低频振动对铀尾矿库滩面多层覆盖层控氡效果影响的研究*

李军达 李向阳，2，3 刘永，2，3 洪昌寿，2，3 郭睿扬 齐志扬

(1. 南华大学资源环境与安全工程学院 湖南衡阳 421001；2. 湖南省铀尾矿库退役治理技术工程技术研究中心 湖南衡阳 421001；3. 铀矿冶放射性控制技术湖南省工程研究中心 湖南衡阳 421001)

0 引言

我国铀矿冶系统工作多年形成的34座铀尾矿库面临退役治理，其滩面是放射性污染物扩散的主要通道。铀尾矿砂在自然状态下会析出氡，氡是一种惰性放射气体，氡及其子体衰变会产生α粒子，故过量吸入氡气会大幅增加患肺癌的风险[1]，铀尾矿库产生的氡主要通过滩面向周边环境迁移扩散，所以在分析尾矿库的安全隐患时，研究滩面氡的析出与控制氡的扩散系数是不可缺少的一环。谭凯旋等[2]进行了不同覆盖物抑制铀尾矿氡析出效果的研究，得出了不同覆盖物的控氡效果，存在较大差异。徐卫东等[3]探讨了尾矿库覆土厚度与覆土效果的关系，确定其效果参数。王锦等[4]探究了红壤覆盖层的厚度与压实度对铀尾矿库滩面氡析出的影响特征。DAI X W等[5]探究了铀尾矿库滩面覆土厚度及不同压实度对氡析出的影响。目前大多围绕单一材料构成的滩面进行研究，很少对多层覆盖层控氡效果展开研究，故开展不同覆盖物多层覆盖的方法来进行控氡是有必要的，也具有一定的现实意义。李玉雷等[6]指出红土、黏土、砂砾具有良好的控氡效果。刘东旭[7]指出滩面多层覆盖层构成也是影响扩散系数及氡析出能力的一个指标。王文博等[8]进行了不同覆盖材料抑制氡析出率的覆盖试验。

本研究选取红土及石英砂来对铀尾矿砂进行多层覆盖；现有的铀尾矿库大部分处于地震带上，自然状态下铀尾矿库滩面覆盖层也面临着行车、机械运行等产生的低频振动影响，而在地震前后，受震地区均可监测到氡浓度异常上升。关于低频振动对于铀尾矿库的影响，袁劲帆等[9]试验研究已表明，在前后方向水平振动条件下，单一覆盖物组成的滩面其氡析出率总体呈现先上升后下降规律。刘艳[10]研究了铀尾矿库覆土层在水分蒸发和干缩开裂过程中控氡性能变化。CAI Z Q等[11]探究了在振动载荷及气体渗流速度下对铀尾矿库滩面进行氡浓度的测量。LIU X L等[12]进行了铀尾矿库覆盖层土壤渗透性特征的研究。

根据相关资料显示，目前对铀尾矿库开展低频振动的研究较少，结合红土-石英砂-红土组成的铀尾矿库多层覆盖层，来进行低频振动条件下多层覆盖层控氡效果的研究就显得尤为必要。本研究以湖南衡阳某特大型铀尾矿库为对象，自制缩尺模型开展了低频振动对铀尾矿库滩面多层覆盖降氡效果影响的实验研究。为铀尾矿库退役治理提供理论依据，提升其滩面抵御振动叠加效应的能力。

1 红土-石英砂-红土滩面氡析出机理

氡在介质中的运移分为主动运移和被动运移，本文设定滩面无渗流情形发生，故氡只存在着主动运移及扩散并遵循着一般气体的扩散定律，假定有一形状任意的均匀多孔射气介质，其体积为τ，S为这一不变体积的封闭表面，介质产生可移动氡的能力为α，J1为表示封闭表面上由氡扩散迁移造成的通量，并取曲面S的外法线的方向为正的方向。C为射气介质中的的氡的视浓度，D为扩散系数,那么体积为τ的介质中可移动氡量的变化率即为：

(1)

图1 尾矿库滩面氡气析出示意

覆盖层表面析出的氡收集在集氡罩内。集氡罩内氡浓度随集氡时间延长而增加，利用等间隔时间对集氡空间内氡浓度进行测量。可根据式(2)来计算氡析出率及控氡率:

(2)

式中，J为被测介质表面氡析出率；△C为集氡罩内积累t时刻的氡浓度，Bq/m3；V为集氡罩空间体积，m3；S为集氡罩的底面积，m2。

计算控氡率为：

(3)

式中，J0为铀尾砂表面氡析出率，Bq/m3；J1为施加覆盖层的铀尾砂表面氡析出率，Bq/m3；

2 实验材料与过程

2.1 多层覆盖层材料的选取

根据《核工业铀水冶厂尾矿库、尾渣库安全设计规范》(GB 50520—2009)尾矿库退役要求，对退役铀尾矿库应进行覆盖治理，所用材料就地取材同时为减轻覆盖层所遭受的风蚀、雨蚀导致控氡效果不佳，故采取多层覆盖。为反映尾矿库滩面真实情况，使用该尾矿库滩面下1.5 m处尾砂、本地红土、石英砂作为模型制造的原材料。红土-石英砂覆盖层的孔隙率较小、 氡扩散系数小且氡渗透性差，可达到较好的屏蔽氡的效果。且红土-石英砂为南方某尾矿库所在区域可较轻易取得的材料，具有简单经济的特点，是一种实际可行的覆盖材料。

