基于层次分析法的伴生矿钍系关键核素研究

2022-07-27何占飞连国玺苏晓书靳士科宋旺旺陈乐宁

铀矿冶 2022年3期

何占飞，连国玺，苏晓书，靳士科，宋旺旺，陈乐宁

(中核第四研究设计工程有限公司，河北石家庄 050021)

中国矿产资源丰富、种类繁多，其中许多矿产资源伴生铀、钍等放射性核素，例如稀土矿、铌钽矿、锆矿、钒矿、煤矿、磷矿等。在这些资源的开发利用过程中，放射性核素在不同的生产环节迁移转化，并在产品或废物中富集。随着这类矿产资源采选、冶炼等工作的开展，可能会给环境带来放射性污染。

当前，中国对铀系核素的辐射环境影响评价比较完善；而在钍系核素方面，不同单位进行分析评价时，选取的关键核素不尽相同，不但给管理部门监管、审查带来了困难，也不利于该类项目咨询、环评、设计等工作的开展，是中国辐射环境管理与评价亟需解决的问题。

国内外对钍系关键核素进行识别时，主要集中在232Th、228Ra、228Th、224Ra、220Rn等核素[1-9]，识别依据主要为核素半衰期、放射性毒性和α放射性[10]295，识别过程带有一定的主观性，缺少对关键指标量化的依据。本研究将核素物理特性、化学特性和生物效应作为识别钍系关键核素的主要因素，采用层次分析法确定各指标权重，对钍系各核素的相对重要性进行定量计算，从而确定钍系关键核素。

1 研究对象

天然放射性钍系从母核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13种核素，分别为232Th、228Ra、228Ac、228Th、224Ra、220Rn、216Po、212Pb、216At、212Bi、212Po、208Tl、208Pb，其中220Rn为气态核素。钍系核素特点见表1[11-12]。

表1 钍系核素特点Table 1 The characteristics of thorium series nuclides

钍系核素除232Th、228Ra、228Th半衰期较长外，其余核素均为短半衰期核素。钍系核素大多具有α放射性，少数具有β放射性。钍系核素中228Ra、228Ac、228Th、224Ra、212Bi毒性较高，其余核素毒性较低。在生物效应方面，由于各核素在不同的土壤植被(食物)中的迁移转换系数不同，因此在生物效应方面主要考虑剂量转换因子的影响，其中232Th、228Ra、228Th、224Ra的剂量转换因子在钍系核素中相对较高。

2 层次分析法

层次分析法简称AHP，是定性和定量相结合的系统化、层次化的分析方法，是决策者按照人类决策过程的“分解—判断—综合”的思维特点，对复杂系统的决策思维过程模型化、数量化的过程，其实质是1种通过确定权重进行系统综合的方法[13]。

层次分析法的计算步骤一般为建立层次结构、构造判断矩阵、层次单排序、层次总排序，以及一致性检验[14]52。

2.1 建立层次结构模型

研究项目的目标、准则和决策对象，根据相互关系可分为目标层、准则层、指标层和方案层。目标层是决策要解决的问题，即根据对人体产生危害的程度来识别伴生矿钍系关键核素。准则层是采取的方案、措施和规范，包括需考虑的因素、决策的准则，即识别伴生矿钍系关键核素的影响因素，主要为核素的物理特性、化学特性及生物效应；子准则为半衰期、核素衰变类型、毒性和剂量转换因子。方案层是实现目标可供选择的措施和方案，即通过建立判断矩阵计算出钍系各种核素综合权重，筛选出辐射环境管理及环境影响评价需关注的钍系关键核素。钍系关键核素筛选层次结构模型如图1所示。

图1 钍系关键核素筛选层次结构模型Fig. 1 Hierarchical structure model for screening the key nuclides of thorium series

2.2 构造判断矩阵

判断矩阵的基本形式为

判断矩阵表示本层次的有关要素对于上一层次某个要素的相对重要性，bij是i元素对j元素的相对重要性，按照九级标度体系规定，其标度方法[14]52见表2。

表2 AHP标度法及其描述Table 2 AHP scaling method and its description

依据伴生矿钍系关键核素筛选层次结构模型，基于以上原则本次需分别建立以A、B和C为准则的3个层次矩阵，即B层次、C层次和D层次。B层次需建立A—B判断矩阵，C层次需建立B1—C、B2—C、B3—C判断矩阵，D层次需建立C1—D、C2—D、C3—D、C4—D和C5—D判断矩阵。其中，B1—C、B2—C、B3—C、C1—D矩阵只有1～2个指标，不需建立判断矩阵，通过咨询相关专家经验直接判断权重，本研究将半衰期和衰变类型、吸入剂量转换因子和食入剂量转换因子、长半衰期和短半衰期的权重比分别设置为0.8∶0.2，0.9∶0.1和0.7∶0.3。其余判断矩阵见表3～6。