Építőanyagok radonemanációját és exhalációját befolyásoló paraméterek meghatározása

Átírás

1 DOKTORI (PhD) ÉRTEKEZÉS Építőanyagok radonemanációját és exhalációját befolyásoló paraméterek meghatározása Szerző: Sas Zoltán Kémiai és Környezettudományi Doktori Iskola Témavezető: Dr. Somlai János egyetemi docens Pannon Egyetem Radiokémiai és Radioökológiai Intézet

2 Értekezés doktori (PhD) fokozat elnyerése érdekében Írta: Sas Zoltán Készült a Pannon Egyetem Kémiai és Környezettudományi Doktori Iskolája keretében Témavezető: Dr. Somlai János Elfogadásra javaslom (igen / nem) (aláírás) A jelölt a doktori szigorlaton... % -ot ért el, Az értekezést bírálóként elfogadásra javaslom: Bíráló neve: igen /nem Bíráló neve:......) igen /nem Bíráló neve:......) igen /nem. (aláírás). (aláírás). (aláírás) A jelölt az értekezés nyilvános vitáján...% - ot ért el. Veszprém/Keszthely,. a Bíráló Bizottság elnöke A doktori (PhD) oklevél minősítése... Az EDT elnöke 2

3 KIVONAT... 1 ABSTRACT... 2 SINOPSIS... 3 BEVEZETÉS-CÉLKITŰZÉS... 4 I. IRODALMI ÖSSZEFOGLALÁS TERMÉSZETES RADIOAKTIVITÁS HATÁSA AZ ÉLŐVILÁGRA A legfontosabb dózismennyiségek Ionizáló sugárzás hatásai az élővilágra Sugárzások forrásai Építőanyagoktól származó sugárterhelés Építőanyagok beépíthetőségének feltétele az EU-ban A RADON A radon tulajdonságai A radon kijutása a légtérbe (emanáció és exhaláció) Radon az épületekben JOGI SZABÁLYOZÁS NEMZETKÖZI ÉS HAZAI HELYZETE Nemzetközi viszonyok Magyar helyzet A radonkérdés hazai jogi szabályozásának tervezett szakmai koncepciója RADIOANALITIKAI ÉS ANYAGSZERKEZETI VIZSGÁLATOK Radionuklid-koncentráció meghatározása A radon detektálása Anyagszerkezeti vizsgálatok bemutatása Termikus analízis Termogravimetria (TG), Derivatív termogravimetria (DTG) II. KÍSÉRLETI RÉSZ MINTAVÉTEL RADIOANALITIKAI VIZSGÁLATOK Gamma-spektrometriai vizsgálatok Radon meghatározása Radonexhalációs vizsgálatok Szabadexhaláció feltételeinek meghatározása Agyagminták fajlagos exhalációjának és emanációs tényezőjének maghatározása szabadexhalációs módszerrel Fajlagos exhaláció nedvességtartalom függésének vizsgálata Agyagminták hőkezelése KIEGÉSZÍTŐ, BELSŐ SZERKEZETI VIZSGÁLATOK Röntgendiffrakciós fázisanalízis Fajlagos felület és porozitás vizsgálat Termogravimetriás mérések Pásztázó elektron mikroszkópos felszíni morfológia vizsgálat

4 III. EREDMÉNYEK MAGYARORSZÁGI ÉPÍTŐANYAG GYÁRAKBAN HASZNÁLT AGYAGOK RADIOLÓGIAI ELEMZÉSE Gamma-spektrometriai vizsgálatok eredménye RADONEMANÁCIÓT ÉS EXHALÁCIÓT BEFOLYÁSOLÓ PARAMÉTEREK MEGHATÁROZÁSA Szabadexhaláció meghatározása Nedvességtartalom emanációs és exhalációs tényezőre gyakorolt hatása Hőkezelés emanációs és exhalációs tényezőre gyakorolt hatása ANYAGSZERKEZETI VIZSGÁLATOK EREDMÉNYEI Röntgendiffrakció Pásztázó elektron mikroszkópos felületi morfológia vizsgálat eredményei Derivatográfia Porozitás, pórusátmérő és fajlagos felület IV. ÖSSZEGZÉS V. IRODALOMJEGYZÉK VI. PUBLIKÁCIÓS TEVÉKENYSÉG VII. FÜGGELÉK Függelék I Függelék II Függelék III Függelék IV Függelék V Függelék VI VIII. TÉZISEK Magyarországi agyagok építőipari felhasználhatóságának minősítése radiológiai szempontból Agyagok radonemanációját és exhalációját befolyásoló paraméterek vizsgálatára kifejlesztett módszer és eredményei Építőagyagok beépíthetőségének vizsgálati és szabályzási hiányosságai IX. THESIS Building material classification of Hungarian clay in radiological point of view The developed method for determination of radon emanation and exhalation influential parameters and the obtained results Incompletions of regulation and examination method of building material inbuilt conditions X. THESIS (ESPAÑOL) Clasificación de los materiales de construcción de las arcillas húngaras desde un punto de vista radiológico Método desarrollado para la determinación de emanación de radon y parámetros de influencia en la exhalación y resultados obtenidos Carencias de la regulación y del método de análisis de materiales de construcción XI. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS

5 KIVONAT A szerző a disszertáció irodalmi részében összefoglalja az építőanyagoktól származó sugárterhelés forrásinak, szabályozásának, az attól származó kockázat csökkentésének, valamint a radionalaitikai vizsgálatok méréstechnikai lehetőségeit. A kísérleti részben kifejti a Magyarországon nagy mennységben alkalmazott építőipari alapanyagok építőipari felhasználásból eredő sugárvédelmi hatásának vizsgálatát. Az ország különböző régióiban található 16 telephelyről származó, összesen 27 különböző agyagmintát vizsgál gamma-spektrometriás mérési módszer segítségével meghatározta a gyűjtött minták radionuklid tartalmát és EU ajánlás alapján (I-index) minősítette az agyagokat. A szerző bemutatja egy kiválasztott agyagminta példáján a radonexhalációt és radonemanációt befolyásoló paraméterek meghatározásának mérési módszerét. A kapott eredmények alapján meghatározza a mérési módszer optimális körülményeit. Bemutatja a gyűjtött építőanyagok radonexhalációs és radonemanációs vizsgálatának eredményeit. Hőkezelést végez C között és vizsgálja annak radonemanációt és exhalációt módosító hatásait. A hőkezelt agyagmintákon a belső szerkezeti módosulásokat vizsgálja különböző anyagszerkezeti vizsgálatokkal (fajlagos felület, porozitás, XDR, felületi morfológia, termogravimetriás vizsgálatok). Korrelációt keres a kapott eredmények és a módosult exhaláció-profil között. Vizsgálatai eredményei alapján meghatározza az exhalációt legfőképpen befolyásoló belső szerkezeti paramétereket. 1

6 ABSTRACT In theoretical part of this dissertation the author summarizes the possibilities of the natural radioactive sources, the regulations, the risk reduction and the radioanalitical methods of radiation dose originated from building materials. In experimental section he unfolds the radiation protection effects in Hungary resulting from the inbuilt of bulk amount used building materials. He examined 27 different type of clay starting material originated from 16 miscellaneous company seats. The radionuclide content of the collected samples was determined by the aid of gamma spectrometry. On the basis of the obtained results he classified the examined materials by reason of EU recommended classifying method (I-index). The author demonstrates the determination method of the radon emanation and exhalation modifying parameters on a selected clay sample and defines the optimal conditions of the measuring procedure. He displays the obtained results of the optimized radon exhalation and emanation measurements. He performs heat-treatment on selected clay between C temperature ranges and investigates the changes in case of radon emanation and exhalation as well. Furthermore the internal structure changes were surveyed detail, such as porosity, specific surface, superficial morphology, phase identification via XDR phase analysis and thermal stability. Significant correlation was found between the obtained exhalation profile and the internal structure parameters. As a result of the investigation he determines the main influential internal structure parameters. 2

7 SINOPSIS En la parte teórica de esta tesis el autor resume las posibilidades de las fuentes radiactivas naturales, las regulaciones, la reducción de riesgos y los métodos radioanalíticos para las dosis de radiación provenientes de los materiales de construcción. En la sección experimental, desvela los efectos de la protección radoiológica en Hungría resultantes del uso de materias primas en materiales de construcción. Examinó 27 tipos de arcillas diferentes provenientes de 16 compañías. El contenido en radionúcleos de las muestras recogidas se determinó mediante espectrometría gamma. En base a los resultados obtenidos, clasificó los materiales analizados según el método de clasificación de la UE (índice I). El autor demostró el método de determinación de emanación de radón y modificación de los parámetros de exhalación en una muestra de arcilla seleccionada y definió las condiciones óptimas del procedimiento de medida. Mostró los resultados obtenidos de las medidas optimizadas de exhalación de radón y emanación. Llevó a cabo un tratamiento térmico en arcillas seleccionadas en el rango de temperatura ºC e investigó los cambios de emanación y exhalación de radón. Además se investigó con detalle los cambios en la estructura interna tales como porosidad, superficie específica, morfología superficial, identificación de fase mediante difracción de rayos X y estabilidad térmica. Se encontró una correlación significativa entre el perfil de exhalación obtenido y los parámetros de estructura interna. Como resultado de la investigación, determinó la principal influencia interna de los parámetros estructurales 3

8 BEVEZETÉS-CÉLKITŰZÉS Az emberi egészségre kockázatot jelentő folyamatok tanulmányozása, azok hatásmechanizmusainak minél pontosabb megismerése jelenkorunk egyik legégetőbb feladatává vált. A módosult életvitelnek, az intenzív ipari termelésnek köszönhetően újabb és már meglévő, azonban arányait tekintve megváltozott egészségkárosító anyagok, folyamatok hatnak az emberiségre. Mindezek mellett a módosult szociális szokások eredményeképpen jelentősen megnőtt az épületben eltöltött átlagos időtartam, emiatt fokozott figyelmet kell fordítani az alkalmazott építőanyagokra. Az építőanyagok természetes radionuklid tartalma is része a közvetlen környezettől származó, az emberi egészségre kiható környezeti tényezőknek. Az építőanyagok egyrészről leárnyékolhatják a külső sugárzásokat, másrészről pedig természetes radionuklid tartalmuknak köszönhetően hozzájárulhatnak a természetes háttérsugárzáshoz, így növelve az egészségkárosító kockázatot. [BR_1] Általában az építőanyagoktól származó sugárterhelés nem jelentős, azonban az építkezések során előfordulnak olyan természetes, vagy gyártási folyamatok melléktermékeként keletkező anyagok is, melyek az átlagoshoz képest jelentősen nagyobb aktivitáskoncentrációban tartalmazzák a földkérgi (K-40, U-238, Th-232) radionuklidokat, illetve bomlástermékeiket. Az alkalmazott építőanyagokban ezek a természetes eredetű radionuklidok gamma-sugárzó izotópjai dózistereket hoznak létre, melyek a szervezet külső sugárterhelését növelik. Az épületekben a gamma-dózisteljesítmény általában magasabb (világátlag 84 ngy/h) mint a szabadban (59 ngy/h) [BR_1]. A rádiumtartalomból keletkező radon és leányelemei a belső sugárterheléshez járulnak hozzá és egészségkárosító hatásukat a tüdőrákot kiváltó okok között a dohányzás mögött másodikként tartják nyílván. Emiatt fordul rendkívüli figyelem az épületek beltéri radonszintjeire. A radonforrások (talaj, építőanyagok, földgáz, vezetékes víz, épületen kívüli radonszint) közül az építőanyagok az egyik legfontosabbak, hiszen a bennük található Ra-226 tartalomtól, a beépített anyag belső szerkezetétől, illetve számos egyéb tulajdonságától függően, zárt, vagy rosszul szellőző terek esetén igen jelentős radon aktivitáskoncentrációk alakulhatnak ki, mely a benntartózkodók számára jelentős dózist okozhatnak. Az egyre szigorodó, lakóépületekre vonatkozó ajánlások közül a WHO által új építésű lakóépületek esetén javasolt radonszint mindösszesen 100 Bq/m 3, melynek betartása 4

9 érdekében célszerű a kiindulási anyagok radiológiai minősítése, a gyártási folyamat radonexhalációt csökkentő lehetőségeinek megvizsgálása, valamint a késztermék radonexhaláció miatti korlátozása is [BR_2-3]. Célom volt a kutatási témához szorosan kapcsolódó szakirodalom áttanulmányozása, legfontosabb adatok, mérési módszerek elvi és gyakorlati alapjainak elsajátítása. A dolgozat fő célja az építőanyagok minősítésére vonatkozó nemzetközi és hazai lehetőségek meglévő és tervezett ajánlásainak szakirodalmi áttekintése, ezek pontosítása, valamint az elméleti megfontolások kísérleti eredményekkel való alátámasztása [BR_4]. További cél volt a Magyarországon üzemelő építőanyaggyárak által a téglagyártás során széles körben felhasznált agyagok radionuklid tartalmának felmérése, minősítése, valamint a radonemanációs és radonexhalációs tulajdonságainak meghatározása. Meg kívántam határozni továbbá az emanációt és exhalációt befolyásoló legfontosabb paramétereket, az optimális mérési körülményeket, illetve a téglagyártás során alkalmazott hőkezelés hatását is. Kiegészítő szerkezetvizsgálatok segítségével korrelációt kerestem a radonexhaláció, valamint az anyag szerkezetmódosulása között. Kerestem továbbá a vizsgált paraméterek közötti kapcsolatok segítségével a gyártás során az optimalizáláshoz (gyártási folyamat radonexhaláció) leginkább meghatározó belső szerkezeti paramétert. 5

10 I. IRODALMI ÖSSZEFOGLALÁS 1. Természetes radioaktivitás hatása az élővilágra Az élővilág és annak részeként az emberiség is folyamatosan ki van téve a természetes forrásokból eredő radioaktív sugárzásoknak. A bomlások során keletkező részecskék az egyes sejtekkel kölcsönhatásba lépve átadhatják energiájukat, melyek a sejtek és a belőlük felépülő szövetek, szervek, végső esetben pedig az egész szervezet károsodását, pusztulását okozhatják. A radioaktív sugárzások által okozott károsodások mértékének becslésére a dózisfogalmak szolgálnak A legfontosabb dózismennyiségek Elnyelt dózis (D): A különböző részecskék energiája elnyelődhet az anyagban, az elnyelt energia nagysága arányos az általa előidézett hatással. Adott közeg tömegegységében elnyelt energiát nevezzük elnyelt dózisnak, jele D, mértékegysége [J/kg]; [Gy] (Gray) [BR_5-6]. dwe D dm 1 dw dv e (1.1-1) Ahol: dw e az elnyelt energiát, dm a dv térfogatelem tömegét, míg ρ az anyag sűrűségét jelöli. Egyenérték dózis (H T ): Élő szervezeteknél az okozott károsodás mértéke az elnyelt dózis mellett függ az azt kiváltó sugárzás fajtájától, valamint a sugárzás energiáját abszorbeáló szövet, illetve szerv fajtájától is. A sugárzás fajtájának figyelembe vételére definiálták az egyenérték dózist (H T, R ), mely az R sugárzás hatására, az adott R sugárzáshoz tartozó W R súlyozó tényezővel megszorzott, a T testszövet, vagy szerv elnyelt dózisa (D T,R ). Mértékegysége: Sievert [Sv] H T, R WR DT, R (1.1-2) A W R értékek (1. táblázat) megállapodás szerinti egysége a γ-sugárzás által okozott hatás, a többi sugárzást ehhez hasonlítjuk [BR_5]. 6

11 1. táblázat: Az egyenérték dózis meghatározásához használatos W R súlyozó tényezők [WR_1, JR_1, BR_7] Sugárzás fajtája Fotonok (teljes energia intervallum) Elektronok, müonok (Teljes energia tartomány) W R faktor Régi (ICRP 1991) Új (ICRP 2008) Protonok >2 MeV 5 2 Neutron <10 kev 5 10 kev kev kev - 2 MeV 20 2 MeV - 20 MeV 10 >20 MeV 5 Alfa részecskék, hasadvány termékek, nehéz magok 2,5 20 (neutronenergiától függően függvényről leolvasható) Effektív dózis, E: Különböző szervek szöveti elváltozásai nem egyforma súllyal járulnak hozzá az egész szervezet károsodásához. A teljes szervezetre vonatkozó károsodás megállapítására definiálták az effektív dózist, mely nem más, mint az egyenérték dózisok szervekre gyakorolt hatásának súlyozott összege. Az így meghatározott értékek 1 Gy dózisig adnak pontos információt. Jele: E, mértékegysége az egyenértékdózissal megegyezően Sievert [Sv]. A súlyozó tényezők (2. táblázat) összege pontosan egy, azaz a teljes szervezet dózisa. Ahol: T T E WT WR DT, R T R (1.1-3) W a testszövetre jellemző súlytényező [BR_6]. 7

