СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ РАВНОВЕСНОЙ ОБЪЕМНОЙ АКТИВНОСТИ ИЗОТОПОВ РАДОНА В ПОМЕЩЕНИИ Российский патент 1998 года по МПК G21F9/02 

Изобретение относится к следующим областям техники: дезактивация радиоактивных отходов, обработка газообразных отходов радиоактивных источников.

Наиболее успешно предлагаемый способ может быть применен для дезактивации воздушной среды радоноопасных помещений.

Проблема защиты людей от вредного влияния повышенных концентраций радона привлекает в последнее десятилетие все возрастающее внимание общественности и специалистов. Влияние изотопов радона (радона торона и актинона) и их короткоживущих дочерних продуктов радиоактивного распада (в дальнейшем - продуктов распада радона) проявляется в первую очередь при загрязнении ими воздушной среды обитаемых помещений.

Используемые в настоящее время приемы зашиты и дезактивации радоноопасных помещений, которые могут рассматриваться в качестве аналогов изобретения, состоят в следующем:
выявление, возможная нейтрализация или локализация источников поступления радона;
применение мер индивидуальной защиты персонала: использование специальных респираторов и противогазов;
герметизация помещений с помощью различных полимерных покрытий, битумно-латексных эмульсий, торкрет-бетонов и т.п. материалов;
создание постоянно действующей естественной или принудительной вентиляции [1, 2]
Нередко при невозможности снижения до необходимого уровня радиационной загрязненности воздушной среды помещения прибегают к его перепрофилированию или даже уничтожению.

Все перечисленные выше традиционные приемы защиты и дезактивации как правило требуют для их осуществления значительных экономических затрат и не во всех случаях оказываются достаточными для обеспечения необходимого результата.

Из приведенных аналогов наиболее близки к понятию прототипа предлагаемого способа приемы создания постоянно, либо периодически действующей естественной или принудительной вентиляции, приводящие к снижению в воздушной среде помещения эквивалентной равновесной объемной активности изотопов радона (в дальнейшем эквивалентной активности радона), одного из основных показателей, нормируемых актами радиационной безопасности (2, 3). Снижение эквивалентной активности радона проводится путем разубоживания его концентрации, замены части загрязненного изотопами радона и продуктами их распада воздуха на подаваемый извне помещения незагрязненный воздух.

Существенными недостатками прототипа являются следующие: создание естественной вентиляции не всегда эффективно и не всегда осуществимо, особенно в холодное время года, а создание достаточно действенных устройств принудительной вентиляции дорогостояще и не во всех случаях приемлемо, например для большей части жилых помещений.

В основу настоящего изобретения была положена задача разработки способа снижения эквивалентной равновесной объемной активности радона, достаточно простого в осуществлении и более эффективного по сравнению с прототипом в отношении конечного результата, времени его достижения и экономических показателей. Разрабатываемый способ должен быть применим для проведения дезактивации воздушной среды жилых, социально-бытовых и производственных радоноопасных помещений либо в качестве самостоятельного, либо в сочетании с другими известными способами.

Поставленная задача решается за счет того, что разработан способ снижения эквивалентной равновесной объемной активности изотопов радона в помещении путем удаления из его воздушной среды короткоживущих дочерних продуктов их радиоактивного распада, в котором новым является создание в радоноопасном помещении электростатического поля с помощью генератора с холодной эмиссией электронов, установлении кинетической энергии образуемых электронов на уровне не менее 34 эВ и удельной концентрации легких отрицательных аэроионов кислорода на уровне не менее 10000 эл. зар./см³.

В созданном таким образом электростатическом поле возникают процессы взаимодействия электронов, легких отрицательных аэроионов кислорода с атомами, молекулами и ионами продуктов распада радона, приводящие к удалению последних из воздушной среды помещения.

