不同覆盖材料抑制废石堆氡析出试验研究

2021-05-22崔宇郭锦涛王文博

铀矿地质 2021年3期

崔宇，郭锦涛，王文博

（核工业二〇八大队，内蒙古包头 014010）

铀矿地质勘查加速推动了我国核工业的发展，但在取得显著成果的同时，潜在的氡辐射也对周围环境和居民人身安全造成了伤害。氡是世界第二大致肺癌因素［1-3］，控制多孔介质的氡析出是铀矿地质勘查遗留设施治理的重点工作。在铀矿地质勘查遗留设施治理工作中，废石堆的治理不仅实施难度高而且任务量大。目前覆盖是治理废石堆最常用的方法［4-6］，可以有效抑制多孔介质中氡析出率和γ辐射剂量率［7-8］，同时治理成本较低。覆盖治理面临的最主要的问题之一是覆盖材料的选取，不同的覆盖材料对抑制氡析出的能力存在明显差异，因地制宜的开展不同覆盖材料抑制氡析出的研究是实现覆盖治理的关键问题。

国内外学者对覆盖治理进行了相关的研究和应用，并且取得了丰富的成果。徐乐昌等人［9］针对不同的覆盖材料进行了大量覆盖试验，试验结果表明黏性黄土是抑制氡析出效果最明显的天然材料，水泥高岭土浆是抑制氡析出效果最明显的人工材料。胡良才等人［10］根据某铀尾矿的覆土治理试验研究确定了覆盖材料，并提出了多层覆盖系统设计。Bollhöfer等人［11］通过对在北澳大利亚某地区两种基质（废石、掺有30%红土材料的废石）为期5年氡析出通量的测量，结果表明混合基质的废石堆更容易产生季节性变化，有利于废石堆退役治理。但是，目前关于铀矿地质勘查遗留设施中废石堆覆盖材料方面的研究还没有见诸报道。鉴于此，本文以某废石堆为研究对象，通过进行大量覆盖试验开展了不同覆盖材料抑制废石堆氡析出试验研究，明确不同覆盖物抑制氡析出的效果，并最终确定该废石堆合理的覆盖材料，其研究结果可为类似退役治理工程提供参考。

1 覆盖试验及氡试验测量

1.1 试验场地

试验场地确定为某退役铀矿废石堆，试验覆盖区域地势平坦，高差一般不超过50 m，属于高原丘陵地区。该地区土壤以砂质亚黏土为主，气候较为干旱，水文条件简单，夏季干燥雨量少，冬季寒冷风沙多。由于降雨和风沙天气对氡析出过程存在影响，试验结果不稳定，因此选取夏季开展本试验。

1.2 试验方案

在选取的覆盖试验区域中划分4 块试验场地，每块试验场地大小为10 m×10 m。清除试验场地内的杂物和结构物，并对场地进行平整，使同一区域高差小于20 cm，坡度小于5°。在每块场地的4 个边角和中心区域设定5 个监测点，首先测量5 个测点的氡析出率平均值作为该试验区域的本底值。每块试验场地上按照20 cm 的覆盖厚度逐层进行覆盖，逐层进行测量，累计覆盖厚度达100 cm 试验结束。

1.3 覆盖材料选取与准备

本次试验选取了砂质亚黏土、砂石和砾石作为主要覆盖材料。砂质亚黏土为该矿床主要土壤类型，土源地充足。砂石是地表岩石经过长时间风化等作用，形成了不同大小的破碎颗粒。砾石主要源于开采中的矿体围岩。在覆盖试验前，对砂石和砾石做简单的人工处理。由于当地砂石储量相对较少，所以试验设定以下4 种覆盖材料进行覆盖试验：1）砂质亚黏土覆盖物；2）砾石覆盖物；3）砂质亚黏土与砾石按照2：1 混合的覆盖物；4）砂质亚黏土与砂石按照2：1 混合的覆盖物（表1）。

1.4 氡析出试验测量

试验所用仪器为FD-216 环境氡测量仪，仪器处于检定的有效期内，各项性能达标。测量方法和原理符合《表面氡析出率测定积累法》（EJ/T 979—1995）和《环境空气中氡的标准测量方法》（GB/T 14582—93）。试验过程中将FD-216 环境氡测量仪与配套集氡罩组合（图1）。

图1 氡析出率测量装置Fig.1 Working scenario of a radon exhalation rate measuring device

当试验区域完成每层覆盖后，由于受到氡扩散速度的影响，需静置一定时间确保由废石导致的表面氡析出率变化传递到覆盖层表面，故本试验在每次覆盖完毕后静置24 小时，并选择固定时间对试验场地的监测点进行测量。具体试验步骤如下：1）布置测点。将提前设定的监测点表面清理出直径不少于30 cm 的平面，将集氡罩平压在地面上，确保集氡罩周边压实封闭，查看测量装置密闭性，确保测试过程中无泄漏；2）设置参数。进行参数设置：充气时间5 分钟，测量时间15 分钟，排气时间5 分钟；3）设置密封时间并测量。连接好试验设备形成密闭循环，按下“氡析出率”键，设定密闭时间为40 分钟，确认后等待数据结果。

