Tárgyszavak: 222 Rn; származékelemek; víz; gyógyfürdő; rövid távú; hosszú távú; radon; sugárzás; termálvíz.

Átírás

1 SUGÁRZÁSOK Rn-tartalmú vizek okozta sugárterhelés termálfürdőkben Tárgyszavak: 222 Rn; származékelemek; víz; gyógyfürdő; rövid távú; hosszú távú; radon; sugárzás; termálvíz. Kísérleti rész A görögországi Lesvos szigetén található polichnitosi meleg források hőmérséklete eléri a 90 C-t. A gyógyfürdő két medencéből és számos egyéb építményből áll: öltözőkből, zuhanyozókból és két gyógyászati helyiségből. Két helyszínt vizsgáltak: az 1. számú fürdőszobát (BR) és az 1. számú kezelőhelyiséget (DR). A BR-t műanyag függöny választja el az öltözőtől, a fürdőhelyiség szellőzését a tetőn lévő állandó kis nyílás biztosítja. A BR és a DR szerkezeti és működési jellemzőit az 1. táblázat foglalja össze. A víz 222 Rn-kibocsátását és a származékelemek keletkezését a fürdőben és a környező helyiségekben monitorozták. A 222 Rn levegőben mért koncentrációjának és a szellőzés sebességének időfüggését a BR-ben háromnapos periódusra az 1. ábra, a DRben egynapos periódusra a 2. ábra szemlélteti. Mérték a fürdőhelyiség és a külső környezet közötti nyomáskülönbséget is. A 222 Rn-koncentráció, a páratartalom, a hőmérséklet és a nyomás helyiségen belüli értékét két műszerrel monitorozták: Alpha Guard PQ2000Pro (Genitron Instruments) és EQF3023 (Sarad). Az Alpha Guard ionizációs kamra, amely a 222 Rn-t méri a származékelemek áthaladását gátló üvegrost szűrőn keresztül történő diffúzió révén, tízperces mintavételi ciklusokban alfa-spektrometriai módszerrel. Az EQF3023 műszer esetében a 222 Rn-t a kamrába szivattyúzták és ott félvezetővel mérték. A 222 Rn koncentrációját a vízben speciális feltéttel (Aqua Kit) ellátott Alpha Guard műszerrel mérték. A vízmintákat 500 ml-es üvegtartályban gyűjtötték, nyílását biztonságosan lezárták, hogy megakadályozzák a 222 Rn kiszivárgását szállítás közben.

2 A vizsgált fürdő és kezelő (BR és DR) jellemző paraméterei 1. táblázat Jellemzők BR DR Térfogat (V) 34 m 3 52 m 3 Felület/térfogat arány (S/V) 2,4 m -1 2 m -1 Szellőzési sebesség (λ v ) (légcsere/h) 1,9* 1,9* A medence térfogata ~8 m 3 A medence felülete 9,44 m 2 A befolyó víz hőmérséklete C A 222 Rn koncentrációja a befolyó vízben kbq/m 3 A vízbefolyás sebessége 8 m 3 /h Aeroszol részecskék (PM-2,5)koncentrációja 10,4 µg/m 3 10,4 µg/m 3 *A 24 órás kísérlet alapján meghatározott átlagérték (négyzetes középhiba ±0,050) radon A szellőzési sebesség 222 R koncentráció, Bq/m 3 a b B c C szellőzési sebesség, légcsere/h idő 1. ábra A 222 Rn-koncentráció és a szellőzési sebesség három napig tartó mérése a fürdőben

3 radon szellőzési sebesség 222 R koncentráció, Bq/m 3 szellőzési sebesség, légcsere/h idő 2. ábra A 222 Rn-koncentráció és a szellőzési sebesség egy napig tartó mérése a kezelőben A mintát gázmentesítették és kiszivattyúzták, egyperces méréseket végeztek. A 222 Rn rövid felezési idejű származékelemeit a belső helyiségben a 222 Rn-nal egyszerre mérték az EQF3023 műszerrel. A 222 Rn rövid felezési idejű származékelemeit egy speciális szűrővel gyűjtötték és két forgó mérőfej közé helyezett két félvezető érzékelővel mérték. A műszer a származékelem-gyűjtő szűrő és az 50 nm-s hálós rács fölött elhelyezkedő mérőfejei megfelelő forgatásával külön mérte a (por)szemcsékhez kötött és nem kötött származékelemeket. Az 50 nmnél kisebb átmérőjű részecskék alkotják a nem kötött, az ennél nagyobb átmérőjűek pedig a kötött hányadot. A méréseket kétórás időközökben végezték a nyolc 24 órás kísérlet során. A levegő szén-dioxid-tartalmának mérését C200 (OLDHAM-típusú) gázdetektorral végezték. A nagyszemcsés (>500 nm)részecskék koncentrációját GRIMM típusú hordozható pormonitorral mérték. Az aeroszol koncentrációját az üres medencében mérték.