12 2. táblázat testszövetre jellemző súlytényezők W T [JR_1-2, BR_6]. Szerv W T súlytényező Összesített W T súlytényező Csontvelő Vastagbél Tüdő Gyomor Emlő 0,12 0,6 Ivarszervek 0,08 0,08 Húgyhólyag Máj Nyelőcső Pajzsmirigy Bőr Csontfelszín Agy Nyálmirigyek Fennmaradó egyéb szövetek* 0,04 0,16 0,01 0,04 0,12 0,12 Összesen 1,00 * Fennmaradó szövetek/szervek: mellékvese, légcső, epehólyag, szív, vese, nyirokmirigyek, izomszövetek, szájnyálkahártya, hasnyálmirigy, prosztata ( ), vékonybél, lép, csecsemőmirigy, méh/méhnyak ( ) Lekötött dózisok A szervezetbe bekerült izotópoktól származó, hosszú időtartam alatt elszenvedett dózis jellemzésére szolgál a lekötött dózis [BR_6]. Az inkorporációt követően a bekerült radionuklidok mennyisége a fizikai bomlás, valamint az élettani folyamatok hatására csökken, melyet a lekötött dózis számításánál figyelembe kell venni. Amennyiben a felvételtől számított időtartam nincs megadva abban az esetben felnőtteknél 50, míg gyermekeknél 70 évre kell integrálni. Elnyelt, egyenérték és effektív dózis esetében egyaránt számítható lekötött dózis. Lekötött elnyelt dózis ( D ): Mennyiségét az alábbi kifejezés határozza meg: 8

13 Ahol: D D 0 Dt dt - elnyelt dózis τ időtartam alatt, (1.1-4) D t - az elnyelt dózisteljesítmény a felvételt követő t időpontban. Mértékegysége: Gray (Gy). Lekötött egyenérték dózis ( H T Mennyiséget az alábbi kifejezés határozza meg: ): Ahol: H H T H T 0 t dt - a T szövet egyenérték dózisa τ időtartam alatt, (1.1-5) H t - az egyenérték dózisteljesítmény a felvételt követő t időpontban. Mértékegysége: Sievert [Sv] Lekötött effektív dózis ( E T Mennyiséget az alábbi kifejezés határozza meg: ): E T E T 0 t dt (1.1-6) Ahol: E - elnyelt dózis τ időtartam alatt, E t - az effektív dózisteljesítmény a felvételt követő t időpontban. Mértékegysége: Sievert [Sv] [BR_5]. Kollektív dózis: Egy adott populáció egyedei által elszenvedett dózisok összegét kollektív dózisnak nevezzük. [BR_5,8]. Mértékegysége: személysievert [személy Sv] 9

14 1.2. Ionizáló sugárzás hatásai az élővilágra Eltérő intenzitással és formában a radioaktív anyagok, illetve az általuk kibocsátott sugárzások mindenhol megtalálhatóak, részei az életnek, hiszen az élővilág a kezdetektől fogva ki volt téve a radioaktív sugárzás hatásának. Számos kutatási, orvosi, hadiipari alkalmazás és/vagy baleset hívta fel a figyelmet a radioaktív anyagok, ionizáló sugárzást kibocsátó berendezések sugárzása okozta egészségügyi károsodásra. Fény derült arra is, hogy az emberi szervezet károsodását több tényező befolyásolja, így pl. az elszenvedett expozíció körülményei, eltérő biológiai érzékenység, amelyek megnehezítik a károsító hatások mértékének becslését Determinisztikus hatás Bizonyos érték fölött elszenvedett dózisok már egyértelmű egészségügyi hatást ún. determinisztikus hatást váltanak ki (deterministic effects; non-stochastic effect). Az egyén hajlamától, valamint egészségi állapotától függően a küszöbdózis igen eltérő lehet, azonban a bekövetkezés valószínűsége a dózis növekedésével minden egyednél növekszik és egy adott érték fölött a bekövetkezés minden egyednél megtörténik [BR_9]. Az elszenvedett dózis eredményeképpen a tünetek rövid időn, néhány órán, vagy néhány napon belül jelentkezhetnek (hányás, hasmenés, szédülés, ájulás, halál). Azonban későn megjelenő tünetek, káros hatások is előfordulhatnak (bőrgyulladás, hajhullás, rákos elváltozás, utódoknál jelentkező fejlődési rendellenességek, stb.). Eddig megfigyelt eredmények alapján csak 500 msv fölött várhatóak maradandó determinisztikus hatások, míg átmeneti sterilitás már 150 msv felett jelentkezik. Néhány determinisztikus dózis hatás a 3. táblázatban található. 3. táblázat: Néhány determinisztikus hatást kiváltó dózis (elnyelt dózisra vonatkoztatva) [BR_9-10]. Tünetek, hatások Elnyelt dózis [Gy] Maradandó bőrkárosodás Szürke hályog (katarakta) 5 Elhalálozás (Egésztest dózis esetén) Bőrpír, bőrgyulladás Hajhullás: 2-5Gy Sterilitás 2-3Gy 2 3 Rendellenes magzati fejlődés 0,1 0,5 10

15 Kis dózisok hatása az élővilágra Az alacsony dózisok okozta biológiai hatások tisztázása a sugárvédelem, a sugárbiológia és a toxikológia legfontosabb feladata. Tudományos körökben megoszlanak a vélemények az alacsony dózisok okozta egészségkárosító hatások mértékéről. Kis dózisok esetében nem született egyetértés arról, hogy létezik-e olyan küszöbszint, amely alatt a sugárzás nem jelent veszélyt, illetve nem okoz egyértelműen a sugárzástól eredeteztethető károsodást az élő szervezetek számára. Az nem kérdéses, hogy a determinisztikus hatások egyértelműen az elszenvedett dózisnak köszönhetőek. Ennél kisebb dózisok esetén is kimutatható a rákkockázat megnövekedése, de alacsony (kisebb, mint 100 msv) dózisok esetén nem tisztázott, hogy a magasabb dózistartományban tapasztalható egészségügyi kockázat valószínűsége miképpen alakul ebben a dózistartományban. Jelenleg a konzervatív becslést, azaz a lineáris küszöb nélküli dózis hatás összefüggést, az LNT (Linear No Threshold) hipotézist fogadta el az ICRP. [JR_3-4, BR_11-12]. A probléma tisztázásának érdekében olyan elváltozások igazolására lenne szükség, melynek kiváltó oka egyértelműen csak az elszenvedett kismértékű dózis lenne. Azonban az alacsony dózistartományok okozta elváltozásokat más környezeti tényezők is előidézhetik, melyek szinte lehetetlenné, vagy rendkívül bonyolulttá teszik az epidemiológiai vizsgálatok statisztikai módszerekkel történő vizsgálatát. Egyes kutatások szerint nem a lineáris extrapoláció érvényesül az alacsony dózistartományban, egyaránt vannak pozitívabb (szupralinearitás), és pesszimistább hatást feltételező modellek [JR_5]. A szupralineáritást feltételező megközelítések pozitív hatásról számolnak be (Adaptive-Response Model), melyek reményeképpen előnyösen hat az alacsony dózis az élő szervezetre és túlbecsültnek tartják az LNT modell által származtatott egészségügyi kockázatot [JR_6-7]. Általánosságban azonban a linearitást veszik alapul, mely a nagy dózisok okozta károsodások extrapolációjából eredő maximális kockázattal számol, azonban felmerülhet azon lehetőség is, miszerint nem ésszerűek és indokoltak a kockázat csökkentése érdekében megtett lépések. Az ALARA-elv (As Low As Reasonably Achievable Radiation) azt javasolja, hogy olyan alacsony szintet, illetve kockázatot válasszanak, ami az adott ország társadalmi-gazdasági szintjének megfelelő, teljesíthető [BR_13]. 11

16 Sztochasztikus hatások jellemzői A sztochasztikus tartományba tartozó dózisokra általánosan jellemző, hogy az okozott károsodásoknak nincsen küszöbdózisa, azaz csak a bekövetkezés valószínűségére van hatással. Az elszenvedett sugárterhelés hatására a szignifikáns egészségkárosult állapot nem minden egyednél jelentkezik, azonban a kialakulás valószínűsége, azaz a károsodott egyedek száma az adott populációban növekszik az elszenvedett dózis mértékének növekedésével [BR_14]. A tünetek kiváltó okainak diagnosztizálását, beazonosítását tovább nehezíti, hogy az expozíciót követően csak későn jelennek meg, illetve a kialakult elváltozásokat más környezeti tényezők egyaránt okozhatják. Egyes szervezetek eltérő érzékenységet mutatnak bizonyos környezeti tényezőkre, melyet biológiai variabilitással szokás magyarázni [JR_8-9]. A bekövetkezett hatások leginkább daganatos megbetegedések és az átörökített genetikai hibák okozta egészségkárosodások formájában jelentkeznek [BR_15]. A sugárvédelmi gyakorlatban a kis dózis tartományban pontosabb ismeretek híján ún. konzervatív becslést alkalmazva feltételezzük, hogy a dózis és a károsodás valószínűsége, gyakorisága között lineáris a kapcsolat. Az ICRP 103-ban foglaltak szerint 1 Sv sugárterhelés rákot kiváltó kockázata (lakosság esetén) megközelítőleg 5,5 %. Örökletes betegségek között a legjelentősebb a DNS mutációk, azon belül is az X kromoszómához köthető genetikai elváltozások. A csernobili katasztrófa áldozatainak tanulmányozása során megállapították, hogy az öröklött károsodások ~80 %-ban az X kromoszóma sérülésének köszönhetőek. A tanulmány alapján az örökletes betegségek kialakulására ~0,2 % bekövetkezést becsültek a felmérést végző kutatók 1 Sv sugárterhelés elszenvedése esetén [BR_7,16]. A rákos megbetegedések, valamint az örökletes, kóros elváltozások okozta problémák mellett több általános egészségügyi probléma kialakulásának valószínűségét elidéző hatást figyeltek meg epidemiológiai vizsgálatok alapján. Ezeket rendszerint olyan nagy egyedszámú populációk esetében elemezték, melyeknek mindent tagja, vagy igen jelentős hányada nagy biztonsággal szignifikáns nagyságú dózist szenvedett el Dózis-hatás összefüggések Az utóbbi évtizedekben összegyűjtött adatok epidemiológiai elemzése során a szakemberek arra jutottak, hogy szigorú szabályok és korlátozások bevezetése és betartása szükséges annak érdekében, hogy elkerülhetőek legyenek a sugárzás által okozott jelentős egészségügyi kockázatok. Néhány dózis hatás összefüggés az 4. táblázatban került felsorolásra. 12

17 4. táblázat: dózis hatás összefüggések Determinisztikus tartomány Sztochasztikus tartomány Elszenvedett dózis [msv] > (akut dózis) (krónikus dózis) (akut dózis) (akut dózis) > (krónikus dózis) 250 > / év Tünetek és hatások Azonnali rosszullét Émelygés, hányás Lecsökkent fehérvérsejt szám Biztos elhalálozás (néhány héten belül) Félhalálos dózis (egésztest dózis esetén) Erősödő sugárbetegség tünetek Akut expozíció esetén sugárbetegség okozta tünetek megjelenésének alsó határa Késői rákos megbetegedés kialakulásának egyértelmű bekövetkezése Életmentő baleseti munka esetén (fukusimai dolgozók rendkívüli helyzetben) engedélyezett dóziskorlát Rák kialakulásának valószínűsége bizonyítottan arányosan növekszik az elszenvedett dózissal Bizonyítottan rákot okozó legalacsonyabb dózis felnőtteknél Megengedett legmagasabb éves munkavállalói dózis 5 év átlagában megengedett legmagasabb munkavállalói dózis. 2.4 / év Természetes háttérsugárzás világátlaga 1 / év 0,3 <0.001 / év 5 év átlagában megengedett, nukleáris ipartól származó lakossági dózis Dohányzás okozta éves többletdózis (átlagosan 16 szál cigaretta/nap) A Paksi Atomerőműtől származó éves elszenvedett lakossági dózis 13

18 1.3. Sugárzások forrásai A lakosságot érő sugárzások eredetét tekintve megkülönböztetünk: Természetes eredetű Mesterséges eredetű radioaktív és egyéb ionizáló sugárzások források (nukleáris energiatermelés, hadipari és orvosi alkalmazások során keletkezett és a környezetbe kijutott izotópoktól eredő sugárterhelés) [BR_1] Természetes eredetű sugárterhelés A természetes eredetű sugárterhelés különböző forrásokból eredhet. Mértéke az adott terület környezeti tényezőitől (tengerszint feletti magasság, talaj és kőzetek radionuklidkoncentrációja, stb.) igen jelentős mértékben függ. Az emberiséget érő, természetes eredetű radioizotópoktól származó sugárterhelés jellemzésére a népességgel súlyozott világátlag szolgál, amely figyelembe veszi a felmért területhez tartozó demográfiai adatokat is. Az így kapott, népességgel súlyozott világátlag 2,4 msv/év, mely összetétele az 1. ábrán látható [BR_1,17]. 1. ábra Természetes eredetű háttérsugárzás [msv/év] megoszlása 14

19 Kozmikus sugárzás A Föld légkörét nagy energiájú részecskék bombázzák. Ezek a részecskék felelősek az ún. elsődleges kozmikus sugárzásért. Eredetük szerint megkülönböztetünk: Galaktikus eredetű kozmikus sugárzás: nagy energiájú protonokból (~85 %), alfarészecskékből (~12 %), elektronokból (~2 %), különböző nehezebb atommagokból (~1 %) áll. Szoláris eredetű kozmikus sugárzás: A napkitörések során jelentős mennyiségű röntgen, illetve UV fotont sugároz ki az égitest, valamint nagy energiájú részecskék, zömében (~99 %) protonok hagyják el a Nap felszínét. Magreakciók során ún. kozmogén radioizotópok keletkeznek. A magreakciók lejátszódásának színtere legfőképpen a felső sztratoszféra, azonban néhány nagy energiájú neutron az atmoszféra alsóbb részében is képes előidézni a jelenséget. Magreakciókat a neutronok mellett protonok, müonok, pionok, kaonok, is okozhatnak [BR_1,5,18, JR_10]. Terresztriális (földkérgi) eredetű sugárterhelés A földkérgi eredetű (terresztriális) radionuklidok, vagy más néven primodális radioizotópok változó koncentrációban, a természetben mindenhol előfordulnak, beleértve az emberi szervezetet is. Ezen radionuklidok mindegyikére jellemző, hogy felezési idejük a Föld korával összemérhető és a természetben csak az ezek, illetve leányelemeik találhatóak meg jelentős mennyiségben. A legfontosabb földkérgi eredetű radionuklidok és főbb tulajdonságaik a 6. táblázatban tálalhatók. 6. táblázat: Néhány fontosabb terresztriális izotóp [WR_2] Izotóp Felezési idő Előfordulás a földkéregben Th-232 1, év ppm U-238 4, év 2 3 ppm K-40 1, év 1,5 % A természetes eredetű izotópok bomlásuk során kibocsátott ionizáló sugárzásuk révén hozzájárulnak az élő szervezetek külső, illetve belső sugárterheléséhez. A felsorolt primodális radionuklidok nyomnyi mennyiségben megtalálhatóak minden talaj, illetve kőzettípusban, valamint a biokémiai folyamatok eredményeképpen az élőlények 15

20 által felevett tápanyagokban is. Néhány kőzet primodális radionuklid tartalmát a 7. táblázatban szemléltetem [BR_1,19]. 7. táblázat: Néhány kőzet primodális radionuklid tartalma Fajlagos aktivitás (Bq/kg) Kőzet típus K-40 U-238 Th -232 Vulkanikus eredetű Bazalt (földkérgi átlag) Gránit (földkérgi átlag) > Üledékes kőzet Pala, homokkő Kvarc < Talaj Építőanyagok A földkérgi eredetű külső sugárterhelés a talajokban található primodális radionuklidok gamma-sugárzásától ered. A K-40 izotóp aktivitáskoncentrációja megközelítőleg egy nagyságrenddel nagyobb, mint az U-238, illetve Th-232 esetében. Azonban a K-40-től eredő külső sugárterhelés megközelítőleg azonos az U-238, valamint a Th-232 sorban található izotópok eredő gamma-dózisával. Az egyre szélesebb körben folytatott radiológiai felméréseknek köszönhetően, az UNSCEAR 2008-ban megtalálható adatok alapján a talajok népességgel súlyozott radionuklid tartalma a következő: K-40: 420 Bq/kg; U-238: 33 Bq/kg; Th-232: 45 Bq/kg. Az említett radioizotópok, és/vagy leánytermékeik gamma-sugárzásuk révén dózistereket hoznak létre, melyek nagysága az egyes izotópok aktivitáskoncentrációjától, azok eloszlásától és az izotópokat tartalmazó mátrixok anyagi minőségétől is nagymértékben függ. Az anyagok árnyékoló hatása miatt a külső gamma-dózisteljesítmény szempontjából a talajfelszíntől számított 30 cm-es rétegvastagság radionuklid-koncentrációja a meghatározó. A gamma dózisteljesítmény nagy része a K-40-től, az U-238 bomlási sorában a Pb-214 és a Bi-214, míg a Th-232 sorban a Tl-208 és az Ac-228 radioizotópoktól származik. A szabadtéri gamma-dózis mérések összesítése révén a népességgel súlyozott világátlag 59 ngy/h-nak adódott. A felmérésekben, résztvevő országokban, a talajfelszíntől 1 m magasságban mért átlagértékek ngy/h között változtak, a mért 16

