Nr 09 - 10 (183 - 184) Wrzesień - Październik 2010 r.

ZAGROŻENIA NATURALNE
RADON PROMIENIUJE

Narażenie radiacyjne spowodowane ekspozycją na naturalne izotopy promieniotwórcze, a w szczególności na tzw. krótkożyciowe produkty rozpadu radonu, jest znaczącym składnikiem narażenia, zarówno w środowisku naturalnym jak i miejscach pracy.

Dawka skuteczna, powodowana ekspozycją na radon, a szczególnie jego krótkożyciowe pochodne, przekracza 50% średniej dawki dla przeciętnego człowieka od wszystkich źródeł promieniowania jonizującego. W specjalnych warunkach, takich jak praca w miejscach o ograniczonej wentylacji (piwnice, tunele, wyrobiska górnicze w kopalniach) rola tego czynnika narażenia jest zazwyczaj jeszcze większa. Innym źródłem narażenia radiacyjnego w kopalniach węgla mogą być izotopy radu, obecne w solankach i osadach, które z tych solanek się wytrącają, wskutek czego powstają osady o podwyższonych stężeniach radu. Powoduje to wzrost mocy dawki promieniowania gamma w miejscach ich wytrącania, jak też może powodować skażenia wewnętrzne organizmu na skutek wchłaniania czy wdychania rozpylonych solanek czy osadów o podwyższonej promieniotwórczości. W polskim górnictwie węglowym narażenie radiacyjne, powodowane przez naturalne izotopy promieniotwórcze, jest traktowane jako jedno z zagrożeń naturalnych. 

System ochrony przed promieniowaniem w podziemnych zakładach górniczych jest obligatoryjny od roku 1989. W chwili obecnej problemy kontroli narażenia radiacyjnego w górnictwie reguluje kilka ustaw – w tym Prawo Atomowe, Prawo Geologiczne i Górnicze oraz akty wykonawcze z tego zakresu. Jego stosowanie jest kontrolowane przez Wyższy Urząd Górniczy we współpracy z innymi agendami rządowymi (głównie z Państwową Agencją Atomistyki – PAA). Monitoring i ograniczanie zagrożenia musi być prowadzone nie tylko w działających kopalniach ale także w nieczynnych zakładach górniczych, które są wykorzystywane np. jako muzea czy uzdrowiska balneologiczne. Tak kompleksowe rozwiązanie systemu ochrony radiologicznej w górnictwie nieuranowym jest unikatowe na świecie. 

Zagrożenie radiacyjne należy do naturalnych zagrożeń występujących w podziemnych zakładach górniczych, takich jak zagrożenie metanowe, sejsmiczne i inne. Podstawowymi czynnikami narażenia radiacyjnego w kopalniach węgla są:

• krótkożyciowe produkty rozpadu radonu; 
• promieniotwórcze wody, zawierające izotopy radu;
• wytrącające się z radonośnych wód osady. 

Badania związane z zagrożeniem radiacyjnym w polskich kopalniach rozpoczęto na początku lat 70-tych ubiegłego stulecia. Początkowo koncentrowano się na problemach związanych ze zjawiskiem występowania wód i osadów o podwyższonych zawartościach naturalnych izotopów promieniotwórczych. W kolejnych latach badań podkreślono wagę zagrożenia związanego z ekspozycją na radon i produkty jego rozpadu. 

Wyróżniono dwa typy wód radowych, występujących w kopalniach węgla. Wody jednego typu (zwane wodami typu A) zawierają rad i bar, a nie zawierają jonów siarczanowych, podczas gdy wody drugiego typu (typ B) zawierają rad i jony siarczanowe ale nie zawierają baru. Z wód typu A rad łatwo współstrąca się z barem w postaci siarczanów po zmieszaniu z innymi wodami, które zawierają jony siarczanowe. W przypadku wód radowych typu B, nie występuje w nich nośnik dla radu (bar), dlatego wytrącanie radu nie zachodzi. Dalsze badania wykazały, że czasami zrzucanie wód radowych z kopalń węgla powoduje rozległe skażenia małych cieków wodnych i większych rzek w rejonie zrzutu wód słonych. Skażenia te są wywoływane zarówno przez izotopy radu występujące w wodach w formie jonowej jak i w postaci zawiesiny oraz jako osadzone na dnie cieków. Osady promieniotwórcze powstają przede wszystkim na skutek współstrącania radu i baru w postaci siarczanu radowo-barowego z wód radowych typu A. Proces ten powoduje obniżenie całkowitej aktywności radu zrzucanego do rzek, gdyż wytrącanie zachodzi częściowo w wyrobiskach podziemnych. Wytrącanie siarczanów radu i baru w wyrobiskach zachodzi czasami jako proces spontaniczny a niekiedy jako rezultat zastosowania technologii, mających na celu oczyszczenie wód kopalnianych z radu do poziomu poniżej wartości dopuszczalnej przez polskie przepisy.

