Ochrona budynków przed naturalnymi źródłami promieniowania jonizującego

Radon (²²²Rn) to gaz szlachetny naturalnie występujący w przyrodzie. Pierwiastek ten jest cięższy od powietrza, niewidoczny, nie ma zapachu ani smaku, a jednocześnie jest jedynym gazem o właściwościach promieniotwórczych.

Narażenie na radon w budynkach odpowiada niemal 1/3 łącznej dawki promieniowania jonizującego i około 1/2 dawki pochodzącej ze źródeł naturalnych (RYS. 1, TABELA 1) [2], a w opinii Światowej Organizacji Zdrowia radon to główny, obok dymu tytoniowego, czynnik rakotwórczy [3].

Radon powstaje w wyniku rozpadu radu (²²⁶Ra), naturalnego pierwiastka promieniotwórczego, który jest z kolei składnikiem uranowo-radowego szeregu promieniotwórczego (RYS. 2).

Uran oraz tworzące jego szereg promieniotwórczy izotopy obecne są w skorupie ziemskiej, a także w wielu innych surowcach (w tym również w materiałach budowlanych), a zatem są one (w tym również radon) obecne niemal wszędzie (choć w różnym stężeniu) – zarówno na świeżym powietrzu, jak i w budynkach. Jako izotop promieniotwórczy radon rozpada się poprzez emisję cząstki alfa na inne, również promieniotwórcze izotopy, tj. tzw. krótkożyciowe pochodne radonu: polon, bizmut oraz ołów [4].

Radon oraz produkty jego rozpadu są wdychane wraz z powietrzem, dlatego organem najbardziej narażonym na ich szkodliwy wpływ są płuca. Dawka radonu, która gromadzi się w płucach, zależy nie tylko od jego stężenia we wdychanym powietrzu, ale również od szybkości oddychania, obszaru płuc, w którym się kumuluje oraz szybkości ich usuwania [5]. Sam radon przebywa w płucach człowieka stosunkowo krótko, ale też szybko się rozpada (jego okres połowicznego rozpadu to 3,82 dnia).

Na skutek rozpadu promieniotwórczego powstają cztery izotopy o okresie półrozpadu krótszym niż 30 dni: polon ²¹⁸Po, ołów ²¹⁴Pb, bizmut ²¹⁴Bi oraz ­polon ²¹⁴Po. W przypadku, gdy zostaną one zdeponowane w płucach, stanowią poważne zagrożenie dla zdrowia. Stanowią one nie tylko źródło wysokoenergetycznego promieniowania (cząstki α oraz β w wyniku zderzeń z elektronami komórek organizmu człowieka powodują ich jonizację), ale w odróżnieniu od radu są ciałami stałymi (metalami ciężkimi) – mogą łączyć się z cząstkami aerozolowymi obecnymi w powietrzu i wraz z nimi wnikać do płuc, gdzie osiadają na wrażliwej tkance płucnej i nadal się rozkładają. To z kolei może prowadzić do zmian struktury komórkowej i niszczenia DNA oraz powodować raka płuc.

Produkt kolejnych procesów rozpadu stanowią izotop ołowiu ²¹⁰Pb o okresie półrozpadu 22 lat oraz (ostatecznie) trwały izotop ołowiu ²⁰⁶Pb. Ołów zostaje wbudowany w organizm praktycznie na stałe – początkowo odkłada się w pęcherzykach płucnych, ale z biegiem czasu przechodzi do krwioobiegu [4, 5].

Uznaje się ponadto, że ryzyko zachorowania na raka płuc znacząco zwiększa połączenie narażenia na wysokie stężenia radonu z paleniem tytoniu (następuje efekt synergii, czyli wzajemnego wzmacniania się dwóch szkodliwych czynników).

Ryzyko wystąpienia nowotworu u narażonych na działanie radonu osób palących jest od 6 do 10 razy wyższe niż u osób niepalących.

Bezpośrednim źródłem obecności radonu w powietrzu jest skorupa ziemska – skały oraz grunt (TABELA 2).

Stężenie radonu w danym punkcie jest funkcją [6]:

• stężenia i rozkładu radu (prekursora radonu) w gruncie,
• parametrów fizyko-chemicznych gruntu,
• transportu radonu z gruntu do biosfery,
• uwalniania radonu z głębszych warstw gruntu,
• czasu połowicznego rozpadu radonu.

