氡的性质及衰变

第二章 多孔射气介质氡的析出
2.1氡在射气介质中的运移
2.1.1氡的析出率
氡析出率是指物质表面单位面积、单位时间内析出
222
Rn 的量，单位为
Bq/(m 2·s)。

相关文献表明，氡的析出运移原理在不同的介质中有不同的表现，在多孔射气介质表面的时候，氡的析出是随着岩体孔隙中的气体渗流方向的不同而有着不同的运移情况。

岩体孔隙中的气体渗流方向与岩矿体暴露表面的氡析出方向相同的时候，这样的渗流情况就会促进氡在矿体中的析出，如果岩体孔隙中的气体渗流方向与岩矿体暴露表面的氡析出方向相反的话，那么这样的渗流情况就会抑制氡在矿体中的析出。

氡在多孔介质中的析出率，可由介质中氡的扩散析出率与渗流析出率两部分组成，即：
δ=δD ＋δ
V （5-1）
式中δ
V 的符号取决于渗流速度的方向，当渗流速度很低时，渗流速度服从
达西定律：
V=－dx
dp
k μ （5-2）
式中k 为介质的渗透率，μ为空气的粘滞系数，dp /dx 为介质两段的压力梯度。

氡的扩散和渗流与很多因素都有关系，在不同的情况下，不同的因素分别起着主要影响作用。

就比如说，浓度梯度是影响氡在一般介质中扩散的最主要因素，压力梯度是影响氡在一般介质中渗流的最主要因素，但是如果当浓度梯度与压力梯度相矛盾的时候，氡的扩散和渗流也会不同程度的受到两种因素的影响，从而产生许多“非标准曲线”。

对于多孔介质而言, 如果多孔介质两边的压力不同的时候，氡及其子体就会从压强较大的一侧流向压强较小的一侧。

2.1.2氡析出
氡析出是指射气介质中产生的氡穿过介质表面进入大气的现象，它是氡在射气介质内部运移的边界现象。

2.1.3氡的运移通道
对于多孔射气介质，压强梯度的存在能使气体在介质中产生渗流，气体的流动伴随着氡的迁移，从而影响介质两端的氡析出率。

从理论上来说，均匀多孔介质是没有专门供氡运移的通道，因为均匀的多孔介质本身就是氡能够自由运移的一个空间。

但是，如岩体、土壤、矿体、建筑体等这类的多孔射气介质，以及其他的多孔射气介质，都不是完全均匀的，它们都是由一定尺寸的小颗粒构成的。

矿岩石表面看上去很致密，但是其内部存在着一定数量的连通孔隙。

而且，所有的矿岩体在其结构上都有着不同大小的裂隙，这些互相连通的孔隙和裂隙就是氡在矿岩体内传播的通道。

R.Thompkins曾经对含铀的新墨西哥砂岩和埃利奥特湖砾岩的氡析出率和孔隙率做了比较，得出结论：岩石的孔隙率是影响氡在其中运移的重要因素。

表2.3列出这两种岩石的比较。

表2.3 新墨西哥砂岩和埃利奥特湖砾岩的比较
岩石孔隙率/% 平均品位/(U3O81b/t) 氡析出率/[Bq/(m2s)] 新墨西哥砂岩20 5 18.5
埃利奥特湖砾岩0.1 3 0.259 由于射气介质中孔隙的实际情况比想象中的要复杂很多，对构造数学模型会造成一定的困难，而且，在实际的防护要求上，也没有必要进行如此细致的研究。

