Az atmoszférikus légnyomás változásainak hatása egy borpince légterében

Átírás

1 Az atmoszférikus légnyomás áltozásainak hatása egy borpince légterében léő 222 Rn-aktiitáskoncentrációra Győrfi Tamás* 1, Csige Istán 2 1 Eötös József Főiskola, 65 Baja, Szegedi út 2. 2 MTA Atommagkutató Intézete, 426 Debrecen, Bem tér 18/c * gyorfi.tamas@ejf.hu Title and Abstract Effect of atmospheric pressure ariations on the 222 Rn actiity concentration in the air of a wine cellar. We hae measured the ariation of atmospheric pressure and of 222 Rn actiity concentration in the air of a wine cellar with an AlphaGAURD type ionization chamber radon monitor. We hae found that the 222 Rn actiity concentration aries inersely with pressure. To explain this behaior we hae done model calculations. We hae compared the results of model calculations with the results of experimental measurements, and we hae found that the model is capable to reproduce some part of the ariation of 222 Rn actiity concentration. Keywords- Rn-222; wine cellar; transport model. Kionat Egy borpince légterében mértük a 222 Rn-aktiitáskoncentráció időbeli áltozását egy AlphaGUARD típusú ionizációs kamrás radonmérő műszerrel, toábbá ugyanezzel a műszerrel mértük az atmoszférikus légnyomás áltozását is. Azt tapasztaltuk, hogy bizonyos időszakokban a 222 Rn-aktiitáskoncentráció ellentétesen áltozik a légnyomással. A jelenség értelmezésére modellszámításokat égeztünk. Megállapítottuk, hogy a modell jól értelmezi a mért 222 Rn-aktiitáskoncentráció idősorokban megfigyelhető áltozások egy részét. Kulcsszaak Rn-222; borpince; transzportszámítások BEVEZETÉS A radontól származó sugárterhelés a lakosság természetes eredetű sugárterhelésének mintegy felét adja. Kimutatható a radon szerepe a tüdőrák-gyakoriság nöekedésében, ezért izsgálata megkülönböztetett figyelmet érdemel. Magyarországon az éi CXVI. Atomenergiáról szóló törény (16/2.) EüM égrehajtási rendelet munkahelyekre ées átlagban az 1 Bq/m 3 -es radon-koncentráció értéket, mint cselekési szintet határozta meg, ami,4-es egyensúlyi faktor és 2 óra/é munkaidő esetén 6,3 ms/é sugárterhelést jelent. Korábbi izsgálatok igazolták, hogy a föld alatti üregekben, barlangokban, bányákban ennek az értéknek a többszöröse, gyakran több tízszerese is előfordul ées átlagban. Így joggal etődött fel a kérdés, hogy a barlangokhoz több tekintetben is hasonló földalatti borpincékben is előfordulhatnak-e a rendeletben megállapított cselekési szintet meghaladó értékek. Korábbi [1][2][3] izsgálataink során kimutattuk, hogy a hazai boridékeink borospincéiben az ées átlagos 222 Rn-aktiitáskoncentráció jellemzően néhányszor száz Bqm - 3, agyis kb. 1 nagyságrenddel kisebb, mint ami a barlangokban jellemző. Ugyanakkor nem elhanyagolható azon borpincék aránya sem (kb. 1% körüli), amelyekben az ées átlagos 222 Rn-aktiitáskoncentráció jellemzően néhány kbqm -3. Ezen borpincék esetén jelentősége an annak, hogy a pince légterében térben és időben hogyan áltozik a 222 Rnaktiitáskoncentráció egyrészt a sugárterhelés pontosabb becslése céljából, másrészt a nagyobb radonkoncentráció kialakulásának az okainak megértése céljából is. Jelen 44

