1.3 Аэрозоли долгоживущих радионуклидов

Добыча и первичная переработка руды связана со многими процессами, в результате которых в воздух может поступать пыль руды и вмещающих пород. Наиболее интенсивными источниками пылевыделения при добыче руды являются буровзрывные и погрузо-разгрузочные работы, транспортировка руды. Заметный вклад в запыленность рудничной атмосферы может да­вать вторичное сдувание потоками воздуха пыли, осев­шей на стенки горных выработок. На стадиях первичной переработки пыль образуется при перегрузке руды, в процессах дробления, измельчения, грохочения и тран­спортировки. Несмотря на значительные усилия, затра­чиваемые на пылеподавление, эта проблема в горноруд­ной промышленности полностью еще не решена, хотя во многих случаях достигнутые уровни запыленности находятся ниже санитарных норм.

Пыль урановой руды вызывает не только заболева­ния органов дыхания (силикоз, пылевые бронхиты), но и обусловливает также внутреннее облучение организма, В отличие от аэрозолей короткоживущих продуктов рас­пада радона аэрозоли, образованные урановой рудой,принято называть аэрозолями долгоживущих радиоак­тивных веществ, хотя это название не совсем точно, так как в составе руды находятся все члены уранового ряда, в том числе и короткожпвущие. В урановом ряду насчи­тывается 8α- и 6β-активных веществ, а в ряду тория-232 - 7 α- и 5β-активных радионуклидов, кроме того, небольшой дополнительный вклад в суммарную активность даетα- иβ-излучение актиноуранового ряда, родоначальником которого является²³⁵U.

Радиационное воздействие аэрозолей урановой руды на организм может происходить двояким образом. Уран и продукты его распада во многих типах руд находятся в виде отдельных вкраплений в большой массе неактив­ного труднорастворимого (обычно силикатного) мате­риала. В связи с этим частички рудной пыли, задержав­шись в органах дыхания, могут вести себя далее как единое целое, облучая легкие всей суммойα- иβ-излучения уранового ряда. С другой стороны, за время пребывания рудной пыли в легких радиоактивные ве­щества могут выщелачиваться из руды жидкой легоч­ной средой и затем вести себя в организме самостоя­тельно в соответствии с их химическими и биохимиче­скими свойствами. К сожалению, поведение нуклидов уранового ряда в органах дыхания при поступлении их в виде аэрозолей различных типов урановых руд изу­чено пока еще недостаточно. Однако известны некото­рые данные, полученные при введении в легкие крыс и собак пыли урановой смолки. Результаты этих экспериментов показали, что уже через несколько меся­цев после ингаляции рудной пылью в печени, почках, селезенке животных обнаруживаются повышенные кон­центрации U, Io (²³⁰Th), RaD (²¹⁰Pb) и ²¹⁰Ро. Более того, концентрацияIо во всех органах, включая легкие, ока­залась в 5 – 25 раз выше концентрации урана, в то вре­мя как в исходной руде все члены уранового ряда нахо­дились в равновесии.

Таким образом, если в легких не происходит выще­лачивания урана и его продуктов распада из рудной пыли, радиационное воздействие определяется всей сум­мой излучения членов уранового и ториенвого рядов, а при наличии этого процесса радиационное воздействие связано с суммарным излучением остающейся в легких руды и с поступлением в различные органы долгоживущих чле­нов природных радиоактивных семейств –Io,Ra,RaD,Poи самих урана и тория.

При добыче и первичной переработке урановой руды фактические концентрации долгоживущих радиоактив­ных аэрозолей в воздушной среде горных выработок и производственных помещений определяются, в основном, тремя факторами: уровнем общей запыленности, содер­жанием урана в пыли и состоянием радиоактивногоравновесия между членами радиоактивных семейств в пылеобразующем материале. В отдельных пробах пыли, отобран­ных в течение сравнительно коротких промежутков вре­мени, соотношения между ураном, торием и их продуктами рас­пада могут существенно отличаться от средних значений, характерных для данного типа месторождения или пере­рабатываемой руды. Однако при усреднении за доста­точно длительные интервалы времени (квартал, год) соотношения между ураном. Торием и их дочерними продукта­ми в пыли весьма точно соответствуют значениям, характерным для данного типа добываемых или перера­батываемых руд. Исключения из этого правила редки и обычно не имеют существенного значения. Сказанноене относится к возможности выделения из пыли радона (эманированию пыли) и последующего распада его короткоживущих дочерних продуктов, лишенных своего материнского нуклида. При 100% эманирования сум­марная α-активностъ пыли за счет этого фактора может уменьшиться по сравнению с равновесной почти на 40%.

