1 岩石矿物中的放射性元素

岩石和矿物均不同程度地具有一定的放射性.在自然界存在的65种放射性元素中，大部分非常稀少.岩石的放射性几乎全部是由放射性元素铀、钍、锕以及放射性同位素⁴⁰K衰变产生^[1-2].铀、钍、锕这3个放射性系列，分别由半衰期较长的铀的一种同位素²³⁸U、钍元素²³²Th和铀的另一种同位素²³⁵U衰变开始，衰变过程中产生一系列新的放射性同位素直至变成稳定元素.

2 放射性评价指标

环境中的放射性物质主要以辐射的方式对人体造成伤害，它们发出的射线会破坏机体内的大分子结构，甚至直接破坏细胞和组织结构，给人体造成损伤.高强度辐射会灼伤皮肤，引发白血病和各种癌症，破坏人的生殖技能，严重的能在短期内致死.少量累积照射会引起慢性放射病，使造血器官、心血管系统、内分泌系统和神经系统等受到损害，发病过程往往延续几十年.为了预防过量辐射造成的放射性伤害，需要对环境的放射性强度进行评价，常用的评价指标有活度、吸收剂量、吸收剂量率等（见表 1）^[3].

2.1 活度与比活度

活度指在处于一给定能态的一定量的某种放射性核素的样品在单位时间内衰变掉的原子数.

$ \mathit{A}{\rm{ = }}\mathit{dN}{\rm{/}}\mathit{dm} $

(1)

式中：dN为在时间间隔dt内该核素从该能态发生自发核跃迁数目的期望值.活度的SI单位是秒的倒数（s^－1），称为贝可（Bq）.

比活度，也称为比放射性，指放射源的放射性活度与其质量之比，即单位质量产品中所含某种核素的放射性活度.

2.2 吸收剂量

吸收剂量是指单位质量的组织或器官吸收的辐射能量大小，吸收剂量的单位为戈瑞（Gy），1 Gy相当于辐射授与每千克质量组织或器官的能量为1焦耳.考虑到辐射的类型不同对身体造成伤害程度不同，对不同射线赋不同权重因子，即剂量当量.

天然γ辐射年有效剂量当量的可通过公式进行估算：

$ {H_{\rm{e}}} = {D_{\rm{ \mathit{ γ} }}} \times k \times t $

(2)

其中，H_e为有效剂量当量，单位为Sv；D_γ为地表γ辐射剂量率，单位为Gy/h；k为有效剂量当量率与空气剂量率比值，单位为Sv/Gy；t为环境停留时间，单位为h.

GB18871－02《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》规定，一般公众所接受的年平均有效剂量为1 mSv/a；任何工作人员所接受的5年的平均有效剂量不应超过20 mSv，任何单一年份不应超过50 mSv.

2.3 吸收剂量率

吸收剂量率指单位时间内物质的辐射吸收剂量.环境伽马剂量率指单位时间内物质的伽马辐射吸收剂量, 单位为Gy/h.

若在t到t+dt时间内, 吸收剂量为dD, 则:

$ \mathit{D}{\rm{(}}\mathit{t}{\rm{) = }}\mathit{dD}{\rm{/}}\mathit{dt}. $

(3)

3 燃烧试验及煤的放射性迁移规律

由于煤作为一种可利用的资源, 燃烧后其物质形态及组分存在明显的迁移转化, 一部分物质经过燃烧转变为气态, 一部分物质经过燃烧发生复杂化学变化残留于灰分中.作为影响放射性水平的主要组分²³⁸U、²³²Th、²²⁶Ra、⁴⁰K的迁移对分析含铀煤矿开采利用对环境的放射性影响至关重要, 因此煤田放射性评价应保证放射性安全的煤炭燃烧后其灰分符合环境评价标准.

3.1 试验设计

煤燃烧试验目的是为了测定煤的灰分比, 并取得煤燃烧后相应的灰分, 对煤和所对应的灰分进行²³⁸U、²³²Th、²²⁶Ra、⁴⁰K天然放射性核素的比活度测定, 研究东北地区不同煤田的煤天然放射性核素含量及其使用中的元素迁移规律.

燃烧试验过程中为了减少加工过程中对样品元素产生的干扰, 在煤样粉碎时采取玛瑙研钵进行; 试验在封闭性高的高温燃烧炉中进行, 使得燃烧过程产生的几乎不产生飞灰; 试验过程中将煤样分为相同质量的多份同时进行, 同时测量每份的灰分比, 排除个别样品造成的数据异常.

