بررسی تاثیر شرایط شیمیایی محیط (pH) و زمان بر ضریب جذب پرتو گاما سنگ‌ها

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی معدن، دانشکده مهندسی، دانشگاه کاشان، کاشان، ایران

2 گروه فیزیک هسته ای، دانشکده فیریک، دانشگاه کاشان، کاشان، ایران

10.22052/rsm.2025.257296.1144

چکیده

سنگ‌ها به‌عنوان موانع طبیعی، نقش مهمی در کاهش گسترش تشعشعات در سازه‌های دفن پسماندهای رادیواکتیو و همچنین داخل ساختمان‌های اداری و مسکونی دارند. لذا، پایداری عملکرد حفاظتی آن‌ها در برابر شرایط شیمیایی متغیر محیط طی زمان، اهمیت بالایی دارد. در این پژوهش، تأثیر شرایط شیمیایی محیط شامل مقادیر مختلفpH ، (3، ۴، ۶، ۹ و ۱۰) و زمان تماس محلول با نمونه تا ۲۴ ماه، بر ضریب جذب جرمی پرتو گاما چهار نوع سنگ طبیعی شامل گرانیت، تراورتن، مگنتیت و هورنبلند بررسی شده است. برای این منظور، از سه روش مکمل شامل؛ آزمایش تجربی با آشکارساز گایگر-مولر، شبیه‌سازی مونت‌کارلو با کد MCNPX و داده‌های پایگاه XCOM استفاده گردید. ابتدا ضریب جذب در شرایط خشک تعیین و سپس نمونه‌ها در محلول‌هایی با pH مختلف غوطه‌ور شدند. نتایج نشان داد مگنتیت با ضریب جذب حدود cm²/gr 062/0 به‌دلیل چگالی بالا و محتوای آهن (۷۲٪)، عملکرد حفاظتی بالایی را دارد، اما در محیط اسیدی (pH=3) این ضریب تا ۲۰ درصد کاهش می‌یابد. گرانیت با تغییرپذیری کمتر از ۱۰ درصد در دامنه pH مورد بررسی، پایدارترین سنگ و گزینه‌ای مناسب برای سازه‌های دفن عمیق است. در مقابل، تراورتن در محیط اسیدی به‌دلیل انحلال کلسیت، کاهش ۳۰ درصدی و هورنبلند در محیط قلیایی (pH=10) به‌دلیل تخریب شبکه سیلیکاتی، کاهش ۱۵ درصدی در ضریب جذب را نشان دادند. همچنین، زمان تماس با محلول‌ها اثری غیرخطی و محسوس بر کاهش توان حفاظتی سنگ‌ها دارد. همخوانی مناسب نتایج حاصل از روش‌های مختلف (با اختلاف کمتر از ۵ درصد)، دقت و قابلیت اعتماد یافته‌ها را تأیید می‌کند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Investigation of the effect of environmental chemical conditions (pH) and time on the gamma radiation attenuation coefficient of rocks

نویسندگان [English]

  • Sahand Golmohammadi 1
  • Majid Noorian-Bidgoli 1
  • Ahmad Ramezani Moghaddam-Arani 2
1 Department of Mining Engineering, Faculty of Engineering, University of Kashan, Iran
2 Faculty of Physics, University of Kashan, Kashan, Iran
چکیده [English]

Rocks, as natural barriers, play a crucial role in reducing the spread of radiation in radioactive waste disposal structures as well as in residential and office buildings. Therefore, the long-term stability of their shielding performance against variable environmental chemical conditions is of great importance. In this study, the effect of environmental chemical conditions—including different pH values (3, 4, 6, 9, and 10) and solution–sample contact time up to 24 months—on the mass attenuation coefficient of gamma rays in four types of natural stones (granite, travertine, magnetite, and hornblende) was investigated. For this purpose, three complementary approaches were employed: experimental testing using a Geiger–Müller detector, Monte Carlo simulations with the MCNPX code, and reference data from the XCOM database. First, the attenuation coefficient was determined under dry conditions, and then the samples were immersed in solutions of different pH values. The results showed that magnetite, with a mass attenuation coefficient of about 0.062 cm²/g, exhibited high shielding efficiency due to its high density and iron content (72%), but in acidic conditions (pH = 3) this coefficient decreased by up to 20%. Granite demonstrated the highest stability, with less than 10% variation across the examined pH range, making it a suitable option for deep disposal structures. In contrast, travertine exhibited a 30% reduction in acidic environments due to calcite dissolution, and hornblende showed a 15% decrease in alkaline conditions (pH = 10) due to silicate network degradation. Moreover, the contact time with solutions had a nonlinear and significant effect on reducing the shielding capacity of the rocks. The strong agreement between the results obtained from different methods (with less than 5% discrepancy) confirms the accuracy and reliability of the findings for the safe design of high-level radioactive waste disposal systems.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Mass attenuation coefficient
  • Gamma ray
  • Natural rocks
  • Environmental pH
  • Time