Ze względu na potencjalne ryzyko zachorowań na choroby nowotworowe płuc i górnych dróg oddechowych, najpoważniejszym źródłem zagrożenia radiacyjnego dla załóg górniczych są krótkożyciowe produkty rozpadu radonu, obecne w powietrzu wentylacyjnym. W wyrobiskach górniczych kopalń podziemnych stężenia radonu i krótkożyciowych produktów jego rozpadu bywają większe niż gdzie indziej, gdyż jest to przestrzeń z ograniczoną wentylacją, otoczona skałami, często mocno spękanymi. O ile na otwartej przestrzeni średnie stężenie radonu wynosi w przybliżeniu 8 Bq/m³, to w kopalniach węgla na terenie Górnośląskiego Zagłębia Węglowego zmierzono stężenie do 15000 Bq/m³ a w kopalniach dolnośląskich nawet 150000 Bq/m³ 

W praktyce rzadko mierzy się stężenia poszczególnych pochodnych radonu a zazwyczaj operuje się pojęciem stężenia energii potencjalnej alfa pochodnych radonu. Mierzona jest ona w dżulach na metr sześcienny i wyraża całkowitą energię, jaką w postaci promieniowania alfa uwolniłyby pochodne radonu zawarte w jednostce objętości powietrza, gdyby uległy całkowitemu rozpadowi. Ten sposób najlepiej oddaje stan narażenia człowieka na pochodne radonu. 

Do tej pory najwyższe zmierzone stężenie energii potencjalnej alfa w polskich kopalniach węgla wynosiło 63 μJ/m^3, przy czym należy zaznaczyć, że pomiar wykonano w pobliżu starych chodników pouranowych. W kopalniach GZW zmierzone do tej pory stężenia energii potencjalnej alfa nie przekraczały wartości 15 μJ/m³ Dzięki intensywnym, wieloletnim badaniom i obserwacjom, rozpoznano główne źródła zagrożenia radiacyjnego oraz sposoby ich rozprzestrzeniania się. Opracowano i wdrożono metody pomiarów oraz opracowano system kontroli narażenia radiacyjnego, działający we wszystkich polskich kopalniach. Systematyczna kontrola narażenia na naturalne źródła promieniotwórcze w podziemnych zakładach górniczych w Polsce prowadzona jest od roku 1989. Pierwszym aktem prawnym w tym zakresie była Polska Norma PN-88/Z-70071 “Ochrona radiologiczna w podziemnych zakładach górniczych. Limity narażenia na naturalne źródła promieniowania dla górników, metody pomiarowe. Limity narażenia górników i metody kontroli” [PN, 1988]. Opierając się na wyżej wymienionej Normie ówczesne Ministerstwo Górnictwa wydało Instrukcję prowadzenia kontroli narażenia radiacyjnego w podziemnych zakładach górniczych. Zgodnie z wytycznymi, kontroli podlegały następujące czynniki narażenia: 

• stężenie krótkożyciowych produktów rozpadu radonu w powietrzu wentylacyjnym; 
• moc dawki promieniowania gamma, emitowanego przez osady kopalniane; 
• stężenia izotopów radu ²²⁶Ra i ²²⁸Ra w wodach kopalnianych; 
• stężenia naturalnych izotopów promieniotwórczych w osadach, wytrącających się z wód radowych. 

Najważniejszym elementem systemu był nacisk na monitoring miejsc pracy, dopełniany w szczególnych przypadkach dozymetrią indywidualną dla najważniejszego czynnika narażenia, którym są zazwyczaj pochodne radonu. Z badań, prowadzonych w kopalniach, wynikało jednak, że współczynnik równowagi między radonem i jego produktami rozpadu zmienia się w bardzo szerokim zakresie w wyrobiskach górniczych, czyniąc pomiary stężenia radonu niewystarczającymi dla określenia dawki. Należy podkreślić, że w kopalniach zastosowano metodę bezpośredniego pomiaru stężenia energii potencjalnej alfa pochodnych radonu, gdyż ten czynnik narażenia wnosi ponad 90% udziału do dawek skutecznych, otrzymywanych przez górników. Podstawowym dokumentem odnoszącym się do problemów ochrony radiologicznej górnictwie jest w prawo górnicze. Uchwalona w dniu 4 lutego 1994 roku ustawa Prawo geologiczne i górnicze i rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 14 czerwca 2002r. w sprawie zagrożeń naturalnych w zakładach górniczych dzieli wyrobiska dołowe na dwie klasy zagrożenia radiacyjnego: 