笔者于2015~2017年采集了康平、沈北、东梁、辽阳、阜新、浑江、舒兰、海拉尔、珲春、凉水、七台河共11个煤矿的原煤样品, 其中康平、沈北、东梁、辽阳、阜新、浑江、七台河为烟煤, 舒兰、海拉尔、珲春、凉水为褐煤.

3.2 燃烧中放射性核素迁移规律

笔者收集到东北地区160件煤的放射性数据, 统计²³⁸U的比活度均值为49.42 Bq/kg; ²³²Th的比活度均值为25.87 Bq/kg; ²²⁶Ra的比活度均值为24.77 Bq/kg; ⁴⁰K的比活度均值为151.70 Bq/kg. 2015~2017年对采集的11组样品开展煤燃烧实验, 测得煤的灰分比及其灰分的²³⁸U、²³²Th、²²⁶Ra、⁴⁰K天然放射性核素的比活度.根据测量结果(表 2)统计, 得到煤中²³⁸U的比活度范围8.48~132.48 Bq/kg, 均值38.64 Bq/kg; ²³²Th的比活度范围6.31~52.14 Bq/kg, 均值23.24 Bq/kg; ²²⁶Ra的比活度范围16.87~48.08 Bq/kg, 均值27.43 Bq/kg; ⁴⁰K的比活度范围16.93~466.39 Bq/kg, 均值, 232.89 Bq/kg.本次²³⁸U、²³²Th、²²⁶Ra、⁴⁰K测量结果与东北地区已有的160件煤均值比较, 偏差分别为10.78、2.63、2.66、81.19 Bq/kg, 测量结果可信度较高.

为了便于开展分析研究, 本文中利用富集因子和灰分比来对比分析煤和煤灰中的放射性核素含量及其迁移规律(见表 3).

放射性核素的富集因子定义为煤灰中某放射性核素的放射性比活度与煤中该放射性核素的放射性比活度的比值^[4].

$ f = {C_{煤灰}}/{C_{煤}} $

(4)

式中: f为富集因子; C_煤、C_煤灰表示煤、煤灰中²³⁸U、²³²Th、²²⁶Ra、⁴⁰K四种放射性核素的放射性比活度(Bq/kg).

煤灰分是指煤完全燃烧后剩下来的固体残渣, 主要有成煤植物中所含的无机元素和煤形成过程中混入伴生的矿物质, 是煤炭质量评级的一个关键指标, 用Ad表示.

将Ad与f相乘即可得到标准化后煤中核素的变化指数.如果其值小于1, 说明化验过程中核素有损失; 如果其值大于1, 说明有外来物质进入造成放射性核素的量增加或者存在测量误差.分析发现, ²³⁸U的变化指数范围为0.88~1.07, ²³²Th的变化指数范围为0.88~1.02, ²²⁶Ra的变化指数范围为0.89~1.05, ²³⁸U的变化指数范围为0.89~1.03.考虑到测量误差以及加工过程中物质分配不均匀情况的存在, 可以认为²³⁸U、²³²Th、²²⁶Ra、⁴⁰K四种核素在燃烧过程中发生挥发及化学反应影响极小, 核素几乎全部富集于灰分中.

在理论燃烧状态下, 假设燃烧无飞灰产生, 煤灰的²³⁸U、²³²Th、²²⁶Ra、⁴⁰K天然放射性核素富集因子与灰分比有直接的关系:

$ Ad \times f \approx 1 $

(5)

3.3 伽马辐射与氡的辐射变化规律

²³⁸U和²²⁶Ra属同一衰变系列, 在没有外部因素作用的情况下, 这两种放射性核素处于放射性平衡, 即同一样品中两种核索的比活度相等.如原矿石, 由于没有雨水、地表水或地下水侵袭, 其U和Ra的比活度相等.

假设在无限大平面煤矿体中, 煤矿处于铀镭平衡状态下, 其造成的伽马射线照射量率, 可以利用Beck公式来估算^[5-7].

$ {D_{\rm{ \mathit{ γ} }}} = 0.427{C_{{\rm{Ra}}}} + 0.662{C_{{\rm{Th}}}} + 0.043{C_{\rm{K}}} $

(6)

即放射性核素(²²⁶Ra、²³²Th和⁴⁰K)在1 m高处产生的空气γ辐射吸收计量率.通过公式可以发现, 环境中伽马辐射与放射源的²²⁶Ra、²³²Th和⁴⁰K比活度呈线性相关.煤灰中²²⁶Ra、²³²Th、⁴⁰K富集也使得其造成的伽马辐射强度成倍增加.

