伴生放射性矿辐射环境影响评价中钍系关键核素的确定

2019-11-14柏学凯连国玺刘晓超路晓卫

铀矿冶 2019年4期

柏学凯，孙娟，连国玺，刘晓超，路晓卫

(中核第四研究设计工程有限公司，河北石家庄 050021)

2013年，原环境保护部印发了《关于发布〈矿产资源开发利用辐射环境监督管理名录(第一批)〉的通知》，为中国伴生放射性矿辐射环评工作的开展奠定了重要的政策基础。通知明确要求，对名录中达到一定比活度的矿产资源开发利用项目需编制辐射环境影响评价专篇。伴生放射性矿通常伴生铀系和(或)钍系核素，评价时需根据矿产资源的伴生特点选择性评价或综合评价。中国铀矿冶行业在多年前就开展了铀系核素的环境影响评价工作，相关技术体系比较成熟。因此，对铀系核素的评价可借鉴铀矿冶行业进行；但对于钍系核素，目前相关研究及评价工作较少。为了更好地执行通知的要求，为伴生放射性矿开发利用项目的辐射安全管理、环境影响评价以及环境污染防治提供科学依据，迫切需要对钍系核素的辐射评价开展相关研究，而首要工作就是确定需要评价的关键核素。

1 钍系核素概述

自然界中存在三个天然放射系，钍系便是其中之一。钍系从母核232Th开始，经过10次连续衰变最后到稳定核素208Pb，整个衰变链共包含232Th、228Ra、228Ac、228Th、224Ra、220Rn、216Po、212Pb、212Bi、212Po、208Tl、208Pb等核素，其中220Rn为气态核素。自然界中的232Th及其子体是平衡的，虽然钍系中除232Th外的其他核素在单独存在时衰变都较快，但它们维系在长期平衡体系内时可保存至今。这些核素大多具有α放射性，少数具有β放射性，大多都伴有γ辐射。钍系核素衰变参数见表1，钍系核素衰变纲图如图1所示。

表1 钍系核素衰变参数

续表1

图1 钍系核素衰变纲图

2 国内外研究进展

2.1 国外研究进展

2.1.1联合国原子辐射效应科学委员会(UNSCEAR)

在UNSCEAR连续多年针对天然辐射源的报告中，多次对钍系核素进行研究讨论。

UNSCEAR1977报告和UNSCEAR1982报告对伴生放射性的矿产资源如磷酸盐、煤等的232Th的比活度和剂量情况进行了研究。在UNSCEAR1982报告中，研究给出了某燃煤电厂产生的灰和炉渣中232Th、228Ra、228Th的比活度，以及部分地区220Rn及其子体造成的年有效剂量情况。

UNSCEAR1988报告中，在确定食入物质和空气中的放射性浓度时，给出了食物和空气中天然放射性核素参考浓度。放射性核素包括钍系、铀系、锕-铀系中的主要核素，其中：钍系给出了232Th、228Ra、228Th的数据；铀系给出了238U、234U、226Ra、230Th、210Po、210Pb的数据，这也是目前国内外研究评价中广泛认可的铀系关键核素[1]。

UNSCEAR1993报告中，在介绍开采工业的天然放射性时，钍系核素也是以232Th、228Ra、228Th为研究对象[2]。同时，报告指出，在232Th浓度高的地方，应考虑220Rn及其子体的照射。报告根据当时掌握的参数估算了相当于世界平均浓度的年有效剂量，来自220Rn及其子体所致年有效剂量约为0.07 mSv，来自222Rn及其子体所致年有效剂量约为1.2 mSv，220Rn及其子体所致年有效剂量约为222Rn及其子体所致剂量的6%，因此，不应忽略220Rn及其子体的照射。

UNSCEAR2000报告中，列举了国际放射防护委员会(ICRP)根据最新的代谢数据和模式估算的通过食入途径摄入的单位核素剂量，报告结合ICRP的成果给出了不同核素不同年龄组的食入剂量转换因子，钍系给出了232Th、228Ra、228Th的食入剂量转换因子，所关注核素与之前报告相同。可以看出，报告中食入途径的相关研究均以232Th、228Ra、228Th作为钍系关键核素进行分析讨论。此外，报告认为，在评价照射时需要考虑220Rn子体中α核素的活度浓度带来的辐射影响。报告通过更加准确地计算，得到了来自220Rn及其子体所致剂量约为0.1 mSv，来自222Rn及其子体所致剂量约为1.15 mSv，220Rn及其子体所致剂量约为222Rn及其子体所致剂量的9%，这比UNSCEAR1993报告给出的比例提高了一半[3]。

