柏學(xué)凱，孫 娟，連國(guó)璽，劉曉超，路曉衛(wèi)

(中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司，河北 石家莊 050021)

2013年，原環(huán)境保護(hù)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(guó)伴生放射性礦輻射環(huán)評(píng)工作的開展奠定了重要的政策基礎(chǔ)。通知明確要求，對(duì)名錄中達(dá)到一定比活度的礦產(chǎn)資源開發(fā)利用項(xiàng)目需編制輻射環(huán)境影響評(píng)價(jià)專篇。伴生放射性礦通常伴生鈾系和(或)釷系核素，評(píng)價(jià)時(shí)需根據(jù)礦產(chǎn)資源的伴生特點(diǎn)選擇性評(píng)價(jià)或綜合評(píng)價(jià)。中國(guó)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(píng)價(jià)工作，相關(guān)技術(shù)體系比較成熟。因此，對(duì)鈾系核素的評(píng)價(jià)可借鑒鈾礦冶行業(yè)進(jìn)行；但對(duì)于釷系核素，目前相關(guān)研究及評(píng)價(jià)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(xiàng)目的輻射安全管理、環(huán)境影響評(píng)價(jià)以及環(huán)境污染防治提供科學(xué)依據(jù)，迫切需要對(duì)釷系核素的輻射評(píng)價(jià)開展相關(guān)研究，而首要工作就是確定需要評(píng)價(jià)的關(guān)鍵核素。

1 釷系核素概述

自然界中存在三個(gè)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(gè)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(dú)存在時(shí)衰變都較快，但它們維系在長(zhǎng)期平衡體系內(nèi)時(shí)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(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

2.1 國(guó)外研究進(jìn)展

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

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

UNSCEAR1977報(bào)告和UNSCEAR1982報(bào)告對(duì)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(jìn)行了研究。在UNSCEAR1982報(bào)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(bào)告中，在確定食入物質(zhì)和空氣中的放射性濃度時(shí)，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(guó)內(nèi)外研究評(píng)價(jià)中廣泛認(rèn)可的鈾系關(guān)鍵核素[1]。

UNSCEAR1993報(bào)告中，在介紹開采工業(yè)的天然放射性時(shí)，釷系核素也是以232Th、228Ra、228Th為研究對(duì)象[2]。同時(shí)，報(bào)告指出，在232Th濃度高的地方，應(yīng)考慮220Rn及其子體的照射。報(bào)告根據(jù)當(dāng)時(shí)掌握的參數(shù)估算了相當(dāng)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(bào)告中，列舉了國(guó)際放射防護(hù)委員會(huì)(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(bào)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(bào)告相同?？梢钥闯觯瑘?bào)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(jìn)行分析討論。此外，報(bào)告認(rèn)為，在評(píng)價(jià)照射時(shí)需要考慮220Rn子體中α核素的活度濃度帶來的輻射影響。報(bào)告通過更加準(zhǔn)確地計(jì)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(bào)告給出的比例提高了一半[3]。

UNSCEAR2006報(bào)告中，特別關(guān)注了220Rn，并對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了研究總結(jié)[4]。

UNSCEAR2008報(bào)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(bào)告還對(duì)針對(duì)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(bào)告對(duì)稀土(獨(dú)居石)生產(chǎn)過程220Rn及其子體所致劑量進(jìn)行了計(jì)算。后續(xù)的報(bào)告中則沿用了前期成果。

2.1.2國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)

IAEA SRS—49號(hào)安全報(bào)告，分析、匯總了可能需要進(jìn)行輻射防護(hù)控制的NORM工業(yè)工作人員的受照劑量，認(rèn)為在獨(dú)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(dòng)中，應(yīng)關(guān)注高濃度232Th、228Ra對(duì)工作人員帶來的輻射劑量影響。

IAEA近年來針對(duì)NORM出版了系列會(huì)議論文報(bào)告，里面包括多個(gè)國(guó)家對(duì)天然放射性物質(zhì)的研究評(píng)價(jià)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(bào)告中，研究評(píng)價(jià)了天然放射系中關(guān)鍵核素對(duì)人員的照射劑量影響，報(bào)告選取了232Th、228Ra、228Th為釷系關(guān)鍵核素進(jìn)行評(píng)價(jià)，選取了238U、234U、226Ra、230Th、210Po、210Pb為鈾系關(guān)鍵核素進(jìn)行評(píng)價(jià)。馬來西亞NORM廢物填埋處置輻射影響評(píng)價(jià)中，重點(diǎn)關(guān)注了廢渣中的232Th、228Ra。此外，報(bào)告還對(duì)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(jìn)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(duì)當(dāng)?shù)氐V山附近河流中沉積物開展評(píng)價(jià)時(shí)，選取了總釷、228Ra作為評(píng)價(jià)因子。在對(duì)塞內(nèi)加爾磷酸鹽工業(yè)工作場(chǎng)所照射劑量進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，重點(diǎn)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(píng)價(jià)和建議》[8]指出，在不考慮220Rn、222Rn的情況下，建議在對(duì)釷系、鈾系、錒-鈾系造成的劑量限值進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，主要考慮長(zhǎng)壽命核素的影響，并以此進(jìn)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(jìn)行評(píng)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(bào)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(bào)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(guó)際機(jī)構(gòu)