Radon powstaje w wyniku rozpadu jego poprzednika w szeregu promieniotwórczym, czyli radu. Inne (poza radonem) powstające w ww. szeregu promieniotwórczym izotopy są ciałami stałymi „uwięzionymi” w strukturach ziaren skał i minerałów oraz w porach gruntu (przestrzeniach między ziarnami).

Radon jako gaz transportowany jest w kierunku powierzchni w wyniku dyfuzji oraz konwekcji. Wzniesienie budynku wymaga „przebicia się” przez jego powierzchnię i dotarcie do warstw położonych głębiej, gdzie stężenie radonu może osiągać znaczne wartości [4].

W procesie uwalniania, migracji oraz wydobywania się radonu z podłoża do powietrza atmosferycznego lub do powietrza wewnątrz budynku można wyodrębnić trzy etapy (RYS. 3) [6, 7]:

1) Emanację, czyli uwalnianie się atomów radonu z ziaren skał i minerałów wchodzących w skład gruntu (ale również materiałów budowlanych) do przestrzeni międzyziarnowej.
Proces ten zachodzi na drodze odrzutu atomów i dyfuzji molekularnej, powstającego w następstwie rozpadu promieniotwórczego radu, zawartego w strukturach krystalicznych minerałów i skał.
Miarą tego uwalniania jest współczynnik emanacji określający ile spośród utworzonych w obrębie ciała stałego atomów radonu wydostanie się na zewnątrz (w przypadku skał krystalicznych wynosi on od 0,3 do 0,5 – dla innych skał przyjmuje się wartości mniejsze od 0,5).

2) Transport, czyli migrację uwolnionego radonu w przestrzeni międzyziarnowej wypełnionej wodą, powietrzem gruntowym lub innym gazem.
Odbywa się on głównie w wyniku dyfuzji związanej z różnicą stężeń oraz konwekcji spowodowanej gradientem ciśnień.
Migracja radonu do powietrza atmosferycznego może przebiegać bezpośrednio lub też z etapem pośrednim (przejściem radonu przez wody gruntowe i powierzchniowe) – kluczowy wpływ na wielkość strumienia radonu w gruncie wywołują dwa parametry: przepuszczalność oraz współczynnik dyfuzji.

3) Ekshalację, czyli wydobywanie się radonu z gruntu (lub z materiałów budowlanych) do powietrza atmosferycznego lub do powietrza wewnątrz budynków, a następnie jego dyspersja w powietrzu.
Wielkość ekshalacji radonu gruntu zależy w dużej mierze od umiejscowienia budynku.
Istotne znaczenie mają:
• budowa geologiczna terenu,
• struktury sedymentacyjne, tektoniczne i erozyjne podłoża (szczeliny, pęknięcia, kawerny i płaszczyzny nieciągłości)
– ze względu na swój ukierunkowany przebieg mogą one umożliwić migrację radonu w określonym kierunku oraz na znaczne odległości.

Jeśli skała jest spękana, radon może wydostać się do atmosfery, natomiast skała lita znacznie utrudnia transport gazu.

Inną przeszkodą mogącą utrudniać wydostanie się na powierzchnię może być grunt, a w szczególności jego przepuszczalność dla cieczy i gazów. Stężenie radonu w przestrzeni międzyziarnowej gruntu wynosi niekiedy kilkadziesiąt tysięcy Bq/m³ (bekereli na metr sześcienny), podczas gdy średnie stężenie w powietrzu atmosferycznym waha się między 5 a 10 Bq/m³.

W przypowierzchniowych warstwach gruntu istotną rolę odgrywają ponadto: szczeliny międzywarstwowe, płaszczyzny uskokowe, pustki krasowe oraz przejawy tektoniki fałdowej [7].

Nie bez znaczenia są też warunki meteorologiczne (ciśnienie atmosferyczne siła oraz kierunek wiatru, wilgotność, obecność pokrywy śnieżnej itp.) jak również parametry samego budynku – w szczególności typ podpiwniczenia (rodzaj fundamentu, układ warstw posadzki, zastosowane okładziny itp.) [5, 6].

Ponieważ transport radonu z gruntu w kierunku powierzchni jest funkcją zbyt wielu czynników (RYS. 4), oszacowanie wielkości przenikania na podstawie znajomości stężenia radonu w podłożu jest skomplikowane, niezwykle trudne, a przede wszystkim obarczone dużą dozą niepewności [6, 7].