4 A potenciális alfa-energia-koncentráció (potential alpha energy concentration = PAEC 1 ) a 222 Rn bomlástermékeinek energiaszintjét fejezi ki, és az összes, levegőben lebegő származékelem aktivitásának mérésével határozható meg, ezt c p -vel jelölve: c p x = 0,58C 1 x + 2,85C 2 x + 2,1C 3 x nj/m 3 egységekben (1) ahol C 1, C 2 és C 3 rendre a 218 Po, a 214 Pb és a 214 Bi származékelemek aktivitásai Bq/m 3 -ben kifejezve. Az x index u vagy a értéket vehet fel, attól függően, hogy a származékok nem kötöttek vagy kötöttek. A teljes PAEC-értékek esetében index nem szerepel. Az ún. egyensúlyi faktor vagy F-faktor a 222 Rn származékelemei koncentrációja tényleges teljes PEAC-értékének és a 222 Rn-koncentrációnak megfelelő egyensúlyi PEAC-értéknek az aránya. Az F-faktort az F = cp 10 55, C (2) 0 egyenlet adja meg, ahol a teljes PEAC J/m 3 -ben van adva, és C 0 a 222 Rn koncentrációja Bq/m 3 -ben kifejezve. A nem kötött hányad (f p ) a 0,5 5 nm méretű ultrafinom szemcséket vagy csoportokat tartalmazza. Az itt ismertetett vizsgálat során a használt mérőeszköz korlátozott lehetőségei miatt a nem kötött hányad átmérője kisebb mint 50 nm, f = p c c pu p (3) ahol c pu a PEAC-nak a szabad ionokra és csoportokra jutó hányada, és c p a helyiségben lévő minden részecskére vonatkozó PEAC. A vizsgálat célja a víz hozzájárulásának számítása a radon származékelemei által okozott, a fürdő alkalmazottait és vendégeit érő sugárterheléshez (c p t). A sugárterhelés becsléséhez szükség van a c p értékre és a terhelés időtartamára (t). Mivel c p értéke ingadozik, egy munkanapra vonatkozó átlagértékét használták a sugárexpozíció becsléséhez. A sugárterhelési egységet (J h/m 3 ) feltételezve, hogy havonta 170 mun- 1 A 222 Rn származékelemeinek a levegőben lejátszódó alfa-bomlásából eredő potenciális energia nagysága.

5 kaóra van átszámították WLM (working level month havi munkával kapcsolatos terhelés) egységekké 2, így 1 WLM = 3, J h/m 3. Az effektív dózis meghatározásához ismerni kell az összefüggést a radon származékelemei által okozott teljes sugárterhelés (c p t) és az ún. dózisátszámítási tényező (dose conversion factor DCF) között; DCF = dózis/(c p t). Ahol c p a radon rövid felezési idejű bomlástermékeire vonatkozó PAEC és t a besugárzási idő. A DCF becslésére számos dozimetriai modellt javasoltak. Az itt használt modell szerint: DCF = 8, f p (4) ahol DCF msv/wlm-ben van kifejezve. Eredmények és értékelés A gyógyfürdő mélyfúrásból eredő vizében a 222 Rn koncentrációja kbq/m 3 ; így a belső levegő szennyezettsége a víz bevezetésének ütemétől és a szellőzéstől függően elérheti a néhányszáz Bq/m 3 értéket. Üres medence mellett a háttér 222 Rn-koncentráció 29 Bq/m 3 volt. A durvaszemcsés anyag koncentrációja csaknem elhanyagolhatóan csekély volt (PM-2,5 = 10,4 µg/m 3 ). A 222 Rn-koncentráció hirtelen növekedése a medence feltöltése és kisebb mértékben az öblítése során következik be, majd csökken és stabilizálódik. A 222 Rn gyors beáramlása intenzív sugárterhelést okoz a közvetlen környezetben lévő személyek számára. A BR-ben a relatív nedvességtartalom a medence feltöltése és a fürdés idején magas ~98%. A DR-ben nincs természetes szellőzés, itt a relatív nedvességtartalom ~70%. Az 1. ábrán látható három főcsúcs: A, B és C a medence feltöltése során a levegőbe kibocsátott 222 Rn-nek felel meg. A kibocsátás mértéke függ a vízkifolyás jellegétől, a vízfelület teljes nagyságától és a víz hőmérsékletétől. A csővezetéken a víz 222 Rn-on kívül más gázokat is szállít (pl. CO 2 -ot), ezek mennyisége függ az áramlás jellegétől (turbulens vagy Newton-féle), a nyomástól, a hőmérséklettől, a csővezeték geometriai jellemzőitől stb. A 222 Rn elsősorban a vízcseppekből kerül a levegőbe. Magas hőmérsékleten kevesebb 222 Rn és CO 2 oldódik a vízben. 2 1 WLM = 1 WL (munkával kapcsolatos) sugárterhelés 170 órán keresztül; 1 WL = 20,8 µj alfa energia/ m 3 levegő

