伴生放射性礦輻射環(huán)境影響評價中釷系關(guān)鍵核素的確定

柏學(xué)凱，孫 娟，連國璽，劉曉超，路曉衛(wèi)

(中核第四研究設(shè)計工程有限公司，河北 石家莊 050021)

2013年，原環(huán)境保護部印發(fā)了《關(guān)于發(fā)布〈礦產(chǎn)資源開發(fā)利用輻射環(huán)境監(jiān)督管理名錄(第一批)〉的通知》，為中國伴生放射性礦輻射環(huán)評工作的開展奠定了重要的政策基礎(chǔ)。通知明確要求，對名錄中達到一定比活度的礦產(chǎn)資源開發(fā)利用項目需編制輻射環(huán)境影響評價專篇。伴生放射性礦通常伴生鈾系和(或)釷系核素，評價時需根據(jù)礦產(chǎn)資源的伴生特點選擇性評價或綜合評價。中國鈾礦冶行業(yè)在多年前就開展了鈾系核素的環(huán)境影響評價工作，相關(guān)技術(shù)體系比較成熟。因此，對鈾系核素的評價可借鑒鈾礦冶行業(yè)進行；但對于釷系核素，目前相關(guān)研究及評價工作較少。為了更好地執(zhí)行通知的要求，為伴生放射性礦開發(fā)利用項目的輻射安全管理、環(huán)境影響評價以及環(huán)境污染防治提供科學(xué)依據(jù)，迫切需要對釷系核素的輻射評價開展相關(guān)研究，而首要工作就是確定需要評價的關(guān)鍵核素。

1 釷系核素概述

自然界中存在三個天然放射系，釷系便是其中之一。釷系從母核232Th開始，經(jīng)過10次連續(xù)衰變最后到穩(wěn)定核素208Pb，整個衰變鏈共包含232Th、228Ra、228Ac、228Th、224Ra、220Rn、216Po、212Pb、212Bi、212Po、208Tl、208Pb等核素，其中220Rn為氣態(tài)核素。自然界中的232Th及其子體是平衡的，雖然釷系中除232Th外的其他核素在單獨存在時衰變都較快，但它們維系在長期平衡體系內(nèi)時可保存至今。這些核素大多具有α放射性，少數(shù)具有β放射性，大多都伴有γ輻射。釷系核素衰變參數(shù)見表1，釷系核素衰變綱圖如圖1所示。

表1 釷系核素衰變參數(shù)

續(xù)表1

圖1 釷系核素衰變綱圖

2 國內(nèi)外研究進展

2.1 國外研究進展

2.1.1聯(lián)合國原子輻射效應(yīng)科學(xué)委員會(UNSCEAR)

在UNSCEAR連續(xù)多年針對天然輻射源的報告中，多次對釷系核素進行研究討論。

UNSCEAR1977報告和UNSCEAR1982報告對伴生放射性的礦產(chǎn)資源如磷酸鹽、煤等的232Th的比活度和劑量情況進行了研究。在UNSCEAR1982報告中，研究給出了某燃煤電廠產(chǎn)生的灰和爐渣中232Th、228Ra、228Th的比活度，以及部分地區(qū)220Rn及其子體造成的年有效劑量情況。

UNSCEAR1988報告中，在確定食入物質(zhì)和空氣中的放射性濃度時，給出了食物和空氣中天然放射性核素參考濃度。放射性核素包括釷系、鈾系、錒-鈾系中的主要核素，其中：釷系給出了232Th、228Ra、228Th的數(shù)據(jù)；鈾系給出了238U、234U、226Ra、230Th、210Po、210Pb的數(shù)據(jù)，這也是目前國內(nèi)外研究評價中廣泛認可的鈾系關(guān)鍵核素[1]。

UNSCEAR1993報告中，在介紹開采工業(yè)的天然放射性時，釷系核素也是以232Th、228Ra、228Th為研究對象[2]。同時，報告指出，在232Th濃度高的地方，應(yīng)考慮220Rn及其子體的照射。報告根據(jù)當時掌握的參數(shù)估算了相當于世界平均濃度的年有效劑量，來自220Rn及其子體所致年有效劑量約為0.07 mSv，來自222Rn及其子體所致年有效劑量約為1.2 mSv，220Rn及其子體所致年有效劑量約為222Rn及其子體所致劑量的6%，因此，不應(yīng)忽略220Rn及其子體的照射。

