随着我国进一步实施改革开放政策和国际间贸易的迅速发展, 我国矿产品贸易迅速增长的同时也带来了一些环境问题, 其中较为典型的是放射性污染问题。近年来对全国口岸进口矿产品监管情况表明:多批有色金属矿产品放射性严重超标, 有些矿产品的放射性水平超过国家标准的几倍、几十倍, 甚至几百倍, 部分矿产品中甚至夹带有人工放射性核素。这些放射性超标的矿产品在进口时往往没有标识任何危险标识, 也没有采取任何防护措施, 如果对其达不到有效的监测, 导致其进入生产和流通领域, 将会给我国工业生产和人民生命健康带来不可估量的损害^{[1, 2]}。因此, 对进口有色金属矿产品的放射性进行有效的监控显得意义非凡。然而, 长期以来, 口岸对进口矿产品放射性的监控一直沿袭了人工检测的方式, 这种传统的检测方式存在明显的弊端:一方面, 检测效率低下, 且对"放射性热点"难以排查; 另一方面, 一旦出现进口有色金属矿产品放射性超标事件, 尤其是放射性剂量率严重超标的事件, 对现场检测工作人员以及其他与矿产品有接触的相关人员的身体健康产生潜在的和无法估量的不良影响。因此, 口岸对进口有色金属矿产品实施远程放射性监控的需求显得极为迫切。

基于此, 本文提出了一种新的监测方式, 即在口岸的泊位旁安装γ探测器监控进口有色金属矿产品放射性, 并全面论证了该监测方案的可行性。采用该监测方案将有利于实现进口矿产品的远程放射性监控。

1 泊位旁安装γ探测器监控的具体方案

在口岸泊位旁一定距离范围内的适当位置安装一个高灵敏度的γ射线探测器(可优先选用塑料闪烁体探测器^[3]), 船舶靠岸后, 利用该探测器对船舱内矿产品放射性是否超标进行监测。该方式具有如下优点:①对进港的进口有色金属矿产品船舶均可实时进行放射性监测, 可以实现进口有色金属矿产品放射性监测的全覆盖; ②只需要在靠近泊位的合适位置安装一个高灵敏度的γ射线探测器即可, 监测过程不会对口岸正常的物流造成影响; ③可以在卸货前对进港船舶所装载矿产品的放射性进行自动监测, 如监测到放射性超标矿产品, 可以进行集中处理, 还可防止放射性超标矿产品外泄; ④探测器为固定安装方式, 仪器稳定性高且不易损坏。

考虑到γ射线探测器成本较高, 且其正常运转过程中仍需定期的维护, 从经济性方面考虑, 不可能在每个泊位旁都安装γ射线探测器。比较可行的方法是:挑选1~2个指定泊位, 在风险分析的基础上, 将运载有高放射性风险矿产品的船只停靠在装有γ射线探测器的指定泊位接受放射性监控。

2 有色金属矿的放射性风险 2.1 矿种风险分析

历年来, 口岸出现有色金属矿产品放射性超标事件中, 有色金属矿产品种类主要涉及到铜(精)矿、铅(精)矿、锌(精)矿、稀土矿、锆(精)矿、混合铅锌(精)矿、锡(精)矿、镍(精)矿、钴(精)矿、金(精)矿、钽铌(精)矿^{[4, 5]}, 可以将这些有色金属矿种列为高放风险矿种。

2.2 产地风险分析

矿物的伴生放射性来源于其中所伴生的天然放射性核素, 核素与矿物的伴生与其形成的地质条件有着密不可分的关系^[6], 即有色金属矿产品的放射性与其在矿床中形成的地质条件直接相关, 不同产地出产的有色金属矿产品, 其放射性风险是不同的。高放风险产地可以理解为地质成因上伴生较高浓度核素的有色金属矿产品产地和曾出现过放射性超标事件的有色金属矿产品的原产地两方面。

山东出入境检验检疫局孙健^{[7, 8]}等曾系统分析了世界铜矿床的类型分布, 他们认为, 刚果、赞比亚、坦桑尼亚、莫桑比克、安哥拉、津巴布韦、美国、南澳大利亚州、印度、南非等地出产的铜矿属于高放射性风险类别, 对来自这些国家的进口铜(精)矿之放射性应当重点监控。此外, 全国各口岸出现放射性超标的有色金属矿产品的产地主要集中在非洲的尼日利亚、坦桑尼亚、刚果、赞比亚、南非等地, 朝鲜、俄罗斯、印度、南澳大利亚、蒙古等国出口至我国的有色金属矿产品也曾有放射性超标的案例, 对来自这些国家的相关进口有色金属矿产品之放射性应当重点监控。

2.3 包装风险分析

进口矿产品到达口岸都是通过船运, 但其包装方式不尽相同, 有散装、袋装、桶装、集装箱等包装方式。据不完全统计, 全国各口岸历年来出现的进口有色金属矿产品放射性超标事件, 绝大多数都是采用集装箱包装运输的方式。因此, 在上述矿种预警和产地预警的基础之上, 还应对以集装箱运输的进口有色金属矿产品之放射性应当重点监控。

2.4 有色金属矿产品放射性风险的预警机制

综上所述, 本文提出的进口有色金属矿产品放射性预警机制如图 1所示。

2.4.1 矿种预警

对列入高放风险的有色金属矿产品铜(精)矿、铅(精)矿、锌(精)矿、稀土矿、锆(精)矿、混合铅锌(精)矿、锡(精)矿、镍(精)矿、钴(精)矿、金(精)矿、钽铌(精)矿实施放射性重点监控。