6 A görbén három kisebb csúcs: a, b és c is van; ezt a fürdőzők idézik elő a víz mozgatásával. A szellőzés hatását a 222 Rn koncentrációjára a háromnapos kísérlet során az 1. ábra szemlélteti. A szellőzés sebességét λ v, a légcserék egy órára eső számát a λ v = 3600 Q/V (5) egyenlet adja meg, ahol V = 34 m 3, a BR térfogata, Q-t a Q = C D A 2 p p (6) egyenlet adja meg, ahol A = 0,06 m 2, a tető nyílásának területe. A levegő sűrűsége ρ = 1,2 kg/m 3 ; p a nyomáskülönbség a BR és a külső tér között Pa-ban kifejezve. A C D átfolyási tényező értéke 0,25 és 0,6 közé esik a széliránytól függően. A nyílás irányára merőleges szél a maximális, a nyílás irányával párhuzamos szél a minimális értéknek felel meg. A kísérlet idejére a C D -t 0,3-nak becsülték. A BR szellőzési sebessége 0,61 és 7,24 ach (air change per hour = légcsere per óra) között volt. A kísérlet ideje alatt a szellőzési sebesség növekedése a megfelelő 222 Rn-csúcsok csökkenését idézte elő. A 2. ábrán lévő széles csúcs a fürdővíz feltöltésének hatását tükrözi a 222 Rn koncentrációjára a DR-ben. Ez a csúcs 4-5-ször kisebb mint a megfelelő csúcs a BR-ben. A DR-t (kezelő) időnként szellőztették, a beszivárgási sebességet 0,5-nek tételezték fel. A fürdővíz feltöltése során a 222 Rn koncentrációjának növekedésével párhuzamosan a CO 2 koncentrációja is növekszik. A medence feltöltése után a víz néhány órán keresztül hűlt. Ez idő alatt a 222 Rn levegőbe irányuló kibocsátása nagyon lassú volt. Ez azt jelenti, hogy a 222 Rn nagy része a vízben maradt, a víz magas hőmérséklete nem segítette elő jelentős mértékben a 222 Rn távozását. A 222 Rn kötött és nem kötött származékelemeinek koncentrációját mérték a nyolc 24 órás kísérlet során. A teljes kísérletsorozat alatt a víz feltöltése, a szellőztetés és a vízfelhasználás azonos módon történt. A méréseket a BR és a DR légterében végezték. A mérések alapján a PEAC-t (c p ), az egyensúlyi tényezőt (F) és a nem kötött hányadot (f p ) becsülték.

7 A 3. ábra bemutatja a teljes PEAC (c p ) és a 222 Rn koncentrációjának változását a medence feltöltése idején. Kezdetben a c p érték kicsi, a maximumát a 222 Rn-koncentráció maximumához képest késleltetve éri el. A c p időbeli változása a BR-ben csekély, ezért állandónak feltételezték (104 nj/m 3 ). mért PEAC a BR-ben üres épület átlagos PEAC a BR-ben átlagos PEAC a DR-ben Rn-koncentráció cp, nj/m Rn-koncentráció, Bq/m 3 idő, perc 3. ábra A c p változása a fürdőhelyiség légterében A 4. ábra a 222 Rn-koncentráció, az F-faktor és a nem kötött rész (f p ) időbeli változását mutatja be. A szellőzési sebességet e kísérlet során mérték, nagyon csekély mértékben változott (~2 ach). Kezdetben a levegőben 222 Rn van jelen, származékelemeinek koncentrációja kicsi, ezt tükrözi F és c p alacsony értéke. Ez azt jelzi, hogy a víz töltése idején a vízből kevés származékelem kerül a levegőbe. Az F tényező a maximális értékét (0,75) az előző 222 Rn-csúcsértékhez képest késleltetve éri el. Az F tényező növekedése a származékelemek koncentrációjának növekedésével és a 222 Rn koncentrációjának csökkené-

