伴生放射性銅礦冶煉輻射影響研究

貝新宇

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029）

伴生放射性礦指含有較高水平天然放射性核素濃度的非鈾礦，國際原子能機(jī)構(gòu)關(guān)于天然放射性物質(zhì)（NORM）管理的最新文件指出，伴生放射性礦包括稀土、鈮/鉭、鋯石和氧化鋯、煤、釩、銅、鎳、鐵礦等［1］。

銅礦作為伴生放射性礦之一，其在生產(chǎn)冶煉等開發(fā)利用過程中，可能會(huì)使天然放射性物質(zhì)局部富集并產(chǎn)生輻射影響。國內(nèi)針對伴生放射性銅礦開發(fā)利用輻射影響的研究相對較少，筆者通過對一銅礦冶煉企業(yè)工藝流程進(jìn)行分析，提出針對性輻射防護(hù)措施，可為同類項(xiàng)目實(shí)施過程中減小輻射影響提供科學(xué)依據(jù)。

1 生產(chǎn)工藝流程

銅礦冶煉企業(yè)采用艾薩熔煉技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。生產(chǎn)工序主要包括備料系統(tǒng)、熔煉系統(tǒng)、吹煉系統(tǒng)、煙氣收塵系統(tǒng)、供風(fēng)供氧系統(tǒng)、煙氣制酸系統(tǒng)等，典型冶煉工藝流程見圖1。僅針對圖1陽極爐（不含）之前的工序進(jìn)行研究，粗銅部分外售、部分進(jìn)入陽極爐進(jìn)一步加工生產(chǎn)。

圖1 典型冶煉工藝流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of the typical smelting process

2 工藝流程放射性特征分析

2.1 物料放射性檢測

根據(jù)典型工藝流程，對各生產(chǎn)工序的物料（電爐渣、艾薩鍋爐塵和轉(zhuǎn)爐渣等）進(jìn)行放射性檢測，主要檢測核素包括238U、232Th、226Ra、40K、210Po和210Pb。各物料中放射性核素檢測結(jié)果最大值見表1。

2.2 檢測結(jié)果分析

國內(nèi)尚未出臺(tái)專門針對銅礦開發(fā)利用的放射性限值標(biāo)準(zhǔn)，綜合梳理相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范［2-5］對檢測結(jié)果進(jìn)行參考性分析。

1）銅精礦樣品中238U、232Th、226Ra、40K、210Pb和210Po含量低于《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18871—2002）規(guī)定的各自豁免活度濃度值，但活度濃度與其豁免值比值之和最高為1.06，不能滿足 “各種放射性核素的活度或活度濃度與其相應(yīng)的豁免活度或豁免活度濃度之比的和小于1”的豁免要求，需納入監(jiān)管。

2）銅精礦樣品中226Ra含量高于 《鈾礦冶輻射防護(hù)和環(huán)境保護(hù)規(guī)定》（GB 23727—2009）560 Bq·kg-1的限值要求，不宜無限制開放使用。

3）參考《有色金屬礦產(chǎn)品的天然放射性限值》（GB 20664—2006），冶煉流程 （含煙氣制酸）各物料中238U、232Th、226Ra和40K含量滿足限值要求。艾薩鍋爐塵、轉(zhuǎn)爐電收塵中210Po、210Pb含量高于限值，轉(zhuǎn)爐電收塵需妥善暫存，不宜外售。

4）參考 《建筑材料放射性核素限量》（GB 6566—2010），電爐渣的內(nèi)、外照射指數(shù)大于1，需妥善暫存不宜外售。

2.3 放射性核素富集特征

根據(jù)表1放射性檢測結(jié)果，入爐后238U系放射性核素及232Th富集特征分述如下。

2.3.1238U系

238U、226Ra在電爐渣、艾薩鍋爐塵中均有不同程度富集，其中電爐渣富集程度最高。電爐渣中238U活度濃度略低于入爐混合料、226Ra活度濃度低于銅精礦。

表1 冶煉流程物料放射性檢測結(jié)果①Table 1 The detected result of material radioactivity in smelting process

210Po在電爐渣、艾薩鍋爐塵和轉(zhuǎn)爐電收塵中有不同程度富集，其中艾薩鍋爐塵富集程度最高，其次是電爐渣。艾薩鍋爐塵中210Po活度濃度與銅精礦高值基本一致，進(jìn)入制酸工藝后，210Po富集程度相對降低。

210Pb在艾薩鍋爐塵、轉(zhuǎn)爐電收塵、硫酸板框及電除塵器污泥中有不同程度富集，其中硫酸板框及電除塵器污泥富集程度最高，其次是艾薩鍋爐塵，兩種物料中210Pb活度濃度均高于銅精礦。