國(guó)際放射防護(hù)委員會(huì)(ICRP)在2001年度的出版物中給出了評(píng)價(jià)胎兒劑量時(shí)應(yīng)考慮的釷系、鈾系、錒-鈾系中共計(jì)12種核素，其中釷系核素包括為232Th、228Th、228Ra、224Ra。

國(guó)際油氣生產(chǎn)者協(xié)會(huì)(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(duì)油氣生產(chǎn)用水、油泥、垢等物料中的232Th、228Ra、224Ra等核素進(jìn)行了關(guān)注和說明[9]。

2.1.5其他國(guó)家

美國(guó)國(guó)家輻射防護(hù)委員會(huì)(NCRP)在1996年發(fā)布的導(dǎo)則中，針對(duì)排入水體環(huán)境中放射性核素評(píng)價(jià)的篩選模型，給出了需要考慮的釷系核素為232Th、228Th。美國(guó)一項(xiàng)關(guān)于石油工業(yè)NORM廢物處置的研究中指出，在進(jìn)行劑量計(jì)算時(shí)，應(yīng)主要針對(duì)衰變鏈中的主要放射性核素，同時(shí)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(jì)算時(shí)，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(shí)對(duì)天然放射性物質(zhì)管理中氡(220Rn和222Rn)的輻射防護(hù)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(shí)認(rèn)為，在減少員工和公眾輻射影響、保護(hù)環(huán)境方面，對(duì)長(zhǎng)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(duì)磷酸鹽礦、銅礦、磁鐵礦中的232Th、228Ra、228Th三種釷系核素進(jìn)行評(píng)價(jià)(在更早的1999年完成的評(píng)價(jià)中，釷系核素則考慮了232Th、228Ra、228Th、224Ra、212Bi五種核素)。

2.2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

孫慶紅在對(duì)包頭白云鄂博礦開發(fā)利用過程中伴生放射性進(jìn)行研究時(shí)[11]，認(rèn)為半衰期較長(zhǎng)的核素對(duì)放射性水平起主導(dǎo)作用，因此進(jìn)行核素篩選時(shí)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(jìn)行劑量計(jì)算時(shí)釷系同時(shí)考慮了220Rn及其子體的輻射影響，計(jì)算表明在尾礦庫(kù)附近，220Rn及其子體所致吸入劑量的貢獻(xiàn)最大，白云采礦區(qū)、排土場(chǎng)附近220Rn及其子體的劑量貢獻(xiàn)也比較顯著。

劉森林、潘自強(qiáng)等對(duì)中國(guó)幾個(gè)代表性燃煤電廠的氣載放射性排放量及其輻射影響進(jìn)行了初步評(píng)價(jià)[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(hù)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(píng)價(jià)專篇格式與內(nèi)容》的編制說明中，認(rèn)為在評(píng)價(jià)中釷系衰變鏈中應(yīng)考慮232Th、228Ra、228Th、224Ra、220Rn。

2.3 國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外資料的調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)，在對(duì)釷系關(guān)鍵核素進(jìn)行識(shí)別時(shí)，主要集中在232Th、228Ra、228Th、220Rn上，部分研究還關(guān)注了224Ra、212Bi、228Ac。對(duì)于關(guān)鍵核素的選取原則或依據(jù)，研究資料中并未進(jìn)一步分析說明，但提出長(zhǎng)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(guó)內(nèi)外調(diào)研情況和專家意見，認(rèn)為在進(jìn)行關(guān)鍵核素識(shí)別時(shí)，應(yīng)首先考慮長(zhǎng)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(shí)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(huì)被打破；但由于母體核素和子體核素的衰變特性不同，對(duì)于母體半衰期遠(yuǎn)大于子體半衰期的，在平衡打破一段時(shí)間后，又會(huì)重新處于放射性平衡狀態(tài)，最終半衰期較長(zhǎng)的核素對(duì)輻射影響起主導(dǎo)作用。因此，在確定關(guān)鍵核素時(shí)，應(yīng)主要考慮半衰期較長(zhǎng)的核素。調(diào)研核素半衰期可知，232Th、228Ra、228Th的半衰期相對(duì)較長(zhǎng)。

3.2 放射性毒性

放射性核素進(jìn)入人體內(nèi)，其帶來的輻射對(duì)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(hù)與輻射源安全基該標(biāo)準(zhǔn)》(GB18871—2002)、《密封放射源 一般要求和分級(jí)》(GB4075—2009)等標(biāo)準(zhǔn)或手冊(cè)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(biāo)準(zhǔn)或手冊(cè)中未給出；列出的GB4075—2009分類為歐洲原子能聯(lián)營(yíng)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(gè)半衰期相對(duì)較長(zhǎng)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(shí)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(dòng)力學(xué)過程影響，衰變產(chǎn)物會(huì)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(yùn)動(dòng)，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(píng)價(jià)照射的時(shí)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(bào)告的計(jì)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(bào)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(cè)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(zhǎng)壽命核素上考慮，232Th、228Ra、228Th是釷系核素中半衰期相對(duì)較長(zhǎng)的核素；從毒性分級(jí)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(guó)、加拿大等國(guó)際機(jī)構(gòu)和國(guó)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(guó)際相關(guān)機(jī)構(gòu)和國(guó)家在伴生放射性礦方面的研究評(píng)價(jià)工作，結(jié)合中國(guó)實(shí)際情況，考慮監(jiān)測(cè)能力等因素，進(jìn)一步論證、優(yōu)化釷系關(guān)鍵核素。