松散破碎射氣介質氡析出能力的測量與計算

李廣悅,丁德馨,陳 翔,徐文平,劉玉龍

(1.中南大學資源與安全工程學院,湖南 長沙 410083;

2.南華大學核資源與核燃料工程學院,湖南 衡陽 421001)

鈾礦石經機械或爆破破碎后形成的顆粒材料稱為松散破碎射氣介質。松散破碎射氣介質是多孔介質的一種,由固體顆粒和孔隙組成。松散破碎射氣介質與土壤、裂隙巖體等其他多孔介質相比,具有的特點是：①顆粒粒徑分布極不均勻;②顆粒粒徑較大;③顆粒中不斷有氡析出;④孔隙中氡與空氣并存[1]。

松散破碎射氣介質中因鐳衰變而產生的氡,分為能自由運移的氡和不能自由運移的氡[2-4]。單位體積的松散破碎射氣介質在單位時間內產生的可以自由運移的氡的量,定義為松散破碎射氣介質的氡析出能力[2]。

對于射氣介質的氡析出能力,傳統的計算方法是通過將介質置于一密閉測試裝置中,測量當其中的氡析出達到平衡時介質的射氣系數Se,再采用式(1)計算獲得：

式中：a為介質的氡析出能力,Bq/m3?s;Se為介質的射氣系數;ρ為介質的密度,kg/m3;U為鈾的百分含量,%;Kp為鈾鐳平衡系數。

顯然,采用該式計算松散破碎射氣介質的氡析出能力是不合理的。因為,松散破碎射氣介質是由大小不同的鈾礦石顆粒組成,其氡的析出是以氡濃度梯度為動力的擴散析出[6-8]。由于有濃度梯度,必定存在反擴散。反擴散的存在使得松散破碎射氣介質的氡析出能力不是定值,而是隨濃度的變化而變化的[9-13]。

對于松散破碎介質的氡析出能力,國內外學者尚未開展研究。而這一物理量對于確定鈾礦山地下采場及地下原地爆破浸出采場降氡通風的需風量是非常重要的,對于模擬松散破碎射氣介質中氡的析出與運移則更是不可缺少的。

本文根據解決上述問題的需要,設計了松散破碎射氣介質不同時刻氡濃度的測量裝置,建立了根據不同時刻氡濃度計算其氡析出能力的方法,并采用所設計的裝置和建立的方法,計算了2種不同級配松散破碎射氣介質的氡析出能力。

1 測量裝置及計算原理

1.1 測量裝置

自制的測量裝置如圖1所示。裝置由主體部分14、上層頂蓋8、下層頂蓋6、洗耳球1及膜盒壓力表 12等組成。主體部分的長、寬、高均為250mm,由厚度為10 mm的鐵皮焊接而成,并與下層頂蓋6焊為一體。上層頂蓋8和下層頂蓋6采用厚度5 mm的鐵皮制作,其間加膠皮墊圈7,它們之間的接觸面采用玻璃膠粘連,再采用螺栓10、13固定下層鋼條 5和上層鋼條 9。裝置上的取樣口4、加壓口11及排氣口15均為氣門芯。取樣口4與洗耳球1之間通過膠皮管3連接。

圖1 松散破碎射氣介質中氡濃度測量裝置Fig.1 Apparatus formeasuring radon concentration in the loose fragmented radon-em ittingmedium

1.2 計算原理

采用圖1所示的測量裝置,通過測量不同時刻松散破碎射氣介質中的氡濃度C,繪出氡濃度C隨時間t變化的散點圖,擬合出氡濃度C隨時間t變化的關系式,求出,將其乘以松散破碎介質的孔隙率,即得到松散破碎射氣介質氡析出能力a隨時間t變化的關系式。代入與氡濃度相對應的時間,即可計算得到與之相對應的氡析出能力a,從而可建立氡析出能力與氡濃度的關系。根據各測點的氡析出能力和所對應的氡濃度數據,繪出松散破碎射氣介質氡析出能力a隨氡濃度C變化的散點圖,最終擬合出氡析出能力a隨氡濃度C變化的關系式。

2 2種松散破碎射氣介質氡析出能力的測量與計算

這里以兩種不同級配的鈾礦樣為例,說明松散破碎射氣介質氡析出能力的測量與計算。

鈾礦樣1按質量分數配制。各粒組的質量分數為：0～1 cm占57.44%,1～2 cm占16.45%,2～3 cm占9.50%,3～4 cm占6.41%,4～5 cm占4.73%,5～7 cm占5.47%,總重25 kg。按質量分數分別稱重,混合均勻,裝入按圖1制作的測量裝置A中并密封。該鈾礦樣的含水率0.96%,孔隙率0.303 4。測量時的壓力為常壓,溫度為27℃,濕度為44%。