2.3.2232Th

232Th在電爐渣、艾薩鍋爐塵和轉(zhuǎn)爐加返料中有不同程度富集，其中電爐渣富集程度最高。艾薩鍋爐塵、轉(zhuǎn)爐加返料中232Th活度濃度低于銅精礦?？傮w來看，冶煉流程各物料中232Th活度濃度均在區(qū)域土壤本底值范圍內(nèi)（土壤中232Th 本底值： 8.2～206.0 Bq·kg-1）。

3 輻射影響評估

對從事生產(chǎn)、管理并可能接觸到銅精礦及冶煉流程典型部位的工作人員附加劑量進(jìn)行定量分析，計(jì)算評估銅礦冶煉過程輻射影響。

3.1 影響因素

人員附加劑量影響因素涉及γ外照射、222Rn吸入內(nèi)照射和粉塵吸入內(nèi)照射。

3.1.1 γ外照射

γ外照射所致劑量按下列公式計(jì)算：

式中：Hp（d）— γ 外照射所致有效劑量， Sv·a-1；0.7—?jiǎng)┝哭D(zhuǎn)換因子；R—γ劑量率增量，Gy·h-1；T—年工作時(shí)間，h，按3 960 h計(jì)。

冶煉流程各環(huán)節(jié)物料γ劑量率監(jiān)測結(jié)果見表2。

3.1.2222Rn吸入內(nèi)照射

222Rn吸入內(nèi)照射所致劑量按下列公式計(jì)算：

式中：DRn—222Rn吸入內(nèi)照射所致有效劑量，Sv·a-1； CRn—222Rn 平均濃度， Bq·m-3； T—年工作時(shí)間，h；DFRn—222Rn吸入劑量轉(zhuǎn)換因子，Sv（Bq·h·m-3）-1， 見表 3。

222Rn來源于226Ra的衰變，根據(jù)冶煉過程各物料的日用量、物料中226Ra活度濃度計(jì)算得出222Rn排放量見表2。

3.1.3 粉塵吸入內(nèi)照射

粉塵吸入內(nèi)照射所致劑量按下列公式計(jì)算：

表2 冶煉流程各環(huán)節(jié)物料γ劑量率及222Rn排放量Table 2 γ dose rate and222Rn emissions of materials in the whole smelting process

表3 劑量轉(zhuǎn)換因子Table 3 Dose conversion factors

式中：Eα—粉塵吸入內(nèi)照射所致有效劑量，Sv·a-1； Ci—第 i種核素的濃度， Bq·m-3， Ci可根據(jù)各工序粉塵濃度及各物料中第i種核素活動(dòng)濃度（表2）計(jì)算；r—工作人員年空氣攝入量，按1.2 m3·h-1計(jì)算；fi—第i種核素的吸入劑量轉(zhuǎn)換因子， Sv·Bq-1。

根據(jù)《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18871—2002）表B7，吸入劑量轉(zhuǎn)換因子見表4。

表4 吸入劑量轉(zhuǎn)換因子Table 4 Absorbed dose conversion factors

冶煉過程各物料受堆存等操作及風(fēng)的影響，會(huì)產(chǎn)生一定量粉塵，部分工序粉塵濃度見表5。

表5 冶煉工藝流程部分工序粉塵濃度Table 5 Dust concentration in some parts of the smelting process

3.2 人員附加劑量

根據(jù)公式1～3，經(jīng)計(jì)算得出典型工藝流程各工序工作人員附加劑量0.136～2.31 mSv·a-1（表6）。人員附加劑量最高值出現(xiàn)在備料過程的銅精礦， 為 2.31 mSv·a-1。

根據(jù)《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18871—2002），職業(yè)照射劑量限值為20 mSv·a-1，公眾中關(guān)鍵人群組劑量限值為1 mSv·a-1?？紤]為其他照射留有余地，劑量約束值一般取GB 18871—2002劑量限值的1/4，即職業(yè)照射劑量約束值為5 mSv·a-1，公眾個(gè)人劑量約束值為0.25 mSv·a-1。

表6 冶煉流程各環(huán)節(jié)所致工作人員年附加劑量Table 6 Annual additional dose for relevant staff working on each department of the smelting process

計(jì)算結(jié)果表明，工作人員附加劑量滿足職業(yè)照射劑量約束值5 mSv·a-1，但高于公眾個(gè)人劑量約束值0.25 mSv·a-1。銅精礦、艾薩鍋爐塵和電爐渣等重要環(huán)節(jié)均需采取相應(yīng)輻射防護(hù)措施。

3.3 輻射風(fēng)險(xiǎn)

上述內(nèi)容僅針對正常生產(chǎn)情況評估工作人員所受輻射影響。在銅礦冶煉過程中，可能發(fā)生引起輻射風(fēng)險(xiǎn)的突發(fā)性事件或事故，對工作人員、公眾、環(huán)境造成影響或損害，主要包括：1）銅精礦和放射性廢渣在運(yùn)輸、貯存和生產(chǎn)過程中發(fā)生灑落，對周圍環(huán)境造成影響；2）污水出水水質(zhì)未達(dá)標(biāo)，在回用時(shí)使相關(guān)工序放射性水平升高；3）冶煉工藝流程產(chǎn)生的電爐渣、硫酸板框及電除塵器污泥、轉(zhuǎn)爐電收塵為放射水平標(biāo)偏高的廢渣。這些放射性水平偏高的廢渣未能妥善收集暫存，可能引起擴(kuò)散。

