨胀，空隙直径、形状发生改变，渗流的速率高，扩散系数变大，导致氡析出率增大。为了更好地研究温度对多孔射气介质氡析出率的影响，利用MATLAB cftool工具箱对每一次测量所得氡析出率平均值进行线性拟合，拟合曲线如图2所示，得出了多孔射气介质氡析出率(J)与内壁温度(T)的函数关系式，如式(11)所示，拟合的相关系数R=0.989 3。

J=0.008 8T-0.035 9

(11)

图2　不同内壁温度下的氡析出率曲线

3结论

利用自制的一维氡析出试验装置，对不同温度下多孔射气介质表面氡析出率的变化规律进行试验研究得出以下结论：

(1)试验研究表明在一定温度范围内，随着温度的增加，氡析出率增大。氡析出率(J)与内壁温度(T)两者符合线性函数关系：J=0.008 8T-0.035 9。

(2)试验结果表明温度对多孔射气介质内壁氡析出的影响较大，在计算深部铀矿井氡析出量时，必须考虑地热造成的高温岩壁氡析出影响，岩温越高影响越大。

(3)实验为自然压力下温度对多孔射气介质氡析出率影响的单相试验，为了更好的切合实际铀矿山氡析出情况，下一步应该模拟深部铀矿井高应力高地热耦合情况下氡析出率情况。

参考文献

[1]张哲,朱民安,张永祥.地下工程与人居环境氡防护技术[M].北京:原子能出版社,2009.

*基金项目：国家自然科学基金(11475081)，国家安监总局安全生产重大事故防治关键技术科技项目(hunan-0022-2015AQ)。

作者简介张忠相，硕士，主要研究方向：铀矿安全与通风。

(收稿日期：2015-12-28)

The Experimental Research on the Impact of Temperature on Porous Medium Emanation Radon Exhalation

ZHANG Zhongxiang1LI Xiangyang1DENG Wenhu2JIANG Fuliang1XIE Dong1ZHOU Xinghuo1

(1．CollegeofEnvironmentalandSafetyEngineering,UniversityofSouthChinaHengyang，Hunan421001)

AbstractIn order to study the effect of high temperature on the radon exhalation rate of surrounding rock, a uranium mine uranium tailing ore sample is selected, according to the similarity criterion, the porous medium emanation measurement of indoor radon exhalation rate test apparatus is designed and made. RAD - 7 radon measurement instrument is applied and the same time interval sampling methods are also used, to measure radon concentration.The method of controlled trials is adopted to study the influencing rules of the temperature on the porous medium emanation of radon exhalation rate. Test results show that under natural pressure, the temperature ranged from 20 ℃ to 60 ℃ and with the increase of temperature, porous medium radon exhalation rate increases gradually, and the radon exhalation rate and temperature conforms with the linear function relation.

Key Wordstemperatureporous emanationradon exhalation ratesame time interval