Достигаемые технические результаты состоят в существенном снижении эквивалентной равновесной объемной активности изотопов радона не менее, чем на 50 70% через полчаса с момента включения в помещении указанного в формуле изобретения генератора электронов и не менее, чем на 75 85% через 3 ч после его включения. Разработанный способ очень прост в применении. Необходимая для его осуществления аппаратура представляет собой сравнительно недорогую генераторную установку, о ней более подробно сказано ниже.

Возможно также использование выпускаемых отечественной и зарубежной промышленностью генераторов электронов, соответствующих указанным в формуле изобретения параметрам. В определенных условиях, рассматриваемых ниже предлагаемый способ может быть использован для проведения дезактивации воздушной среды жилых, социально-бытовых и производственных помещений.

Причинно-следственная связь между существенными признаками изобретения и достигаемыми техническими результатами состоит в реализации процесса удаления из воздушной среды продуктов распада радона в результате взаимодействия их атомов, молекул и ионов с электронами и легкими отрицательными аэроионами кислорода в созданном электрическом поле.

Более подробно этот процесс в том виде, каким он представляется авторам, излагается ниже.

Как известно изотопы радона и продукты их распада находятся в воздухе в виде двух различных по свойствам форм:
в виде свободных атомов и групп молекул или положительно заряженных ионов;
в виде атомов, осевших на ядра конденсации (в том числе на аэрозольные частицы) [1]
При включении генератора электронов в воздушной среде помещения возникают и реализуются следующие процессы взаимодействия элементарных и других частиц:
положительно заряженные ионы продуктов распада радона, присутствовавшие в воздушной среде до включения генератора, а также образовавшиеся при его включении в результате ионизации, производимой потоком электронов, удаляются из воздушной среды, устремляясь к отрицательному электроду генератора и присоединяясь к нему,
отрицательно заряженные ионы, образовавшиеся при включении генератора в результате возможного захвата некоторыми молекулами продуктов распада радона добавочного (избыточного) электрону, удаляются из воздушной среды, устремляясь под влиянием электростатического поля к заземленному положительному электроду генератора (стенам, потолку, полу помещения, стекая по ним на его заземленные конструкции) и присоединяясь к нему;
легкие отрицательные аэроионы кислорода, образовавшиеся в результате взаимодействия электронов с молекулами составных частей воздуха, присоединяясь к группам молекул продуктов распада радона, а также их атомов, осевших на ядра конденсации, превращаются в тяжелые отрицательные аэроионы и удаляются из воздушной среды, также устремляясь к положительному электроду генератора и присоединяясь к нему.

В результате реализации рассмотренных процессов происходит очищение воздушной среды от продуктов распада радона, приводящее к снижению его эквивалентной равновесной объемной активности.

Необходимо отметить, что осаждаемые на электродах генератора (в том числе на полу, потолке, стенах и любых заземленных конструкциях помещения) частицы короткоживущих продуктов распада изотопов радона не создают в помещении значимой радиационной опасности. Теоретические расчеты и опыт проведенных нами наблюдений свидетельствует, что поверхностное загрязнение альфа- и бета-активными нуклидами продуктов распада радона ничтожно мало и практически не сопоставимо с действующими уровнями предельно допустимого радиационного загрязнения [3]
Существенно новым элементом изобретения является активное воздействие на сам предмет радиационного загрязнения продукты распада изотопов радона а также их избирательное удаление из воздушной среды. Еще раз подчеркнем, что большая часть аналогичных способов защиты помещений, либо непосредственно органов дыхания людей от радона и продуктов его распада основана на создании разного рода препятствий для их поступления. Приемы снижения эквивалентной активности радона, используемые в прототипе предлагаемого способа, основаны на разубоживании концентрации радона путем частичной замены радиационно-загрязненного воздуха на подаваемый в помещение чистый воздух.