4 輻射防保措施

4.1 銅精礦輻射防護(hù)措施

銅精礦在運(yùn)輸過程中應(yīng)有防撒漏、防揚(yáng)塵的措施，在運(yùn)輸?shù)钠瘘c(diǎn)和終點(diǎn)之間，不進(jìn)行裝卸作業(yè)。除司機(jī)、助手、搬運(yùn)與押運(yùn)人員外，不允許搭載其他人員。對銅精礦的運(yùn)輸設(shè)施，如槽車應(yīng)嚴(yán)加管理和維護(hù)，杜絕交通事故的發(fā)生，并制定運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)防范措施。

為減少銅精礦對工作人員產(chǎn)生不必要的照射，需建立封閉原料倉，不宜露天堆放。原料在使用前存放于倉庫中，盡量減少原料在倉庫的存放時(shí)間和存放量，減少工作人員在此停留時(shí)間。

每批次銅精礦都需進(jìn)行放射性檢測，盡量選用品位高、放射性比活度低的原材料，并加強(qiáng)原料運(yùn)輸與入庫管理。

4.2 工作人員輻射防護(hù)措施

冶煉工藝流程各生產(chǎn)工序及放射性水平偏高物料的存儲(chǔ)車間應(yīng)加強(qiáng)通風(fēng)排氣，實(shí)現(xiàn)降塵和防氡。

對于附加劑量高于公眾劑量約束值的工作人員，應(yīng)穿戴好防護(hù)用品（如穿工作服、戴手套和戴口罩等），所用的防護(hù)用品經(jīng)常清洗，不得帶回生活區(qū)；適當(dāng)增加工作人員，進(jìn)行輪班工作制度，減少作業(yè)時(shí)間；定期進(jìn)行個(gè)人劑量監(jiān)測，并按有關(guān)規(guī)定由授權(quán)的醫(yī)療機(jī)構(gòu)對輻射工作人員進(jìn)行定期常規(guī)醫(yī)學(xué)監(jiān)督；建立輻射工作人員健康檔案，不宜從事輻射工作的人員必須及時(shí)改換工作。

4.3 污水處理措施

在實(shí)際生產(chǎn)中定期監(jiān)測，確保出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)，根據(jù)需要設(shè)計(jì)去除放射性核素的工藝流程。

4.4 廢渣防治措施

冶煉工藝流程放射性水平偏高的廢渣包括電爐渣、硫酸板框及電除塵器污泥、轉(zhuǎn)爐電收塵等。應(yīng)參照 《放射性廢物的分類》等相關(guān)要求，按低放射性廢物進(jìn)行管理。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

1）本批次檢測的銅精礦樣品中，各核素活度濃度與其豁免值比值之和高于豁免要求，需納入監(jiān)管，后續(xù)生產(chǎn)對每批次銅精礦都需進(jìn)行放射性檢測；2）銅精礦中的238U、226Ra主要進(jìn)入電爐渣、艾薩鍋爐塵；210Po主要進(jìn)入電爐渣、艾薩鍋爐塵和轉(zhuǎn)爐電收塵；210Pb主要進(jìn)入艾薩鍋爐塵、轉(zhuǎn)爐電收塵、硫酸板框及電除塵器污泥；3）冶煉工藝流程放射性物料集中部位或重點(diǎn)防護(hù)部位包括精礦倉、電爐渣和艾薩鍋爐塵；4）廢渣 （尤其是電爐渣、轉(zhuǎn)爐電收塵、硫酸板框及電除塵器污泥）妥善暫存，在條件成熟時(shí)最終處置；根據(jù)需要研發(fā)相關(guān)污水處理工藝，確保出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)；5）粗銅中放射性核素活度濃度滿足所參考的標(biāo)準(zhǔn)要求；6）對于附加劑量高于公眾劑量約束值的工作人員應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注并采取相應(yīng)措施。

5.2 建議

1）銅礦冶煉廠選址、工作場所布局及分區(qū)除滿足一般性要求外，還應(yīng)充分考慮輻射防護(hù)要求；2）根據(jù)工藝流程各環(huán)節(jié)放射性水平，建立適宜的環(huán)境管理和輻射防護(hù)體系，在機(jī)構(gòu)、經(jīng)費(fèi)、人員、設(shè)備和技術(shù)等方面予以保障；3）定期開展輻射影響監(jiān)測和評價(jià)；4）加強(qiáng)安全教育和培訓(xùn)，防止事故發(fā)生。