Radon może wnikać do wnętrza budynku m.in. przez pęknięcia i szczeliny, ale również przez nieszczelności wokół rur kanalizacyjnych i innych przyłączy czy też przez studzienki kanalizacyjne do odwadniania piwnic (RYS. 5). Może się on ponadto dostać do budynku wraz z gazem ziemnym oraz bieżącą wodą (TABELA 3).

Dodatkowo, w wyniku działania tzw. efektu kominowego (unoszenia się nagrzanego powietrza) może być on zasysany na wyższe kondygnacje budynku (RYS. 6) [4, 5, 8].

W przypadku nieprawidłowo zaprojektowanej wentylacji wartości radonu w pomieszczeniach może osiągać wysokie stężenie również w budynkach położonych na terenie, gdzie jego zawartość z gruncie jest niewielka, ale np. występują uskoki tektoniczne ułatwiające jego transport, czy też grunty o dużej przepuszczalności [4].

Maksymalne stężenia radonu w budynkach zaobserwowano w Szwecji – ponad 85  000 Bq/m³. W Polsce mogą one wynosić (w zależności od regionu) od kilkunastu do kilku tysięcy Bq/m³ (najwyższe stężenia, w granicach 15  000 Bq/m³, odnotowano w rejonie Jeleniej Góry), przy czym wyższe stężenie radonu w pomieszczeniach obserwowane jest w zimie, co powodowane jest zamarzaniem przypowierzchniowych warstw gruntu oraz brakiem dostatecznej wentylacji pomieszczeń.

Średnia wartość stężenia radonu w budynkach w Polsce wynosi 32 Bq/m³ [6].

Podstawowe normy bezpieczeństwa, niezbędne w celu ochrony przed zagrożeniami wynikającymi z narażenia na działanie promieniowania jonizującego, w tym także na radon zawarto w Dyrektywie Rady UE 2013/59/Euratom z dnia 5 grudnia 2013 roku (Dziennik Urzędowy Unii Europejskiej L 13/1 z 17.01.2014) [9].

Dyrektywa nałożyła na władze krajów członkowskich Unii obowiązek implementowania do prawa krajowego zapisów dotyczących zagrożeń związanych z radonem. W świetle Dyrektywy narażenie na promieniowanie naturalne (w tym radon) jest traktowane w ten sam sposób jak narażenie mające swe źródło w sztucznych źródłach promieniowania. Zalecenia Dyrektywy zostały wprowadzone do prawa krajowego w nowelizacji ustawy Prawo atomowe [10], której tekst jednolity został ogłoszony w dniu 20 września 2019 roku (DzU 2019, poz. 1792).

W ustawie określony został m.in. poziom odniesienia dla średniorocznego stężenia promieniotwórczego radonu w pomieszczeniach przeznaczonych na pobyt ludzi i wynosi on 300 Bq/m³, przy czym zgodnie z aktualnymi zaleceniami Światowej Organizacji Zdrowia (WHO) stosowanie środków ochronnych wskazane jest już od średniorocznego stężenie 100 Bq/m³ [3].

W znowelizowanej ustawie Prawo atomowe wprowadzono kilka zapisów, które dotyczą radonu występującego w budynkach, zarówno mieszkalnych, jak i w miejscach pracy. Zgodnie z zapisami ustawy w miejscach pracy usytuowanych w obszarze na których średnioroczne stężenie promieniotwórcze radonu w powietrzu w znacznej liczbie budynków może przekroczyć poziom odniesienia (zobacz: [11]) pracodawca zobowiązany jest kontrolować (mierzyć) stężenie radonu lub stężenie energii potencjalnej alfa krótkożyciowych produktów rozpadu radonu.

Konieczność wykonania pomiarów dotyczy miejsc pracy zlokalizowanych wewnątrz budynku na poziomie parteru lub piwnicy jak również związanych z uzdatnianiem wód podziemnych.

Z kolei na terenie całego kraju obowiązkowe są pomiary stężeń radonu w miejscach pracy usytuowanych pod ziemią. Jeśli wartość odniesienia zostanie przekroczona, należy podjąć działania mające na celu ich zmniejszenie.