2 munkánkban egy hajósi borpince légterében, az atmoszférikus légnyomás áltozásainak hatására áltozó 222 Rn-aktiitáskoncentrációt izsgáltuk. MÉRÉS HELYE Hajós a Dél-alföldön, a Dunához közel található. A pincefalu a régi Duna-meder árterületén egy löszháton terül el. Manapság több mint 12 pince található a faluban. Ez Európa legnagyobb összefüggő pincefaluja (1. ábra). 1. ábra. Hajós-pincefalu A borpincék jellemzően egyágúak, átlagosan 2-5 méter hosszúsággal, 2,5 méter belmagassággal, és 2,2-3, méter szélességgel rendelkeznek. A falakat sok helyen téglaborítás fedi. A pincék hőmérséklete télen-nyáron közel azonos, o C. A borpincék fölé épültek a présházak. Az új építésű pincék présháza felett lakórész is kialakítása került, ahol turistákat szállásolnak el. A pincéket befoglaló kőzet anyaga lösz. A lösz 6-7%-ban finom karcporból, 5-25%-ban kalcium-karbonátból. 5-2%-ban agyagos alkotórészekből áll, egyéb kőzetalkotó ásányok törmeléke is lehet benne (földpát, turmalin, gránát, cirkon, oliin, stb.). Helyszínként egy olyan hajósi pincét (2. ábra) álasztottunk, ahol korábban, Radamon típusú maratottnyom-detektoros radondetektorokkal, 17 Bq/m 3 feletti radon-koncentráció értéket mértünk. 2. ábra. A izsgált pince keresztmetszete és méretei A méréshez AlphaGUARD típusú ionizációs-kamrás radonmonitort használtunk, amely a radon mellett a hőmérséklet, légnyomás és a relatí páratartalom mérésére is alkalmas. 45

3 MODELLSZÁMÍTÁSOK A talajgáz transzportját a telítetlen zónában a Darcy-egyenlettel közelítjük: q = K / µ ( gradp ρg ), ahol q : a gáz térfogatáram-sűrűsége, [ m 3 m -2 s -1 ]; K : a talaj belső gázáteresztő-képessége, [ m 2 ]; µ : a gáz dinamikai iszkozitása, [ Pa s ]; P : a gáz nyomása, [ Pa ]; ρ : a gáz sűrűsége, [ kgm -3 ]; g : a graitációs gyorsulás, [ ms -2 ]. A talajgáz áramlásának kontinuitási egyenlete: ε ( ρ / t) = di( ρq ), ahol ε : a talaj gázporozitása (a talaj teljes térfogatának gázzal kitöltött hányada), [-]. Az ideális gázokra onatkozó állapotegyenlet: p = ρrt, ahol R : az adott gázra onatkozó gázállandó, [ Jkg -1 K -1 ]; és T : a gáz hőmérséklete, [ K ]. Az állapotegyenletből kifejezhetjük a gáz sűrűségét, és azt beírjuk a Darcy-törénybe, alamint a kontinuitási egyenletbe, majd a Darcy-törény szerinti térfogatáramot behelyettesítjük a kontinuitási egyenletbe, és így kapjuk a talajgáz áramlásának alapegyenletét: P P = + + ( ) 2 K 2g α P P βp P, ahol α =, és β =. (1) t z µε RT A radon gáz transzportegyenletét az alábbi alakba írhatjuk: C β = D di grad C q grad C + G λβ C, (2) t ahol C a 222 Rn-aktiitáskoncentráció a pórustér gázfázisában, pórustérben aló keletkezési üteme, f a 222 Rn kibocsátási tényező, G = f ρ λ a 222 Rn A d Ra ρ a száraz talaj sűrűsége; A Ra a száraz talaj 226 Ra aktiitáskoncentrációja, λ a 222 Rn bomlási állandója. A pórustér ízzel kitöltött hányadát íztelítettségnek neezzük, és m betűel jelöljük. Feltesszük, hogy a pórustérben léő 222 Rn mindenkor az Otswald-féle megoszlási tényezőnek megfelelően oszlik meg a íz és a gázfázis között. Az L megoszlási tényező: L = C / C, w aminek hőmérséklettől aló függését a Cleer H. L. [4] által leegőre összegyűjtött adatokból a köetkező formuláal illesztettük: L ( T ) =.425 exp(,5 T ) +, 14. β = ( 1 m + Lm) ε, az úgyneezett megoszlás-korrigált porozitás. Miel ebben a megközelítésben a íz és gázfázisban történő diffúziót nem tárgyaltuk elemi szinten, ezért a D e effektí diffúziós együtthatóba an beépíte a diffúziós áram összes környezeti feltételtől aló függése: De = De ( ε, m, K). A D e (m 2 s -1 ) effektí diffúziós együttható porozitástól és a íztelítettségtől aló függését Rogers és Nielson [5] szerint így közelíthetjük: 14ε D = D exp( 6mε 6m ). e e EREDMÉNYEK Első közelítésben a pince légterében a 222 Rn-aktiitáskoncentrációját alapetően két tényező határozza meg. Az egyik a pince talajából és a falaiból a légtérbe sziárgó 222 Rn gáz árama, a másik pedig a pince szellőzése a külső légtér felé. Mindkét tényező jelentős időbeli áltozásokat mutathat elsősorban az időjárás áltozásainak hatására. A legegyszerűbb esetben feltehetjük, hogy mind a radon forráserőssége, mind a pince szellőzési sebessége időben állandó. Legyen a pince térfogata: V, [m 3 ]; a pince talajának és falainak összfelülete pedig: A, [m 2 ]. A pince falain (beleérte a pince talaját is) a 222 Rn aktiitásáram sűrűsége j, [Bqm -2 s -1 ]. Ekkor a 222 Rn-aktiitáskoncentráció a pince légterében: C = ( Aj / V + qck ) /( λ + q), ahol q a pince szellőzési sebessége. A talajfelszínre d g 46