21 gamma-dózisteljesítmények pedig az egyes országokban felmért mérési pontokon ngy/h között ingadoztak. A Magyarországon a mért eredmények alapján a vizsgált aktivitáskoncentrációk az alábbiak szerint alakultak: K-40: 370 Bq/kg, U-238: 29 Bq/kg, Th-232: 28 Bq/kg [BR_1]. Az építkezések során használt építőanyagok a természetben fellelhető anyagokból készültek és készülnek legtöbb esetben napjainkban is. A felhasználás, beépítés révén körbeveszik a benntartózkodókat, azaz a sugárzás már 4π térszögből hat a szervezetre, szemben a fél-végtelen síkként közelíthető kültéri viszonyokkal. Az alábbi ténynek köszönhetően jelentős dózisnövekménnyel lehet számolni már a talajok átlagos radionuklidkoncentrációjával megegyező építőanyagok esetén is. A lakóépületekben mért értékek alapján a népességgel súlyozott világátlag 84 ngy/h-nak adódott, azonban ez az egyes területeken alkalmazott építkezési szokásoktól, illetve felhasznált anyagoktól jelentősen függ. Az egyes országokban az épületekben mért átlagértékek ngy/h között változik. Példának okáért 40 ngy/h alatti dózisteljesítmény volt megfigyelhető az USA-ban, ahol jellemzően könnyű szerkezetes épületeket építenek. A legmagasabb értékek (átlagosan ngy/h) rendszerint azon országok (Magyarország, Malajzia, Kína, Olaszország Spanyolország, stb.) esetében kerültek rögzítésre, melyekben nagy mennyiségben alkalmaztak kő eredetű (gránit, bazalt), vagy más, nagy mennyiségben használt falazati anyagot (tégla, agyag, föld). Egy álló ember esetén, sugárvédelmi szempontból meghatározó szervek tekintetében kb. 1 m magasságban van a súlypont. Ennek köszönhetően 1 m magasságban végezzük a dózisteljesítmény meghatározását. Annak érdekében, hogy az elszenvedett effektív dózist számítani lehessen a levegőben mért értékekből, dóziskonverziós faktort vezettek be [BR_18]. Mivel az emberi szervezet önárnyékoló hatása miatt a sugárzásnak csak egy része éri el a szervezetben mélyebben elhelyezkedő, sugárzásra érzékenyebb szerveket, szöveteket, ezért a dóziskonverziós faktor izotóponként és korcsoportonként is változik. A földkérgi izotópokra vonatkozó átlagos érték felnőttek esetén 0,7 Sv/Gy, gyermekeknél 0,8 Sv/Gy, csecsemők esetében pedig 0,9 Sv/Gy. Az épületekben eltöltött órák száma a megváltozott életvitelnek köszönhetően jelentősen megnőtt. Amennyiben nem állnak rendelkezésre pontos adatok, abban az esetben 0,8-as benntartózkodási tényezővel végezzük a számításokat. A 8. táblázatban a különböző korcsoportok éves külső effektív dózisai találhatóak a népességgel súlyozott dózisteljesítmények függvényében. 17

22 8. táblázat: Különböző korcsoportok külső természetes forrásból származó éves effektív dózisai Forrás Dózisteljesítmény [ngy/h] Benntartózkodási tényező Csecsemő [msv/év] Gyermek [msv/év] Felnőtt [msv/év] Épületben 84 0,8 0,53 0,47 0,41 Szabadban 59 0,2 0,09 0,08 0,07 Magyarországon a külső sugárzásból eredő elnyelt dózisteljesítmény az ország területének kb. 60 %-án ngy/h, kb. 30 % -án ngy/h érték a jellemző [JR_11]. A földkérgi eredetű belső sugárterhelés a szervezetbe bekerült radioizotópoktól származik, melyek lenyelés, belégzés útján kerülhetnek a szervezetbe. A levegőben található, illetve a reszuszpendáló és kiülepedő portartalom radionuklidjainak belégzése egészségkárosító hatást okozhat a szervezet számára. A levegőbe került radon izotópok, illetve azok leányelemei ~1,26 msv/év effektív dózissal, megközelítőleg a természetes 2,4 msv/év felével járulnak a belső sugárterheléshez. Másrészről pedig a portartalom Th-232, U-238, valamint ezek leányelemei és a K-40 okoznak belső sugárterhelést (~ néhány µsv/év) a porterheléstől, de ez átlagos körülmények esetén elenyészőnek tekinthető. Jelentősége poros környezetben számottevő (építőipar, kohászat, bányászat), ahol néhány msv/év dózisjárulék is előfordulhat. A kiülepedett szilárd szemcsék a táplálkozás során is a szervezetbe kerülhetnek, amely révén fokozott lehetőség nyílik az emésztő szervrendszer, valamit az azon keresztül a véráramba és a szervezet más részeibe eljutott izotópoktól eredő sugárterhelésre [BR_20]. Míg a szervezet elsődleges védelmi vonalául szolgáló bőrfelszínen keresztül igen kicsi a valószínűsége a természetes eredetű radionuklidok inkorporációjának, addig a lenyelés esetén a bekerült izotóp a szervezet egyes részeibe könnyen eljuthat Mesterséges izotópoktól származó sugárterhelés A mesterséges eredetű radioizotópoktól származó sugárterhelés a mesterséges izotópok megjelenésétől kezdődően része lett az emberiséget érő sugárterhelésének. A kísérleti, kutatási, hadi- és nukleáris ipari, valamint a gyógyászatban keletkezett és felhasznált, esetlegesen balesetekből származó izotópok a környezete jutva bekerülnek a természetes körfolyamatokba és hatással vannak az egészségre. A keletkezés és felhasználás helyétől, 18

23 idejétől, módjától, valamint az izotópok minőségétől és kémiai formájától függően részt vesznek a biokémiai folyamatokban Építőanyagoktól származó sugárterhelés Az építőanyagok kettős szerepet töltenek be a sugárterhelés szempontjából. A kozmikus sugárzást, illetve a félvégtelennek tekintett talajból kijutó sugárzást egyrészről leárnyékolhatják, míg másrészről a bennük található izotópoktól és azok aktivitáskoncentrációjától függően, valamint az alkalmazott beépítés módjának függvényében sugárforrásként vannak jelen a benntartózkodók számára. Könnyűszerkezetes, vagy zömében fából készült épületek esetén csekély mennyiségű természetes eredetű radionukliddal kell számolni, azonban a kozmikus sugárzást csökkentő hatásuk is elenyésző alacsony sűrűségük miatt. Nagy mennyiségben használt építőanyagok árnyékoló hatásuk révén a kozmikus sugárzásból eredő dózisjárulékot csökkenthetik, emiatt alacsony radionuklid-koncentráció esetén, a beltérben mért dózisteljesítmény érték akár kisebb is lehet. Az épületekben és a szabadban mért értékek összehasonlítása során tapasztalt épületen belüli / szabadban mért hányad 0,6 2,3 éték között változik és a népességgel súlyozott átlag pedig 1,4-nek adódott. Az egyes épületekben igen eltérő dózisteljesítmény értékeket mérhetünk, annak függvényében, hogy a beépített építőanyag, valamint az altalaj milyen mennyiségben tartalmaz radionuklidokat [BR_21]. Építőanyagoktól származó sugárterhelés kockázati tényezői Külső gammadózis többlet Porszemcsék, illetve az aeroszolok felületén megkötődött izotópok belégzése (radon leányelemei) Kiülepedett porszemcsék lenyelésből származó többletdózis (az előbbihez képest 2 4 nagyságrenddel kisebb) NORM anyagok (Naturally Occurring Radioactive Material) A környezetben megtalálható természetes eredetű radionuklidokban gazdag anyagokat NORM anyagoknak (Naturally Occurring Radioactive Materials) nevezzük. Az ilyen magas aktivitáskoncentrációval bíró anyagok eloszlása, fellelhetősége a geoszférában nagymértékben függ az egyes kőzetek keletkezésekor lezajlott átalakulási folyamatoktól, a folyamatban részt vevő anyagok minőségétől és környezeti tényezőktől egyaránt. Ezen tényezőknek köszönhetően az izotópok feldúsulhattak egyes anyagokban, mely emelkedett radiológiai kockázatot eredményez az élővilág számára. 19

24 A világon számos olyan terület fordul elő, melynek természetes izotópoktól eredő háttérsugárzása többszörösen meghaladja a becsült világátlagot (HBRAs High Background Radiation Areas). Az Irán északi területén található Ramsar esetében a feltörő meleg vizű források rendkívül magas Ra-226 tartalommal bírnak, mely eredményeképpen az adott területen a világátlaghoz viszonyítva szor magasabb gamma-sugárzásból eredő háttérsugárzás is előfordul. A forrásvizet előszeretettel alkalmazták gyógyvízként, mely nagy népszerűségnek örvendett a helyi lakosság és az oda látogató turisták körében [JR_12]. A lakóépületek esetén gyakran a területről származó magas radionuklid tartalmú anyagokat építették be, melynek eredményeképpen akár ngy/h beltéri dózisteljesítmény is előfordul épületek esetén [JR_13]. Brazíliában található Guarapari és Meaipe tengerparti üdülővárosok nagyon magas Th-232 tartalmú monacit eredetű homokkal büszkélkedhet. A part néhány helyén a mért dózisteljesítmény meghaladja a 20 µsv/h-ás értéket. Egyes felmérések eredményeképpen Bq/kg Th-232 és nem ritkán Bq/kg Ra-226 aktivitáskoncentrációt határoztak meg [JR_14]. Az indiai Kerala tartományban is az átlagosnál magasabb háttérsugárzás mérhető. A terület a magas népességnek köszönhetően a kis dózisokkal kapcsolatos epidemiológiai tanulmányok egyik meghatározó szereplőjévé vált. Megközelítőleg százezres nagyságrendű a felmért lakóépületek száma az adott területen, melynek eredményeképpen az átlagos dózisteljesítmény az 1800 ngy/h értéket is eléri [BR_1, JR_15]. A példaként említet területeken az iparosodást és mesterségesen előállított építőanyagok gyártását és felhasználását megelőzően az építkezésekhez természetben és sokszor a közvetlen környezetben megtalálható anyagokat hasznosították az emberek. Ennek eredményeképpen olyan anyagokkal vették körbe magukat, melyek radioaktivitása a természetes átlagértékhez viszonyítva emelkedett volt, így tovább fokozták az őket érő külső sugárterhelést, holott az épület az egészségüket és kényelmüket volt hivatott védeni. A külső sugárterhelés mellett a levegőben megtalálható, a kiülepedett és a növények, állatok, vagy vízfogyasztás révén szervezetbe került izotópoktól a belső sugárterhelés is jelentősen megnövekedett. A belső sugárterhelés nagysága az egyéni szokásoktól (személyi higiénia, táplálkozás, vízbázis) nagymértékben függ, emiatt becslése bonyolult feladat. Azonban minden épületben tartózkodóra igaz, hogy a nagyarányú benntartózkodás miatt az épületek anyagai nagymértékben meghatározzák az egyén által elszenvedett dózis nagyságát. Néhány 20

25 természetes eredetű építőanyag radionuklid tartalma a 9. táblázatban található [JR_16-20, BR_1,22]. 9. táblázat: Néhány természetes eredetű építőanyag radionuklid tartalma Építőanyag Fajlagos aktivitás [Bq/kg] K-40 U-238 Th -232 Beton Tégla (égetett agyag) Homokkő Kő Természetes gipsz Cement Csempe, cserép Világátlag A fejlődő ipari tevékenység hatására egyre több, az építőanyag iparban felhasználható melléktermék keletkezett. Az egyes technológiai folyamatok eredményeképpen a radionuklidokat alkotó mátrix megváltozott, esetenként lehetőséget adódott az izotópok feldúsulására is. Számos nemzetközi és hazai példa említhető, melyek magas, a kiindulási anyaghoz képest jelentősen megnövekedett radionuklid tartalmú melléktermékeket tartalmaznak. Ezek gyártása és beépítése során is emelkedett radiológiai kockázattal kell számolni. Az alkalmazott technológiai folyamat eredményeképpen megnövekedett, de természetes radionuklidoktól származó, relatíve magas aktivitáskoncentrációjú anyagokat Technologically Enhanced NORM anyagoknak is nevezik (TENORM) Példák TENORM anyagok felhasználására Főbb TENORM melléktermékeket eredményező iparág: Foszforsav gyártás foszfogipsz keletkezik. Emelkedett Ra-226 aktivitáskoncentráció. Építőanyag adalékként hasznosítják (gipszkarton) [BR_23] Cirkon (ZrSiO 4 ) gyártás Ra-226 aktivitáskoncentráció magas (csempék zománcozásánál használják, bár kis mennyiségben) [JR_21]. Karbon tégla magas U és Ra tartalmú szénréteg (adalékanyag beton és téglagyártásnál) [JR_22]. Timföldgyártás vörösiszap magasabb Ra-226, valamint Th-232 tartalom (adalékanyag téglagyártásban) [JR_23]. 21

26 Uránérc bányászat urán meddő relatíve magas U tartalom (Kővágószőlős uránmeddőt útalapba építették be, homokot vakolatként alkalmazták csehországi Joachimovban, emellett több helyen talaj és födém feltöltés) [BR_1]. Szénerőművek, kohászat szénsalak magas Ra-226 tartalom (Ajka, Tatabánya: tömeges felhasználás födémszigeteléshez) [BR_1] Építőanyagok beépíthetőségének feltétele az EU-ban A NORM/TENORM anyagokból készített építőanyagok, vagy adalékanyagként való alkalmazásuk során számos a természetes háttérsugárzást többszörösen meghaladó, jelentős külső és belső sugárterhelést okozó épület készült. A probléma felismerését követően előtérbe került az építőanyagok beépíthetőségének radiológiai feltételeinek meghatározása is. Az EU-ban az építőanyagokra vonatkozó EC RP112-ben foglalt sugárvédelmi ajánlásokat veszik figyelembe. A 10. táblázatban, az Európai Unióban leggyakrabban használt építőanyagok áltagos és maximális aktivitáskoncentráció értékeit tüntettem fel [BR_3]. 10. táblázat. Az EU-ban használt építőanyagok átlagos és maximális aktivitáskoncentrációja Építőanyag Átlagos aktivitáskoncentrációk (Bq/kg) Maximális aktivitáskoncentrációk (Bq/kg) 226 Ra 232 Th 40 K 226 Ra 232 Th 40 K Természetes eredetű építőanyagok Beton Vályogtégla, Égetett tégla Mészhomok tégla Természetes építőkövek Természetes gipsz Legfontosabb ipari melléktermék eredetű építőanyagok Foszfogipsz Habosított kohósalak Porszén hamu (tégla) A beépítés feltétele az építőanyagok radionuklid tartalmának függvényében történő minősítése. 22

27 Az EU-n belül elfogadott minősítési eljárás az ún. I-index (aktivitáskoncentráció) szerinti minősítés, mely a következőképpen definiálható: I C 300 Ra226 C 200 Th232 CK (1.5-1) A képletből látható, hogy az egyes radionuklidok különböző súlyozó tényezővel szerepelnek, melynek oka, hogy az egyes radionuklidok és bomlástermékeik az eltérő energiájú és intenzitású dózistereket hoznak létre. Az épületek eltérő kialakításúak, (vastagság, az elérhető építőanyagok jellemző radionuklid tartalma), emiatt egyes országok esetén a súlyozó tényezők némiképpen eltérhetnek az ajánlott értéktől. Néhány EU országban használt súlytényezőt az 11. táblázatban tüntettem fel. 11. táblázat. Néhány európai országban használatos I(x) paraméter Ország I Ra-226 [Bq/kg] I Th-232 [Bq/kg] I K-40 [Bq/kg] Ausztria Finnország Luxemburg Svédország (1000) (700) (10000) A beépíthetőség szempontjából megkülönböztethetőek a nagy mennyiségben (pl. tégla, beton, salak, etc.), illetve kisebb, felületi, kis mennyiségben alkalmazott építőanyagok. Az ajánlat a szabadtéri, illetve épületen belüli tartózkodás különbségéből számolt dózistöbbletet korlátozza. Így például, ha az építőanyagoktól származó dózistöbbletet 1 msv/évben kívánjuk korlátozni, akkor a nagy mennyiségben használt építőanyagokra teljesülni kell az I 1 kritériumnak. Szigorúbb követelményként a < 0,3 msv/év többletdózis is irányadó érték lehet, amelynél I 0,5 feltételnek kell teljesülni. A kis mennyiségben használt anyagoknál természetesen enyhébb a kritérium (12. táblázat). A minősítéshez használt I-index értékek az 12. táblázatban találhatóak. Az irányadó értékről az indexet alkalmazó ország maga dönt, a rendelkezésére álló építőanyagok minősége és a beépíthetőség gazdaságossága szerint. 12. táblázat: Dóziskorláthoz tartozó I aktivitásindexek Dóziskorlát (msv/év) 0,3 1 Nagy mennyiségben használt anyagok (beton, tégla, stb.) Felületi, kis mennyiségben használt anyagok (cserép, stb.) I 0,5 I 1 I 2 I 6 23