Новым также является то, что в обитаемом дезактивируемом помещении напряженность электростатического поля устанавливают в пределах от 5 до 15 кВ/м в 0,5 м от ионизирующего электрода генератора, а удельную концентрацию легких отрицательных аэроионов кислорода в пределах от 10000 до 50000 эл. зар. /см³. Такое решение наиболее приемлемо для дезактивации обитаемых помещений жилого, социально-бытового и производственного назначения.

Создание электростатического поля в помещении, где необходимо снизить эквивалентную равновесную объемную активность радона, осуществляется с помощью генератора с холодной эмиссией электронов. Кинетическая энергия образуемых электронов должна быть не менее 34 эВ-уровня минимальной энергии ионизации молекулы кислорода. Для обеспечения указанного режима работы генератора напряженность создаваемого им электростатического поля должна составлять не менее 5 кВ/м в 0.5 м от его ионизирующего электрода.

Вторым показателем, необходимым для успешной реализации процесса взаимодействия электронов, молекул и ионов в созданном электростатическом поле, является удельная концентрация легких отрицательных аэроионов кислорода в воздушной среде помещения, которая должна составлять не менее 10000 эл. зар. /см³. Обеспечение такой удельной концентрации аэроионов зависит от интенсивности их образования в результате работы конкретного генератора и объема помещения, в котором производится снижение эквивалентной концентрации радона. В крупнообъемных помещениях для достижения необходимого результата возможно применение двух и более генераторов.

Указанные уровни кинетической энергии образуемых электронов и удельной концентрации легких отрицательных аэроионов кислорода представляют собой нижние интервалы значений существенных признаков, за пределами которых невозможно получение требуемого технического результата. Верхние интервалы значений существенных признаков теоретически не ограничены, однако в практическом использовании изобретения необходимо учитывать действующие нормативные требования к предельно допустимым уровням (ПДУ) воздействия на людей напряженности создаваемого электрического поля и степени ионизации воздушной среды. В частности, при использовании изобретения для дезактивации воздушной среды обитаемых помещений верхняя граница напряженности электростатического поля в 0,5 м от ионизирующего электрода генератора не должна превышать 15 кВм [4] При этом сам ионизирующий электрод располагается в таком месте, куда в обыденных условиях невозможно приближение людей на расстояние ближе 0,5 м. Обычно ионизирующий электрод устанавливается под потолком помещения. Удельная концентрация легких отрицательных аэроионов в воздушной среде обитаемого помещения на уровне головы стоящего в нем человека не должна превышать 50000 эл. зар./см³ [5]
Дезактивация жилых, социально-бытовых и производственных помещений, в которых эквивалентная активность радона не превышает 1000 Бк/м³ с помощью предлагаемого изобретения может производиться до значений 200 Бк/м³, представляющих предельно допустимый уровень.

При больших 1000 Бк/м³ уровнях эквивалентной активности в радоноопасном помещении необходима комбинация предлагаемого способа с другими приемами и способами дезактивации.

Генераторы электронов различного назначения, которые могли бы быть использованы для осуществления предлагаемого способа снижения эквивалентной активности, известны давно [6 и др. Их многочисленные варианты, не использовавшиеся тем не менее никогда для рассматриваемой цели, изготовлялись и изготавливаются отечественной и зарубежной промышленностью [7 и др. Как правило, они представляют собой высоковольтно-выпрямительное устройство, преобразующее переменный ток бытовой электросети (220 В, 50 Гц) в постоянный ток напряжением до 20 60 кВ. Обычно преобразующее устройство состоит из блоков предварительного выпрямления, стабилизации модулирования с помощью специального управляющего генератора, преобразователя постоянного напряжения в высокочастотное переменное и умножителя, увеличивающего его до необходимости выходного значения. Положительный полюс умножителя заземляется, а отрицательный подается на ионизирующий электрод, обеспечивающий вследствии холодной эмиссии выход потока электронов.