在实验前需要将模型内红土、石英砂、尾矿砂的体积含水率控制在固定范围内，且模型的氡析出应处于稳定状态时进行后续实验步骤。因此，在实验开始前使用干燥箱对尾矿砂、红土、石英砂进行干燥处理。将红土与石英砂放进干燥箱进行时间为24 h、温度为105 ℃的干燥，干燥后将红土与石英砂分开摊放，进行为期28 d自然状态下的养护。铀尾矿砂的主要成分如表1—表3所示。

表1 铀尾矿砂样品的矿物主要化学成分

表2 红土样品的主要化学成分

表3 石英砂样品的主要化学成分

2.2 实验装置

2.2.1 缩尺模型制作

由于亚克力板具有便于观察、质地轻便的特点，故选取10 mm厚的亚克力板，基于水平低频振动实验装置的尺寸来确定模型箱的尺寸为底面30 cm×30 cm，高70 cm，模型箱内部根据双区扩散理论计算与现场实验相结合的方式来进一步确定红土-石英砂-红土各覆盖层的厚度，运用相似理论最终确定铀尾矿砂压实厚度为40 cm，红土-石英砂-红土3层覆盖每层压实厚度皆为2 cm，堆积铀尾矿砂后，经过一段时间静置，用RAD7测出其裸砂氡浓度，并依次堆积红土、石英砂、红土确保三者压实后的厚度均为2 cm，模型示意见图2。

图2 模型示意

2.2.2 水平低频振动实验装置

水平低频振动实验装置见图3，该实验装置占地面积为800 mm×800 mm，承重上限为100 kg，扫频信号发生器的波形：正弦波、余弦波、方波、三角波、白噪声。最大输出功率可达1 600 W，激振受力为500 N，最大振幅：10 mm，振动频率：0～100 Hz。该装置分为测氡部分及振动部分，测氡部分由④⑤⑥⑦组成，振动部分由①②③为主要组成部分。

1—扫频信号发生器；2—功率放大器；3—激振器；4—RAD7测氡仪；5—干燥剂；6—铀尾矿库滩面模型箱(该模型为长方体，为标示内部组成故展示截面)；7—振动平台。

2.3 实验步骤

(1)将RAD7与干燥剂相连并调整至“Purge”档把集氡腔内的氡气与水蒸气净化，降低对实验的影响，将净化后的RAD7与缩尺模型相连，测量出缩尺模型滩面氡析出浓度。

(2)将制作好的滩面缩尺模型，通过螺栓紧固在水平低频振动实验装置的振动台上，分别施以10、15、20、25 Hz，10→15 Hz, 10→15→20 Hz, 10→15→20→25 Hz的振动频率，振动波形选择正弦波形，振动时间为5 min，振动后将模型静置。

(3)将净化后的RAD7与振动后的滩面缩尺模型连接，设置RAD7周期(5 min)与循环次数(30次)，进行连续监测，为保证精确舍弃最初3组氡析出浓度数据；

(4)结合式(3)、式(4)计算出氡析率和控氡率。

3 结果与讨论

各实验箱(单一振动频率)控氡率情况见表4。

由表4可知，单一振动频率条件下，随着振动频率的递增，控氡率的变化也会随之增大，控氡能力随之下降。

表4 单一振动频率与控氡率的关系

采取1号实验箱进行叠加振动频率实验，由图4可知频率为0 Hz时1号箱的控氡率为59%，频率为10 Hz时1号箱的控氡率为56%，当频率为10→15 Hz时1号箱的控氡率为53%，当频率为10→15→20 Hz时1号箱的控氡率为43%，当频率为10→15→20→25 Hz时1号箱的控氡率为43%。

图4 叠加振动频率下控氡率变化情况

综合表4和图4可知，在单一振动频率条件下随着频率的逐渐增加，振动前后控氡率的变化呈上升趋势，并在25 Hz处达到峰值，近乎完全失去控氡能力。叠加振动频率递增的同时滩面多层覆盖层的控氡率也逐步下降，当频率为10→15→20 Hz与10→15→20 →25 Hz时控氡率变化相同。

4 结论

(1)在10、15、20、25 Hz的振动条件下，经过5 min，常温常湿状态下，单一频率振动前后1号实验箱(振动频率10 Hz)对控氡率下降了3%，2号实验箱(振动频率15 Hz)振动前后控氡率下降了13%，3号实验箱(振动频率20 Hz)在振动前后控氡率下降了15%，4号实验箱(振动频率25 Hz)时振动前后控氡率下降了59%。

(2)叠加振动频率为10→15 Hz时控氡率相较10 Hz时下降了3%，当频率为10→15→20 Hz相较10→15 Hz时控氡率下降了10%，当叠加频率为10→15→20→25 Hz时相较10→15→20 Hz控氡率无明显变化，此时皆为43%。

通过本次设计实验，验证了红土-石英砂-红土覆盖层良好的控氡率，在施加单一低频振动条件下，振动频率未超过25 Hz时，滩面多层覆盖层的控氡率未有明显变化，依旧有良好的控氡能力，当超过25 Hz时，滩面多层覆盖层的控氡率骤然下降，近乎完全失去控氡能力，仅存9%。在复合多频振动的条件下，滩面多层覆盖层仍可保有较好的控氡效率，红土-石英砂-红土覆盖层具有较好的抵抗复合多频振动的能力，是一种具有实际控氡意义的尾矿库滩面覆盖层。