28 2. A radon A radont a dohányzás után a második legveszélyesebb tüdőrákot kiváltó okként tartják nyílván. A rákos megbetegedés bekövetkezésének valószínűsége epidemiológiai vizsgálatok alapján 3 14 % között mozgott az egyes területek átlagos radon-koncentrációjának függvényében. Lineáris összefüggést találtak a kutatók az emelkedett radon szint és a megbetegedés bekövetkezésének valószínűsége között, emiatt egyre inkább a figyelem központjába került az egyes légterek radon szintje [BR_2]. A radon és leányelemei a szervezetbe bekerülve igen jelentős mértékű, megközelítőleg 1,3 msv/év természetes eredetű sugárterhelést okoz átlagosan (népességgel súlyozott világátlag). Nemesgáz mivoltának köszönhetően képes kijutni az anyagmátrixból, és zárt terekben való feldúsulása révén jelentős aktivitáskoncentrációval kell számolni. Egyes zárt terek esetén (lakások, munkahelyek, mint például bányák, turisztikai és kutató barlangok, pincék és egyéb rosszul szellőző tereknél) a benntartózkodás függvényében elszenvedett dózis igen jelentős lehet a világátlaghoz képest. Emellett a dohányzás okozta kockázat szerves részeként, a növény által megkötött leányelemek tüdőbe jutása révén szintén kockázati tényezőként tartható számon [JR_24] A radon tulajdonságai A radon okozta egészségkárosító hatásokra jóval annak felfedezése előtt, már a XVI. századan felfigyeltek. Szokatlanul magas arányban vesztették életüket a 20-as, 30-as éveikben levő, életerős bányászok, akiknél néhány év munka után tüdőbajt diagnosztizáltak az akkori kor orvosai. A XX. században több, magas radon-koncentrációval bíró bánya esetén figyeltek meg magasabb tüdőrákos megbetegedésre utaló adatokat [JR_25] Fizikai, kémiai tulajdonságok A radon a periódusos rendszer VIII. Főcsoportjának 6. utolsó eleme. Felfedezése 1900-ban történt, amely Ernest Rutherford és Frederick Soddy nevéhez fűződik. A radon egyatomos színtelen, szagtalan, a levegőnél ~9-szer nehezebb (9,74 kg/m 3 ) nemesgáz. Szilárd és cseppfolyós állapotban radioaktivitása miatt foszforeszkál sárga, míg fagypontja alá hűtve narancsszínnel. Stabil izotópja nincs. A 27 aktív izotópja közül a Rn-222 3,824 napos felezési ideje a leghosszabb [BR_24]. A földkérgi eredetű radionuklidok közé tartozó U-238, Th-232 és U-235 bomlási sorában egyaránt megtalálhatóak radon izotópok. Az egyes bomlási sorok, illetve anyaelem 24

29 tulajdonságait a 13. táblázatban összegeztem. A bomlási sorok az I-III. Függelék alatt találhatóak. Bomlási sor anyaeleme 13. táblázat. A három radon izotóp legfontosabb tulajdonságai U-238 Th-232 U-235 Radon anyaeleme Ra-226 Ra-224 Ra-223 Anyaelem felezési ideje 1622 év 3,64 nap 11,4 nap Radon izotóp Rn-222 Rn-220 Rn-219 Felezési idő 3,824 nap 55,6 s 3,9 s Stabil végmag Pb-206 Pb-208 Pb-207 Mindhárom izotóp esetén elmondható, hogy anyaelemük rádium izotóp és alfa-bomlással bomlanak tovább, valamint a bomlási soruk végén stabil ólomizotópokká alakulnak. Legjelentősebb közülük a Rn-222 (továbbiakban radon), mely az U-238 sorban található. Felezési ideje révén (3,824 nap) képes az egyes kőzetekből, talajokból, építőanyagokból kidiffundálni és esetenként feldúsulni a légterekben. (A radon légtérbe kerülésének folyamatát a 2.2 fejezetben részletezem.) A Rn-220 (továbbiakban toron) esetében a viszonylag rövid, mindössze 55,6 másodperces felezési ideje miatt csak a felszín-közeli rétegekben keletkező izotópoknak van esélye a légterekbe kerülni (csak magas Th-232 tartalom esetén jelentős). A toron egészségkárosító hatása egyes napjainkban futó kutatások eredményeképpen egyre nagyobb figyelmet kap [JR_26]. A legrövidebb felezési idővel (3,9 s) rendelkező Rn-219 (továbbiakban aktinon) egyrészről rövid élettartama miatt nem képes kidiffundálni az anyagból, másrészről pedig az anyaelemeként szolgáló U-235 alacsony természetes izotóparánya miatt (~0,7 %) sugárvédelmi szempontból rendkívül csekély mennyiség keletkezik. A radon keletkezése az alábbi folyamat szerint zajlik: Ahol: Ra Rn He ( ) ( ) He : alfa részecske : kísérő gamma-sugárzás 25

30 A radon bomlását követően alfa-sugárzó polónium, emellett béta negatív bomló ólom és bizmut izotópok keletkeznek, melyek az emberi egészségre egészségügyi kockázatot jelentenek A radon és leányelemeinek egészségkárosító hatásai A korábbiakban többször utaltam a zárt terekben, feldúsulás eredményeképpen keletkező magas radon szintek egészségügyi kockázatára. A radon csak közvetetten jelent problémát, ugyanis nemesgáz mivolta miatt a belélegzett radon jelentős része távozik is a kilégzés során, 1-2 % kerül be csak a véráramba, és onnan a test minden pontjába eljuthat. Apoláris jellege miatt a zsírszövetekben dúsul fel inkább, ahol bomlását követően leányelemi visszamaradnak [BR_25]. Az így elszenvedett dózis azonban elenyésző mértékű a leányelemektől eredő, a légzőszervrendszerben kifejtett hatáshoz képest. A leányelemek töltésüknek köszönhetően rendkívül jól kötődnek a levegőben található aeroszolokhoz, illetve egyéb felületekhez. Az aeroszolok belégzését követően a szemcse nagyságának függvényében, a tüdő eltérő részein, főleg a hörgők elágazásaiban letapadhatnak. A letapadt szemcséken található izotópok bomlásuk során a sejteket (elsősorban a hámsejteket) bombázzák. Az osztódó szövetek esetében a legnagyobb a kockázat, hiszen a sugárzás által okozott esetleges mutációk miatt sokkal nagyobb a rákos sejtek megjelenésének veszélye, melyet az egyéb környezeti tényezők, mint például aktív és passzív dohányzás tovább növel A radon kijutása a légtérbe (emanáció és exhaláció) A radon légtérbe került mennyiségét számos tényező befolyásolja az anyag Ra-226 aktivitáskoncentrációján kívül. A radon keletkezésének, pórustérbe jutásának, valamint migrációs folyamatainak megértése rendkívül fontos, hiszen ezek tisztázása nélkül a védekezés, a radon-koncentrációk csökkentése, valamint azok kialakulásának megelőzése nem, vagy csak csekély hatásfokkal végezhető el. Építőanyagok esetén a gyártási folyamatok eredményeképpen számos belső szerkezetet módosító folyamat zajlódhat le, melyek esetenként megnövelhetik a radon kijutásának valószínűségét, más felől pedig lehetőséget nyújthatnak a kiáramlás csökkentésére, valamint a gyártási folyamat optimalizálására is Szilárd-Chalmers effektus A rádium anyaelem bomlása során az újonnan keletkező radon atom meglökődik, ahol érvényesül az impulzus-megmaradás törvénye. A visszalökődött radon atom 86,24 kev-nyi 26

31 mozgási energiával rendelkezik (teljes alfa-bomlás energiájának ~1-2 %-a). Ez az energia elegendő, hogy a visszalökődött termékmag szilárd anyagban (annak anyagi minőségétől függően) ~20-70 nm; vízben ~0,1 µm, valamint levegőben ~0,06 mm távolságot megtegyen [JR_27]. Amennyiben a radon atom a szemcse felületétől kisebb távolságban helyezkedik el, mint az az úthossz, melyet képes megtenni a visszalökődése révén, abban az esetben van esélye, hogy a pórustérbe kikerüljön (2. ábra 2 5 esetek), mélyebb elhelyezkedés esetén a szemcsében marad (2. ábra 1 -es eset). 2. ábra A radon pórustérbe jutásának lehetséges módjai A pórustér tulajdonságaitól függően (méret, víztartalom, szomszédos szemcse távolsága) maradék kinetikus energiáját leadva a pórusközi térben lelassulhat (2. ábra 3, 5 -ös eset), vagy a szomszédos szemcsébe csapódhat (2. ábra 2 -es és 4 -es eset). Az onnan történő kijutására a becsapódáskor meglévő energiájától függően van lehetőség, ugyanis ha nem a szemcse felszínéhez közel lassul le, belefúródik a szomszédos szemcsébe, ahol megreked. A pórustér nedvességtartalma szintén jelentősen növeli a kilökődött szemcse lefékeződésének mértékét (2. Ábra 3 -as eset), ezáltal növelve a pórustérben található radon atomok számát [JR_28] Emanációs tényező Az anyag nyitott pórusaiban található és a mátrixban összesen keletkezett radon, (amely megegyezik a Ra-226 aktivitáskoncentrációval) hányadosát emanációs tényezőnek (ε) nevezzük [JR_29]. 27

32 A A Rn Ra ( ) A felsoroltakon kívül, az egyes szemcsék nagysága, valamint geometriája is döntően befolyásolja a belőle emanálódott radon mennyiségét, emiatt az anyag porozitása mellett a fajlagos felülettel is szoros kapcsolatba hozható a jelenség. A szemcséken belüli összetétel változásból adódó sűrűség, valamint a Ra-226 eloszlásának inhomogenitása is hatással van az emanációra [JR_30]. Látható, hogy rendkívül sok paraméter együttes hatása eredményeképpen alakul ki az emanációs tényező, mely mikroszkopikus szinten nézve szemcsénként eltérő, makroszkopikus léptékben azonban homogén mátrixok esetén jó jellemzője lehet az anyagoknak Radonpotenciál Az pórustérbe emanálódott radonnak lehetősége nyílik az egyes anyagokból (a dolgozat témájához kapcsolódóan), pl. az építőanyagokból való kijutásra. Ez a mennyiség jelenti azt a radon mennyiséget, mely a teljes mennyiség kijutása esetén a maximális kockázatot jelentheti az épületben, zárt terekben tartózkodók számára. Egy új, elterjedőben levő kockázatelemzési megközelítésként szokás számítani az egyes anyagokban maximálisan keletkező radon mennyiségét, az ún. radonpotenciált (Ω). A módszer előnye, hogy az anyag Ra-226 tartalmán felül az emanációs tényezővel is számol, így az anyagtól származó radon kockázat jobban szemléltethető. A radonpotenciál az alábbi formula segítségével számítható [JR_31]. C Ra226 ( ) Ahol: Ω radonpotenciál (Bq/kg), ε emanációs tényező C Ra-226 Ra-226 aktivitáskoncentráció (Bq/kg) Fontos megemlíteni a radonemanáció nedvesség-függését, hiszen a pórustérben lefékeződött radon atomok száma jelentősen megnő, amennyiben levegő helyett vízrétegen halad át a radon atom. Egyes anyagfajtáktól (és azok belső szerkezetének adottságaitól) függően akár %-ot is elérhet az emanációs tényező. A növekvő víztartalom hatására egy emanációs telítési érték áll be. Ennek magyarázata, hogy a pórustérben megfelelően nagy pórusméret az összes szemcséből kijutott radon atom lefékeződik teljes szaturáció esetén, melynek valószínűségét a pórusvíz mennyisége növeli [JR_32]. Ez természetesen az anyagok radonpotenciáljára is kihat, azaz a megnövekedett nedvességtartalom nagyobb radontól származó radiológiai kockázatot jelenthet építőanyagok esetén. A gyakorlatban teljesen vízmentes állapotban csak nagyon szélsőségesen száraz időjárású területeken lehet számítani, azonban többségében az építőanyagok valamennyi 28

33 nedvességet tartalmaznak, ami az őket körülvevő környezeti tényezők hatására igen jelentősen változhat. Emiatt célszerű a nedvességtartalom befolyásoló hatásának meghatározása Radon migrációja és kijutásának folyamata az anyagból Csak a pórustérben levő radon atomok juthatnak ki diffúziós és konvenciós folyamatok révén az anyagból. A radon migrációja e két jelenség eredőjeként valósul meg. Az időegység alatt, egységnyi felületen kijutó radon mennyiségét a szakirodalom radonexhalációnak nevezi. Mértékegysége Bq/m 2 s -1. Az exhaláció hajtóerejét áramlásmentes (diffúziós modell) körülmények esetén Fick I. törvénye alapján a koncentráció gradiens határozza meg. C E D Rn dx x0 ( ) A pórusvíz, illetve póruslevegő nyomáskülönbség hatására előidézett mozgása révén a pórustérben található radon is mozgásba kerül. Ennek hatására az áramlás mértékének függvényében kerülhet ki az eredeti közegből a radon. Úgynevezett filtrációs modellek segítségével a folyamat modellezhető [JR_33]. A radon viszonylag hosszú, 3,824 napos felezési ideje miatt az anyagi minőségtől, geometriától, kiterjedéstől, valamint belső szerkezettől függően az anyag belsejéből képes kijutni. Azt a rétegvastagságot, amely jellemzi a diffúziós mechanizmus útján a radon anyagból való kijutását, diffúziós úthossznak, vagy diffúziós rétegvastagságnak (l 0 ) nevezzük és az alábbi képlet segítségével számíthatjuk: l 0 D Rn ( ) Ahol D a diffúziós tényező és λ Rn a radon bomlási állandója. A képletből egyértelműen látható, hogy a diffúziós úthossz anyagi minőség-függő [JR_31,34]. A diffúziós rétegvastagság döntően meghatározza az anyagból exhalálódó radon mennyiségét. Néhány jellegzetes építőanyag diffúziós állandóját és diffúziós rétegvastagságát a 14. táblázatban tüntettem fel [JR_35-36]. 29

34 14. táblázat. Néhány jellegzetes építőanyag diffúziós állandója és diffúziós rétegvastagsága Anyag neve Diffúziós állandó (cm 2 /s) Diffúziós mélység (cm) Cement 7, ,28 Talaj 1, ,01 Márvány 2, ,86 Homok 3, ,42 Gipsz 2, ,11 Tufa 1, ,39 Mészkő 3, ,51 Tégla 3, ,01 Homokkő 1, ,53 Nehéz beton 7, ,08 Aszfalt < 1, < 5,74 Mész 5, ,11 Az anyagok radonexhalációját egydimenziós transzportot, álladó homogén eloszlású diffúziós tényezőt, áramlásmentes viszonyokat feltételezve, valamint az ismertetett befolyásoló tényezők figyelembe véve az alábbi összefüggéssel számíthatjuk E CRa l z tgh l Ahol: E Radonexhaláció [Bqm 2 h -1 ] ε Emanációs tényező [dimenzió nélküli szám] C Ra-226 Ra-226 aktivitáskoncentráció [Bq/kg] ρ Sűrűség [kg/m 3 ] λ Radon bomlási állandója [1/h] l 0 Diffúziós rétegvastagság [m] z 0 Anyag rétegvastagsága [m] 0 0 ( ) A formula az állandó mikroszkopikus és makroszkopikus tulajdonságok mellett figyelembe veszi a rétegvastagság változásból fakadó, radonexhalációt befolyásoló hatást [JR_31]. Az egyenlet segítségével egy, a téglafal diffúziós állandójának megfelelő, 2,3 kg/m 3 sűrűségű és 100 Bq/kg Ra-226 aktivitáskoncentrációjú anyag exhalációs tényezőjét 30

35 számítottam eltérő falvastagság (0,05 0,5 m között), valamint változó emanációs tényezővel (10 50 %). A kapott elvi exhalációs profil az 3. ábrán látható. 3. ábra Elvi modell-téglafal számított exhalációs profilja Jól megfigyelhető, hogy ugyanazon anyag emanációs tényezőjének változása az exhalálódó radon mennyiségével egyenes arányban van. A falvastagság növekedésével egy telítési értéket figyelhetünk meg, mely felett nem tapasztalható további radonexhaláció növekedés. Ebben az esetben az anyagra vonatkozóan az exhalációnak szélső értéke van és látható, hogy az anyag szerkezete által okozott diffúziós befolyás, hatással van a kiáramló radon mennyiségére. Az anyagok felületegységre vonatkoztatott radonexhalációjának jellemzésére ez a szélsőérték használható, azonban az egyes diffúziós rétegvastagságok anyagfajtánkként és az anyag állapotától, szerkezetétől függően is változhat (nedvességtartalom, porozitás, őrlés, repedezettség, etc.). Porózus anyagok esetén a diffúziós tényezőtől függően jelentősen eltérő rétegvastagságokat kellene vizsgálni, mely komoly méréstechnikai problémákat vetne fel. Másik jellegzetes exhalációs szélsőérték abban az esetben definiálható, ha a minta vastagsága a diffúziós úthosszhoz képest elenyésző, ugyanis ekkor az összes emanálódott radon képes kijutni az anyag belsejéből. Ebben az esetben a minta mennyisége, illetve radonpotenciálja az, amely meghatározza az exhaláció mértékét. Ezt a jelenséget szabadexhalációnak nevezzük és a diffúziós úthossz 1-2 %-a esetén használható, ugyanis ebből a mélységből exhalálódó radon mennyiségét a bomlás nem befolyásolja számottevően a kidiffundáláshoz szükséges időtartam alatt [JR_36]. 31

36 Célszerű az anyagoknak a tömegegységre vonatkoztatott fajlagos exhalációját megadni szabadexhalációs körülmények között, hiszen ilyen körülmények esetén nem a felület az, amely megszabja az exhalációt, hanem, a minta tömegétől és radonpotenciáljától függ az exhalálódó radon mennyisége. Az 3. ábrán jól látható, hogy vékony falvastagság esetén az anyagból exhalálódni képes radon bomlása nem jelentős. Porózus anyagok esetén 5 cm alatti rétegvastagságot javasolnak a szabadexhaláció mérésére, azonban amennyiben lehetőség nyílik rá, célszerű az egyes anyagoknak meghatározni a szabadexhalációra vonatkozó optimális tartományát [JR_37]. A gyakorlatban a beépítés módjától rendkívüli mértékben függ, hogy az alkalmazott rétegvastagság mekkora. Elvi megfontolásból ezért a szabadexhaláció mérése látszik célszerűnek, ugyanis az exhaláció csak a mért anyag tömegétől, Ra-226 tartalmától, az emanációs tényezőjétől függ és a radonpotenciálhoz hasonlóan csak egy tömegre vonatkoztatott fajlagos mennyiség Víztartalom radonexhalációt befolyásoló hatása A vízzel telt pórusok egyrészről növelik az emanálódott radon mennyiségét, másrészről pedig jelentősen megnehezítik a radon számára a diffúziót ez által jelentősen csökkenti a diffúziós mélységet [JR_34,38]. Porózus anyagoknál, vékony réteg esetén a nedvességtartalom növekedés okozta diffúziós állandó csökkenése az anyag porozitásának függvényében elhanyagolható is lehet, míg nagy mennyiségben alkalmazott építőanyagok esetén jelentősen csökkenhet az exhaláció mértéke a megnövekedett víztartalom hatására. Szabadexhalációs mérés esetén a diffúziós rétegvastagság változása igen kis hatással van az alkalmas rétegvastagságra, azonban célszerű figyelembe venni a pontatlanságok elkerülése érdekében Radon az épületekben Az épületekbe nemcsak az építőanyagokból juthat be a radon (4. ábra). Egyéb források: Altalaj Csapvízben oldott radon Földgáz Épületen kívüli levegő 32