UNSCEAR2006报告中，特别关注了220Rn，并对相关参数进行了研究总结[4]。

UNSCEAR2008报告中，再次给出了钍系核素232Th、228Ra、228Th在空气中的浓度；专门介绍了在石油、天然气开采过程产生的沉淀物中228Ra、228Th的浓度情况[5]。此外，报告还对针对232Th、228Ra、228Th给出了食入剂量转换因子和人体组织中的核素浓度，相关参数与UNSCEAR2000的数据一致。此外，报告对稀土(独居石)生产过程220Rn及其子体所致剂量进行了计算。后续的报告中则沿用了前期成果。

2.1.2国际原子能机构(IAEA)

IAEA SRS—49号安全报告，分析、汇总了可能需要进行辐射防护控制的NORM工业工作人员的受照剂量，认为在独居石提取稀土、含钍化合物生产制造、铌钽矿加工、石油和天然气生产、钛白粉生产、热磷生产、氧化锆生产等活动中，应关注高浓度232Th、228Ra对工作人员带来的辐射剂量影响。

IAEA近年来针对NORM出版了系列会议论文报告，里面包括多个国家对天然放射性物质的研究评价工作[6-7]。在一份关于意大利瓷砖和耐火材料行业的天然放射性物质的报告中，研究评价了天然放射系中关键核素对人员的照射剂量影响，报告选取了232Th、228Ra、228Th为钍系关键核素进行评价，选取了238U、234U、226Ra、230Th、210Po、210Pb为铀系关键核素进行评价。马来西亚NORM废物填埋处置辐射影响评价中，重点关注了废渣中的232Th、228Ra。此外，报告还对锡渣、铝土矿、赤泥、铜矿废水、受钍污染土壤、地表水、地下水等分别进行了研究分析，钍系关注的核素主要集中在232Th、228Ra、228Th上。巴西对当地矿山附近河流中沉积物开展评价时，选取了总钍、228Ra作为评价因子。在对塞内加尔磷酸盐工业工作场所照射剂量进行评价时，重点关注了228Ra的影响。

2.1.3欧盟(EU)

欧盟发布的《欧盟NORM工业流出物和剂量控制-现状评价和建议》[8]指出，在不考虑220Rn、222Rn的情况下，建议在对钍系、铀系、锕-铀系造成的剂量限值进行评价时，主要考虑长寿命核素的影响，并以此进行分组，得到不同的子链段，以各子链段的首要核素作为关键核素进行评估。根据以上原则，得出钍系关键核素为232Th、228Ra、228Th，铀系关键核素为238U、234U、226Ra、230Th、210Po、210Pb。报告给出了几类NORM工业三废中应关注的钍系核素，例如，石油和天然气工业废水中关注228Ra，固体废物中关注228Ra、228Th；二氧化钛颜料工业废水中关注228Ra，固体废物中关注232Th、228Ra、228Th；矿砂工业废气中关注232Th、228Ra、228Th。报告总结了不同飞灰、斜锆石中232Th、228Ra、228Th钍系核素的含量，也给出了一般材料和石油天然气行业污泥中232Th、228Ra、228Th清洁解控水平参考值。

2.1.4其他国际机构

国际放射防护委员会(ICRP)在2001年度的出版物中给出了评价胎儿剂量时应考虑的钍系、铀系、锕-铀系中共计12种核素，其中钍系核素包括为232Th、228Th、228Ra、224Ra。

国际油气生产者协会(OGP)于2008年发布的《石油天然气行业天然放射性物质管理导则》，对油气生产用水、油泥、垢等物料中的232Th、228Ra、224Ra等核素进行了关注和说明[9]。

2.1.5其他国家

美国国家辐射防护委员会(NCRP)在1996年发布的导则中，针对排入水体环境中放射性核素评价的筛选模型，给出了需要考虑的钍系核素为232Th、228Th。美国一项关于石油工业NORM废物处置的研究中指出，在进行剂量计算时，应主要针对衰变链中的主要放射性核素，同时指出，主要放射性核素是指半衰期超过一年的放射性核素。因此，在剂量计算时，钍系核素除了首核素232Th外，还考虑了228Ra、228Th。

加拿大修订后发布的《加拿大天然放射性物质管理导则》明确给出了受职业照射的工作人员年摄入量限值、三废排放中核素浓度排放限值等数据，涉及的钍系核素为232Th、228Th、228Ra，同时对天然放射性物质管理中氡(220Rn和222Rn)的辐射防护情况做了介绍[10]。

澳大利亚在关于含稀土的磷矿加工中天然放射性物质管理课题中，选取了232Th、228Ra、224Ra开展研究；同时认为，在减少员工和公众辐射影响、保护环境方面，对长寿命放射性核素的管控是起到决定性作用的。

南非关于火成岩采选公众照射的研究中，对磷酸盐矿、铜矿、磁铁矿中的232Th、228Ra、228Th三种钍系核素进行评价(在更早的1999年完成的评价中，钍系核素则考虑了232Th、228Ra、228Th、224Ra、212Bi五种核素)。