4 ilágátlagban jellemző j =2 mbqm -2 s Rn aktiitásáram-sűrűséggel számola a szellőzési sebesség függényében mutatja a 222 Rn-aktiitáskoncentráció értékét a 3. ábra. Rn-aktiitáskoncentráció, [ kbqm -3 ] Szellőzési sebesség, [ h -1 ] 3. ábra. A 222 Rn-aktiitáskoncentráció áltozása a szellőzési sebesség függényében. Tekintettel arra, hogy a borospincékben mérhető Rn-aktiitáskoncentráció néhányszor száz és esetleg néhányszor ezer Bqm -3 közötti érték, ezért mondhatjuk, hogy a szellőzési sebesség a pincékben jellemzően néhány tized óránként. A pince légterében azonban a radonkoncentráció nem helyfüggetlen, hanem helyről-helyre áltozhat. A pince bejáratának közelében, ahol a szellőzés történik, a radonkoncentráció kicsi, szemben a pince égpontjáal, ahol a szellőzés a legkisebb és a radonkoncentráció így árhatóan a legnagyobb. Tegyük fel most, hogy a pince leegőjének keeredését a diffúziós egyenlettel közelíthetjük: 2 C C K = D + j λ C 2 t x F. Ebben a modellben a pincét egy K kerületű, F keresztmetszetű egyenes csőnek tekintjük, D a keeredési-diffúzió együtthatója. A megoldást a 4. ábrán szemléltetjük. 2 ] 222 Rn-aktiitáskoncentráció, [ kbqm Diffúziós együttható: 1-5 m 2 s m 2 s m 2 s Táolság a pince bejáratától, [ m ] 4. ábra. A 222 Rn-aktiitáskoncentráció áltozása a pince bejáratától mért táolság függényében. A 222 Rnaktiitásáram-sűrűsége a pince falán: j=,2 Bqm -2 s -1. A különböző diffúziós együtthatók a pince leegőjének keeredését jellemzik. 47

