我国煤炭利用中的放射性污染 [ hwd99 ] 于:2013-12-28 07:32:42 主题帖
我国煤炭利用中的放射性污染
1、放射性污染介绍
放射性污染是放射性物质发生衰变，产生高能射线，它们对人和生物的健康和生存带来了危害，因而是一种污染。常见的放射线物质是铀、钚、钍等。放射性物质放出的射线一般有三种，它们分别是α射线、β射线和γ射线。
α射线是不带核外电子的氦原子核组成的，单个α粒子能量一般在4～8兆电子伏(MeV)范围，初速度大约(1～2)×10^8厘米/秒。在通常情况下，一般能量的α射线的射程仅在毫米量级，都能被人体的皮肤所阻挡，而不会进入人体。因此，α射线外照射对人体的损害是可以不考虑的。其主要损害是进入人体内部的放射线物质放出的α粒子，由于局部转移的能量密度高，危害大。
β粒子实际上是高速运动的电子，带一个单位负电荷，质量很小，为α粒子的1/7360。β粒子通过物质会与物质发生电离、激发等作用。天然放射系列的核素放出的β粒子的能量从0～4(MeV)。但鉴于β粒子的性质，一般情况β射线的穿透能力比α射线大约大100倍左右。
γ射线是一种波长极短的电磁辐射，具有波粒两重性。天然放射性核素系列辐射的γ射线能量一般约1MeV左右。当γ射线与物质相互发生作用时，会发生电离、激发作用，对人体会造成极大危害。γ射线的穿透能力很强，如54Mn放射的γ射线能量为0.83483(MeV)，经过7.5cm厚的铅，γ射线强度还剩0.1%，这使得人们很难防范γ射线的危害。
衰变产生高能射线的能量来自质能转换。通常衰变后的所有粒子的静止质量小于衰变前放射性原子核的质量，所损失的质量都转换成能量，可根据爱因斯坦的质能方程E＝ΔmC2计算。
目前人类已经发现1千多种放射性原子核。常见的放射线物质是铀。天然铀主要由三种同位素组成;
238u：自然丰度99.275%，原子量238.0508，半衰期45.1亿年
235U：自然丰度0.720%，原子量235.0439，半衰期7.0亿年
234U：自然丰度0.005%，原子量234.0409，半衰期24.7万年。
铀的2种主要放射线同位素的半衰期长，从而成为地壳中存在的主要放射线物质。铀衰变有多种途径，在一定环境下，会以固定比率，产生很多不同的短寿命放射性原子核和放射性粒子，最终都会衰变成稳定的原子核。自然界中存在的放射性物质可分为铀放射系、锕放射系和钍放射系三大天然放射性元素系。
衡量物质放射性强弱的是放射性活度，单位是Bq，1Bq代表1秒钟发生一次原子核衰变。衡量放射线对人体危害性大小的是有效剂量或剂量当量，它是单位重量生物体对放射线的吸收剂量、及放射线品质因素和其它一切修正因数的乘积，单位是Sv，1Sv＝1J/kg。放射线品质因素与放射线与生物组织作用效果有关，β射线和γ射线为1，而α射线可大至10。笔者曾提出并通过实验和理论计算论证，粒子与生物分子中的原子核发生弹性碰撞，产生的损伤大，突变多，指出几十kev左右的碳，氮和氧等重离子的损伤效果最好，有多篇学术文章发表[1]。其他修正因素主要是考虑不同生物体，不同组织和器官对射线的响应。
土壤中铀的典型浓度为2ppm。土壤中普遍存在多种放射性物质，宇宙空间中普遍存在各种高能射线，它们共同构成了地球表面环境的放射性本底。天然辐射源对成年人造成的平均有效剂量约为2.4 mSv，其中内照射所致的有效剂量比外照射高。外照射主要来自宇宙射线和土壤中所含放射线物质释放的γ射线，内照射的吸入，主要是U238和Th232等长寿命放射线元素衰变中产生的放射性Rn，而人们吃的食品中含有一定量的U等放射性物质，从而通过食入体内产生内照射[2-3]。
辐射源 世界平均年有效剂量（mSv/年）
外照射
宇宙射线 0.39
地表γ 0.48
内照射
吸入（主要是氡） 1.26
食入 0.29
总计 2.4
2、 煤炭放射性
一般认为，煤炭来自古代植物，而植物生长过程中会吸收富集重金属，包括具有放射性的重金属，从而使煤炭中的放射性物质含量大于土壤本底浓度，煤炭燃烧后，这些放射性物质都遗留在不多的煤灰中，使放射性物质又富集3－5倍以上，从而成为含高放射性物质的废弃物。