W przypadku prywatnych budynków nowo wznoszonych ich właściciele są zobowiązani do zapobiegania przedostawaniu się radonu do budynków za pomocą stosownych środków konstrukcyjno-materiałowych, natomiast w prywatnych budynkach istniejących zaleca się obniżanie poziomu stężenia radonu poprzez dobrowolne działania właścicieli i mieszkańców. Ponadto nabywca lub najemca budynku lub lokalu przeznaczonego na pobyt ludzi może zażądać od właściciela budynku informacji o wartości średniorocznego stężenia promieniotwórczego radonu w powietrzu wewnętrznym.

W długoterminowych pomiarach występowania radonu w pomieszczeniach najlepiej sprawdzają się detektory śladowe. Rejestrują stężenie radonu w określonym przedziale czasu, przy czym praktycznie nie istnieje ryzyko utraty wyników pomiaru.

Zgodnie z ustawą Prawo Atomowe minimalny czas pomiaru stężeń radonu za pomocą detektorów pasywnych to okres 1 miesiąca – na tej podstawie wyznacza się średnioroczne stężenie radonu w obiekcie. Pomiary zaleca się wykonywać w okresie jesienno-zimowym (październik–marzec).
W krajach takich jak USA, Anglia, Szwecja czy Norwegia znaczna część populacji może być narażona na bardzo wysokie (w ekstremalnych przypadkach przekraczające ustaloną przez organizacje międzynarodowe średnią roczną dawkę efektywną dla górników) stężenia radonu w zamieszkiwanych budynkach [12]. Państwa te już od dziesięcioleci stosują działania zabezpieczające przed negatywnymi skutkami tego zjawiska (pierwsze regulacje prawne dotyczące radonu w budynkach wprowadzono w Stanach Zjednoczonych Ameryki Północnej w roku 1979 [1]) stosując tzw. budownictwo radon safe (RYS. 7).

W Polsce, w przeciwieństwie do ww. krajów, obszarów, na terenie których występuje podwyższona koncentracja radonu (oraz jego emanacja) w gruncie jest stosunkowo niewiele. Szacuje się, że ok. 10% powierzchni kraju – głównie obszary na południu i południowym zachodzie – to tereny wysokiego ryzyka radonowego (RYS. 8) [7, 11–13]. Na obszarach tych należy rozważyć (sprawdzić konieczność) odpowiednie zabezpieczenie budynku – na etapie jego wznoszenia w przypadku obiektów nowo wznoszonych lub w ramach prowadzonych prac renowacyjnych w przypadku budynków istniejących.

W celu oszacowania zagrożenia radonowego, przed przystąpieniem do wznoszenia budynku nowego lub też renowacji istniejącego należy określić tzw. potencjał radonowy dla danego obszaru, czyli zależność wynikającą ze stężenia radonu w podłożu gruntowym oraz przepuszczalności gruntu [7].

Najważniejszym i pierwszym środkiem zaradczym w przypadku zagrożenia radonem jest zapewnienie prawidłowej wentylacji budynku. Ponadto zaleca się [7, 12]:

• w obiektach nowo wznoszonych:
  –    wykonanie takiej konstrukcji fundamentów, która zapobiega powstawaniu nieszczelności pomiędzy płytą (nie zaleca się stosowania ław) a ścianami,
  –    zapewnienie ciągłej ochrony przed wodą i wilgocią zawartą w gruncie w taki sposób, aby jednocześnie stanowiła skuteczną ochronę przed wnikaniem radonu,
  –    częściową wymianę gruntu pod fundamentem oraz wymuszoną wentylacja przestrzeni pod płytą fundamentową,
• w budynkach istniejących:
  –    usunięcie źródła radonu poprzez wymianę gruntu wokół budynku,
  –    identyfikację i uszczelnienie dróg przenikania radonu (pęknięcia, złącza, przebicia instalacyjne itp.) w przyziemnej części budynku,
  –    podwyższenie ciśnienia wewnątrz budynku do wartości wyższej niż na zewnątrz np. poprzez instalację automatycznych systemów wentylacyjnych,
  –    odprowadzenie powietrza zawierającego radon pod budynkiem, np. przez zastosowanie tzw. pułapki radonowej, tj. wgłębienia w gruncie pod budynkiem z wentylatorem wyciągającym powietrze poza obrys budynku.

