Experimental and modeling studies of grain size and moisture content effects on radon emanation

ラドン散逸能に対する粒径と水分含有量の影響実験とモデルによる研究

迫田 晃弘*   ; 石森 有  ; 花元 克巳*; 片岡 隆浩*; 川辺 睦*; 山岡 聖典*

Sakoda, Akihiro*; Ishimori, Yuu; Hanamoto, Katsumi*; Kataoka, Takahiro*; Kawabe, Atsushi*; Yamaoka, Kiyonori*

土壌のラドン散逸係数に対する水分含有量の影響を説明するため、幾つかのモデルが開発されているが、これらは二つの対向する粒子表面と粒子間の空隙から校正されている。本研究は、水分含有量だけではなく粒径の効果も研究するために、単純なモデル化の方法を提案する。つまり、(1)一つの粒子のモデル,(2)複数の粒子モデルである。後者は、単純な立方構造に詰められた球形の細粒子の形状を示す。一般的な仮定に基づき、モンテカルロシミュレーションによって粒径あるいは水分含有量の関数であるとして計算した。これらの結果から、ラドン散逸能は、ラジウムが付着している粒子と隣接する粒子との間隙の大きさに大幅に依存することがわかった。モデルの妥当性も実験データとの比較によって評価された。

Some models have already been developed to explain the effect of moisture content on the radon emanation fraction of soil. For this purpose, "microscopic" soil models, which are easy to deal with mathematically but cannot take grain size into consideration, have been designed. These previous models consist basically of two opposite grain surfaces and pores between the grains. In the present study, in order to study the effect of not only moisture content but also grain size, we present a simple modeling approach based on two "macroscopic" soil models: (1) a single-grain model and (2) a multiple-grain model. The latter model represents a configuration of spherical grains packed in a simple cubic structure. Based on these soil models and general assumptions, the radon emanation fraction was calculated as a function of grain size or moisture content by Monte Carlo simulation. The results for the multiple-grain model show that the radon emanation fraction is markedly increased with grain sizes ranging from 10 to 100 mm and reaches a constant value of 50% when moisture content is 0% and the radium is uniformly distributed on the grain surface. Moreover, a drastic increase is seen at smaller grain sizes with increasing moisture content. From these results, we concluded that the calculation of radon emanation depends greatly on the pore size between a Ra-bearing grain and a neighboring grain. The validity of the model was also evaluated by comparison to experimental data.