8 sével magyarázható. Tekintetbe kell venni, hogy a környezet nemegyensúlyi. Hosszú időtávon az F tényező csökken, valószínűleg mivel a nedves környezetben az aeroszolok kimosódnak. A 24 órás kísérlet során az F tényező átlagértéke 0,22 volt, ez kisebb, mint a lakott házakra elfogadott érték (0,4). F-faktor radonkoncentráció nem kötött hányad f p 222 Rn-koncentráció, Bq/m 3 F-faktor és a nem kötött hányad fp idő, h 4. ábra A 222 Rn-koncentráció, az F-faktor és a nem kötött hányad (f p ) változása a fürdőhelyiség légterében (a 222 Rn mérését ALPHA GUARD típusú műszerrel végezték) Kezdetben f p nagy, ami azt jelzi, hogy a kibocsátott származékelemek nagy része nem kötött. Amint a származékelemek mennyisége nő, és az aeroszol részecskék higroszkóposan nőnek, a kötődés valószínűsége nő, és a kötetlen részecskék hányada (f p ) csökken. Hosszú távon a nem kötött hányad növekszik. Az f p növekedését az F-faktor csökkenése kíséri; e jelenség fordítottját is megfigyelték. A nem kötött hányad (f p ) átlagértéke (0,12) nagyobb volt, mint a lakott házakban megfigyelt átlagos érték (0,06±0,005). Ez annak tulajdonítható, hogy a nagy nedvességtartalom az aeroszol részecskék kimosását idézi elő. A viszonylag nagy részecskék kiülepednek és a felületekhez illeszkednek. Az aeroszolok

9 koncentrációja kimosás következtében csökken, a nem kötött részecskék hányada (f p ) pedig nő, mert a kötődés folyamata lassúbbá válik. Az egész év során a BR-ben és DR-ben végzett c p -mérésekből kiválasztották a 222 Rn különböző vizekben mért koncentrációjának megfelelőket. Az 5. ábra szerint lineáris összefüggés van a BR-ben és DR-ben mért átlagos c p -érték és a befolyó vízben lévő 222 Rn-koncentráció között y = 1,2701x + 60,985 R 2 = 0,7082 c p, nj/m y = 0,4937x + 56,497 R 2 = 0,8418 "BR" "DR" Rn a vízben, kbq/m 3 5. ábra Az átlagos c p és a víz 222 Rn-koncentrációja közötti korreláció a fürdőben és a kezelőhelyiségben. Az egyes vonalak meredeksége a 222 Rn vízbeli koncentrációjának hozzájárulását adja a c p -hez (njm -3 /kbqm -3 ) A víz hatására a levegőben lebegő c p növekedését a megfelelő trendvonalak meredeksége alapján becsülték, értékét a BR-ben 1,27 njm -3 /kbqm -3 -nek, DR-ben pedig 0,49 njm -3 /kbqm -3 -nak találták. A trendvonalak és az y-tengely metszéspontja közel esik a c p átlagos háttérértékéhez. A c p átlagos háttérértékét, amely 64 nj/m 3, a (2) egyenlet alapján számolták, C 0 = 29 Bq/m 3 és F = 0,4 értékek mellett. A víz hozzájárulását a dolgozók és vendégek napi sugárexpozíciójához a tipikus forgatókönyv alapján számolták. Egy dolgozó napi sugárterhelése összeadódik a 8 óra háttérsugárzásból, valamint a BR-ben töltött 2 órából és a DR-ben töltött 6 órából. A vendégek feltételezhetően 20 percet töltenek a BR-ben és 2 órát a DR-ben zuhanyozás, kezelés és öltözködés céljából.

10 A 6. ábra a víz hozzájárulását mutatja be a dolgozó és a vendég sugárexpozíciójához a fenti forgatókönyv alapján. A vízszintes vonalak megfelelnek a 222 Rn háttér-koncentrációjából adódó sugárterhelésnek. A gyógyfürdő munkatársainak napi sugárexpozíciója a víz és a háttér hozzájárulásának összege a napi expozició, njh/m Rn a vízben, kbq/m 3 a víz hozzájárulása a dolgozók sugárterheléséhez a víz hozzájárulása a fürdővendégek sugárterheléséhez a háttér hozzájárulása a dolgozók sugárterheléséhez a háttér hozzájárulása a fürdővendégek sugárterheléséhez 6. ábra A 222 Rn vízbeli koncentrációjának hozzájárulása a dolgozók és a fürdővendégek napi sugárterheléséhez 2. táblázat A víz hozzájárulása (150 kbq/m 3 ) a dolgozók és a fürdővendégek napi sugárterheléséhez A napi sugárterhelés (nj h/m 3 ) BR DR Háttér Összesen A víz hozzájárulása (%) Dolgozó Fürdővendég 63, A 6. ábrán alapuló 2. táblázat megadja a dolgozók és a vendégek sugárexpozícióját 150 kbq/m Rn-tartalmú víz estében. A víz járuléka az alkalmazottak sugárterheléséhez a teljes terhelés 59%-a, ez egyenlő-