37 4. ábra Radon épületbe való bekerülésének lehetséges útvonalai A legjelentősebb az épület alatti és annak közvetlen környezetében levő altalajában megtalálható radon fel- és beáramlása az épületbe [JR_39-40]. Talajtípustól függően akár 1-3 m mélységből is megtörténhet a feláramlás, míg repedezett talajok esetén nem ritka, hogy több 10 m-es mélységből is a felszínre, vagy a lakóépületbe kerülhet a gáz, például geogáz feláramlás esetében (pl. mátraderecskei mofetta) [JR_41]. A feláramlás mértékét a környezeti tényezők változásából (széljárás, hőmérséklet, talajvízszint változás, csapadék mennyisége és formája, Hold és a Nap gravitációs hatása okozta talajvízszint árapály jelenség, stb.) adódó nyomáskülönbségek rendkívüli mértékben befolyásolják. A feláramló radon az épület kialakításától, valamint a felhasznált anyagok anyagi minőségétől, szerkezetétől függően kerülhet be az 5. ábrán szemléltetett módokon. A talajvíz csökkentheti az exhaláció mértékét, hiszen folytonos vízréteget képezve meggátolja a mélyebben keletkezett radon feláramlását. A talajvízszint-változás a talajlevegőre pumpáló hatást gyakorol, mely szintén az exhaláció emelkedését-csökkenését eredményezi [JR_42]. 33

38 5. ábra Radon épületbe való bekerülésének lehetséges útvonalai A vezetékes víz radon tartalma szintén hozzájárul az épület radon-koncentrációjához, mely melegítés, főzés, fürdés, zuhanyzás révén kerül be a légtérbe [JR_43]. A földgáz radon tartalma a tároló kőzet minőségétől függ, azonban magasabb kockázat inkább a gázfeldolgozás során használt épületek esetén figyelhető meg. Lakossági felhasználás során a földgázzal a radon is bekerülhet a lakótérbe [JR_44]. Az épületen kívüli radon-koncentráció általában a légköri keveredési és hígulási folyamatoknak köszönhetően igen alacsony, néhány Bq/m 3 [BR_2]. Uránbányászat során a természetes koncentrációnál magasabb, de ipari feldolgozás esetében nem gazdaságos urántartalmú meddőkőzet felszínre kerülése és a bányaüregek radon kibocsátásának eredményeképpen lehet magasabb radon aktivitáskoncentrációt mérni a szabadban [JR_45]. A beltéri radon-koncentrációt igen jelentős mértékben befolyásolja az adott helyiség légcsere tényezője (a teljes légtérfogat egységnyi idő alatt bekövetkező kicserélődésének mértéke [1/h]), valamint a szellőztetés mértéke. Újonnan épített lakások esetén alacsony légcsere tényezőre törekednek az épület fűtésének tervezésénél. Amíg a fűtés költségére a légtömörség (pl. Blower-Door) vizsgálat eredményeképpen kapott alacsony légcsere-tényező kedvező, addig a kialakuló radonszintek esetében kedvezőtlen a jó légzárású épület. A korlátozott légcsere eredményeképpen akár két nagyságrendi eltérés is megfigyelhető ugyan azon belső tér radon-koncentrációja eltérő szigetelési viszonyok között. A légcsere tényező fokozását radonmentesítési eljárásoknál is előszeretettel alkalmazzák [JR_46-49].. 34

39 3. Jogi szabályozás nemzetközi és hazai helyzete 3.1. Nemzetközi viszonyok Az IAEA (International Atomic Energy Agency Nemzetközi Atomenergia Ügynökség) alapszabályában (IBSS) munkahelyeken 1000 Bq/m 3 -es aktivitáskoncentrációban szabta meg a maximális radon szintet [BR_6]. Az EU sugárvédelmi alapszabályzata (BSS) szerint azon munkahelyek, munkafolyamatok azonosítása is szükséges, melyeknél a természetes eredetű sugárzásoktól jelentős mennyiségű dózist kaphatnak a dolgozók. Az ilyen jellegű potenciális munkahelyek felsorolása megtalálható a BSS-ben, azonban radonra vonatkozó cselekvési szintet konkrétan nem határoz meg, csak Bq/m 3 éves átlagot javasol [BR_26]. A lakások radon szintjét az IBSS Bq/m 3 éves átlagkoncentrációban javasolja korlátozni. A BSS azonban 200 Bq/m 3 éves átlagkoncentrációt javasol új épületekre (lakó- és középület), míg meglévőkre 300 Bq/m 3 -t [BR_27]. A WHO 2009 ajánlása új épületekre 100 Bq/m 3, míg meglévőek esetén 300 Bq/m 3 átlagos radon aktivitáskoncentráció a mérvadó. A dózisbecslés során 10 msv/év többletdózis 300 Bq/m 3 esetén következik be [BR_2]. Az adott ország a szabályozás során maga dönt, hogy melyik ajánlást tekinti mérvadónak, a 15. táblázatban az elmúlt közel 2 évtized legfontosabb radon szintekre vonatkozó ajánlásait tüntettem fel [BR_2,6,15,28-30]. 15. táblázat: Az elmúlt közel 2 évtized legfontosabb radon szintekre vonatkozó ajánlásai Ajánló szervezet Ajánlás éve Ajánlott radon szint [Bq/m 3 ] Munkahely Lakások EPA pci/l 148 Bq/m 3 ICRP IAEA SS BSS ICRP UK HPA ICRP 109, UNSCEAR WHO Az építőanyagok beépíthetőségére vonatkozó radionuklid tartalommal kapcsolatos EU-s ajánlást az 1.5. fejezetben fejtettem ki. 35

40 3.2. Magyar helyzet Magyarországon a sugárterhelés figyelembevételével az első építőanyagokra vonatkozó rendeletet 1960-ban hozták, melyet mára már hatályon kívül helyeztek. A rendelet megtiltotta azon szénsalakok beépítését, melyek magas Ra-226 koncentrációval bírnak. Jelenleg nincs a magyar jogrendszerben az építőanyagok gamma-sugárzó izotópok aktivitáskoncentrációjára, illetve a beltéri radon-koncentrációra vonatkozó szabályzás. Ezt a hiányosságot mihamarabb szükséges lenne pótolni A radonkérdés hazai jogi szabályozásának tervezett szakmai koncepciója A kérdéskör jogi szabályozásánál az atomtörvényből (16/2000. (VI. 8.) EüM rendelet az atomenergiáról szóló évi CXVI. törvény egyes rendelkezéseinek végrehajtásáról) kell kiindulni [BR_31]. Eszerint a szabályozásnak a radonkoncentráció lakó- és középületekben elfogadható szintjének megállapításán túl ki kell terjednie az építőanyagok és alapanyagok, továbbá az építési területek sugárvédelmi szempontból való korlátozására is. [BR_4] Ennek megfelelően a tervezet főbb megállapításai (az ICRP korábbi ajánlásain alapulnak) a következők: a radon-koncentráció éves átlagára vonatkozó cselekvési szint meglévő épületeknél 400 Bq/m 3, új épületeknél 200 Bq/m 3 ; a talajgáz radon-koncentrációjának 10 kbq/m 3 alatti értéke esetén az épület tervezésénél nincs szükség külön szempontok érvényesítésére, 10 és 50 kbq/m 3 között egyszerű tervezési óvintézkedésekre, míg 50 kbq/m 3 felett összetett tervezési óvintézkedésekre van szükség; az építőanyagok természetes radionuklid-koncentrációjánál az I indexnek 1-nél kisebb értéke mellett, a radontól származó potenciális sugárterhelés korlátozására az alábbi követelmény teljesítése is szükséges: C Ra-226 <150 Bq/kg (3.3-1) A radon-koncentráció megfelelő szinten tartásának előfeltétele a radiológiai szempontból megfelelő minőségű építőanyag [BR_4]. 36

41 4. Radioanalitikai és anyagszerkezeti vizsgálatok 4.1. Radionuklid-koncentráció meghatározása Az általam vizsgált minták főbb terresztriális és építőanyag minősítés szempontjából fontos radionuklidok aktivitáskoncentrációjának meghatározását a gamma-spektrometriai módszerrel végeztem. Napjainkban a fejlett méréstechnikai lehetőségeknek köszönhetően a nagytisztaságú félvezető detektoros (HPGe) gamma-spektrométereket használnak. A következő fejezetben a mérési módszer legfontosabb jellemzőit ismertetem Félvezető detektorok A környezeti minták főbb radionuklidjainak minőségi és mennyiségi analízisére félvezető detektorokkal ellátott gamma-spektrométerek használatosak. A félvezető detektorok alkalmazásának legnagyobb előnye, hogy energia felbontásuk megközelítőleg egy nagyságrenddel jobb, mint a szcintillációs detektoroké (~ 2 kev). Germániumban 2,8 ev, szilíciumban 3,6 ev energia elegendő egy ionpár keltéséhez, mely egy nagyságrenddel kevesebb, mint a gázionizációs-, és mintegy harmincszor kisebb, mint szcintillációs detektorok esetén. Ennek köszönhetően a keletkező töltéshordozók száma jóval nagyobb, mely kedvezően hat a mérési statisztikára és ez által a felbontásra is. Emiatt a detektor egymáshoz közel eső gamma fotocsúcsok szelektív meghatározására is alkalmas [BR_32]. A detektor mérési tartománya a tokozástól és az erősítési beállításoktól függően 30 kev 10 MeV. A detektorban keltett töltéshordozókat erősítést követően sokcsatornás amplitúdó analizátor (MCA, Multi-Channel Analyzer) dolgozza fel. A modern MCA-k többfunkciós, összetett eszközök, melyek fő komponensei az ADC (analóg-digitál konverzió), memória, interfészek. A spektroszkópiai erősítőből érkező analóg jelek digitalizálását az ADC végzi el. Az MCA kimeneti digitális jeleit már PC-ken futó, megfelelő analizátor software-ek segítségével könnyedén feldolgozhatjuk. Mennyiségi analízis során abszolút vagy relatív módszer alkalmazható. Abszolút módszer esetén a detektor teljes energiatartományát lefedő, ismert aktivitású és összetételű kalibráló standard-re van szükség, ugyanis a félvezető detektor számlálási hatásfoka energiafüggő, emiatt szükséges a teljes energiatartományra kiterjedő számlálási karakterisztika meghatározása. Nagyon fontos követelmény, a meghatározni kívánt minta és a kalibráló etalon geometriai viszonyainak egyezősége (forrás alakja, kiterjedése, távolsága detektortól). 37

42 Relatív módszer esetén ismert aktivitású mintával meghatározzuk az egységnyi aktivitás által kiváltott csúcsterületet, majd az ismeretlen aktivitású minta megfelelő csúcsát kiválasztva, a csúcsterületeket összehasonlítva számoljuk az aktivitást. Az abszolút módszerhez hasonlóan ennél a metódusnál is fontosak a geometriai viszonyok, emellett az önabszorpciós viszonyok is, hiszen a mátrixhatás (összetételből és sűrűségből adódó önabszorpciós viszonyok) jelentősen befolyásolhatják a mérési eredményt. Főleg kis energiájú gamma-fotonok esetén jelentős [BR_32] A radon detektálása A radon detektálására az évek során számos módszert dolgoztak ki, melyek alapelveiben is és a detektorok kialakításában, működési elveikben is sok esetben különböznek. Lehetőség nyílik a radon közvetlen és leányelemein keresztül történő meghatározására, mely során alfa-, béta, vagy gamma-sugárzásukat használhatjuk ki. Az egyes mérőrendszereket a körülményektől függően, kell kiválasztani és optimalizálni. Néhány radon-mérésre alkalmas, kutatásaim során használt mérőberendezés legfontosabb tulajdonságait a 16. táblázatban foglaltam össze. A táblázatban szereplő eszközök eltérő mérési tartományban és eltérő körülmények esetén jelentenek megfelelő megoldást. Az integráló módszereket nagyszámú, hosszú expozíciós idejű vizsgálatok esetén alkalmazzuk, amikor nincs szükség a dinamikusan változó paraméterek ismeretére, vagy nem célja a vizsgálatnak azok ismerete. A radon monitorok esetén az integrálási idő függvényében a dinamikusan változó paraméterek is vizsgálhatóak, valamint sok esetben az egyéb, radonkoncentrációra hatással levő paraméterek is rögzíthetőek. Beépített áramforrásuknak köszönhetően kihelyezhetőek energiaellátással nem rendelkező mérési helyszínekre is. Méréstartományuk, a megkívánt mérési érzékenység, valamint a mérés során adódó környezeti tényezők függvényében kell megválasztani a használni kívánt mérési módszert [WR_3-8, JR_50-51]. 38

43 16. táblázat: Kutatásaim során használt radonmérésre alkalmas mérőberendezések Műszer típusa ID Detektálás elve Mérési tartomány Specifikáció Kép Radon monitor ATMOS 12 DPX Ionizációs kamra 1 0,1 MBq/m 3 Folyamatos adatgyűjtés Radon monitor Radon monitor Radon monitor ALPHAGUARD 2000 SARAD Scout SARAD RTM 2100 Ionizációs kamra 2 2 MBq/m 3 Leányelemek detektálása félvezető detektorral Leányelemek detektálása félvezető detektorral 1 10 MBq/m 3 Radon monitor PYLON AB5 PMT + Lucas cella 27,4 Bq/m 3 ZnS (Ag) szcintillátor Passzív integráló Passzív integráló LUCAS CELLA ELECTRET E-Perm RADOSYS CR-39 PMT + Lucas cella 10 Bq/m 3 Electret ion kamra (kondenzátor) Nyomdetektor Töltési kapacitástól és expozíciós körülményektől függ Expozíciós körülményektől függ változtatható integrációs idővel Egyéb mérési paraméterek (T, p, relatív páratartalom) Alacsony koncentráció tartományban (< 10 Bq/m 3 ) nagy szórás Folyamatos és szakaszos mérésre is alkalmas (cellánként napi 1 mérés szakaszosnál) Alacsony KH Cellánként napi 1 mérés lehetséges Pontos, de drága módszer, páratartalom érzékeny Kis aktivitáskoncentrációnál csak hosszú expozíciós idő esetén ad pontos eredményt Olcsó, Légterek integrális vizsgálatára ajánlott 39

44 Radonexhaláció akkumulációs módszerrel való meghatározásának elvi alapjai A radonemanáció direkt mérését szekuláris egyensúlyi radon-koncentrációjának meghatározásán keresztül végzik. Ennél az eljárásnál általában meghatározzák, a vizsgálni kívánt minta Ra-226 tartalmát, majd abból kis mennyiséget légmentesen lezárnak és a szekuláris egyensúly beállásához szükséges időtartamra (~ 27 nap) pihentetik. A szükséges időtartam leteltével az összes emanálódott radont egy, a mennyiségi meghatározásra alkalmas mérőberendezéssel detektálják. A kapott radon aktivitáskoncentrációja és a minta Ra-226 aktivitáskoncentrációjának ismeretében az emanációs tényező számítható. Az emanálódott radon a mátrix anyagi minőségétől és a környezeti tényezők függvényében folyamatosan exhalálódik a kialakult koncentráció gradiensnek megfelelően. A radonexhaláció meghatározására a legelterjedtebb az ún. akkumulációs módszer, mely során az exhalálódott radont egy zárt edény segítségével összegyűjtik és az eltelt idő, a bomlás, valamint a radon-koncentráció ismeretében határozzák meg. C V E t 1 e ( ) Ahol: E az exhaláció, C a mért aktivitáskoncentráció; V az akkumulációs térfogat, λ bomlási állandó, t az akkumulációs időtartam. A radonexhaláció állandó paraméterek és forráserősség mellett konstans érték. Az akkumulációs térben található radon-koncentráció emelkedése a gáz bomlása révén nem lineáris, egy határértékhez tart, mely nem más, mint az anyaelem aktivitása, mely ~27 nap alatt áll be. Az akkumulációs térben található és összesen keletkezett radon közötti arány (K) az alábbi formula segítségével számítható. K 1 e t t ( ) Az arányossági tényező segítségével az összes exhalálódott radon mennyisége számítható (meglévő és elbomlott) az idő függvényében, azaz az exhalációs konstans is (mely a kezdeti lineáris koncentrációnövekedésből kapható meg). Ahogy a korábbiakban tárgyaltam, a diffúzió hajtóereje a koncentráció gradiens. Ebből következik, hogy zárt tér esetén ez exhaláció csökken az akkumulációs idő függvényében, hiszen a mintán kívüli tér radon-koncentrációjának növekedése gátló hatást fejt ki a kiáramlásra, emellett nagy fajlagos felület esetén a pórusok felületi adszorpciója is egyre jelentősebb, mely csökkenti a mérhető radon-koncentrációt az akkumulációs térben. Ezt a 40

