温度-压力耦合作用下花岗岩氡气释放实时动态规律及其环境风险机制研究

针对深部铀矿开采中放射性气体氡(222Rn)的释放风险，研究人员通过25-300°C梯度温度下的花岗岩单轴压缩实验，首次实现温度-压力耦合条件下的氡释放实时监测。发现氡释放量随应变呈"升-降-升"趋势，150-200°C裂隙扩展阶段释放量激增29.33%，揭示了高温导致矿物晶间水蒸发与热损伤微裂隙形成是促进氡迁移的关键机制，为深部铀矿辐射防护提供了新理论依据。

　　

在全球气候变暖与"双碳"目标背景下，核能作为高效低碳的清洁能源备受关注。然而铀矿开采过程中伴生的放射性气体氡(²²²Rn)及其子体的释放，却对矿工健康构成严重威胁。深部地层中花岗岩承受着温度-压力的双重作用，但传统研究多聚焦单一变量，对耦合条件下氡释放规律的认识存在明显空白。特别是在300°C以下的温区范围内，温度对氡释放的影响机制尚未系统阐明。

广东省韶关市仁化县某铀矿区的研究团队针对这一科学问题，在《Journal of Environmental Radioactivity》发表了创新性研究成果。通过设计25°C至300°C八个温度梯度的花岗岩单轴压缩实验，结合实时氡浓度监测技术，首次揭示了温度-压力耦合作用下氡释放的动态规律。研究发现，氡释放量与岩石应变呈现显著的三阶段特征：在压缩密实阶段(AB)释放量降低28.45%，而在150-200°C的裂隙扩展阶段(CD)则激增29.33%。峰值释放出现在裂隙不稳定扩展阶段(CE)，此时高温导致的矿物热膨胀和晶间水蒸发共同作用，加之热损伤产生的微裂隙网络为氡迁移提供了新通道。

研究采用三大关键技术：1) 温度可控的单轴压缩实验系统，实现25-300°C范围内8个温度梯度的精准控制；2) 实时氡浓度监测装置，捕捉加载过程中瞬态释放特征；3) 核磁共振(NMR)技术辅助分析微孔结构演变。通过应力-应变曲线与氡释放曲线的同步分析，建立了温度-应力-氡释放的三维关联模型。

【氡生成与迁移机制】
研究阐明了²²⁶Ra衰变产生²²²Rn的物理过程，指出α粒子反冲效应是氡原子脱离矿物晶格的关键机制。在温度-压力耦合作用下，矿物热膨胀导致晶格间距增大，显著提升了氡原子的逃逸概率。

【应力对氡析出的影响】
实验数据显示，常温下花岗岩在裂隙稳定扩展阶段(CD)的氡释放量较初始状态增加19.67%，而在300°C高温下该增幅可达37.82%。温度升高不仅降低岩石力学强度，更通过促进微裂隙网络发育，使氡扩散系数提升2-3个数量级。

【结论与意义】
该研究首次构建了温度-压力耦合条件下的花岗岩氡释放动态模型，发现150°C是氡释放行为的转折点：低于此温度时以晶格扩散为主导机制，高于此温度时裂隙渗流贡献率超过60%。这一发现为深部铀矿辐射防护提供了重要理论支撑：在矿井深度设计时需特别关注150-200°C温区，该区间既是岩石力学性能陡降区，又是氡释放高风险窗口。研究成果不仅丰富了放射性气体运移理论，更为铀矿井下作业面的辐射剂量评估与通风系统优化提供了科学依据。