UNSCEAR2000報告中，列舉了國際放射防護委員會(ICRP)根據(jù)最新的代謝數(shù)據(jù)和模式估算的通過食入途徑攝入的單位核素劑量，報告結(jié)合ICRP的成果給出了不同核素不同年齡組的食入劑量轉(zhuǎn)換因子，釷系給出了232Th、228Ra、228Th的食入劑量轉(zhuǎn)換因子，所關(guān)注核素與之前報告相同?？梢钥闯?，報告中食入途徑的相關(guān)研究均以232Th、228Ra、228Th作為釷系關(guān)鍵核素進行分析討論。此外，報告認為，在評價照射時需要考慮220Rn子體中α核素的活度濃度帶來的輻射影響。報告通過更加準確地計算，得到了來自220Rn及其子體所致劑量約為0.1 mSv，來自222Rn及其子體所致劑量約為1.15 mSv，220Rn及其子體所致劑量約為222Rn及其子體所致劑量的9%，這比UNSCEAR1993報告給出的比例提高了一半[3]。

UNSCEAR2006報告中，特別關(guān)注了220Rn，并對相關(guān)參數(shù)進行了研究總結(jié)[4]。

UNSCEAR2008報告中，再次給出了釷系核素232Th、228Ra、228Th在空氣中的濃度；專門介紹了在石油、天然氣開采過程產(chǎn)生的沉淀物中228Ra、228Th的濃度情況[5]。此外，報告還對針對232Th、228Ra、228Th給出了食入劑量轉(zhuǎn)換因子和人體組織中的核素濃度，相關(guān)參數(shù)與UNSCEAR2000的數(shù)據(jù)一致。此外，報告對稀土(獨居石)生產(chǎn)過程220Rn及其子體所致劑量進行了計算。后續(xù)的報告中則沿用了前期成果。

2.1.2國際原子能機構(gòu)(IAEA)

IAEA SRS—49號安全報告，分析、匯總了可能需要進行輻射防護控制的NORM工業(yè)工作人員的受照劑量，認為在獨居石提取稀土、含釷化合物生產(chǎn)制造、鈮鉭礦加工、石油和天然氣生產(chǎn)、鈦白粉生產(chǎn)、熱磷生產(chǎn)、氧化鋯生產(chǎn)等活動中，應(yīng)關(guān)注高濃度232Th、228Ra對工作人員帶來的輻射劑量影響。

IAEA近年來針對NORM出版了系列會議論文報告，里面包括多個國家對天然放射性物質(zhì)的研究評價工作[6-7]。在一份關(guān)于意大利瓷磚和耐火材料行業(yè)的天然放射性物質(zhì)的報告中，研究評價了天然放射系中關(guān)鍵核素對人員的照射劑量影響，報告選取了232Th、228Ra、228Th為釷系關(guān)鍵核素進行評價，選取了238U、234U、226Ra、230Th、210Po、210Pb為鈾系關(guān)鍵核素進行評價。馬來西亞NORM廢物填埋處置輻射影響評價中，重點關(guān)注了廢渣中的232Th、228Ra。此外，報告還對錫渣、鋁土礦、赤泥、銅礦廢水、受釷污染土壤、地表水、地下水等分別進行了研究分析，釷系關(guān)注的核素主要集中在232Th、228Ra、228Th上。巴西對當?shù)氐V山附近河流中沉積物開展評價時，選取了總釷、228Ra作為評價因子。在對塞內(nèi)加爾磷酸鹽工業(yè)工作場所照射劑量進行評價時，重點關(guān)注了228Ra的影響。

2.1.3歐盟(EU)

歐盟發(fā)布的《歐盟NORM工業(yè)流出物和劑量控制-現(xiàn)狀評價和建議》[8]指出，在不考慮220Rn、222Rn的情況下，建議在對釷系、鈾系、錒-鈾系造成的劑量限值進行評價時，主要考慮長壽命核素的影響，并以此進行分組，得到不同的子鏈段，以各子鏈段的首要核素作為關(guān)鍵核素進行評估。根據(jù)以上原則，得出釷系關(guān)鍵核素為232Th、228Ra、228Th，鈾系關(guān)鍵核素為238U、234U、226Ra、230Th、210Po、210Pb。報告給出了幾類NORM工業(yè)三廢中應(yīng)關(guān)注的釷系核素，例如，石油和天然氣工業(yè)廢水中關(guān)注228Ra，固體廢物中關(guān)注228Ra、228Th；二氧化鈦顏料工業(yè)廢水中關(guān)注228Ra，固體廢物中關(guān)注232Th、228Ra、228Th；礦砂工業(yè)廢氣中關(guān)注232Th、228Ra、228Th。報告總結(jié)了不同飛灰、斜鋯石中232Th、228Ra、228Th釷系核素的含量，也給出了一般材料和石油天然氣行業(yè)污泥中232Th、228Ra、228Th清潔解控水平參考值。