11 en oszlik meg a BR és a DR között. A fürdővendégek napi sugárterhelése 55%-kal nő (ebből 18% a BR és 37% a DR járuléka). A nem kötött részecskék esetében f p mért értékét használták, ez BR-ben és DR-ben 0,12. A számítások DCF-re 16 msv/wlm értéket adtak. A 7. ábra szerint a dolgozók dózisexpozíciója arányos a víz 222 Rntartalmával. A 3 msv-nek megfelelő vízszintes egyenes az alsó határérték, amely megfelel az ICRP 3 65 munkahelyekre vonatkozó ajánlásának. A 7. ábra szerint a kapott dózis a határértéket a 300 kbq/m 3 tartalmú vizek esetében haladja meg. 5 4 az évi dózis, msv Rn a vízben, kbq/m 3 a víz hozzájárulása a teljes dózis a háttér hozzájárulása az alsó határérték (ICRP 65 szerint) 7. ábra A vízben mért 222 Rn-koncentráció hozzájárulása a dolgozók évi dózisához Következtetések A vizsgálat szerint a víz medencébe töltése a 222 Rn levegőbe jutásának legfontosabb módja. A vízáramlás idézi elő a 222 Rn- és a CO 2 -gáz kiszabadulását a vízből. A második fontos mechanizmus a fürdőzők, úszók által keltett vízmozgás. Hozzájárul továbbá a megnövekedett vízfelszín és a víz magas hőmérséklete is. 3 Nemzetközi Sugárvédelmi Bizottság

12 222 Rn kezdeti nagy koncentrációját a levegőben nem kíséri a származékelemeinek hasonló nagy koncentrációja; a medence feltöltése idején a 222 Rn származékelemeinek a koncentrációja kicsi marad. Ezt tükrözi az F tényező, amely a 222 Rn-koncentrációhoz képest fáziskésésben van akkor éri el legnagyobb értékét, amikor a 222 Rn koncentrációja már kicsi. Ebből következik, hogy a fürdőhelyiségben a medence megtöltése után töltött idő a kapott dózist jellemző fontos paraméter. A fürdőhelyiségben az F tényező átlagos értéke 0,22, ez kisebb, mint a lakott házakra jellemző F = 0,44 érték. Az átlagos nem kötött hányad (f p ) értéke 0,12; ez több mint a lakott házakra jellemző f p = 0,06 érték. Az F tényező és f p között negatív korrelációt találtak. A víz feltöltése során a szellőztetés különösen ajánlott. A szellőztetés növelése hasonló hatással van 222 Rn és bomlástermékei koncentrációjára. A szellőztetés fokozása lerövidíti a maximális koncentráció eléréséhez szükséges időt, és egyúttal csökkenti a maximális koncentráció értékét. A fenti eredmények a leírt használati mód mellett érvényesek. Más fürdőhelyiségek esetében, még abban az esetben is, ha a vízben a 222 Rn koncentrációja azonos, a sugárexpozíció más lehet egyebek mellett a fürdőhelyiség más mérete, az eltérő szellőzési sebesség, az aeroszol eltérő jellege, a fürdővendégek eltérő száma és a fürdőben eltöltött eltérő időtartam miatt. A dolgozók sugárterhelése meghaladhatja az ICRP 65 határértéket (3 nsv) abban az esetben, ha a 222 Rn koncentrációja a vízben meghaladja 300 kbq/m 3 értéket. A dózis pontosabb meghatározásához szükség van az aeroszolok méret szerinti eloszlásának pontosabb mérésére a kezelőhelyiségben. Az itt alkalmazott (dinamikus) közelítés minden olyan esetben használható, ahol a víz a 222 Rn legfontosabb forrása. Összeállította: Schultz György Vogiannis, R.; Niaounakis, M; Halvadakis, C. P.: Contribution of 222 Rn-bearing water to the occupational exposure in thermal baths. = Environment International, 30. k. 5. sz p Porstendörfer, J.: Radon: measurements related to dose. = Environment International, 22. k. 1. sz. különszám, p. S Porstendörfer, J.: Physical parameters and dose factors of the radon and thoron decay products. = Radiation Protection Dosimetry, 94. k. 4. sz p