45 jelenséget a szakirodalomban Back Diffusion Effect-nek (továbbiakban BD), azaz visszadiffúziós hatásnak nevezik [JR_52]. Méréstechnikai szempontból elhanyagolható, ha a minta pórustérfogata kisebb, mint 10 % az akkumulációs kamra térfogatához viszonyítva [JR_53]. Az akkumulációs tér radon-koncentrációjának (analitikai koncentráció) változása idő függvényében az 6. ábrán látható. Egyszerű elvi megfontolás alapján a BD mértéke csökkenthető, illetve megelőzhető a lehető legrövidebb akkumulációs időtartam alkalmazásával, melyet a detektáláshoz használt műszer érzékenysége, kimutatási határa és természetesen a minta mennyisége és annak exhalációs tulajdonsága határoz meg. Az 6. ábrán jól kivehető a kezdeti időszakban megfigyelhető csekély eltérés a BD esetén tapasztalható görbénél, emiatt rövid (24 48 órás) akkumulációs idő esetén nem szükséges az effektív bomlásállandó (λ eff ) meghatározása, mely a radon bomlása mellett figyelembe veszi a BD okozta radon-koncentráció csökkenést is, elegendő csak a bomláskorrekciós faktor alkalmazása [JR_31,54]. eff BD ( ) 6. ábra Radon atomok számának változása akkumulációs térben exhaláció esetén az idő függvényében Radonemanáció gyors meghatározása akkumulációs módszerrel A fajlagos exhaláció meghatározásával egyidejűleg lehetőség nyílik a minták emanációs tényezőjének meghatározására is, hiszen a kapott fajlagos exhaláció értékből a telítési, azaz a 41

46 szekuláris egyensúly esetén beálló radon-koncentráció az képletbe a megfelelő akkumulációs időt behelyettesítve számítható. A minta Ra-226 tartalmának ismeretében az emanációs tényező számítható a mátrixban keletkezett összes és a szabadexhalációval az akkumulációs térbe jutott radon (amely nem más, mint Ω, azaz a radonpotenciál) hányadosaként. A módszer előnye, hogy egyetlen rövid (1 2 napos) akkumulációs méréssel a Ra-226 tartalom ismeretében a fajlagos exhaláció, emanációs tényező és a radonpotenciál meghatározható. További előnyként említhető, hogy lehetőség nyílik ugyanazon minta roncsolásmentes újramérésére. A mérendő minta mennyisége relatíve sokkal nagyobb lehet, hiszen a szabadexhaláció révén nincs számottevő hatása a rétegvastagságnak az exhalálódó radon mennyiségére, azaz a rövid akkumulációs idő esetén is elegendő radon tud fejlődni, hogy kellő pontossággal végrehajtható legyen a detektálás. A nagy mintamennyiség a mintavétel során előforduló inhomogenitásból származó mérési bizonytalanságot is tovább csökkenti. Az a felsorolt okok indokolták, hogy méréseim során végül az emanációs tényező meghatározását a fajlagos exhaláció méréseken keresztül végezzem Anyagszerkezeti vizsgálatok bemutatása Az emanációs és exhalációs tényezőket befolyásoló paraméterek (2.2 fejezet) között igen nagy hangsúlyt helyeztem a mátrix tulajdonságaira, azon belül is porozitásra, valamint az azzal szoros összefüggésben levő fajlagos felületre. A célkitűzés szerint agyagminták radonemanációjának és exhalációjának hőkezeléstől való függésének vizsgálatát tűztem ki célul. A hőkezelés okozta szerkezetváltozások nyomon követése magyarázatul szolgálhat az esetlegesen bekövetkező radonnal kapcsolatos paraméterek változására Röntgendiffrakciós fázisanalízis A röntgtendiffrakciós fázisanalízis során kristálykeverékek alkotóinak meghatározása zajlik. Az egyes homogén kristályos anyagok az anyagspecifikus térrácsukra jellemző, ún. reflexiórendszereket hoznak létre. Egy heterogén krisztallokomplexum reflexiórendszere az egyes kristályokhoz tartozó reflexió rendszerek interferenciájainak átfedésével alakulnak ki. A módszer segítségével kvalitatív és kvantitatív analízist egyaránt végezhetünk [BR_33]. Kvalitatív fázisanalízis: A vizsgálat során a felvett polikristályos reflexiórendszereket homogén polikristályos diffraktogrammokkal hasonlítják össze. Kvantitatív fázisanalízis: A kiválasztott reflexió integrált intenzitásából a vizsgált fázis térfogat és tömegaránya meghatározható [BR_34,55]. 42

47 A fajlagos felület Az egyes mátrixok mikroszkopikus tulajdonságai (anyagi és szerkezeti egyaránt) határozzák meg az emanációs tényezőt. A fajlagos felület a szemcsék nagyságával, annak eloszlásával valamint a geometriai paramétereivel áll szoros kapcsolatban. Az emanációs tényező változásának vizsgálatához célszerű ezt a paramétert is vizsgálni. Kis nyomások esetén csak a kis pórusok telítődnek gázok, vagy gőzök molekuláival (kapillárkondenzáció), nagyobb pórusátmérő esetén nagyobb nyomásnál játszódik le a jelenség. A folyamat a nyomásviszonyok kiegyenlítődéséig tart. Nyomáscsökkenés esetén deszorpció játszódik le, azonban ekkor a nagyobb pórusok felületi borítottsága csökken először. Hengeres pórusok esetében a Kelvin-egyenlet ( ) segítségével kiszámítható, hogy az adott relatív nyomáson milyen méretű pórusok töltődnek fel kondenzátummal [BR_35,38]. r k 2V0 cos p RT ln p 0 ( ) ahol: V 0 : Folyékony adszorptívum mól térfogata a mérés hőmérsékletén (m 3 /kmol), σ: Felületi feszültség (N/m), R: Egyetemes gázállandó (J/mol K), r: Kelvin-rádiusz (m), φ: Nedvesedési szög. Az adszorptívum mennyisége többrétegű adszorpció esetén a Brunauer-Emmett-Teller által levezetett egyenlettel (BET-egyenlet) határozható meg [JR_56]. BET-egyenlet: x 1 x ( C 1) v (1 x) v C v C m m ( ) ahol: v: Adszorbátum teljes mennyisége, v m : A teljes felület monomolekulás borításához szükséges adszorptívum, C, x: Konstansok 43

48 Pórustérfogat A nyitott pórusok össztérfogata (látszólagos porozitás) a mikroszkopikus és makroszkopikus anyagszerkezetről ad információt. Az emanációs tényező porózus anyagok esetén jelentősen magasabb, mint ugyan olyan összetételű tömörebb anyagoknál. Mindemellett az exhalációra is jelentős hatással van, hiszen a radon diffúziós mélysége jelentősen növekszik [BR_37]. A pórusok összes térfogata meghatározható a közel telítési nyomáson adszorbeálódott fajlagos gáztérfogat átszámításával, folyadék térfogattá: V p V a b ( ) ahol: V p : Pórustérfogat (cm 3 folyadék N 2 /g), b: Sűrűség konverziós faktor (1, cm 3 folyadék N 2 /cm 3 gáz N 2 ). A pórustérfogat Barrett, Joyner és Halenda (BJH) elmélete alapján számolható ki az 1,7 és 300 nm közötti átmérőjű pórusokra [BR_36]. A BJH-elmélet feltételezi, hogy: 1. A pórusok henger alakúak. 2. A pórusok falán egy fizikailag adszorbeált réteg helyezkedik el, a pórusok belső része pedig kondenzátummal van feltöltve. A hengeres pórusok sugara a BJH-elméletből kiindulva két részből tevődik össze: r p r k t ( ) ahol: r p : Aktuális pórussugár (nm), r k : Kondenzátummal töltött belső (Kelvin-) pórussugár (nm), ami a Kelvin egyenlet segítségével számolható ki, t: Fizikailag adszorbeálódott molekularéteg vastagsága (nm) [BR_37] Termikus analízis Hevítés hatására az anyagokban fizikai és kémiai átalakulások mennek végbe. A termikus módszerek a hő hatására lejátszódó átalakulási folyamatok vizsgálatára alkalmasak [BR_38]. 44

49 Összefoglaló néven termikus módszereknek nevezzük a hő hatására lejátszódó folyamatok vizsgálatára alkalmas módszereket 4.5. Termogravimetria (TG), Derivatív termogravimetria (DTG) Termogravimetriai (TG) vizsgálat során a minta közölt hő hatására történő tömegének változását regisztráljuk, mely minőségi, mennyiségi és szerkezet stabilitási információkat szolgáltat a vizsgálat anyagról. A TG görbe érzékenysége az egymást szorosan követő, vagy nagyon kis hőmérsékleti eltéréssel bekövetkező folyamatok esetén nem mindig ad megfelelő mennyiségű információt a mintáról. A TG görbe deriváltja lehetővé teszi a kis tömegváltozással járó, illetve az egymást átfedő folyamatok beazonosítását is [BR_39] Differenciál termoanalitika (DTA) A differenciál-termoanalitikai elemzés esetében a mintával és az inert anyaggal (pl. Al 2 O 3 ) hőt közlünk és a folyamat során a hőmérsékletüket termoelemek segítségével regisztráljuk. A kapott információ segítségével az endoterm-exoterm átalakulásokat (fázisátalakulások, kristályszerkezet változások, disszociációs, dehidratációs reakciók, bomlásreakciók, oxidációs és redukciós folyamatok, stb.), azaz a mérhető entalpiaváltozással járó folyamatokat azonosíthatjuk. A szembekapcsolt termoelemekkel a hőmérsékletkülönbségek hatására bekövetkező termofeszültséget regisztrálhatjuk. Az entalpiaváltozással a regisztrált csúcsok alatti terület lesz arányos, az endotermexoterm reakció azonosítása a görbe lefutásának segítségével kerül megállapításra. Endoterm folyamat esetén a DTA csúcs lefelé fut, míg exoterm átalakulás esetén fölfelé irányuló lefutást tapasztalhatunk. A csúcsok helyei az egyes átalakulások regisztrálásán keresztül összetett anyagrendszerek azonosítására is alkalmas. A DTA kemence elvi vázlatos rajza az 7. ábrán látható. A DTA módszer alkalmazható agyagok agyag tulajdonságú anyagok, ásványok vizsgálatára, fázisdiagramok felvételére, fázisátalakulások, polimorf átalakulások követésére [BR_37]. 45

50 7. ábra DTA kemence 1 mintatartó tégely,2 referencia inert minta tégelye, 3 fém tégelytartó, 4 fűtőellenállások és hőszigetelő réteg, 5 termoelem berendezések (M: minta, K: kemence hőmérsékletének mérése, R: referencia) Derivatográfia A derivatográfia olyan összetett termoanalitikai módszer, amellyel a vizsgált minta hevítése során bekövetkező átalakulásokat kísérő hőenergia- és tömegváltozások egy mintával egyidejűleg meghatározhatók. Erre a célra alkalmas készülék a derivetográf, amely DTA-, TG-, T- és DTG-görbéket egyidejűleg rögzíti [BR_40]. 46

51 II. KÍSÉRLETI RÉSZ A kísérleti részben bemutatom 27 különböző, Magyarországon üzemelő építőanyag gyár által használt agyagmintával végzett radiológiai, illetve ehhez kapcsolódó kiegészítő vizsgálatokat, valamint az elemzéseik során kapott eredményeket, következtetéseket. Az egyes vizsgálatok eltérő mintakezelést igényeltek. Az alkalmazott mérési módszerek egy részét optimalizálni kellett és egymás eredményeire épülve határoztam meg a megfelelő paramétereket. A kísérleti részben az egyes mintakezelési eljárásokat, az aktuálisan tárgyalt módszerek mindegyikénél külön ismertetem. 5. Mintavétel A célkitűzéseknek megfelelően olyan agyagokat gyűjtöttem, melyeket magyarországi építőanyag gyárak nagy mennyiségben alkalmaznak. Összesen 16 telephelyről 27 különböző fajtájú minta került begyűjtésre az ország különböző tájegységeiről. A Magyarországon működő jelentősebb tégla és építőanyag gyárak közel 2/3-ából sikerült eddig mintát beszerezni. Egyik célkitűzésem az országban felhasználásra kerülő tégla építőanyagok radiológiai elemzés volt. A mintavételi helyek és a gyűjtött minták azonosító kódjait az 8. ábrán tüntettem fel. A gyűjtött minták tömege minimálisan 2 kg volt, hogy elegendő legyen az összes tervezett vizsgálathoz. 8.ábra A megvizsgált agyagminták származási helyei és azonosító kódjai 47

52 6. Radioanalitikai vizsgálatok 6.1. Gamma-spektrometriai vizsgálatok Mintaelőkészítés Mind a 27 agyagminta esetén ~1 kg-nyi mintát tömegállandóságig szárítottam, törőmozsárban 0,63 mm alá porítottam majd egy részét fóliával bélelt 600 cm 3 -es Marinelli-geometriájú, alumínium mintatartóba raktam, melyet légmentesen (teflonszalaggal tömített sűrű menetes fedéllel) lezártam. Ezt követően legalább 27 napig tároltam a lezárt mintákat, mely a Ra-226 és Rn-222 között beálló szekuláris egyensúly beállásához szükséges Gamma-spektrometria Az agyagminták főbb gamma-sugárzó izotópjainak meghatározását egy nagyfelbontású, ORTEC GMX40-76 HPGe típusú félvezető detektorral ellátott gamma-spektrometriás mérőberendezéssel végeztem [BR_42]. Detektor jellemzői: Detektálási tartomány: kev beállítástól függően. Relatív detektálási hatásfok: 42 % (Co ,5 kev-os csúcs) Felbontó képesség: FWHM = 1,95 kev (Co ,5 kev-os csúcs) Rendkívül jó felbontás és csúcsszimmetria A detektor 10 cm vastag falú, árnyékoló ólom toronyban helyezkedik el, mely 1 cm vastag acél köpennyel van kibélelve a háttér sugárzás elnyelésére. A spektrum felvételét egy Tennelec PCA-MR 8196 típusú sokcsatornás analizátorral végeztem. Az adatok kiértékelése ORTEC Meastro software alkalmazásával történt. A minták mérését megelőzően a detektor erősítés- és nagyfeszültség-beállításainak megfelelően meghatároztam a mérőrendszer energia kalibrációját, azaz az energiacsatornaszám összefüggést, mely során ismert gamma-sugárzó kalibrálóforrásokat alkalmaztam (17. Táblázat). 17. táblázat A mérőrendszer kalibrálásához használt kalibráló források [BR_42] Izotóp Gamma energia [kev] Am ,54 Cs ,19 661,66 Co , ,50 48

53 Az erősítést úgy állítottam be, hogy a Tl kev-os gamma-vonala a spektrumon még észlelhető legyen. Az egyes építőanyag minták gamma-sugárzó radionuklidjainak meghatározása relatív módszerrel történt, mely során ismert aktivitáskoncentrációjú, körmérésen hitelesített balatoni iszap etalont használtam. A relatív méréshez az ismert összetételű és aktivitáskoncentrációjú referenciaanyag vizsgálata során kapott spektrumot hasonlítottam össze a meghatározni kívánt mintákéval. Az alkalmazás feltétele, hogy a mérés során a minták és az etalon geometriai viszonyai megegyezzenek, valamint az önabszorpciós és szóródási viszonyok hasonlósága érdekében hasonló mátrixhatású referenciaanyagot kell alkalmazni. A minták mérési ideje minden esetben s-volt [BR_32]. A minták Ra-226 aktivitáskoncentrációjának meghatározása leányelemein keresztült történt. Az Pb-214 izotópot 295 kev-os, míg Bi-214-et 609 kev-os gamma fotocsúcsa segítségével határoztam meg a minták 27 napos hermetikus elzárását követően. Ez az időtartam a Ra-226 és Rn-222 között beálló szekuláris egyensúlyhoz szükséges, ekkor a leányelem aktivitása megegyezik az anyaelemével. Th-232 esetében szintén leányelemein keresztül történik az azonosítás, azonban a toron és leányelemi között 6 perc elegendő az egyensúly felépüléséhez. Az Ac-228 esetén a 911 kev-nál, míg a Tl-208-nál 2614 kev-os energiájú vonalat használtam a meghatározáshoz. A K-40 esetében, a szakirodalom által javasolt, jól elkülönülő 1460 kev-os energiát használtam [JR_54]. Az ismert aktivitáskoncentrációjú etalonról felvett spektrumokon, az egyes radionuklidokhoz tartozó (háttérrel korrigált) beütésszámokat használtam az ismeretlen minták aktivitáskoncentrációjának meghatározásához, az alábbi összefüggés szerint: A X n m min ta min ta m n etalon etalon A etalon Ahol: A X : A vizsgált izotóp aktivitáskoncentrációja a mintában [Bq/kg] ( ) A etalon : A vizsgált izotóp aktivitáskoncentrációja az etalonban [Bq/kg] n minta : A vizsgált izotóp háttérrel korrigált beütésszáma a mintában [cps] n etalon : A vizsgált izotóp háttérrel korrigált beütésszáma az etalonban [cps] m minta : A minta tömege [kg] m minta : Az etalon tömege [kg] 49

