低頻振動對鈾尾礦庫灘面多層覆蓋層控氡效果影響的研究*

李軍達(dá) 李向陽，2，3 劉永，2，3 洪昌壽，2，3 郭睿揚 齊志揚

(1. 南華大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院 湖南衡陽 421001；2. 湖南省鈾尾礦庫退役治理技術(shù)工程技術(shù)研究中心 湖南衡陽 421001；3. 鈾礦冶放射性控制技術(shù)湖南省工程研究中心 湖南衡陽 421001)

0 引言

我國鈾礦冶系統(tǒng)工作多年形成的34座鈾尾礦庫面臨退役治理，其灘面是放射性污染物擴散的主要通道。鈾尾礦砂在自然狀態(tài)下會析出氡，氡是一種惰性放射氣體，氡及其子體衰變會產(chǎn)生α粒子，故過量吸入氡氣會大幅增加患肺癌的風(fēng)險[1]，鈾尾礦庫產(chǎn)生的氡主要通過灘面向周邊環(huán)境遷移擴散，所以在分析尾礦庫的安全隱患時，研究灘面氡的析出與控制氡的擴散系數(shù)是不可缺少的一環(huán)。譚凱旋等[2]進(jìn)行了不同覆蓋物抑制鈾尾礦氡析出效果的研究，得出了不同覆蓋物的控氡效果，存在較大差異。徐衛(wèi)東等[3]探討了尾礦庫覆土厚度與覆土效果的關(guān)系，確定其效果參數(shù)。王錦等[4]探究了紅壤覆蓋層的厚度與壓實度對鈾尾礦庫灘面氡析出的影響特征。DAI X W等[5]探究了鈾尾礦庫灘面覆土厚度及不同壓實度對氡析出的影響。目前大多圍繞單一材料構(gòu)成的灘面進(jìn)行研究，很少對多層覆蓋層控氡效果展開研究，故開展不同覆蓋物多層覆蓋的方法來進(jìn)行控氡是有必要的，也具有一定的現(xiàn)實意義。李玉雷等[6]指出紅土、黏土、砂礫具有良好的控氡效果。劉東旭[7]指出灘面多層覆蓋層構(gòu)成也是影響擴散系數(shù)及氡析出能力的一個指標(biāo)。王文博等[8]進(jìn)行了不同覆蓋材料抑制氡析出率的覆蓋試驗。

本研究選取紅土及石英砂來對鈾尾礦砂進(jìn)行多層覆蓋；現(xiàn)有的鈾尾礦庫大部分處于地震帶上，自然狀態(tài)下鈾尾礦庫灘面覆蓋層也面臨著行車、機械運行等產(chǎn)生的低頻振動影響，而在地震前后，受震地區(qū)均可監(jiān)測到氡濃度異常上升。關(guān)于低頻振動對于鈾尾礦庫的影響，袁勁帆等[9]試驗研究已表明，在前后方向水平振動條件下，單一覆蓋物組成的灘面其氡析出率總體呈現(xiàn)先上升后下降規(guī)律。劉艷[10]研究了鈾尾礦庫覆土層在水分蒸發(fā)和干縮開裂過程中控氡性能變化。CAI Z Q等[11]探究了在振動載荷及氣體滲流速度下對鈾尾礦庫灘面進(jìn)行氡濃度的測量。LIU X L等[12]進(jìn)行了鈾尾礦庫覆蓋層土壤滲透性特征的研究。

根據(jù)相關(guān)資料顯示，目前對鈾尾礦庫開展低頻振動的研究較少，結(jié)合紅土-石英砂-紅土組成的鈾尾礦庫多層覆蓋層，來進(jìn)行低頻振動條件下多層覆蓋層控氡效果的研究就顯得尤為必要。本研究以湖南衡陽某特大型鈾尾礦庫為對象，自制縮尺模型開展了低頻振動對鈾尾礦庫灘面多層覆蓋降氡效果影響的實驗研究。為鈾尾礦庫退役治理提供理論依據(jù)，提升其灘面抵御振動疊加效應(yīng)的能力。