2.1.4其他國際機構(gòu)

國際放射防護委員會(ICRP)在2001年度的出版物中給出了評價胎兒劑量時應(yīng)考慮的釷系、鈾系、錒-鈾系中共計12種核素，其中釷系核素包括為232Th、228Th、228Ra、224Ra。

國際油氣生產(chǎn)者協(xié)會(OGP)于2008年發(fā)布的《石油天然氣行業(yè)天然放射性物質(zhì)管理導(dǎo)則》，對油氣生產(chǎn)用水、油泥、垢等物料中的232Th、228Ra、224Ra等核素進行了關(guān)注和說明[9]。

2.1.5其他國家

美國國家輻射防護委員會(NCRP)在1996年發(fā)布的導(dǎo)則中，針對排入水體環(huán)境中放射性核素評價的篩選模型，給出了需要考慮的釷系核素為232Th、228Th。美國一項關(guān)于石油工業(yè)NORM廢物處置的研究中指出，在進行劑量計算時，應(yīng)主要針對衰變鏈中的主要放射性核素，同時指出，主要放射性核素是指半衰期超過一年的放射性核素。因此，在劑量計算時，釷系核素除了首核素232Th外，還考慮了228Ra、228Th。

加拿大修訂后發(fā)布的《加拿大天然放射性物質(zhì)管理導(dǎo)則》明確給出了受職業(yè)照射的工作人員年攝入量限值、三廢排放中核素濃度排放限值等數(shù)據(jù)，涉及的釷系核素為232Th、228Th、228Ra，同時對天然放射性物質(zhì)管理中氡(220Rn和222Rn)的輻射防護情況做了介紹[10]。

澳大利亞在關(guān)于含稀土的磷礦加工中天然放射性物質(zhì)管理課題中，選取了232Th、228Ra、224Ra開展研究；同時認為，在減少員工和公眾輻射影響、保護環(huán)境方面，對長壽命放射性核素的管控是起到?jīng)Q定性作用的。

南非關(guān)于火成巖采選公眾照射的研究中，對磷酸鹽礦、銅礦、磁鐵礦中的232Th、228Ra、228Th三種釷系核素進行評價(在更早的1999年完成的評價中，釷系核素則考慮了232Th、228Ra、228Th、224Ra、212Bi五種核素)。

2.2 國內(nèi)研究進展

孫慶紅在對包頭白云鄂博礦開發(fā)利用過程中伴生放射性進行研究時[11]，認為半衰期較長的核素對放射性水平起主導(dǎo)作用，因此進行核素篩選時選取了232Th、228Ra、228Th作為釷系關(guān)鍵核素，選取238U、234U、226Ra、230Th、210Po、210Pb作為鈾系關(guān)鍵核素，進行劑量計算時釷系同時考慮了220Rn及其子體的輻射影響，計算表明在尾礦庫附近，220Rn及其子體所致吸入劑量的貢獻最大，白云采礦區(qū)、排土場附近220Rn及其子體的劑量貢獻也比較顯著。

劉森林、潘自強等對中國幾個代表性燃煤電廠的氣載放射性排放量及其輻射影響進行了初步評價[12]，選取了232Th、228Ra、228Th、220Rn作為釷系關(guān)鍵核素，238U、234U、226Ra、230Th、210Po、210Pb、222Rn作為鈾系關(guān)鍵核素。

徐光憲在著作《稀土》中提出[13]，與稀土生產(chǎn)有關(guān)的釷系放射性核素主要包括232Th、228Ra、228Th、224Ra、228Ac，并給出了232Th、228Ra、228Th、224Ra年攝入量限值以及空氣和食入的導(dǎo)出濃度。

原環(huán)境保護部組織制定的指導(dǎo)性文件《礦產(chǎn)資源開發(fā)利用輻射環(huán)境影響評價專篇格式與內(nèi)容》的編制說明中，認為在評價中釷系衰變鏈中應(yīng)考慮232Th、228Ra、228Th、224Ra、220Rn。