• klasy A - w których środowisko pracy stwarza potencjalne narażenie otrzymania przez pracownika rocznej dawki skutecznej przekraczającej 6 mSv (tereny kontrolowane), i 
• klasy B - w których środowisko pracy stwarza potencjalne narażenie otrzymania przez pracownika rocznej dawki skutecznej większej niż 1 mSv, lecz nie przekraczającej 6 mSv (tereny nadzorowane). 

W rozporządzeniu zawarto szczegółowe wymagania odnośnie ochrony radiologicznej w podziemnych zakładach górniczych. Bardzo ważną zmianą w stosunku do poprzednio obowiązujących przepisów jest przyjęcie założenia, że również górnictwo nieuranowe należy traktować jako działalność związaną z możliwością otrzymania podwyższonych dawek, jak to ma miejsce w przemyśle jądrowym. Dlatego roczny limit dawki dla górników został ustalony na tym samym poziomie jak limit pracowników, zawodowo narażonych na działanie promieniowania jonizującego. Takie podejście jest zgodne z obowiązującymi zaleceniami międzynarodowymi. Kontrola radiologiczna w podziemnych wyrobiskach górniczych musi spełniać następujące wymagania: 

• w wyrobiskach klasy B konieczna jest kontrola środowiskowa, 
• i w wyrobiskach klasy A wymagana jest kontrola środowiskowa i dozymetria indywidualna. 

Istotnym zapisem w Rozporządzeniu jest wymaganie, by badania i kontrola prowadzone były przez laboratoria akredytowane przez Polskie Centrum Akredytacji. 

Równowaga promieniotwórcza między radonem, a produktami jego rozpadu w atmosferze kopalnianej jest bardzo niestabilna i zmienia się w zakresie. Współczynnik równowagi promieniotwórczej F waha się 0,05 do 0,95. Dlatego w kopalniach nie jest mierzone stężenie radonu, ale stężenie energii potencjalnej alfa produktów jego rozpadu. 

Do tego celu w latach 80-tych ubiegłego stulecia opracowano przystawkę ALFA-31 do pyłomierza BARBARA-3A lub aspiratora uniwersalnego SKC, służących do wykonywania pomiarów zapylenia w kopalniach węgla a w ostatnich latach jej zmodyfikowaną wersję, ALFA-2000.W przystawkach ALFA-31 i ALFA-2000 detektorami promieniowania jonizującego są detektory termoluminescencyjne (TL). 

Urządzenia współdziałające z przystawką ALFA-31 lub ALFA-2000 posiadają układy separacji ziaren tzw. cyklony. Prędkość przepływu powietrza przez te układy i ich konstrukcja wpływa na rodzaj przepuszczanych lub też wychwytywanych przez nie cząstek. Wynika stąd, że można w ten sposób wybrać klasę cząstek, która będzie docierała do filtrów. Sposób depozycji cząstek zawieszonych w powietrzu w różnych częściach dróg oddechowych zależy zarówno od właściwości tych cząstek, warunków środowiskowych oraz od sposobu oddychania i właściwości indywidualnych organizmu. Możliwe jest jednak wyróżnienie pewnych odrębnych klas cząstek posiadających wspólne cechy i oddziaływujących w sposób zróżnicowany na ludzki organizm. 

Pyłomierz BARBARA-3A wyposażony w przystawkę ALFA-31 jak i aspirator uniwersalny SKC współpracujący z przystawką ALFA-2000 są przyrządami aktywnymi, w których przepływ powietrza przez filtr wymusza pompa. Podczas działania pyłomierza powietrze wpływa, z wydajnością około 5dm³/min, przez otwór o średnicy kilku milimetrów do mikrocyklonu. W mikrocyklonie następuje separacja ziaren (aerozoli). Te o rozmiarach większych niż 10μm opadają na dno mikrocyklonu do specjalnego pojemnika. Pozostałe, mniejsze dopływają wraz ze strumieniem powietrza do miejsca gdzie znajduje się przystawka ALFA-31. Tutaj, w filtrze membranowym, aerozole zostają odfiltrowane. Promieniowanie emitowane przez krótkożyciowe produkty rozpadu radonu jest rejestrowane przez detektory TL znajdujące się w trzech głowicach usytuowanych tuż nad filtrem. W każdej głowicy znajdują się dwa detektory TL. 