所以，一般情况下都将氡在射气介质中联通的孔隙和裂隙抽象成均匀多孔射气介质。

2.1.4氡的运移动力
氡能在岩石中传播是因为岩石为氡的传播提供了通道，但是除了有通道这个条件外，还需要有动力才能让氡传播。

这样的动力有两个，一个动力是氡原子本身就具有的热运动会引起扩散传播。

氡在空气中的扩散能力比较强，其扩散系数为0.1cm/s。

另一个动力是氡被运动着的流体（气体或液体）挟带形成的渗流传播。

氡渗流传播的时候，由于是受流体运动的影响，所以氡的传播方向就取决于流体的流动方向，它的传播速度也取决于流体的流速。

如果渗流速度为v(m/s)，则氡的渗流迁移通量为：
式中的渗流速度不是孔隙中流图的实际流速，而是自由空间的体积速度。

如果空气渗流速度相对于氡的扩散作用来说非常大的时候，此时可以忽略氡的扩散所引起的氡的传播效果，这时岩体表面氡的析出率主要与氡的渗流有关。

而且矿岩堆的渗透性比较好，压差不用太大就能造成比较快的空气气流速度，把氡从高压端带向低压端。

2.2氡
2.2.1氡的理化性质
1惰性气体
在标准状态下，氡是一种没有颜色、没有气味、透明的具有放射性的惰性气体，它也是一种单原子气体。

气体状态下的氡是铀衰变系中唯一的气态元素，气态纯氡的密度为9.73 kg/m3，是惰性气体中最重的元素。

由于氡是一种惰性气体，化学性质极非常不活泼，所以氡一般不参加化学反应。

氡虽然是气体中最重的元素，但是由于氡在空气中所显的比例极小，约为一万亿分之几，所以对空气的重率毫无影响。

2氡的放射性
氡是α放射体，其半衰期为3.825 d，一升纯氡的放射性活度为5.51×1016 Bq。

3.7×1010 Bq的纯氡其体积仅为0.67 mm3，质量只有6.35μg，标准状态下1 Bq Rn222的体积为1.6×10-2 m3。

一般情况下，大气中所含氡的质量百分比只有6.53×10-17%，相当于氡浓度为4.44 Bq/m3。

3氡的变态性
氡随着温度的改变，氡也会有三种形态的变化。

常温下为气体；温度下降到-61.8 ℃变为液体，密度为4.44 g/m3；温度降低到-71 ℃（凝固点）时变成闪闪发光的橙色固体，汽化热为4325 k/mol。

4易溶性
氡溶解于水和多种液体中，也易溶于血液和脂肪中。

氡在水中的溶解系数与水的温度有关，随着温度的增加，氡的溶解系数减小。

不同温度下氡在水中的溶解系数见表2.1。

氡在水中的溶解系数α与水温的关系如下：
α=0.1057+0.405exp（-0.0502t）
式中，t为水温，℃。

表2.1 氡在水中的溶解系数
水温/℃α水温/℃α
0 0.510 50 0.140
5 0.420 60 0.127
10 0.350 70 0.118
20 0.252 80 0.112
30 0.200 90 0.109
40 0.160 100 0.107
5吸附性
氡容易被黏土、活性炭等多孔材料所吸附，这种吸附是物理吸附，吸附系数与温度有关。

活性炭吸附能力最强，随着温度的降低，活性炭对吸附系数增大；反之，则吸附系数减小。

当温度升高到200 ℃，活性炭释放出被其吸附的全部氡。

活性炭这种在常温下吸附氡和在高温下释放氡的特性，被用于低浓度环境氡的测量。

活性炭在几种温度下吸附系数γ见表2.2。

表2.2 活性炭的吸附系数
温度/℃-12 0 16 40 50 75 100
吸附系数15050 6310 2235 840 630 270 143
表2.2中吸附系数γ定义为：
γ=C Rn活性炭/C Rn空气
式中，C
Rn活性炭为每克活性炭吸附氡的量Bq/g；C
Rn空气
为空气中氡浓度，Bq/cm3。

6扩散性
在常温常压下，氡通常以气体形式存在，这表明氡原子的热运动相当强烈，说明氡具有较强的扩散能力。

其扩散作用是由于氡原子的热运动和氡在介质中浓度梯度的存在而出现的，扩散系数是指氡在某一具体条件下氡扩散的能力参数，其定义为：在数值上等于当浓度为1时，单位时间内通过单位面积的氡气数量。

氡在空气中的扩散系数为0.105 cm 2/s （20 ℃时），在水中的扩散系数为0.82×10-5 cm 2/s （20 ℃时）。

2.2.2氡对人体的危害
氡对人体健康的危害主要有两个方面，即体内辐射和体外辐射。

体内辐射对人体造成伤害的原因主要是来自于氡及其子体在空气中进行放射性衰变，大量衰变后的放射性核素都是人体易于吸收的核素，当被人体吸收后进入体内，会对呼吸系统造成严重的伤害，甚至引发肺癌。

体外辐射对人体的危害表现在伤害人体的造血器官、神经系统、生殖系统和消化系统，具有放射性的氡及其子体衰变产生的射线直接照射人体会形成一种生物效应,对人体的器官造成非常大的损伤。

常温下氡及子体在空气中能形成放射性气溶胶而污染空气。

氡对人类的健康危害主要表现为确定性效应和随机效应：
①确定性效应：由于氡易溶于血液和脂肪，人体的血细胞会随着氡浓度的增加而引起一定量的死亡现象；而且氡很容易在体内与脂肪相结合，特别是与神经系统结合后，对人体造成的危害更大。

②随机效应：氡对人体的随即效应主要体现为诱发肿瘤。

当氡被人体吸入体内之后，由于氡具有强烈的放射性，氡衰变产生的α粒子会照射在人体的呼吸系统组织以及细胞上，对呼吸系统造成难以估计的损伤，从而引发肺癌。

氡的衰变链
b
i b o 210214
214
218
222
a
2168
.7min
7.19min
8.2600
.6min
05.349
.583.3P B P P Rn d
−−−→−−−→
−−→
−−−→
−λ
βαγ
βαβα、、、、简化为
b i b o 210
214214218222
a
2168
.7min
7.19min
8.2600
.6min
05.349
.583.3P B P P Rn d
→
→→→γ
βαγβαβα、、、、。