表1 砂质亚黏土材料属性Table 1 Sandy sub clay material properties

2 试验结果分析

为了直观对比不同覆盖材料抑制氡析出的能力，本文引用降低系数A描述降低氡析出的效果［12］：

式中：J0为初始状态下试验区域表面氡析出率，Bq/（m2·s）；Jc为覆盖试验后试验区域表面氡析出率，Bq/（m2·s）。

为保证试验数据的科学性和降低系数的计算，试验前调查了未扰动时试验场地的平均氡析出率，测试结果为2.078 Bq/（m2·s）。并对选取的4 块试验区域本底氡析出率进行测量，测量结果如下：砂质亚黏土覆盖区域本底氡析出率为2.23 Bq/（m2·s），砾石覆盖区域本底氡析出率为2.20 Bq/（m2·s），砂质亚黏土加砾石覆盖区域本底氡析出率为2.25 Bq/（m2·s），砂质亚黏土加砂覆盖区域本底氡析出率为2.18 Bq/（m2·s）。

2.1 砂质亚黏土覆盖试验结果分析

覆盖试验后的表面氡析出率随砂质亚黏土覆盖厚度的增大呈非线性趋势减小（图2）。由图2 可见，以覆盖厚度40 cm 为临界，减小趋势先快后慢。当覆盖厚度超过68 cm 时，试验区域表面氡析出率低于0.74 Bq/（m2·s），满足治理要求。通过公式（1）可得，当砂质亚黏土覆盖厚度达到100 cm 时，降低系数为3.98。由于孔隙率随着覆盖厚度的增大而变小，降低了氡在扩散作用下的迁移能力。同时随着覆土厚度的增大，氡在多孔介质中迁移距离变长，这两点原因使氡析出率随着覆盖厚度的增加逐渐减小［13］。覆盖厚度在40 cm 前抑制氡析出的能力明显优于之后的覆盖效果，趋势明显。该结论对工程治理的经济合理性有一定指导意义。

图2 氡析出率随砂质亚黏土覆盖厚度变化趋势Fig.2 Variation trend of radon exhalation rate with the sandy subclay cover thickness

2.2 砾石覆盖试验结果分析

氡析出率随着砾石覆盖厚度的增大逐渐减小，在覆盖厚度达40 cm 前几乎呈线性趋势减小。当覆盖厚度超过85 cm 时，试验区域表面氡析出率低于0.74 Bq/（m2·s），满足治理要求。通过公式（1）可得，砾石覆盖厚度达到100 cm 时，降低系数为3.19（图3）。由图3 可见，覆盖厚度从40～80 cm 变化时，试验区域表面氡析出率出现了先慢后快的变化趋势，这个反常现象与测量覆盖厚度60 cm 时当天的天气情况有关，测试当天为阴天，空气大气压相对较低，从而氡析出率较大［14］。

2.3 砂质亚黏土加砾石覆盖试验结果分析

部分铀矿废石堆退役治理中可能存在土源地不充足的情况，所以我们选择将砂质亚黏土和砾石按照2：1 进行混合作为覆盖物进行试验（图4）。由图4 可知，氡析出率随着砂质亚黏土和砾石混合物覆盖厚度的增大呈非线性减小。当覆盖厚度超过82.8 cm 时，试验区域表面氡析出率低于0.74 Bq/（m2·s），满足治理要求。通过公式（1）可得，砂质亚黏土和砾石混合物覆盖厚度达到100 cm 时，降低系数为3.63。

图3 氡析出率随砾石覆盖厚度变化趋势Fig.3 Variation trend of radon exhalation rate with the gravel cover thickness

图4 氡析出率随砂质亚黏土加砾石混合物覆盖厚度变化趋势Fig.4 Variation trend of radon exhalation rate with the mixture cover thickness of sandy subclay and gravel

2.4 砂质亚黏土加砂覆盖试验结果分析

氡析出率随着砂质亚黏土加砂混合物覆盖厚度的增大呈非线性减小（图5）。由图5可知，当覆盖厚度超过87.2 cm 时，试验区域表面氡析出率低于0.74 Bq/（m2·s），满足治理要求。通过公式（1）可得，砂质亚黏土和砂混合物覆盖厚度达到100 cm 时，降低系数为3.30。不同覆盖物对氡析出率抑制效果明显不同，从降低系数可以得出：砂质亚黏土＞砂质亚黏土+砾石（2：1）＞砂质亚黏土+砂（2：1）＞砾石（图6）。孔隙率是氡在多孔介质中运移的重要参数之一［15］，不同覆盖材料在相同条件下孔隙率存在差异。覆盖材料孔隙度越小抑制氡析出率效果越好。