Wody słone, dopływające do wyrobisk kopalnianych, zawierają często naturalne izotopy promieniotwórcze, przede wszystkim zaś izotopy radu. Są to głównie ²²⁶Ra z szeregu uranowe o okresie połowicznego zaniku T_1/2 = 1600 lat oraz ²²⁸Ra z szeregu torowego o okresie połowiczego zaniku 5,7 lat. W niektórych wodach radowych (typu A), stężenie ²²⁶Ra jest wyższe niż ²²⁸Ra, ale w wodach typu B sytuacja jest odwrotna. Dlatego stosowana metoda pomiarowa musi zapewniać możliwość jednoczesnego oznaczania obu izotopów, przy czym progi detekcji dla tych izotopów muszą być odpowiednio niskie. Taką metodą jest pomiar za pomocą metody ciekłych scyntylatorów z wcześniejszym wydzielaniem radu metodą chemiczną z badanych próbek. Metoda ciekłych scyntylatorów polega na współstrącaniu radu z barem, dodanym jako nośnik dla radu, w postaci osadu RaBa(SO₄)₂ z próbek wód pobranych w kopalniach. 

W LR do pomiarów stężeń radu w wodach używany jest zautomatyzowany niskotłowy licznik spektrometryczny na ciekłe scyntylatory QUANTULUS. Przyrząd ten posiada aktywną osłonę antykoincydencyjną oraz możliwość rozdzielania cząstek alfa i beta. Z tego powodu bieg własny przyrządu jest bardzo niski, a to pozwala na osiągnięcie bardzo niskich progów detekcji dla obu oznaczanych izotopów radu - ²²⁶Ra i ²²⁸Ra. Próg wykrywalności (LLD) w przypadku ²²⁶Ra wynosi około 3 Bq/m³ a dla ²²⁸Ra około 30 Bq/m³ dla czasu pomiaru 1 godzina i objętości pierwotnej próbki 1 litr. Dodatkowo można również oznaczać w badanych próbkach stężenie izotopu ²²⁴Ra. Kolejną zaletą metody jest możliwość jednoczesnego wydzielania i pomiaru izotopu ²¹⁰Pb, który oddzielany jest od radu na ostatnim etapie preparatyki próbki i także mierzony za pomocą techniki ciekłych scyntylatorów. Metoda została opracowana i wdrożona w Głównym Instytucie Górnictwa. 

Materiały stałe powstające przy wydobyciu, czyli osady, skała płonna, węgiel zawierają naturalne izotopy promieniotwórcze z szeregu uranowego, torowego oraz promieniotwórczy izotop potasu ⁴⁰K. Pomiary stężeń tych izotopów wykonuje się metodą spektrometrii promieniowania γ, ponieważ część z nich emituje charakterystyczne promieniowanie γ o określonej energii czy energiach. Toteż analizując tzw. widmo promieniowania gamma badanej próbki można określić stężenie poszczególnych izotopów, poprzez identyfikację ich linii charakterystycznych oraz mierząc ich natężenie. Do pomiarów wykorzystuje się zestaw spektrometryczny, który składa się z detektora (zazwyczaj półprzewodnikowego lub czasem scyntylacyjnego), układu wzmacniającego i analizatora wielokanałowego. W wyniku pomiaru próbki za pomocą takiego zestawu otrzymuje się widmo energetyczne promieniowania γ. Znając natężenie charakterystycznych linii promieniowania γ w widmie próbek wzorcowych o znanych stężeniach izotopów promieniotwórczych i porównując je z natężeniem takich samych linii w widmie próbek badanych można określić stężenie poszczególnych izotopów. Kalibrację zestawu wykonuje się za pomocą atestowanych wzorców o znanych zawartościach określonych izotopów promieniotwórczych. W ramach działającego systemu kontroli zagrożeń radiacyjnych pobierane są próbki w podziemnych wyrobiskach górniczych. Po przesłaniu do Głównego Instytutu Górnictwa próbki są suszone, a następnie mierzone. System kontroli narażenia radiacyjnego w polskich kopalniach jest jednym z elementów systemu kontroli naturalnych zagrożeń. Kontrola powinna być prowadzona przez służby kopalniane, w miarę możliwości równocześnie z pomiarami innych zagrożeń. Dzięki wieloletnim badaniom środowiska pracy w kopalniach, dotyczących występowania radonu i jego produktów rozpadu, wód radowych i wytrącających się z nich osadów o podwyższonej promieniotwórczości, ustalone zostały wymagania, dotyczące miejsc monitoringu poszczególnych źródeł zagrożenia radiacyjnego. 