Bez względu na rodzaj budynku (istniejący lub nowo wznoszony), decydującym czynnikiem okazuje się to, jak dobrze budynek (ściany i posadzki w piwnicy) jest chroniony przed radonem w strefie kontaktu z gruntem. Stosowane w strefach zagrożenia radonem materiały hydroizolacyjne powinny być nie tylko całkowicie nieprzepuszczalne dla wody i wilgoci, ale również szczelne wobec radonu (właściwość taka winna być potwierdzona stosownym certyfikatem).

Przepuszczalność gazu przez materiał uszczelniający zależy zarówno od jego składu, jak i od właściwości penetrującego gazu. Gazy szlachetne, takie jak radon, jako pojedyncze atomy szczególnie dobrze dyfundują przez materiały porowate.

Należy wziąć również pod uwagę okres połowicznego rozpadu (czas, w którym ilość izotopu zmniejsza się o połowę wskutek rozpadu promieniotwórczego), który w przypadku radonu wynosi ok. 3,82 dnia.

Rozpad radioaktywny zachodzi już wewnątrz materiałów budowlanych, jeżeli czas dyfuzji atomów radonu wynosi kilka okresów półrozpadu. Powstałe w ten sposób produkty rozkładu nie są już gazami i pozostają związane w materiale budowlanym, tzn. nie docierają do powietrza wewnątrz budynku, a zatem są nieszkodliwe dla ludzi. Grubość takich „radonoszczelnych” materiałów musi być co najmniej trzykrotnie większa od długości drogi dyfuzji radonu [8].

Literatura

1. J. Skowronek, B. Michalik, M. Wysocka, A. Mielnikow, J. Dulewski, „Ochrona przed naturalnymi źródłami promieniowania jonizującego w Polsce”, [w:] VII Warsztaty Górnicze z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”, 26–28 maja 2003 r., s. 1–18.
2. Państwowa Agencja Atomistyki, „Raport roczny Prezesa Państwowej Agencji Atomistyki za 2019”, Warszawa 2020.
3. World Health Organization, „WHO handbook on indoor radon: a public health perspective”, 2009.
4. J. Mazur, K. Kozak, „Nowe regulacje dotyczące stężeń radonu (RN-222) w budynkach i miejscach pracy w zapisach znowelizowanej ustawy Prawo atomowe”, „Inżynier i Fizyk Medyczny”, t. 9, nr 3/2020, s. 169–172.
5. I. Bilska, „Wpływ radioaktywnego radonu i jego pochodnych na zdrowie człowieka”, „Medycyna Środowiskowa”, t. 19, nr 1/2016, s. 51–56.
6. M. Janik, „Przenikanie radonu z gruntu do budynku. Modelowanie komputerowe i weryfikacja w budynkach mieszkalnych”, Polska Akademia Nauk, 2005.
7. E. Korzeniowska-Rejmer, „Radon w gruncie i techniki redukcji jego stężenia w obiektach budowlanych”, „Czasopismo Techniczne. Środowisko”, t. R. 105, 2008, s. 73–88.
8. M. Bartholomäus (red.), „Radon-Handbuch Deutschland”, Kassel: Bundesamt für Strahlenschutz, 2019.
9. Dyrektywa Rady 2013/59/Euratom z dnia 5 grudnia 2013 r. ustanawiająca podstawowe normy bezpieczeństwa w celu ochrony przed zagrożeniami wynikającymi z narażenia na działanie promieniowania jonizującego oraz uchylająca dyrektywy 89/618/Euratom, 90/641/Eura, 2014.
10. Ustawa z dnia 29 listopada 2000 r. Prawo atomowe (DzU 2001 Nr 3 poz. 18).
11. Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 18 czerwca 2020 r. w sprawie terenów, na których średnioroczne stężenie promieniotwórcze radonu w powietrzu wewnątrz pomieszczeń w znacznej liczbie budynków może przekraczać poziom odniesienia (DzU 2020 poz. 1139).
12. P. Michalak, „Naturalna promieniotwórczość radonu – pochodzenie, zagrożenia oraz sposoby redukcji jego stężeń w budynkach mieszkalnych”, „Czasopismo Inżynierii Lądowej, Środowiska i Architektury”, t. 63, nr 2/I/16, s. 455–464.
13. Główny Inspektorat Ochrony Środowiska, „Atlas radiologiczny Polski 2011”, Warszawa 2012.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!