鈾礦樣2亦按質量分數配制。各粒組的質量分數為：0～1 cm占49.36%,1～2 cm占17.23%,2～3 cm占11.06%,3～4 cm占8.14%,4～5 cm占6.45%,5～7 cm 占7.76%,總重25 kg。按質量分數分別稱重,混合均勻,裝入按圖1制作的測量裝置B中并密封。該鈾礦樣的含水率0.96%,孔隙率0.263 0。測量時的壓力為常壓,溫度為27℃,濕度為44%。

試驗開始前,打開排氣口15、加壓口11、止水夾2,使用鼓風機通風20 m in,盡可能排除裝置內已產生的氡氣。然后關閉排氣口15、加壓口 11、止水夾 2,再將 2個體積為0.09 L的洗耳球1中的空氣排出,分別連接到裝置A、B的膠皮管3上,吸入裝置內已產生的氡氣,再通過膠皮管3將氣體壓入裝置中,重復操作 2 min。然后將 2支量程為0.05 L的針孔注射器分別插入裝置A、B的膠皮管3中,各抽取0.05 L的氡氣,再分別注入體積均為0.5 L的ST206型閃爍室中并封存,3 h后將閃爍室置于中核北京核儀器廠生產的FD125型氡釷分析儀上,連接FH 463B型自動定標器分別讀取其計數率。以0.5 h為時間間隔,重復取樣。

所測得的鈾礦樣1和鈾礦樣2的氡濃度C隨時間t而變化的數據如表1所示。

表1 鈾礦樣1和鈾礦樣2的氡濃度C隨時間t而變化的數據Table 1 The variation ofmeasured radon concentration w ith time for uranium ore samp les 1 and 2

通過對鈾礦樣1的氡濃度C隨時間t變化的數據進行回歸分析,得到鈾礦樣1的氡濃度C隨時間t變化的擬合方程：

同樣,通過對鈾礦樣2的氡濃度C隨時間t變化的數據進行回歸分析,得到鈾礦樣2的氡濃度C隨時間t變化的擬合方程：

將擬合方程(2)對時間t求導,得到鈾礦樣1的氡析出能力a隨時間t變化的表達式：

同樣,將擬合方程(3)對時間t求導,得到鈾礦樣2的氡析出能力a隨時間t變化的表達式：

從表1中鈾礦樣1的第2個測點開始,將各測點的對應的時間代入式(4),得鈾礦樣1各測點的氡析出能力。這樣,即可計算得到與鈾礦樣1各測點的氡濃度相對應的氡析出能力。同樣,從表1中鈾礦樣2的第2個測點開始,將各測點所對應的時間代入式(5),求得鈾礦樣2各測點的氡析出能力。同樣即可計算得到與鈾礦樣2各測點的氡濃度相對應的氡析出能力。

以氡濃度C為橫坐標,以氡析出能力a為縱坐標,作出鈾礦樣1和鈾礦樣2的氡析出能力a隨氡濃度C變化的散點圖,如圖2和圖3所示。

圖2 鈾礦樣1的氡析出能力a隨氡濃度C變化的散點圖Fig.2 The relationship between radon emanation capability(a)and radon concentration(C)for uranium ore sample 1

圖3 鈾礦樣2的氡析出能力a隨氡濃度C變化的散點圖Fig.3 The relationship betw een transient radon emanation capability(a)and transient radon concentration(C)for uranium ore samp le 2

對圖2和圖3進行回歸分析,得到鈾礦樣1和鈾礦樣2的氡析出能力a隨氡濃度C變化的擬合方程：

3 結束語

目前,通過測量松散破碎射氣介質的射氣系數所計算得到的氡析出能力,是一個常量。采用這一參數模擬松散破碎射氣介質中氡的析出與運移以及計算鈾礦山地下采場和地下原地爆破浸出采場降氡通風所需的風量是不合理的,因為這沒有考慮到松散破碎射氣介質的氡析出能力是隨氡濃度而變化的這一重要特性。

本文針對這一問題,設計了測量松散破碎射氣介質中不同時刻氡濃度的裝置,建立了根據不同時刻氡濃度計算其氡析出能力的方法。這對于鈾礦山地下采場和地下原地爆破浸出采場降氡通風需風量的調節,以及鈾礦堆中氡的析出與運移的模擬,都具有重要意義。

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