另一方面，辐射总是有害的，没有危害的低剂量辐射是不存在的。照射剂量低带来的损伤几率小；照射剂量大，带来的损伤几率大。防护辐射的基本原则是尽量减少放射线照射的机会和照射量。国际社会制定并实施的辐射防护标准之一，就是普通人连续5年，平均每年照射的额外有效剂量不超过1mSv/a，在本底剂量的基础上增加的额外剂量比本底剂量2.4 mSv/a还低得多。我国和欧美[4] 都执行的该标准。
2012年我国共生产煤炭36.5亿吨，净进口煤炭2.8亿吨，总共消耗煤炭39.3亿吨。人均消费近3吨，是除水外，消耗的最多的资源，超过所有其他资源质量的总和。由于煤炭含有放射性物质，大量使用，对环境的影响不可忽视。
2.1 原煤的放射线
测量物质的放射性，是测量物质中238U，232Th和40K活度，也有用226Ra代替238U，因为它们一般形成了平衡。以下是文献中报道的一些典型数据：
时间 对象 测试单位 238U 226Ra 232Th 40K
本底 全球 25 25 370
1989 全国563个矿 原子能研究院[5]
54 36 30 104
1987 全国61个电厂 清华大学[6]
38 43 121
1985 107 高能所
2007 云南25个矿煤矸石 云南环境放射线管理所[7]
60.8 75.1 39.7
1996 北京5电厂山西煤 北京环保所[8]
28.9 35.9 80.4
1985 四川3个样品 四川大学[9]
56.7 51.8 222
1988 湖南辰溪煤矿 湖南环境监测站[10]
266 16.2 179
2004 浙江石煤171个 浙江辐射监测站[11]
949 918 34 554
2007 云南临沧11矿褐煤 云南省辐射环境监督站[12]
624 284.8 87.8
1982 910个样品 美国 18 21 52
世界 20 20 20
中国原子能科学研究院收集了我国2043个煤、煤矸石及相关样品中放射线核素活度数据[13]，临沧大寨坑煤矿褐煤238 U 2170. 0， 最高值9 799. 0 Bq/ kg，已达铀矿工业品位,属典型的铀(锗) 煤伴生矿。
2.2 煤渣、煤渣制品和电厂周围土壤
时间 对象 测试单位 238U 226Ra 232Th 40K
本底 25 25 370
1987 全国61个电厂煤渣 清华大学[6]
124 130 319
1988 湘西金矿煤渣 湖南环境监测站[10]
4489 3481 113 66.7
1988 湘西金矿煤渣砖 湖南环境监测站[10]
2289 1937 76 667.6
1991 四川煤渣17个样品 四川省环境监测中心,[14]
103.7 157.3 161.1 504.6
1991 四川煤渣砖20个样 四川省环境监测中心,[14]
84.0 111.6 109.4 473.6
1995 重庆电厂5cm表层土壤 四川省放射卫生防护所[15]
48 38.3 53.5 555.7
1995 江油电厂表层土壤 四川省放射卫生防护所[15]
44.3 46.2 75.5 790.6
1995 河门口电厂表层土壤 四川省放射卫生防护所[15]
50.4 44.7 73.7 756.9
2007 临沧城区土壤 云南省辐射环境监督站[12]
124.4 184.7 82.7
新疆伊利某市煤灰总α放射性平均活度就高达1760 Bq/kg[16]。
3、煤炭放射线污染的危害评估
对煤炭放射线污染的危害的评估，是模拟计算放射线被人体吸收的剂量当量，主要包括放射性物质产生的γ射线外照射剂量当量，吸入Rn引起的内照射和吃的食品中含放射性物质引起的内照射，一般不计算吃进食品增加的内照射剂量，原因是因为土壤本底变化不大，对应食品中辐射物质含量变化不大。也不计算吸入Rn引起的剂量增加，因为大气中Rn来自土壤，也没有多大变化。由于外照射剂量较小，在本底中仅占30%，即使土壤中各种放射性物质都增加1倍，也仅使额外剂量相当本底剂量0.3倍，因而计算出来的结果一般都比较小，不超过标准。