2.3 國內(nèi)外研究結(jié)果

通過對國內(nèi)外資料的調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)，在對釷系關(guān)鍵核素進行識別時，主要集中在232Th、228Ra、228Th、220Rn上，部分研究還關(guān)注了224Ra、212Bi、228Ac。對于關(guān)鍵核素的選取原則或依據(jù)，研究資料中并未進一步分析說明，但提出長壽命核素和α放射性是主要考慮依據(jù)。

3 關(guān)鍵核素的確定

結(jié)合國內(nèi)外調(diào)研情況和專家意見，認為在進行關(guān)鍵核素識別時，應(yīng)首先考慮長壽命核素，核素的半衰期是確定關(guān)鍵核素的首要依據(jù)；其次是考慮核素的放射性毒性，其中主要考慮核素α放射性的影響。

3.1 半衰期

放射性核素衰變掉一半所需要的時間，叫做該放射性核素的半衰期。在天然條件下，子體和母體處于放射性平衡狀態(tài)。在礦產(chǎn)加工處理過程中，原有的放射性平衡可能會被打破；但由于母體核素和子體核素的衰變特性不同，對于母體半衰期遠大于子體半衰期的，在平衡打破一段時間后，又會重新處于放射性平衡狀態(tài)，最終半衰期較長的核素對輻射影響起主導(dǎo)作用。因此，在確定關(guān)鍵核素時，應(yīng)主要考慮半衰期較長的核素。調(diào)研核素半衰期可知，232Th、228Ra、228Th的半衰期相對較長。

3.2 放射性毒性

放射性核素進入人體內(nèi)，其帶來的輻射對人體產(chǎn)生損傷的程度稱為放射性核素毒性，核素的α放射性為首要考慮因素?！峨婋x輻射防護與輻射源安全基該標準》(GB18871—2002)、《密封放射源 一般要求和分級》(GB4075—2009)等標準或手冊中給出了放射性毒性分組，見表2。

表2 主要釷系核素放射性毒性一覽表

注：部分核素標準或手冊中未給出；列出的GB4075—2009分類為歐洲原子能聯(lián)營指導(dǎo)書推薦類別。

盡管220Rn的半衰期比較短(55.6 s)，但220Rn的衰變產(chǎn)物中有一個半衰期相對較長的核素，即212Pb(10.6 h)。在212Pb衰變成重要的α輻射體212Bi(60.5 min)之前，它有時間在各種表面上沉積或從其產(chǎn)生地遷移出去。衰變過程受動力學(xué)過程影響，衰變產(chǎn)物會在氣溶膠粒子上吸附，隨后在室壁及地面上沉積或在空氣中運動，還有一部分衰變產(chǎn)物沒有與氣溶膠粒子結(jié)合，處于未結(jié)合態(tài)。在評價照射的時候，需要考慮220Rn子體中α核素的活度濃度帶來的輻射影響。根據(jù)UNSCEAR2000報告的計算，220Rn及其子體所致劑量約為222Rn及其子體所致劑量的9%，不容忽視。

UNSCEAR2000報告指出，雖然吸入220Rn所致輻射影響主要來源于220Rn子體，但直接測量220Rn子體比較困難；而220Rn濃度數(shù)據(jù)的獲得較220Rn子體要容易，且成本低、代表性好。通過引入220Rn及其子體平衡因子，可將220Rn與220Rn子體關(guān)聯(lián)起來，在表現(xiàn)形式上可以稱為220Rn(或者220Rn及其子體)。

3.3 確定釷系關(guān)鍵核素

從長壽命核素上考慮，232Th、228Ra、228Th是釷系核素中半衰期相對較長的核素；從毒性分級上考慮，228Ra、228Th、220Rn及其子體是釷系核素中毒性較大的核素。因此，以核素的半衰期為首要依據(jù)，考慮放射性毒性，參照UNSCEAR、IAEA、歐盟、美國、加拿大等國際機構(gòu)和國家的研究成果，確定釷系關(guān)鍵核素為232Th、228Ra、228Th、220Rn。

4 建議

密切跟蹤國際相關(guān)機構(gòu)和國家在伴生放射性礦方面的研究評價工作，結(jié)合中國實際情況，考慮監(jiān)測能力等因素，進一步論證、優(yōu)化釷系關(guān)鍵核素。