Для обеспечения большей надежности защиты людей от нежелательного воздействия созданного в помещении электростатического поля в схемы существующих генераторов с холодной эмиссией электронов могут быть включены автоматические устройства безопасности. Подобные устройства представляют собой простейшее реле, выключающее соответствующую генераторную установку при приближении к ее токоведущим частям заземленного тела ближе установленного расстояния, например, ближе 0,5 м. Кроме того, для удобства эксплуатации предполагаемых генераторных установок, они должны быть снабжены электрическими таймерами, с помощью которых в конкретных условиях различных дезактивируемых помещений осуществляется их автоматическое включение и выключение на определенный промежуток времени (например на 30 мин) через заданные временные интервалы.

Экономические затраты, связанные с изготовлением одной генераторной установки, специально предназначенной для дезактивации радоноопасного помещения объемом до 60 100 м³ оценивается нами в масштабе цен текущего года на сумму, не превышающую первые сотни тысяч рублей. Электроэнергетические затраты при ее непрерывной круглосуточной эксплуатации в течение одного месяца не превысят 10 15 кВт/ч.

Последовательность действий при проведении снижения уровня эквивалентной активности изотопов радона в радоноопасном помещении состоит в следующем:
определяют, произведя дозиметрическую оценку состояния воздушной среды помещения, необходимые временные режимы работы генераторной установки (или нескольких установок) в зависимости от конкретных особенностей помещения, исходного и желаемого в результате производимой дезактивации уровней эквивалентной равновесной объемной активности радона;
выбирают оптимальное место (или места) расположения в помещении генераторной установки (или нескольких установок), обеспечивающих создание необходимых параметров электростатического поля, удельной концентрации в воздушной среде легких отрицательных аэроионов кислорода и соблюдение нормативных требований к предельно допустимым уровням этих параметров. Положительный электрод каждой используемой генераторной установки должен быть заземлен с помощью специального устройства, входящего в ее конструкцию, на заземленную нейтраль питающей сети переменного тока. Не допускается включение генераторных установок в помещениях с изолированной нейтралью сети;
создают, включая генераторную установку (или установки), необходимые для дезактивации воздушной среды помещения электростатическое поле и концентрацию легких отрицательных аэроионов кислорода;
обеспечивают путем ручного или автоматического управления генераторной установки временной режим ее работы, необходимый для создания заданного уровня дезактивации;
при необходимости в помещении проводят постоянный мониторинговый или периодический дозиметрический контроль уровня эквивалентной активности радона.

Краткие результаты экспериментов по дезактивации радоноопасных помещений.

Нами проведены эксперименты по снижению эквивалентной объемной активности радона природного происхождения в ряде помещений объемом от 25 до 60 м³ с диапазоном исходных значений снижаемых параметров от 20 до 2000 Бк/м³. В ходе экспериментов использованы генераторы с холодной эмиссией электронов различных типов: ионизатор воздуха ИВС бытовой прибор (ТУ 3468-001-343824-94), генератор электронов с воздуходувным устройством ЛИАП, изготовленный Санкт-Петербургской Государственной академией аэрокосмического приборостроения и аппарат аэроионопрофилактики Элион-132 (ГОСТ P RU M 001.1.2.1579).

Для измерений объемных активностей использовалась радиометрическая установка РГА-01 Т, для измерения плотностей потоков альфа- и бета-частиц - дозиметр-анализатор МКС-01Р и другие приборы. Вся применявшаяся аппаратура прошла метрологическую аттестацию РОСТЕСТ Санкт-Петербурга (ВНИИМ им. Д.И. Менделеева).

Не вдаваясь в подробности выполненных нами многочисленных экспериментов, их результаты в целом можно свести к следующим:
При использовании 4-х генераторов ИВС в ряде экспериментов отмечено снижение объемных активностей продуктов распада радона на 16 23% от исходных значений спустя 2 4 ч после включения.