计算本底辐射时，通常假设一个人每天5小时室外，19小时在室内，室外Rn较低，约4Bq/m3;室内则为15，但对湘西金矿煤渣砖建筑来说，由于使用的煤渣砖中含量高，见表3，实际测量得到的房间内Rn大幅度攀升[10]。
时间 对象 剂量当量原计算结果mSv/a Rn Bq/m3 剂量当量 mSv/a
全球本底 15 0.95
A型房间14个 6.61 295 16.8
B型房间4个 3.87 222 12.42
D型房间7个 2.07 116 6.06
大气中Rn带来的剂量当量计算式为
H＝（C－CF）*0.06 mSv.a-1/Bq.m-3
CF是本底，作者采用当地数据，为37 Bq.m-3，此外，又考虑在室内时间占一天时间的比例，乘以0.75因子。问题是按这种算法计算，就无法与计算世界本底的结果一致了。按照世界本底辐射剂量当量计算，是直接相乘的，例如，温带地区室内为15 Bq.m-3，对应的辐射剂量当量是0.92mSv/a[3]。
云南临沧使用当地高辐射性煤炭，致使城区15平方公里土壤放射性含量是世界本底和当地本底5倍。可以粗略估计，当地如果使用煤渣制砖建房，其辐射剂量当量也必将是世界本底4倍以上，增加辐射剂量7mSv/a以上。即使使用一般的粉煤灰制砖建房，增加的辐射剂量也将达到5mSv/a，超标仍然非常严重。
4 总结
本底辐射中U是主要的放射线来源，约占60%。我国煤炭中普遍含U较高，平均超本底一倍以上，近年来开采的一些煤炭含量更高，例如云南临沧11矿褐煤，平均高达624Bq/kg，是世界辐射本底的25倍。而世界煤炭平均值与本底相近，说明我国好的煤炭资源逐渐减少，只能大量开采含较高辐射性物质的煤炭。 煤炭燃烧后，辐射性物质倍富集3－10倍，达到124 Bq/kg（＝10ppm），我国去年排放的粉煤灰达到约8亿吨，等于向地表环境中排放了8000吨铀。
由于大量使用这种煤炭，我国土壤中淀积了辐射性物质含量富集了3－10倍以上的粉煤灰，使土壤辐射含量成倍增加，例如临沧城区15平方公里范围内的U含量是世界本底5倍。 使用粉煤灰制砖等，带来的污染更严重。我们估算，湘西金矿煤渣砖建筑的额外剂量当量最大一种达到16.8mSv/a，超过标准15.8倍。我们估算云南临沧使用煤渣砖建房，剂量当量将超标6倍以上。即使使用国内一般粉煤灰制砖建房，增加的辐射剂量当量也将平均超标4倍以上。建议禁止使用粉煤灰制砖做民用建筑。
个人住家办公等应注意通风换气。美国室内平均Rn浓度为15 Bq/kg，是室外5倍，给个人带来的剂量当量是0.92mSv/a。缺少通风，很容易使室内Rn浓度加倍，因为地板和墙壁不断对外释放Rn。室内浓度增加16Bq/kg，就使个人附加辐射剂量超标。对使用煤渣砖的建筑来说，更是需要通风。
1、放射性污染介绍
放射性污染是放射性物质发生衰变，产生高能射线，它们对人和生物的健康和生存带来了危害，因而是一种污染。常见的放射线物质是铀、钚、钍等。放射性物质放出的射线一般有三种，它们分别是α射线、β射线和γ射线。
α射线是不带核外电子的氦原子核组成的，单个α粒子能量一般在4～8兆电子伏(MeV)范围，初速度大约(1～2)×10^8厘米/秒。在通常情况下，一般能量的α射线的射程仅在毫米量级，都能被人体的皮肤所阻挡，而不会进入人体。因此，α射线外照射对人体的损害是可以不考虑的。其主要损害是进入人体内部的放射线物质放出的α粒子，由于局部转移的能量密度高，危害大。
β粒子实际上是高速运动的电子，带一个单位负电荷，质量很小，为α粒子的1/7360。β粒子通过物质会与物质发生电离、激发等作用。天然放射系列的核素放出的β粒子的能量从0～4(MeV)。但鉴于β粒子的性质，一般情况β射线的穿透能力比α射线大约大100倍左右。
γ射线是一种波长极短的电磁辐射，具有波粒两重性。天然放射性核素系列辐射的γ射线能量一般约1MeV左右。当γ射线与物质相互发生作用时，会发生电离、激发作用，对人体会造成极大危害。γ射线的穿透能力很强，如54Mn放射的γ射线能量为0.83483(MeV)，经过7.5cm厚的铅，γ射线强度还剩0.1%，这使得人们很难防范γ射线的危害。