Pomiary powinny być wykonywane przez odpowiednio przeszkolony personel, który powinien być dodatkowo przeszkolony na kursie dla inspektorów ochrony radiologicznej. Program został zaakceptowany przez Państwową Agencję Atomistyki. W czasie kilkunastu lat ponad 500 pracowników kopalń ukończyło kursy ochrony radiologicznej w podziemnych zakładach górniczych. Zgodnie z aktualnymi wymogami kierownik zakładu górniczego odpowiedzialny jest za kontrolę narażenia radiacyjnego. W praktyce badania wykonują wyspecjalizowane jednostki, które dysponują również bazami danych z ponad 20-letnich pomiarów wszystkich elementów zagrożenia radiacyjnego. 

Prawo geologiczne i górnicze oraz towarzyszące mu rozporządzenia zawierają ogólne informacje i wskazówki dotyczące ograniczania zagrożeń radiologicznych, głównie powodowanych obecnością krótkożyciowych produktów rozpadu radonu. Nie ma w nim propozycji rozwiązań, które mogłyby być wprowadzane na etapie projektowania i planowania systemów eksploatacji. Z tego względu podejmowane są w GIG działania mające na celu opracowywanie i wdrażanie metod ograniczania oddziaływania poszczególnych czynników zagrożenia radiacyjnego w praktyce. Na etapie eksploatacji złoża wymagane jest zidentyfikowanie źródeł radonu w powietrzu wentylacyjnym oraz dopływów wód radowych do wyrobisk górniczych oraz ewentualnych miejsc występowania osadów. Na tej podstawie określane są metody przeciwdziałania zagrożeniu, szczególnie w przypadku konieczności ograniczenia stężeń radonu i jego pochodnych. Formułowane są specjalne zalecenia, dotyczące zmian w systemach wentylacyjnych (np. tamowanie czy izolacja zrobów, a w szczególnych przypadkach filtracja powietrza). W niektórych przypadkach szczegółowe zalecenia mogą dotyczyć metod ograniczania emisji radonu z wód radowych czy wytrąconych osadów o podwyższonej promieniotwórczości. Izolacja zrobów jest głównym elementem zapobiegania wzrostowi stężenia radonu i jego produktów rozpadu w rejonach ścian wydobywczych. Oparta jest ona na następującej zasadzie - redukcja stopnia wentylacji zrobów prowadzi do obniżenia współczynników ekshalacji radonu i jego pochodnych. Tym samym ograniczeniu ulegają ich stężenia w powietrzu wentylacyjnym. Badania, przeprowadzone w kopalniach węgla, wykazały że taka technika ograniczania narażenia jest skuteczna. Inny rodzaj działania ograniczającego zagrożenie radiacyjne górników, ale przede wszystkim zmniejszające skażenia środowiska naturalnego wokół kopalń to oczyszczanie wód radowych. Takie metody oczyszczania wód radowych typu A i B zostały zaproponowane i przetestowane na początku lat 90-tych i wprowadzone w kilku kopalniach węgla Początkowo oczyszczanie zastosowano w przypadku wód radowo-barowych (tupu A) w kopalniach Krupiński i 1-Maja, a następnie opracowano i wdrożono w kopalniach Piast i Ziemowit technologię oczyszczania z radu wód bezbarowych (typu B). W ten sposób udało się osiągnąć dwa cele - nie tylko zmniejszyć narażenie radiacyjne górników, ale także obniżyć znacząco uwalnianie izotopów radu z wodami kopalnianymi do osadników i cieków powierzchniowych.. Dzięki tym technologiom wpływ kopalń węgla na środowisko naturalne uległ znaczącej poprawie.

Pyłomierz Barbara-3A z przystawką ALFA-31

Oprac: Mira Borkiewicz (na podstawie artykułu, pt. „Ochrona radiologiczna w polskich kopalniach. System monitoringu i kontroli narażenia”, którego autorami są pracownicy naukowi GIG-u: Małgorzata Wysocka, Krystian Skubacz, Bogusław Michalik, Stanisław Chałupnik, Antoni Mielnikow) Kolumna dofinansowana ze środków Wojewódzkiego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej w Katowicach