2.4.2 产地预警

对来自尼日利亚、坦桑尼亚、刚果、赞比亚、南非、朝鲜、俄罗斯、印度、南澳大利亚、蒙古等高放风险产地的进口有色金属矿产品实施重点监控, 如来自上述高放风险产地的有色金属矿产品涉及到高放风险矿种, 则列为放射性重中之重的监控对象。

2.4.3 包装预警

集装箱为高放风险包装运输方式, 对以集装箱包装运输的进口有色金属矿产品之放射性实施重点监控, 如集装箱运输的进口有色金属矿产品涉及到高放风险矿种及高放风险产地, 则列为最为重点的监控对象。

3 泊位旁安装γ探测器监控的可行性分析 3.1 理论分析

点源剂量率的衰减与距离的平方成反比。实际上, 辐射源总是有一定的大小和形状的, 因此, 不可能将实际辐射源简单地视为点源。任何一个辐射源, 都可以分割成许多个小块辐射源, 以致每一小块源都能被看成是一个点源, 所以, 该辐射源在某点的照射量率, 就是这许多个点源在该点上造成的照射量率的简单叠加, 这在数学上就是一个积分的问题。理论计算表明, 理想体状放射源的γ射线照射量率与距离的关系曲线如下图 2所示。

从图 2中可以看出, 距离理想体源20 m时, γ射线照射量率可探测80%以上, 而距离理想体源40 m时, γ射线照射量率仍可探测60%以上。

3.2 模拟实验分析

为实际考察在泊位旁安装γ射线探测器监控船舶上矿产品放射性的可行性, 本文进行了相应的模拟实验。选取放射性剂量率强弱不同的¹⁹²Ir和⁷⁵Se各一枚作为模拟放射源, 将放射源置于5 mm厚度的钢板屏蔽罩内, 采用"FH40G便携式X-γ剂量率仪"在放射源周围进行现场测量, 分别测量放射源表面1 m处剂量率, 以及加上5 mm钢板屏蔽罩后距离放射源20 m和40 m的东、西、南、北四个方向的剂量率, 具体的布点方式如下图 3所示。

将模拟放射源的实际测量结果汇总, 以1 m处测得剂量率为基准, 其他布点处测得剂量率占1 m处剂量率的百分数为纵坐标, 布点处与模拟放射源的距离为横坐标作图, 如下图 4, 5所示。

由图 4的监测结果可见, 对于¹⁹²Ir模拟放射源, 在距离10 m远的东西南北四个方位, 所测剂量率占1 m处剂量率的百分比在78.1%到88.2%之间, 平均值为83.3%;而距离20 m远处在53.8%到72.4%之间, 平均值为63.4%;在距离30 m远处在32.8%到51.9%之间, 平均值为42.1%;距离达到40 m后, 迅速衰减到13.2%到28.6%之间, 平均为19.0%。由图 5可见, 对于⁷⁵Se模拟放射源, 相应的10 m远处的值在76.5%到85.6%之间, 平均值为81.1%;20 m远处在51.3%到71.7%之间, 平均值为61.4%;30 m远处在28.8%到45.8%之间, 平均值为37.7%;40 m远处也迅速衰减到10.3%到14.5%之间, 平均为12.4%。两个模拟放射源的剂量率随距离的变化呈现基本相同的趋势:距离放射源20 m处, 其剂量率仍有1 m处的60%以上, 随着距离的增加, 衰减程度加剧。

上述模拟放射源为非理想状态的点源, 也可视为一个较小的体源。理论上, 其剂量率随着距离增加的衰减程度应小于理想点源, 而大于理想体源, 上述两个模拟放射源的测量结果也证实了这一点。实际的船体放射源为非理想体源, 而近似于理想体源, γ剂量率的衰减应更接近于理想体源衰减的情形, 即应更接近于图 2的理论计算结果:当距离体源20 m时, γ射线照射量率不低于80%。因此, 综合上述两个模拟放射源的测量结果和理想体源的剂量率衰减的理论推导结果, 可以认定, 当船体内装载有放射性超标的矿产品, 在距离船体20 m远处, 其剂量率将衰减到其实际剂量率的60%到80%之间。

与此同时, 本文实地考察了模拟实验所在地的γ辐射空气吸收剂量率, 测量结果如下表 1所示。

从表 1可以看出, 模拟实验所在地的γ辐射空气吸收剂量率在(47.1±36.9) nGy/h和(89.2±42.0) nGy/h之间, 即10.2~131.2 nGy/h之间。当口岸出现放射性超标矿产品的船舶在泊位停靠时, 假定其放射性剂量率正好达到400 nGy/h (GB 20664-2006中规定的剂量率限值), 那么在距离该船舶20 m处测得的剂量率应不小于240 nGy/h。相对于240 nGy/h的测量值(包含本底值), 本底值的波动以及本底值本身要远小于该测量值, 因此, 本底值不会对该距离的测量值造成实质性的影响。

4 小结

综上所述, 理论分析和模拟实验两方面的结果均表明, 在口岸指定泊位20 m范围内安装一个高灵敏度的塑料闪烁体γ射线探测器^[3], 通过该探测器来监测高放风险的进口有色金属矿是可行的。值得一提的是, 仅在指定泊位安装γ射线探测器监测有色金属矿的放射性是不全面的, 该方式仅可监控高放风险进口有色金属矿的放射性。为弥补该监测方式的不足, 还可在抓斗(或吊桥)以及卸货传送带旁安装γ射线探测器, 便于在卸货过程对低放风险进口有色金属矿进行放射性的监控, 再辅以放射性巡检车的周期性巡检排查, 可以达到对进口有色金属矿放射性监测的全覆盖。将这些监测方式采集的数据集成到一个监控终端, 即可实现对进口有色金属矿的远程放射性监控。