При использовании генератора ЛИАП во всех экспериментах отмечено снижение эквивалентной объемной активности радона на 20 30% а объемных активностей радия C в некоторых из них до 40% от исходных значений через 2 3 ч после включения генератора. Значительное, до 20 25% снижение уровня объемной активности радона обычно наблюдалось уже через полчаса с момента включения генератора.

При использовании генератора Элион-132 через полчаса после его включения отмечено снижение объемной активности радона на 70% а объемной активности радия C на 76% Через 3 ч после включения генератора снижение объемной активности радона составляло 75 85% объемных активностей радия A 40 55% радия B 70 80% радия C 85 95% от исходных значений.

После выключения генератора все измеряемые параметры радиационного состояния воздушной среды начинали постепенно возрастать и через некоторое время, зависящее от скорости поступления радона в конкретное экспериментальное помещение, достигали исходного уровня. Следует подчеркнуть, что во всех случаях время установления уровня исходных значений каждого параметра после выключения генератора в несколько раз превышало время их существенного снижения после его включения. Продолжение работ по исследованию эффекта снижения объемной активности радона и продуктов его распада, основанное на создании и реализации процессов взаимодействия элементарных частиц в электростатическом поле генератора с холодной эмиссией электронов, позволит выработать комплекс рекомендаций и методических приемов применения предлагаемого способа для разнообразных конкретных условий осуществления дезактивации радоноопасных помещений.

Используемые источники:
1. Сердюкова А.С. Капитанов Ю.Т. Изотопы радона и продукты их распада в природе. М. Атомиздат, 1975, с. 232 245.

2. Салтыков Л. Д. Шалаев И.Л. Лебедев Ю.А. Горбушина Л.В. Радиационная безопасность при разведке и добыче урановых руд. Атомиздат, 1977, с. 12 15, 43 56, 80 82, 88 93.

3. Нормы радиационной безопасности. НРБ-76/87. М. Энергоатомиздат, 1988.

4. Электростатические поля. ГОСТ 12.1.04-84 ССБТ, 1984.

5. Санитарно-гигиенические нормы допустимых уровней ионизации воздуха в производственных и общественных помещениях, CH 2152-80, 1980.

6. Чижевский А. Л. Руководство по применению ионизированного воздуха в промышленности, сельском хозяйстве и в медицине. Методические указания при пользовании аэроионификационными установками. Союзтехника, М. Госпланиздат, 1959.

7. Аппарат аэроионопрофилактики Элион-132. Техническое описание. МЕТК. 941586.003. ПС1. М. 1993.

Использование: дезактивация газообразных радиоактивных отходов, а именно снижение эквивалентной равновесной объемной активности изотопов радона в помещении. Сущность: в помещении создают электростатическое поле с помощью генератора с холодной эмиссией электронов, кинетическая энергия которых составляет не менее 34 эВ, при этом удельная концентрация легких отрицательных аэроионов кислорода должна составлять не менее 10000 эл. зар./см³. Преимущественно в помещении устанавливают напряженность электростатического поля 5 - 15 кВ/м в 0,5 м от ионизирующего электрода генератора и удельную концентрацию легких отрицательных аэроионов кислорода 10000 - 50000 эл. зар. /см³. Достигаемый технический результат: снижение эквивалентной равновесной объемной активности изотопов радона в помещении на 70%. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ снижения эквивалентной равновесной объемной активности изотопов радона в помещении путем удаления из воздушной среды короткоживущих дочерних продуктов их радиоактивного распада, отличающийся тем, что в помещении создают электростатическое поле с помощью генератора с холодной эмиссией электронов, кинетическая энергия которых составляет не менее 34 эВ, и удельную концентрацию легких отрицательных аэроионов кислорода не менее 10000 эл.зар. /см³. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в обитаемом дезактивируемом помещении напряженность электростатического поля устанавливают в пределах 5 - 15 кВ/м в 0,5 м от ионизирующего электрода генератора, а удельную концентрацию легких отрицательных аэроионов кислорода в пределах 10000 50000 эл.зар. /см³.