2.2 国内研究进展

孙庆红在对包头白云鄂博矿开发利用过程中伴生放射性进行研究时[11]，认为半衰期较长的核素对放射性水平起主导作用，因此进行核素筛选时选取了232Th、228Ra、228Th作为钍系关键核素，选取238U、234U、226Ra、230Th、210Po、210Pb作为铀系关键核素，进行剂量计算时钍系同时考虑了220Rn及其子体的辐射影响，计算表明在尾矿库附近，220Rn及其子体所致吸入剂量的贡献最大，白云采矿区、排土场附近220Rn及其子体的剂量贡献也比较显著。

刘森林、潘自强等对中国几个代表性燃煤电厂的气载放射性排放量及其辐射影响进行了初步评价[12]，选取了232Th、228Ra、228Th、220Rn作为钍系关键核素，238U、234U、226Ra、230Th、210Po、210Pb、222Rn作为铀系关键核素。

徐光宪在著作《稀土》中提出[13]，与稀土生产有关的钍系放射性核素主要包括232Th、228Ra、228Th、224Ra、228Ac，并给出了232Th、228Ra、228Th、224Ra年摄入量限值以及空气和食入的导出浓度。

原环境保护部组织制定的指导性文件《矿产资源开发利用辐射环境影响评价专篇格式与内容》的编制说明中，认为在评价中钍系衰变链中应考虑232Th、228Ra、228Th、224Ra、220Rn。

2.3 国内外研究结果

通过对国内外资料的调研可以发现，在对钍系关键核素进行识别时，主要集中在232Th、228Ra、228Th、220Rn上，部分研究还关注了224Ra、212Bi、228Ac。对于关键核素的选取原则或依据，研究资料中并未进一步分析说明，但提出长寿命核素和α放射性是主要考虑依据。

3 关键核素的确定

结合国内外调研情况和专家意见，认为在进行关键核素识别时，应首先考虑长寿命核素，核素的半衰期是确定关键核素的首要依据；其次是考虑核素的放射性毒性，其中主要考虑核素α放射性的影响。

3.1 半衰期

放射性核素衰变掉一半所需要的时间，叫做该放射性核素的半衰期。在天然条件下，子体和母体处于放射性平衡状态。在矿产加工处理过程中，原有的放射性平衡可能会被打破；但由于母体核素和子体核素的衰变特性不同，对于母体半衰期远大于子体半衰期的，在平衡打破一段时间后，又会重新处于放射性平衡状态，最终半衰期较长的核素对辐射影响起主导作用。因此，在确定关键核素时，应主要考虑半衰期较长的核素。调研核素半衰期可知，232Th、228Ra、228Th的半衰期相对较长。

3.2 放射性毒性

放射性核素进入人体内，其带来的辐射对人体产生损伤的程度称为放射性核素毒性，核素的α放射性为首要考虑因素。《电离辐射防护与辐射源安全基该标准》(GB18871—2002)、《密封放射源一般要求和分级》(GB4075—2009)等标准或手册中给出了放射性毒性分组，见表2。

表2 主要钍系核素放射性毒性一览表

注：部分核素标准或手册中未给出；列出的GB4075—2009分类为欧洲原子能联营指导书推荐类别。

尽管220Rn的半衰期比较短(55.6 s)，但220Rn的衰变产物中有一个半衰期相对较长的核素，即212Pb(10.6 h)。在212Pb衰变成重要的α辐射体212Bi(60.5 min)之前，它有时间在各种表面上沉积或从其产生地迁移出去。衰变过程受动力学过程影响，衰变产物会在气溶胶粒子上吸附，随后在室壁及地面上沉积或在空气中运动，还有一部分衰变产物没有与气溶胶粒子结合，处于未结合态。在评价照射的时候，需要考虑220Rn子体中α核素的活度浓度带来的辐射影响。根据UNSCEAR2000报告的计算，220Rn及其子体所致剂量约为222Rn及其子体所致剂量的9%，不容忽视。

UNSCEAR2000报告指出，虽然吸入220Rn所致辐射影响主要来源于220Rn子体，但直接测量220Rn子体比较困难；而220Rn浓度数据的获得较220Rn子体要容易，且成本低、代表性好。通过引入220Rn及其子体平衡因子，可将220Rn与220Rn子体关联起来，在表现形式上可以称为220Rn(或者220Rn及其子体)。

3.3 确定钍系关键核素

从长寿命核素上考虑，232Th、228Ra、228Th是钍系核素中半衰期相对较长的核素；从毒性分级上考虑，228Ra、228Th、220Rn及其子体是钍系核素中毒性较大的核素。因此，以核素的半衰期为首要依据，考虑放射性毒性，参照UNSCEAR、IAEA、欧盟、美国、加拿大等国际机构和国家的研究成果，确定钍系关键核素为232Th、228Ra、228Th、220Rn。