1 紅土-石英砂-紅土灘面氡析出機理

氡在介質(zhì)中的運移分為主動運移和被動運移，本文設(shè)定灘面無滲流情形發(fā)生，故氡只存在著主動運移及擴散并遵循著一般氣體的擴散定律，假定有一形狀任意的均勻多孔射氣介質(zhì)，其體積為τ，S為這一不變體積的封閉表面，介質(zhì)產(chǎn)生可移動氡的能力為α，J1為表示封閉表面上由氡擴散遷移造成的通量，并取曲面S的外法線的方向為正的方向。C為射氣介質(zhì)中的的氡的視濃度，D為擴散系數(shù),那么體積為τ的介質(zhì)中可移動氡量的變化率即為：

(1)

圖1 尾礦庫灘面氡氣析出示意

覆蓋層表面析出的氡收集在集氡罩內(nèi)。集氡罩內(nèi)氡濃度隨集氡時間延長而增加，利用等間隔時間對集氡空間內(nèi)氡濃度進(jìn)行測量。可根據(jù)式(2)來計算氡析出率及控氡率:

(2)

式中，J為被測介質(zhì)表面氡析出率；△C為集氡罩內(nèi)積累t時刻的氡濃度，Bq/m3；V為集氡罩空間體積，m3；S為集氡罩的底面積，m2。

計算控氡率為：

(3)

式中，J0為鈾尾砂表面氡析出率，Bq/m3；J1為施加覆蓋層的鈾尾砂表面氡析出率，Bq/m3；

2 實驗材料與過程

2.1 多層覆蓋層材料的選取

根據(jù)《核工業(yè)鈾水冶廠尾礦庫、尾渣庫安全設(shè)計規(guī)范》(GB 50520—2009)尾礦庫退役要求，對退役鈾尾礦庫應(yīng)進(jìn)行覆蓋治理，所用材料就地取材同時為減輕覆蓋層所遭受的風(fēng)蝕、雨蝕導(dǎo)致控氡效果不佳，故采取多層覆蓋。為反映尾礦庫灘面真實情況，使用該尾礦庫灘面下1.5 m處尾砂、本地紅土、石英砂作為模型制造的原材料。紅土-石英砂覆蓋層的孔隙率較小、 氡擴散系數(shù)小且氡滲透性差，可達(dá)到較好的屏蔽氡的效果。且紅土-石英砂為南方某尾礦庫所在區(qū)域可較輕易取得的材料，具有簡單經(jīng)濟的特點，是一種實際可行的覆蓋材料。

在實驗前需要將模型內(nèi)紅土、石英砂、尾礦砂的體積含水率控制在固定范圍內(nèi)，且模型的氡析出應(yīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時進(jìn)行后續(xù)實驗步驟。因此，在實驗開始前使用干燥箱對尾礦砂、紅土、石英砂進(jìn)行干燥處理。將紅土與石英砂放進(jìn)干燥箱進(jìn)行時間為24 h、溫度為105 ℃的干燥，干燥后將紅土與石英砂分開攤放，進(jìn)行為期28 d自然狀態(tài)下的養(yǎng)護(hù)。鈾尾礦砂的主要成分如表1—表3所示。

表1 鈾尾礦砂樣品的礦物主要化學(xué)成分

表2 紅土樣品的主要化學(xué)成分

表3 石英砂樣品的主要化學(xué)成分

2.2 實驗裝置

2.2.1 縮尺模型制作

由于亞克力板具有便于觀察、質(zhì)地輕便的特點，故選取10 mm厚的亞克力板，基于水平低頻振動實驗裝置的尺寸來確定模型箱的尺寸為底面30 cm×30 cm，高70 cm，模型箱內(nèi)部根據(jù)雙區(qū)擴散理論計算與現(xiàn)場實驗相結(jié)合的方式來進(jìn)一步確定紅土-石英砂-紅土各覆蓋層的厚度，運用相似理論最終確定鈾尾礦砂壓實厚度為40 cm，紅土-石英砂-紅土3層覆蓋每層壓實厚度皆為2 cm，堆積鈾尾礦砂后，經(jīng)過一段時間靜置，用RAD7測出其裸砂氡濃度，并依次堆積紅土、石英砂、紅土確保三者壓實后的厚度均為2 cm，模型示意見圖2。