衰变产生高能射线的能量来自质能转换。通常衰变后的所有粒子的静止质量小于衰变前放射性原子核的质量，所损失的质量都转换成能量，可根据爱因斯坦的质能方程E＝ΔmC2计算。
目前人类已经发现1千多种放射性原子核。常见的放射线物质是铀。天然铀主要由三种同位素组成;
238u：自然丰度99.275%，原子量238.0508，半衰期45.1亿年
235U：自然丰度0.720%，原子量235.0439，半衰期7.0亿年
234U：自然丰度0.005%，原子量234.0409，半衰期24.7万年。
铀的2种主要放射线同位素的半衰期长，从而成为地壳中存在的主要放射线物质。铀衰变有多种途径，在一定环境下，会以固定比率，产生很多不同的短寿命放射性原子核和放射性粒子，最终都会衰变成稳定的原子核。自然界中存在的放射性物质可分为铀放射系、锕放射系和钍放射系三大天然放射性元素系。
衡量物质放射性强弱的是放射性活度，单位是Bq，1Bq代表1秒钟发生一次原子核衰变。衡量放射线对人体危害性大小的是有效剂量或剂量当量，它是单位重量生物体对放射线的吸收剂量、及放射线品质因素和其它一切修正因数的乘积，单位是Sv，1Sv＝1J/kg。放射线品质因素与放射线与生物组织作用效果有关，β射线和γ射线为1，而α射线可大至10。笔者曾提出并通过实验和理论计算论证，粒子与生物分子中的原子核发生弹性碰撞，产生的损伤大，突变多，指出几十kev左右的碳，氮和氧等重离子的损伤效果最好，有多篇学术文章发表[1]。其他修正因素主要是考虑不同生物体，不同组织和器官对射线的响应。
土壤中铀的典型浓度为2ppm。土壤中普遍存在多种放射性物质，宇宙空间中普遍存在各种高能射线，它们共同构成了地球表面环境的放射性本底。天然辐射源对成年人造成的平均有效剂量约为2.4 mSv，其中内照射所致的有效剂量比外照射高。外照射主要来自宇宙射线和土壤中所含放射线物质释放的γ射线，内照射的吸入，主要是U238和Th232等长寿命放射线元素衰变中产生的放射性Rn，而人们吃的食品中含有一定量的U等放射性物质，从而通过食入体内产生内照射[2-3]。
辐射源 世界平均年有效剂量（mSv/年）
外照射
宇宙射线 0.39
地表γ 0.48
内照射
吸入（主要是氡） 1.26
食入 0.29
总计 2.4
2、 煤炭放射性
一般认为，煤炭来自古代植物，而植物生长过程中会吸收富集重金属，包括具有放射性的重金属，从而使煤炭中的放射性物质含量大于土壤本底浓度，煤炭燃烧后，这些放射性物质都遗留在不多的煤灰中，使放射性物质又富集3－5倍以上，从而成为含高放射性物质的废弃物。
另一方面，辐射总是有害的，没有危害的低剂量辐射是不存在的。照射剂量低带来的损伤几率小；照射剂量大，带来的损伤几率大。防护辐射的基本原则是尽量减少放射线照射的机会和照射量。国际社会制定并实施的辐射防护标准之一，就是普通人连续5年，平均每年照射的额外有效剂量不超过1mSv/a，在本底剂量的基础上增加的额外剂量比本底剂量2.4 mSv/a还低得多。我国和欧美[4] 都执行的该标准。
2012年我国共生产煤炭36.5亿吨，净进口煤炭2.8亿吨，总共消耗煤炭39.3亿吨。人均消费近3吨，是除水外，消耗的最多的资源，超过所有其他资源质量的总和。由于煤炭含有放射性物质，大量使用，对环境的影响不可忽视。
2.1 原煤的放射线
测量物质的放射性，是测量物质中238U，232Th和40K活度，也有用226Ra代替238U，因为它们一般形成了平衡。以下是文献中报道的一些典型数据：
时间 对象 测试单位 238U 226Ra 232Th 40K
本底 全球 25 25 370
1989 全国563个矿 原子能研究院[5]
54 36 30 104
1987 全国61个电厂 清华大学[6]
38 43 121
1985 107 高能所
2007 云南25个矿煤矸石 云南环境放射线管理所[7]
60.8 75.1 39.7
1996 北京5电厂山西煤 北京环保所[8]
28.9 35.9 80.4
1985 四川3个样品 四川大学[9]
56.7 51.8 222