5 D~1-5 m 2 s -1 : nincs keeredés, a 222 Rn csak a molekuláris diffúzió miatt áramlik. A 222 Rn diffúziós hossza leegőben kb. 2 m. A pince égén megemelkedik a radonkoncentráció, mert az oldalfalakból származó radonhoz hozzáadódik a pince hátsó falából származó radon is! A 1-3 m 2 s -1 diffúziós állandó kb. 5 kbq m -3 -re csökkenti a 222 Rn-aktiitáskoncentrációt, agyis ez kb.,2 h -1 szellőzési sebességnek felel meg! Ez nagyon kicsi szellőzési sebesség, de egyes pincékben előfordulhat. A diffúziós együttható toábbi (1-2 m 2 s -1 ) nöeléséel néhány 1 Bqm -3 -re is lecsökkenthető az aktiitáskoncentráció. Ilyen értelemben alamiféle megfeleltetés létesíthető a szellőzési sebesség és a keeredési diffúziós együttható között. A köetkezőkben kiszámítottuk a 222 Rn-aktiitáskoncentráció térbeli eloszlását a borospincét beágyazó kőzetben és a pince légterében is. Eredményül az 5. ábrán látható eloszlást kaptuk Táolság a bejárattól, [ m ] Magasság, [ m ] 7 kbqm-3 6 kbqm-3 5 kbqm-3 4 kbqm-3 3 kbqm-3 2 kbqm-3 1 kbqm-3 kbqm-3 5. ábra. A 222 Rn-aktiitáskoncentráció térbeli eloszlását a borospincét beágyazó kőzetben és a pince légterében. Ez az eredmény szemléletesen mutatja, hogy annak ellenére, hogy a beágyazó kőzet pórusterében a 222 Rn-aktiitáskoncentráció több 1 kbqm -3, a pince légterében csak néhány kbqm -3. A szellőzés mértékét ebben a számításban is a 1-3 m 2 s -1 keeredési diffúziós állandóal adtuk meg. Végül bemutatunk egy eredményt, amelynek során a 222 Rn-aktiitáskoncentráció időbeli áltozását számoltuk ki a pince légterének különböző pontjaiban. Az időbeli áltozásokat az okozta, hogy a modellszámítás során peremfeltételként az AlphaGUARD műszer által mért nyomás idősort használtuk. A nyomásáltozás hatására időben áltozott a borospincét beágyazó kőzetben, és magában a borospincében is a kitöltő gáz áramlási sebessége, és ez hatással an a radon gáz transzportjára is. Csökkenő nyomás esetén nöekszik a pince falán a kőzetből kisziárgó pórusgáz térfogatárama, és nöeli a 222 Rn-aktiitás-fluxussűrűséget is, ami a pince légterében a 222 Rn-aktiitáskoncentráció megemelkedéséhez ezet. A 6. ábra mutatja a mért és a számolt értékek összehasonlítását. Megfigyelhető, hogy a modellszámítás jól adja issza a 222 Rn-aktiitáskoncentráció áltozás irányát, ugyanakkor sem a 222 Rnaktiitáskoncentráció szintje, sem a áltozás dinamikáját nem írja le megfelelően. A mért 222 Rn-aktiitáskoncentráció szint mintegy ötödrésze a számoltnak. A nagyobbik különbség iszont, hogy míg a nyomás idősorban megfigyelhető jelentős nyomáscsökkenés hatására a mért 222 Rn-aktiitáskoncentráció idősorban mintegy 3-szoros nöekedés figyelhető meg, addig a számolt idősorban ugyanez a nöekedés csak mintegy 1% nagyságrendű. A modellszámítások egyes paramétereinek áltoztatásáal természetesen lehet közelíteni a mért és a számolt idősorokat. 48

6 11. Nyomás [ kpa ] Rn-aktiitáskoncentráció [ Bqm -3 ] 135 Számolt Mért Idő, [ h ] 6. ábra. A mért és a számolt 222 Rn-aktiitáskoncentráció idősorok összehasonlítása. IRODALOM [1] Szerbin P., Vaupotic J., Csige I., Kobal I., Hunyadi I., Baradács E. (23) Radioactiity in wine cellars in Hungary and Sloenia. Proceedings of the International Symposium on Radiation Enironment, Dresden, Germany, March 1-14., 23. [2] Szerbin P., Vaupotic J., Csige I., Kobal I., Hunyadi I., Juhász L., Baradács E. (25) Radioactiity in ine cellars in Hungary and Sloenia. International Congress Series 1276, pp [3] Győrfi T., Hunyadi I., Csige I. (27) Radon a hajósi borpincékben. IV. Magyar Radon Fórum. Környezetédelmi konferencia, Veszprém, 27. Szerkesztők: Koács Tibor, Somlai János. Kiadó: Pannon Egyetemi Kiadó. Pp [4] Cleer H. L. ed. (1979) Solubility data series 2, Pergamon Press, [5] Rogers, V. C.; Nielson, K. K. (1991) Multiphase radon generation and transport in porous materials. Health Phys. 6(6), pp A pályamű a SOMOS Alapítány támogatásáal készült 49