54 6.2. Radon meghatározása A vizsgálatok során a detektálandó radon mennyiségének meghatározását 1 dm 3 -es kivákuumozott Lucas-cellák segítségével végeztem. A Lucas-cella egy vékony ZnS(Ag) porréteggel bevont szcintillációs detektor, mely esetemben a radon és leánytermékeik bomlása során keletkező alfa-részecskék detektálására alkalmas. A kölcsönhatás eredményeképpen fény fotonok keletkeznek, melyeket egy fotoelektron-sokszorozó (továbbiakban PMT) segítségével elektromos impulzussá lehet átalakítani és a hozzá csatolt elektronikus egységek segítségével (erősítő, diszkriminátor, számláló, stb.) a keletkezett jelek megszámolhatók, melyek száma a cellában levő radon aktivitásával arányosak [JR_58]. A mintavételi folyamatok során a bemeneti szelep elé kötve a nedvességtartalom megkötésére CaCl 2 töltetet, a leányelemek és a légáram által szállított apró résecskék kiszűrésére pedig speciális 1 µm pórusméretű Millipore gyártmányú mikro szűrőt helyeztem. A mintavételeket megelőzően minden esetben elvégeztem a cellák háttérmérését ( s), majd az áthajtást követően 3 óráig pihentettem a mintákat, hogy a radon és leányelemei közötti szekuláris egyensúly beállhasson. Ezt követően egy EMI gyártmányú PMT-hoz csatlakoztatott NP420P típusú, integrális üzemmódra állított egycsatornás analizátorral megszámláltam a mintától eredő beütésszámokat. A cellák számlálási hatásfokát ismert radon aktivitáskoncentrációjú levegő segítségével határoztam meg, melyet egy PYLON RN 2000A típusú, 105 ± 0,4 kbq emanációjú, passzív radonforrással állítottam elő egy 210,5 dm 3 -es légmentesen zárható Genitron EV típusú radon kalibrációs kamrában. A kalibráló hordóban az aktivitáskoncentrációt egy AlphaGUARD PQ2000 típusú radonmonitor segítségével ellenőriztem. 50

55 Radon mennyiségének számítása A detektált beütésszámok alapján a Lucas-cellában található radon aktivitását az alábbi képlet segítségével számítottam: Ahol: A Rn B H S 3t t c ( ) A Rn Lucas-cellában levő radon aktivitása (Bq) B Bruttó intenzitás (imp/s) H Háttér intenzitás (imp/s) t Mintavétel hatásfoka (mintavétel módjától függő, eltérő paraméter) c Lucas-cella számlálási hatásfoka (cellánként eltérő paraméter) S Tárolás alatt elbomlott radon bomláskorrekciós tényezője ttárolási ( S e ) 3 Az egy radon bomlást követő alfa részecskék száma egyensúly esetén (beütésszám korrekciós faktor) t A számlálás időtartama (s) 6.3. Radonexhalációs vizsgálatok Az agyagminták radonexhalációjának meghatározását zárt akkumulációs módszerrel végeztem. Az fejezetben foglaltak alapján a minták szabadexhalációját szándékoztam meghatározni, ugyanis ebben az állapotban csak a minta Ra-226 tartalma és emanációs tényezője (azaz a radonpotenciál) szabja meg az exhalációt. Sem a minta geometriai paraméterei, sem a mérőrendszer kialakítása nem lehet hatással elvileg az exhalálódó radon mennyiségére. Az exhalációs vizsgálatokat egy, általam készített akkumulációs karmával végeztem. Az akkumulációs tér közönséges befőttes üvegből került kialakításra, melynek fém kupakjába szelepeket és a mintavétel során a homogén radon-koncentráció biztosítására 12 V-os keverő ventilátort építettem be. A kiáramlott radon aktivitását Lucas-cellába történő cirkulációs mintavételt követően határoztam meg az pontban leírtaknak megfelelően. Az akkumulációs mérőrendszer vázlatos rajza az IV. Függelékben látható. 51

56 A kapott értékekből az akkumulációs időtartam alatt bekövetkező bomlás figyelembe vételével számítottam az összesen exhalálódott radon mennyiségét illetve a fajlagos exhalációt az alábbi képlet segítségével. ARn E m K t (6.3-1) Ahol: E Fajlagos exhaláció [mbq/kg h -1 ] A Rn A radon aktivitása az akkumulációs térben [mbq] m A minta tömege Δt Akkumulációs idő [h] K Akkumuláció alatt elbomlott radon bomláskorrekciós tényezője 1 e K t t akkumuláci ós akkumulációs A kamrák radonzáróságát a méréseket megelőzően ismert aktivitáskoncentrációjú radonos levegővel végeztem, melyet a Lucas cellák kalibrálásához hasonlóan egy PYLON RN 2000A típusú 105 ± 0,4 kbq emanációjú, passzív radon forrással állítottam elő egy 210,5 dm 3 -es Genitron EV típusú radon kalibrációs kamrában. Az exhaláció vizsgálatok során a mintavétel több szakaszból állt. Első szakaszban a kivákuumozott Lucas-cellába szívattam kevertetés mellett az akkumulációs térből a levegőt és gumiballonból N 2 -nel egyenlítettem ki a fellépő nyomáskülönbséget. Ezt követően a ballon helyére csatlakoztattam egy radonzáró Genitron gyártmányú szivattyút és 1 liter/perces térfogatárammal 10 percig cirkuláltattam a mintát. Az akkumulációs kamra és a Lucas-cella összemérhető térfogata miatt volt szükséges a többlépcsős mintavételre, ugyanis a homogén radon-koncentráció csak rendkívül hosszú cirkulációt követően állhatott volna be, mely a cella radon leányelemivel történő kontaminációját eredményezi Szabadexhaláció feltételeinek meghatározása A szabadexhalációnak legfontosabb feltétele, (amikor az emanálódott összes radon képes exhalálódni), hogy a minta rétegvastagsága 1-2 % legyen a teljes diffúziós úthossznak. A paraméterek nem csak az anyag fajtájától, hanem az anyag állapotától is nagymértékben függenek. Emiatt száraz, porított és nedves agyag esetén is megvizsgáltam a rétegvastagság növelésének az exhalációra kifejtett hatását, azaz a rétegvastagság okozta diffúziós gátlást. A vizsgálatot az indokolta, hogy a lehető legnagyobb rétegvastagságot indokolt meghatározni, melynél a diffúziós gátlás még elhanyagolható, ugyanis az exhalálódó radon 52

57 mennyisége szabadexhaláció esetén csak a minta radon potenciájától és mennyiségétől függ. Magasabb radon-koncentráció esetén pedig nagyobb pontossággal detektálható az exhaláció, illetve az akkumulációs idő is szükség szerint rövidíthető. Porított minta esetén BSZ I. jelű agyagot használtam, melyet 1-től 15 cm-es rétegvastagságig növeltem 1 cm-enként. A mintákat tömörítettem. Minden rétegvastagság esetén 3 párhuzamos mérést végeztem, és a kapott eredmények átlagából számoltam az exhalációt tömegegységre vonatkoztatva. Nedves minta esetén d = 0,4 8,0 cm átmérőjű gömb, valamint 0,4 cm átmérőjű alakú próbatesteket formáztam (összesen 11 átmérő) és helyeztem el az akkumulációs térben egymástól elkülönítve (felfüggesztve, vékony sűrűn perforált radon áteresztő fóliarétegekkel elválasztva), hogy minimálisra csökkentsem a próbatestek felszíni kontaktját (9. ábra). Ennél a vizsgálatnál is 3 párhuzamos mérés átlagából számoltam a fajlagos exhalációt. A kapott eredmények alapján számoltam a szekuláris egyensúly esetén beálló radon aktivitáskoncentrációt és a minták Ra-226 tartalmának ismertében az elvi emanációs tényezőket. Az elvi emanációs tényező csak szabadexhaláció esetén releváns. 9. ábra Különböző geometriájú agyag mintatestek mérési elrendezései A rétegvastagság vizsgálatok során sikerült igazolni, hogy porított mintáknál 15 cm-es rétegvastagság esetén és földnedves próbatesteknél 1,0 cm átmérő esetén nem jelentkezik jelentős gátló hatás. Emiatt a további kísérletek tervezésénél az alkalmazott mintavastagságok az említett mérettartományon belül estek. 53

58 6.5. Agyagminták fajlagos exhalációjának és emanációs tényezőjének maghatározása szabadexhalációs módszerrel A gamma-spektrometriai vizsgálatokat követően a Marinelli-geometriájú edényekben található porított 27 agyagminta szabadexhalációját mértem meg akkumulációs módszer segítségével az 6.3 fejezetben ismertetett módon. Szakirodalmi feljegyzések alapján porózus anyagok esetén 5 cm mintavastagság esetén a mátrix okozta diffúziós gátlás mértéke elhanyagolható, emiatt kísérleteim során ügyeltem arra, hogy az ajánlott vastagságot ne lépjem túl. A fajlagos exhaláció függvényében számítottam a szekuláris egyensúly esetén beálló egyensúlyi radon-koncentrációt és a gamma-spektrometriai vizsgálatok során kapott Ra-226 aktivitáskoncentrációk segítségével az emanációs tényezőt is meghatároztam Fajlagos exhaláció nedvességtartalom függésének vizsgálata Az emanációs tényező nedvességtartalom függésének érdekében 0,4 cm átmérőjű és 5 cm hosszúságú (száraz tömegre vonatkoztatva) 25 % nedvességtartalmú földnedves agyagpálcikákat extrudáltam. Ez a mérettartomány belül esik a porózus anyagok esetén ajánlott 5 cm-es vastagságon, azonban a relatíve magas nedvességtartalomra való tekintettel csökkentettem a próbatestek átmérőjét 0,4 cm-re. A próbatestek megfelelő szilárdságúak voltak, emiatt alakjukat tartották. Az akkumulációs térbe szabálytalan elrendezéssel helyeztem a mintákat, emiatt laza szerkezetű volt, mely kedvezett a szabadexhaláció biztosításának, valamit a mintavétel során is lehetővé tette a radonban dús levegő homogén eloszlásának biztosítását is. A 25 % fölötti víztartalom hatásának vizsgálata során ~50 %-ig növeltem a víztartalmat, mely eredményeképpen híg masszát kaptam. A masszát az akkumulációs edény aljára öntöttem 1 cm-es maximális vastagságig. A víztartalom-függés meghatározása során ugyanazon minta fokozatos szárítását hajtottam végre, oly módon, hogy az akkumulációs kamra digitális mérlegen volt elhelyezve. A homogén száradás érdekében a kamrák külső felületét enyhén melegített levegővel fűtöttem és a nyitott felsőrészen kisméretű ventillátorral biztosítottam a légkevertetést. A megfelelő súly elérését követően legalább 2 napra lezártam a kamrákat, hogy a mintákban a víztartalom homogén eloszlású legyen. Azt követően N 2 -vel öblítettem át a kamrákat és megkezdtem az akkumulálást. A víztartalomfüggést 0 és 50 %-os száraz tömegre vonatkozatott víztartalom intervallumon vizsgáltam összesen 20 különböző nedvességtartalomnál. 54

59 Az egyes víztartalmakhoz tartozó exhalációt száraz tömegre vonatkoztattam és 3 párhuzamos mérés átlagaként kaptam meg. A kapott fajlagos eredmények alapján az emanációs tényezőt is meghatároztam Agyagminták hőkezelése Minta előkészítés Kutatásaim fő célkitűzése az agyagminták radonemanáció és radonexhaláció függésének meghatározása volt eltérő hőmérsékletű hőkezelések esetén. Ennek érdekében nagy mennyiségű, teljesen homogén összetételű (víztartalom, összetétel, Ra-226 eloszlás) nedves agyagra volt szükség. A TKV jelű agyagból egy fazekasműhelyben a mintavételt követően 50 kg-ot előzetesen homogenizáltattam. Ezt követően nagy mennyiségű (szárazanyag tartalomra vonatkoztatva ~20 kg) 0,4 cm átmérőjű és 5 cm hosszúságú pálcikákat extrudáltam, melyet szobahőmérsékleten légkevertetés mellett légszárazra, majd szárítószekrényben 105 C-on tömegállandóságig szárítottam. A kétlépcsős szárítást a hirtelen száradás miatt kontrakcióból eredő repedezés elkerülése indokolta. A szárítás követően 1-1 kg száraz mintát hőálló acéltálcában előmelegített égetőkemencében hőkezeltem. A kiégetés időtartama minden esetben 4 óra volt. A mintákat az égetést követően a kemencében hagytam, míg szobahőmérsékletre hűlt vissza. A lassú hűtés célja a mintán belüli hirtelen bekövetkező, inhomogén hőmérsékletkülönbségből adódó feszültségek elkerülése volt, mely repedezettséget eredményezhet. A hőkezelés C között történt összesen 13 különböző hőmérsékleten. A hőkezelést követően meghatároztam a minták fajlagos exhalációját és emanációs tényezőket is számítottam a kapott értékből. 55

60 7. Kiegészítő, belső szerkezeti vizsgálatok 7.1. Röntgendiffrakciós fázisanalízis A röngtgendiffrakciós fázisanalízis vizsgálatot a Pannon Egyetem Szilikát- és Anyagmérnöki Tanszékén hajtották végre. A röntgendiffraktogramok felvétele egy Philips PW 1050/25 típusú berendezéssel történt (CuKα sugárzás 40 kv, 25 ma). Az eredmények kiértékelését dr. Eniszné dr. Bódogh Margit végezte Fajlagos felület és porozitás vizsgálat A radonemanáció és radonexhaláció is nagymértékben függ az anyag belső szerkezetét meghatározó paraméterektől, mint például a fajlagos felülettől, pórustérfogattól, pórusok méret szerinti eloszlásától. Az említett paraméterek ismerete elengedhetetlen feltétele a különböző hatások által okozott emanációs és exhalációs paraméterek változásának megértéséhez, igazolásához Porozitás és fajlagos felület meghatározása 100 nm alatt A mikropórusok meghatározásához egy Micromeritics ASAP 2000 típusú berendezést használtunk. Az eszköz a 100 nm alatti mérettartományban található pórusok meghatározására alkalmas. A vizsgálandó mintából 1-2 g-ot mértünk be és a minta pórusainak a felületén megkötött gázok eltávolítása érdekében 100 C-ra hevítve, vákuum (P < 0,75 mmhg) segítségével távolítottam el a kötött gázokat. Az adszorpciós és deszorpciós izotermákat cseppfolyós N 2 gáz segítségével vettük föl és a fajlagos felületet, valamint a mikro porozitást a BET-elmélet alapján számítottuk [JR_56] Porozitás és fajlagos felület meghatározása 100 nm felett A mikropórusokat egy SMH6 típusú higanyos poroziméterrrel határoztuk meg. A mérést zavaró és kötött gázok eltávolítása szintén vákuum (< 0,01 mmhg) segítségével történt, szobahőmérsékleten. A mintatartóba ~ 5 g minta került bemérésre. A mérőedényt higannyal feltöltve a nyomás függvényében ( mmhg tartományban) a kapillárisban mértem a higanyszint csökkenését és a kapott eredményekből számítottuk a pórustérfogatot [JR_59-60]. 56

61 7.3. Termogravimetriás mérések A termogravimetriás analízis során korund mintatartóba helyeztünk ~500 mg porított mintát. A hőmérsékletváltozás során bekövetkező folyamatok eredményeképpen történő tömegváltozást MOM derivatográffal vizsgáltuk állandó nyomáson, 10 C min -1 felfűtési sebességgel Pásztázó elektron mikroszkópos felszíni morfológia vizsgálat A minták felszíni finomszerkezeti vizsgálatához Philips XL 30 típusú környezeti pásztázó elektronmikroszkópot (ESEM, environmental scanning electron microscope) alkalmaztunk. Az ESEM-ben minden esetben friss törési felületet vizsgáltunk. Tájékozódásul először fénymikroszkóppal néztük át a mintákat, majd a minták felületét úgynevezett környezeti üzemmódban pásztáztuk át. Ebben az üzemmódban az elektronoszlop nagy vákuum alatt, a mintakamra pedig alacsony vákuum (0,1 és 20 mmhg között) alatt van. A minták ilyenkor nem igényelnek komoly előkészítését (víztelenítés, vezetőréteggel való bevonás). A megfelelő felbontás meghatározása után 100-, 500- és 1000 es nagyítással felvételeket készítettünk [BR_43]. 57

62 III. EREDMÉNYEK 8. Magyarországi építőanyag gyárakban használt agyagok radiológiai elemzése 8.1. Gamma-spektrometriai vizsgálatok eredménye A gamma-spektrometriai vizsgálatok eredményeképpen az agyagmintákban a Ra-226 tartalom 16,1 ± 3,4 és 104,7 ± 17,4 Bq/kg között változott 36,1 ± 6,6 Bq/kg-os átlagértékkel. A Th-232 esetében a mért értékek 31,1 ± 6,5 és 48,6 ± 10,7 Bq/kg között változtak, 39,6 ± 8,5 Bq/kg-os átlaggal. A K-40 izotóp esetében a kapott eredmények 533,8 ± 69,2 és 1126,5 ± 117,5 Bq/kg között változtak, melyek átlaga 803 ± 98 Bq/kg-nak adódott (18. táblázat). A vizsgált minták (27 db) Ra-226 tartalma 12, a Th-232 koncentrációja 3, K-40 tartalma pedig 27 (azaz az összes) esetben meghaladta az építőanyagokra vonatkozó átlagos radionuklid koncentrációt (Ra Bq/kg, Th Bq/kg, K Bq/kg) [BR_1]. Agyagok esetében a rádium 3, tórium egyetlen esetben sem, míg kálium esetében 25 volt nagyobb az átlagértéknél (Ra Bq/kg, Th Bq/kg, K Bq/kg) [BR_23]. 18. táblázat: Vizsgálat agyagminták Ra-226, Th-232, K-40 aktivitáskoncentrációi és az építőanyagok, valamint agyagok világátlagának értékeivel való összevetés Aktivitáskoncentráció [Bq/kg] Ra-226 Th-232 K-40 Minta Minimum 16,1 31,1 533,8 Maximum 104,7 48,6 1126,5 Átlag 36,2 39,6 803,3 Világátlag Építőanyag Agyag > Építőanyag átlaga > Agyagok átlaga A Ra-226 és Th-232 izotópok aktivitáskoncentrációja nem mondható szokatlannak agyagok esetén. A K-40 tartalom azonban magasabbnak adódott a vizsgált minták esetén a kapott 58