材料中氡气造成的内照射指数计算公式为

$ {I_{{\rm{Ra}}}} = {C_{{\rm{Ra}}}}/200 $

(7)

可以发现物质造成的内照射也与比活度呈线性相关, 煤灰中²²⁶Ra富集使得其造成的内照射辐射强度成倍增加.

3.4 煤的放射性评价指标参考值探讨

原煤的灰分是煤中矿物质(除水分外所有的无机质)在煤完全燃烧过程中经过一系列分解、化合反应后的产物.煤炭质量评价中根据煤的灰分产率不同可以将煤划分为特低灰煤、低灰分煤、低中灰煤、中灰分煤、中高灰煤、高灰分煤(见表 4).

对煤进行的放射性评价, 应充分考虑到煤燃烧后灰分的富集效应, 保证放射性安全的煤炭燃烧后其灰分符合环境评价标准.根据不同灰分分级, 可以按照灰分比和富集因子对各种限量进行调节, 使得煤燃烧成灰后满足相应的评价指标限量(见表 5).

$ {C_{参}} = {C_{标}}/f = {C_{标}} \times Ad $

(8)

$ {H_{{\rm{e参}}}} = {H_{{\rm{e标}}}}/f = {H_{{\rm{e标}}}} \times Ad $

(9)

$ {D_{参}} = {D_{标}}/f = {D_{标}} \times Ad $

(10)

为了可操作性, 将指标限量参考值分为低灰煤、中灰煤、高灰煤.

对Beck公式分析可以发现:煤灰造成的吸收计量率与煤相比也会成比例提高, 与煤的灰分比也成对应关系, 由此可以得出不同灰分等级煤炭γ辐射水平限量参考值(表 6).

4 煤矿放射性评价应用

将评价方法应用于康平、沈北、东梁、辽阳、阜新、浑江、舒兰、海拉尔、珲春、凉水、七台河采集的样品中(见表 7).利用公式(6)计算煤和煤灰产生的伽马辐射, 同时利用公式(2)计算其产生的年辐射剂量, 其中k采用0.7 Sv/Gy.考虑到在环境中最大停留的时间, t采用8760 h, 利用公式(7)计算内辐射指数.

依照现有标准对煤进行评价, 从地表伽马剂量率分析均未达到超标水平, 且远低于174 nGy/h, 伽马辐射水平排序为七台河>辽阳>浑江>凉水>东梁; 外辐射年吸收剂量最大为0.43 mSv; 内照射指数辽阳最高, 七台河、浑江、凉水、东梁次之.

依照现有标准评价对煤灰进行评价, 从地表伽马剂量率分析均未达到超标水平, 但东梁、七台河、辽阳煤灰样品已经接近限量174 nGy/h, 伽马辐射水平排序为七台河>东梁>辽阳>浑江>海拉尔, 外辐射年吸收剂量最大为0.94 mSv; 内照射指数海拉尔最高, 康平、辽阳、东梁次之.

考虑到灰分因素, 利用最新评价参考值对煤进行评价, 七台河属于中等灰分, 吸收剂量率69.55 nGy/h, 略低于评价限量参考值69.6 nGy/h; 外辐射年吸收剂量0.43, 稍大于0.4的限量参考值; 内照射指数均位于0.1~0.4区间.评价排序与煤灰现标准排序一致, 伽马辐射水平排序为七台河>东梁>辽阳>浑江>海拉尔, 内辐射指数排序海拉尔最高, 康平、东梁次之.

5 结论

1) 经过燃烧试验和比活度测量, 发现煤中²³⁸U、²³²Th、²²⁶Ra、⁴⁰K四种核素在燃烧过程中, 以气体形态迁移影响极小, 核素几乎全部富集于灰分中.在理论燃烧状态下, 假设燃烧无飞灰产生, 煤灰的²³⁸U、²³²Th、²²⁶Ra、⁴⁰K天然放射性核素富集因子与灰分比有直接的关系, 即Ad×f≈1.

2) 对放射性核素造成外辐射和内辐射影响权重分析认为, 煤燃烧后产生的灰分外辐射与内辐射水平会同步提高.外辐射水平的影响因素为煤的²³²Th、²²⁶Ra、⁴⁰K比活度以及灰分比, 内辐射水平的影响因素为煤的²²⁶Ra和灰分比.

3) 对含煤岩系放射性环境评价指标进行探索, 利用灰分比和富集因子对评价指标做相应调整获得参考标准, 对煤进行放射性评价, 考虑了煤燃烧后其组分的迁移富集, 得到的评价结果基本上可以反映煤灰的辐射水平.辐射水平排序与实际测量结果基本一致.