圖2 模型示意

2.2.2 水平低頻振動實驗裝置

水平低頻振動實驗裝置見圖3，該實驗裝置占地面積為800 mm×800 mm，承重上限為100 kg，掃頻信號發(fā)生器的波形：正弦波、余弦波、方波、三角波、白噪聲。最大輸出功率可達(dá)1 600 W，激振受力為500 N，最大振幅：10 mm，振動頻率：0～100 Hz。該裝置分為測氡部分及振動部分，測氡部分由④⑤⑥⑦組成，振動部分由①②③為主要組成部分。

1—掃頻信號發(fā)生器；2—功率放大器；3—激振器；4—RAD7測氡儀；5—干燥劑；6—鈾尾礦庫灘面模型箱(該模型為長方體，為標(biāo)示內(nèi)部組成故展示截面)；7—振動平臺。

2.3 實驗步驟

(1)將RAD7與干燥劑相連并調(diào)整至“Purge”檔把集氡腔內(nèi)的氡氣與水蒸氣凈化，降低對實驗的影響，將凈化后的RAD7與縮尺模型相連，測量出縮尺模型灘面氡析出濃度。

(2)將制作好的灘面縮尺模型，通過螺栓緊固在水平低頻振動實驗裝置的振動臺上，分別施以10、15、20、25 Hz，10→15 Hz, 10→15→20 Hz, 10→15→20→25 Hz的振動頻率，振動波形選擇正弦波形，振動時間為5 min，振動后將模型靜置。

(3)將凈化后的RAD7與振動后的灘面縮尺模型連接，設(shè)置RAD7周期(5 min)與循環(huán)次數(shù)(30次)，進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，為保證精確舍棄最初3組氡析出濃度數(shù)據(jù)；

(4)結(jié)合式(3)、式(4)計算出氡析率和控氡率。

3 結(jié)果與討論

各實驗箱(單一振動頻率)控氡率情況見表4。

由表4可知，單一振動頻率條件下，隨著振動頻率的遞增，控氡率的變化也會隨之增大，控氡能力隨之下降。

表4 單一振動頻率與控氡率的關(guān)系

采取1號實驗箱進(jìn)行疊加振動頻率實驗，由圖4可知頻率為0 Hz時1號箱的控氡率為59%，頻率為10 Hz時1號箱的控氡率為56%，當(dāng)頻率為10→15 Hz時1號箱的控氡率為53%，當(dāng)頻率為10→15→20 Hz時1號箱的控氡率為43%，當(dāng)頻率為10→15→20→25 Hz時1號箱的控氡率為43%。

圖4 疊加振動頻率下控氡率變化情況

綜合表4和圖4可知，在單一振動頻率條件下隨著頻率的逐漸增加，振動前后控氡率的變化呈上升趨勢，并在25 Hz處達(dá)到峰值，近乎完全失去控氡能力。疊加振動頻率遞增的同時灘面多層覆蓋層的控氡率也逐步下降，當(dāng)頻率為10→15→20 Hz與10→15→20 →25 Hz時控氡率變化相同。

4 結(jié)論

(1)在10、15、20、25 Hz的振動條件下，經(jīng)過5 min，常溫常濕狀態(tài)下，單一頻率振動前后1號實驗箱(振動頻率10 Hz)對控氡率下降了3%，2號實驗箱(振動頻率15 Hz)振動前后控氡率下降了13%，3號實驗箱(振動頻率20 Hz)在振動前后控氡率下降了15%，4號實驗箱(振動頻率25 Hz)時振動前后控氡率下降了59%。

(2)疊加振動頻率為10→15 Hz時控氡率相較10 Hz時下降了3%，當(dāng)頻率為10→15→20 Hz相較10→15 Hz時控氡率下降了10%，當(dāng)疊加頻率為10→15→20→25 Hz時相較10→15→20 Hz控氡率無明顯變化，此時皆為43%。

通過本次設(shè)計實驗，驗證了紅土-石英砂-紅土覆蓋層良好的控氡率，在施加單一低頻振動條件下，振動頻率未超過25 Hz時，灘面多層覆蓋層的控氡率未有明顯變化，依舊有良好的控氡能力，當(dāng)超過25 Hz時，灘面多層覆蓋層的控氡率驟然下降，近乎完全失去控氡能力，僅存9%。在復(fù)合多頻振動的條件下，灘面多層覆蓋層仍可保有較好的控氡效率，紅土-石英砂-紅土覆蓋層具有較好的抵抗復(fù)合多頻振動的能力，是一種具有實際控氡意義的尾礦庫灘面覆蓋層。