Таблица 1.8. Характеристика α и β-излучения основных радионуклидов

ряда урана-радия

Символ члена ряда	Радионуклид	Период полураспада	Вид излучения	Энергия α-излу­чения и средняя энергия β-излучения, МэВ
UI	238U	4,5ּ109 лет	α	4,17
UXI	234Th	24,1 сут	β	0,04
UXII	234Ra	1,18 мин	β	0,82
UII	234U	2,5ּ105 лет	α	4,76
Io	230Th	8,0ּ104 лет	α	4,66
Ra	226Ra	1620 лет	α	4,78
Rn	222Rn	3,82 сут	α	5,49
RaA	218Po	3,05 мин	α	6,00
RaB	214Pb	26,8 мин	β	0,22
RaC	214Bi	19,7 мин	β	0,55
RaC'	214Po	1,6ּ10-4 с	α	7,68
RaD	210Pb	19,4 года	β	0,006
RaE	210Bi	5,0 сут	β	0,34
RaF	214Po	138 сут	α	5,30

ПримечаниеВ природной смеси равновесных рядовUиAcUв рядуAcU1 распаду ²³⁸U соответствует 0,32 α-распада с энергией 4,3 –7.4 Мэв и 0,18β-распада с максимальной энергией отдельных (β-спектров 0,04–1,4Мэв и сред­ней энергией по суммеβ-излучения ряда 0,05Мэв.

Если известна массовая запыленность воздуха С_П,мг/м³, и содержание урана в пылиС_U, %, то, при усло­вии радиоактивного равновесия, можно рассчитатьсуммарную концентрацию долгоживущих α-активных аэрозолей в воздухеС_α.

^{Без учета эманирования пыли}

С_α = 2,7ּ10^-14 C_UּC_П кюри/л, (1.8)

(2.4)

а если допустить 100%-ное выделение радона и полный распад его короткоживущих дочерних продуктов в пы­ли, то:

С_α= 1,7ּ10^-14 C_UּC_П кюри/л, (1.9)

(2.5)

Концентрация отдельного нуклида при этом определя­ется соотношением:

С_i = 3,4 ּ10^-15 C_UּC_П кюри/л, (1.10)

На на рис. 1.3 представлена зависимость суммарной концентрации долгоживущих α-активных аэрозолей от массовой запыленности воздуха. Как будет показано в следующей главе, среднегодовая допустимая концентра­ция (СДК) долгоживущих аэрозолей составляет по суммеα-активных элементов уранового ряда около 10^-14кюри/л. Из рис. 1.3 видно, что при содержании урана в пыли менее 0,1% аэрозоль урановой руды мо­жет иметь существенное значение только при уровне запыленности, значительно превышающем допустимое значение 2мг/м³. В то же время при высоком содержа­нии урана в пыли превышение СДК может иметь местодаже при соблюдении санитарного норматива массовой запыленности воздуха.

Рис. 1.3. Зависимость суммарной концентрации долгоживущих α-активных аэрозолей С_α от массовой запыленности воздуха М:

а–С_U= 0,01%;б - С_U – 0,3%;в –С_U = l %

Содержание урана и его продуктов распада даже в усредненных пробах пыли может совпадать с содержа­нием в пылеобразующем материале только при высокой однородности последнего. На практике, вследствие неравномерности оруденения, а также таких процессов,как избирательное измельчение (преимущественное раз­дробление более хрупких компонентов руды и породы) и селективное осаждение (более быстрое удаление из воздуха за счет гравитационного осаждения наиболее тяжелых аэрозольных частиц), содержание урана в пы­ли может быть как больше, так и меньше его содержа­ния в пылеобразующем материале. Для ориентировоч­ных оценок можно принять, что среднее содержание урана в пыли при первичной переработке руды равно среднему содержанию урана в перерабатываемой руде, в рудничных условиях (в очистных блоках и рудныхзабоях) ниже его среднего содержания в руде и про­порционально коэффициенту рудоносности, а в осталь­ных случаях – не превышает среднего содержания ура­на в забалансовых рудах.

При исследовании на одном из горнорудных пред­приятий было выявлено, что при добыче и перера­ботке урановых руд содержание урана и его продуктов распада в пыли уменьшается с увеличением массовой запыленности воздуха, причем это уменьшение можно представить в виде соотношения:

(1.11)

где С'_U – содержание урана в пыли при запыленности1 мг/м³, К – эмпирический коэффициент, а остальные обозначения те же, что в (1.5). Удовлетворительноесоответствие фактических и рассчитанных по (1.11) концентраций наблюдалось, когда величинуC'_Uпринимали равной среднему содержанию урана в руде, аK=0,5. Однако применимость этого соотношения для любых типов месторождений урановых руд и широкого диапа­зона уровней массовой запыленности воздуха требует специальной проверки.