63 eredményeket az 10. ábrán tüntettem fel, míg táblázatos formában a függelék V. pontja alatt található. 10. ábra: A vizsgált agyagminták Ra-226, Th-232 és K-40 aktivitáskoncentrációja Agyagminták I-indexe A gamma-spektrometriai mérés során kapott aktivitáskoncentrációk ismeretében az építőanyagok beépíthetőségének feltétele, azaz az I-index már számítható volt. A kapott eredmények az 11. ábrán láthatóak, míg táblázatos formában a függelék V. pontja alatt találhatóak. 11. ábra: A vizsgált agyagminták I-indexe 59

64 A kapott értékek 0,40 és 0,81 között változtak 0,60-ás átlagértékkel. Mind a 27 vizsgált minta esetén a számított I-index érték alatta maradt az 1,0-es index-értéknek. A szigorúbb 0,5-ös indexnél csak 3 minta esetén adódott kisebbnek a kapott index. Összességében elmondható, hogy az összes vizsgált agyag alkalmas nagy mennyiségben alkalmazott építőanyagként való felhasználásra a kapott index értékek alapján, amennyiben a kevésbé szigorúbb (de a nemzetközi gyakorlatban elterjedten alkalmazott) 1,0- es indexértéket tekintjük mérvadónak a beépíthetőség feltételeként Agyagminták radonexhalációja Az akkumulációs mérőrendszerrel vizsgált agyagminták radonexhalációja során a kapott értékek 31,0 ± 8,2 és 271,4 ± 12,9 mbqkg -1 h -1 között változtak 70,3 mbqkg -1 h -1 -ás átlagértékkel. A legnagyobb exhalációs érték a BSZ I. jelű minta esetében volt tapasztalható, amelynek a Ra-226 aktivitáskoncentrációja is a legmagasabbnak adódott. A kapott értékek átlagosnak tekinthetőek. A vizsgált agyagminták fajlagos exhalációs tényezője az 12. ábrán látható. 12. ábra: A vizsgált agyagminták fajlagos exhalációja A fajlagos exhaláció értékekből számítottam a szekuláris egyensúly esetén beálló elvi radon aktivitást és a gamma-spektrometriai mérések során kapott Ra-226 aktivitáskoncentrációk ismeretében az emanációs tényezőt és a radonpotenciált is egyaránt meghatároztam. A kapott eredményeket az 13. diagramon tüntettem fel. Az emanációs tényező 8,0 ± 2,4 és 52,2 ± 7,6 % között változott, átlag: 27,1 ± 4,7 %. A mért emanációs tényezők megfelelnek a szakirodalomban található értékeknek [JR_27-28]. 60

65 A radonpotenciál számítása során kapott eredmények 4,1 ± 1,1-36,1 ± 3,7 Bq/kg maximálisan emanálódó fajlagos radon-koncentráció között változtak, melyek átlaga 11,2 ± 1,7 Bq/kg volt. A kapott eredményeket az 13. ábrán tüntettem fel. A diagram alapján látható, hogy az emanációs tényező értéke igen jelentősen befolyásolja az exhalálódni képes radon mennyiségét, azaz nem feltétlenül jelent nagyobb kockázatot a magas Ra-226 tartalom abban az esetben, ha az emanációs tényező viszonylag alacsony. Példaként említhető erre az SMB jelű minta, melynél 85,4 Bq/kg-os Ra-226 koncentráció és esetén a radonpotenciál 13,76 Bq/kg, mely kisebb, mint a BSZGY I. jelű mintáé. A BSZGY I. jelű agyag Ra-226 tartalma 32,2 Bq/kg és 52,2 %-os emanációs tényezőjének köszönhetően az anyag radonpotenciálja 16,82 Bq/kg. A legmagasabb Ra-226 tartalmú, BSZ I. jelű minta esetén a kapott radonpotenciál 36,13 Bq/kg volt. A kapott adatok alapján kijelenthető, hogy a radontól eredő radiológiai kockázat az egyes anyagok esetén jól jellemezhető a radonpotenciál segítségével. Az akkumulációs mérési módszer alkalmazásával gyorsan, a szekuláris egyensúly beállásának kivárását elkerülhetően számítható az egyes anyagok emanációs tényezője és azon keresztül a radonpotenciál. 13. ábra: A vizsgált minták emanációs tényezője, radonpotenciálja és Ra-226 aktivitáskoncentrációja 61

66 9. Radonemanációt és exhalációt befolyásoló paraméterek meghatározása 9.1. Szabadexhaláció meghatározása A akkumulációs módszer alkalmazása különböző anyagok radonexhaláció tulajdonságainak meghatározására a fajlagos exhaláció mérésén keresztül csak a szabadexhaláció esetén lehetséges. Ez a paraméter az anyag tulajdonságitól függően eltérő lehet Porított minták szabadexhalációjának meghatározása Porított állapotban mért agyagok rétegvastagságtól függő fajlagos exhaláció (és a jó szemléltetés érdekében felületegységre vonatkoztatott) értékei az 14. ábrán láthatóak. Az eredmények alapján egyértelműen kijelenthető, hogy a rétegvastagság változása nincs hatással a fajlagos exhalációra a vizsgált intervallumban, azaz porított minták esetén akár 15 cm rétegvastagság is használható szabadexhaláció meghatározására. 14. ábra: A porított agyagminta fajlagos és felületi exhaláció függése a rétegvastagság függvényében Nedves agyagminták szabadexhalációjának meghatározása A nedves TKV jelű agyagból készített próbatestek vizsgálata során kapott fajlagos exhaláció értékeket az 15. ábrán ábrázoltam. A fajlagos exhaláció maximuma 0,4 1,5 cm átmérőjű próbatestek esetén figyelhető meg. Ebből következik, hogy az adott agyag esetén az 1,5 cm-nél vékonyabb mérettartomány alkalmas szabadexhaláció 62

67 meghatározására. Az átmérő növelésével ugyan az exhalálódó radon mennyisége nő, azonban a tömegegységre vonatkoztatott fajlagos exhaláció csökkenő tendenciát mutat (15. ábra). 15. ábra: Gömb alakú nedves próbatestek fajlagos exhaláció függése az átmérő függvényében 9.2. Nedvességtartalom emanációs és exhalációs tényezőre gyakorolt hatása A nedvességtartalom fajlagos exhalációjára gyakorolt hatásának vizsgálata során kapott eredmények az 16. ábrán láthatóak. Az előző fejezetben bemutatott eredmények alapján bebizonyosodott, hogy a nedves agyagminták esetében 1,5 cm mintavastagság alatt a szabadexhaláció mérhető, azaz a vizsgálathoz készített 0,4 cm átmérőjű pálcika alakú próbatestek is alkalmasak a szabadexhaláció vizsgálatára. Az ábrázolt eredmények egyértelműen mutatják a fajlagos exhaláció növekedését a növekvő víztartalom függvényében. Száraz állapotban 72,7 ± 2,1 mbqkg -1 h -1 -ról 190,8 ± 5,1 mbqkg -1 h -1 -ig, azaz 2,62-szere nőtt földnedves (~25 %-os) víztartalom esetén a fajlagos exhaláció. Alacsony víztartalomnál 0 és ~5 % között volt a legintenzívebb növekedés mértéke, a magasabb víztartalommal bíró tartományban a növekedés mértéke mérséklődött. A jelenség oka a pórusközi térben levő nedvességtartalom fékező hatása, mely a szemcsékből kilökődő radon atomok energiájának, a póruslevegőnél nagyságrenddel nagyobb elnyelő képességéből fakad. A fajlagos exhaláció eredményekből az emanációs tényezőt, és a radonpotenciált számítottam, melyek a szabadexhaláció változásával egyenesen arányosan módosultak. Az 63

68 emanációs tényező száraz állapotban 16,6 ± 0,5 %-ról 43,6 ± 1,2 %-ra nőtt, míg a radonpotenciál értéke 9,7 ± 0,3 %-ról 25,4 ± 0,7 %-ra módosult. 16. ábra: Eltérő geometriájú nedves próbatestek fajlagos exhaláció függése az átmérő függvényében A 0 25 % és % fölötti tartomány értékei az 17. ábra jobboldalán láthatóak. Az eredmények alapján kitűnik, hogy a mért fajlagos exhaláció csökkent, amely csak a minták magas víztartalmából következő diffúziós gátlásból származhat, hiszen az emanáció a nedvességtartalom növekedésével egy telítési értékhez tart. 17. ábra: Gömb alakú nedves próbatestek fajlagos exhaláció függése az átmérő függvényében 64

69 A kapott eredmények alapján egyértelműen látszik, hogy igen jelentős eltérés tapasztalható ugyan azon anyag radonpotenciálja között az anyag víztartalmának függvényében. A minta vizsgálata során 25 %-os víztartalom esetén csaknem 3 szorosára emelkedett a pórustér radon-koncentrációja a száraz állapotra vonatkoztatva. Emiatt kijelenthető, hogy önmagában nem elegendő a száraz állapotban radonemanációs történő exhalációs tényező vizsgálat, ugyanis e paraméterek erősen nedvességtartalom függők Hőkezelés emanációs és exhalációs tényezőre gyakorolt hatása A hőkezelt minták esetén kapott fajlagos exhaláció értékeket az 18. ábrán tüntettem fel. 18. ábra: Fajlagos exhaláció hőkezeléstől való függése A kapott eredmények alapján egyértelműen látszik, hogy a minták fajlagos exhalációja és belőlük következően az azokból számított emanációs tényező és a radonpotenciál is jelentősen csökkent a kezdeti értékhez képest. Az alsóbb hőmérséklettartományban C között a próbatestek fajlagos exhalációja közel állandó volt. E felett, C között a mért érték erősen csökkent, megközelítőleg a felére esett vissza. A következő elkülönülő hőmérsékletváltozási szakasz C között figyelhető meg, ahol viszonylag egyenletesen csökkent a fajlagos exhaláció. A 750 C feletti tartomány esetén az 65

70 exhaláció drasztikusan lecsökkent. A legmagasabb kiégetési hőfok (950 C) esetén a kiindulási érték közel 3 %-át sikerült detektálni. A téglagyártás során az alkalmazott kiégetési hőmérséklet C között változik általában, azaz pont azon hőmérsékleti tartományban, ahol a vizsgált anyag radonexhalációja drasztikusan lecsökken. Az alkalmazott módszer érzékenységének köszönhetően alkalmas építőanyagok fajlagos exhalációjának mérésére. A kapott eredmények egyértelműen bizonyítják, hogy az építőanyagok különböző gyártási szakaszaiban a fajlagos exhalációs mérésekkel az egyes tényezők befolyása jól vizsgálható, lehetőséget nyújt az optimális, alacsony exhalációt eredményező állapot azonosítására. 10. Anyagszerkezeti vizsgálatok eredményei Röntgendiffrakció A röntgendiffraktometriás vizsgálatokat a Pannon Egyetem Szilikát- és Anyagmérnöki Intézeti Tanszéke végezte. A vizsgálat során kapott diffraktogram a függelék VI. alatt található. A 2θ-szögek pozíciója alapján az összetételt, azaz egyes agyagásványokat azonosítottak. Mennyiségi elemzésük során az 19. táblázatban található összetételt határozták meg. 19. ábra: TKV jelű agyag összetétele Főbb alkotó agyagásványok Részarány [%] Kvarc 26 K-földpát 7 Na-földpát 10 Illit 12 Klorit 16 Muszkovit 23 Montmorrilonit 6 A kapott eredmények a főbb alkotók egymáshoz viszonyított arányát mutatja meg. Az elemzés értékelése alapján nagyon sok egyéb agyagásvány található a vizsgálatra kiadott TKV jelű agyagban, melyek azonosítása azonban csekély intenzitásuk és a diffraktogramon levő átfedésük miatt nem volt lehetséges. 66

71 10.2. Pásztázó elektron mikroszkópos felületi morfológia vizsgálat eredményei A hőkezelt agyagminta próbatestek felszínéről készített felvételei az 19. ábrán láthatóak. 19 / a, 19 / b, 19 / c, 19 / d, 19. ábra: Hőkezelt agyagminták (150 C 19 / a; 400 C 19 / b; 700 C 19 / c; 950 C 19 / d) felületének es nagyítású ESEM felvételei Az es nagyítású felvételeken jól megfigyelhető az agyagminták felszíni morfológiájának változása. A 150 C-os hőkezelésnél még jól kivehetőek a szemcsék, pórusok, valamint dombok és völgyek figyelhetőek meg. A hőmérséklet emelkedésével a felszín folyamatosan átalakult, a pórusok és a felületi szemcsék a 400 és 700 C-on kezelt minták esetében is láthatóak, azonban a felszín egyenletesebb, mely a szerkezetmódosulás egyértelmű jelére utal. A legmagasabb, 950 C-on égetett mintánál már egy teljesen összeolvadt felületet lehet látni, amely a pórusok teljes záródásáról árulkodik. A kapott felvételek egyértelműen mutatják a magas hőmérsékleti tartományban bekövetkezett szerkezetmódosulást, póruszáródást és az exhaláció drasztikus csökkenését is vizuálisan is alátámasztják. 67

72 10.3. Derivatográfia A TKV jelű minta derivatográffal végzett analízise során a 20. ábrán látható TG, DTG, DTA görbéket kaptuk. A TKV jelű mintáról készített derivatogram elemzése során a teljes tömegcsökkenés 16,08 mg 5,36 % volt. Az első jelentős tömegcsökkenés 63,9 C-nál található, mely a fizikailag kötött víz távozását mutatja. Ezután 399 C-ig 1,81 %-kal (5,43 mg) csökkent a bemért minta tömege. Ebben az intervallumban a rétegközi víz távozása figyelhető meg, mely a DTG görbén a sűrű, és kis intenzitású csúcsok és völgyek szemléltetnek. 20. ábra: TKV jelű minta derivatográfia vizsgálata során kapott TG, DTG és DTA görbék A következő lépcső C között össztömegre vonatkoztatva 3,41 %-os csökkenést (10,22 mg) mutat.523,1 C-nál egy ugrás figyelhető meg, mely a szerves anyagok bomlása során bekövetkező CO 2 távozására utal. A C közötti tartományban a DTG és DTA görbék a szerkezeti vízvesztésre és egyes alkotók (pl. alacsony olvadáspontú földpátok) olvadáspontjára utal, mely a pórusok elzáródásáért felelősek. A legmagasabb hőmérsékleti tartományban C között mindösszesen 0,42 mg tömegcsökkenés (0,14 %) volt megfigyelhető. A DTG és DTA görbéken 900 C 68

73 fölött szerkezetmódosulásra utaló jeleket láthatunk, ami amorfizációra, azaz további, szerkezeti módosulást szenvedő agyagásványok jelenlétére utal Porozitás, pórusátmérő és fajlagos felület A porozitás, pórusátmérő és fajlagos felület változásának hőkezelési hőmérséklettől való függésé az 21. ábrán szemléletletetem. A kapott porozitás és fajlagos felületek a 300 nm alatti mérettartomány eredményeire vonatkoznak. A fajlagos felület a kiégetési hőmérséklet növelésével enyhén, míg a pórusátmérő nagyon kis mértékben ugyan, de csökkenő tendenciát mutat C-ig, ami felett azonban jelentős csökkenés tapasztalható. A görbe lefutásának magyarázatát a derivatográfiai adatokkal összevetve elmondható, hogy a rétegközi és szerkezeti víz, valamint a CO 2 távozása nem okozott jelentős fajlagos felület és pórusátmérő csökkenést, azonban a földpátok és egyéb alacsony olvadáspontú agyagásványok okozta szerkezetmódosulás drasztikusan befolyásolja a vizsgált agyag porozitását, ugyanis a nyitott pórusok mennyisége igen nagymértékben lecsökken, melyet a 800 C fölötti tartományban bekövetkező további amorfizálódás csak tovább fokoz. Az átlagos pórusátmérő növekedése a kis pórusok záródása miatt nem meglepő, jelentősége alacsony, a kezdeti összporozitáshoz viszonyított részaránya miatt nem számottevő. 21. ábra: Fajlagos felület, átlagos pórusátmérő és pórustérfogat változása a kiégetési hőmérséklet függvényében 69

74 A kapott fajlagos exhaláció karakterisztika lefutása az 22. diagram alapján nem magyarázható egyértelműen, kivéve, a 750 C fölötti tartományt, ahol mind a pórustérfogat, mind pedig a fajlagos felület rendkívüli mértékben lecsökken. 22. ábra: Fajlagos felület, átlagos pórusátmérő, fajlagos exhaláció és pórustérfogat változása a kiégetési hőmérséklet függvényében A szerkezetmódosulás okozta fajlagos felület, pórustérfogat és az átlagos pórusátmérő a fajlagos exhaláció logaritmusának függvényében azonban erős korrelációt mutat. Mind a három vizsgált paraméter exponenciális kapcsolatban van a hőkezelt minták esetében mért fajlagos exhaláció logaritmusával, melyet a 23. ábrán látható fél-logaritmikus ábrázolás jól szemléltet. A legjelentősebben az összpórustérfogattól és a fajlagos felülettől függ a vizsgált minta fajlagos exhalációja. 70

75 23. ábra: Fajlagos exhaláció és a belső szerkezeti paraméterek összefüggése 71