1988 湖南辰溪煤矿 湖南环境监测站[10]
266 16.2 179
2004 浙江石煤171个 浙江辐射监测站[11]
949 918 34 554
2007 云南临沧11矿褐煤 云南省辐射环境监督站[12]
624 284.8 87.8
1982 910个样品 美国 18 21 52
世界 20 20 20
中国原子能科学研究院收集了我国2043个煤、煤矸石及相关样品中放射线核素活度数据[13]，临沧大寨坑煤矿褐煤238 U 2170. 0， 最高值9 799. 0 Bq/ kg，已达铀矿工业品位,属典型的铀(锗) 煤伴生矿。
2.2 煤渣、煤渣制品和电厂周围土壤
时间 对象 测试单位 238U 226Ra 232Th 40K
本底 25 25 370
1987 全国61个电厂煤渣 清华大学[6]
124 130 319
1988 湘西金矿煤渣 湖南环境监测站[10]
4489 3481 113 66.7
1988 湘西金矿煤渣砖 湖南环境监测站[10]
2289 1937 76 667.6
1991 四川煤渣17个样品 四川省环境监测中心,[14]
103.7 157.3 161.1 504.6
1991 四川煤渣砖20个样 四川省环境监测中心,[14]
84.0 111.6 109.4 473.6
1995 重庆电厂5cm表层土壤 四川省放射卫生防护所[15]
48 38.3 53.5 555.7
1995 江油电厂表层土壤 四川省放射卫生防护所[15]
44.3 46.2 75.5 790.6
1995 河门口电厂表层土壤 四川省放射卫生防护所[15]
50.4 44.7 73.7 756.9
2007 临沧城区土壤 云南省辐射环境监督站[12]
124.4 184.7 82.7
新疆伊利某市煤灰总α放射性平均活度就高达1760 Bq/kg[16]。
3、煤炭放射线污染的危害评估
对煤炭放射线污染的危害的评估，是模拟计算放射线被人体吸收的剂量当量，主要包括放射性物质产生的γ射线外照射剂量当量，吸入Rn引起的内照射和吃的食品中含放射性物质引起的内照射，一般不计算吃进食品增加的内照射剂量，原因是因为土壤本底变化不大，对应食品中辐射物质含量变化不大。也不计算吸入Rn引起的剂量增加，因为大气中Rn来自土壤，也没有多大变化。由于外照射剂量较小，在本底中仅占30%，即使土壤中各种放射性物质都增加1倍，也仅使额外剂量相当本底剂量0.3倍，因而计算出来的结果一般都比较小，不超过标准。
计算本底辐射时，通常假设一个人每天5小时室外，19小时在室内，室外Rn较低，约4Bq/m3;室内则为15，但对湘西金矿煤渣砖建筑来说，由于使用的煤渣砖中含量高，见表3，实际测量得到的房间内Rn大幅度攀升[10]。
时间 对象 剂量当量原计算结果mSv/a Rn Bq/m3 剂量当量 mSv/a
全球本底 15 0.95
A型房间14个 6.61 295 16.8
B型房间4个 3.87 222 12.42
D型房间7个 2.07 116 6.06
大气中Rn带来的剂量当量计算式为
H＝（C－CF）*0.06 mSv.a-1/Bq.m-3
CF是本底，作者采用当地数据，为37 Bq.m-3，此外，又考虑在室内时间占一天时间的比例，乘以0.75因子。问题是按这种算法计算，就无法与计算世界本底的结果一致了。按照世界本底辐射剂量当量计算，是直接相乘的，例如，温带地区室内为15 Bq.m-3，对应的辐射剂量当量是0.92mSv/a[3]。
云南临沧使用当地高辐射性煤炭，致使城区15平方公里土壤放射性含量是世界本底和当地本底5倍。可以粗略估计，当地如果使用煤渣制砖建房，其辐射剂量当量也必将是世界本底4倍以上，增加辐射剂量7mSv/a以上。即使使用一般的粉煤灰制砖建房，增加的辐射剂量也将达到5mSv/a，超标仍然非常严重。
4 总结
本底辐射中U是主要的放射线来源，约占60%。我国煤炭中普遍含U较高，平均超本底一倍以上，近年来开采的一些煤炭含量更高，例如云南临沧11矿褐煤，平均高达624Bq/kg，是世界辐射本底的25倍。而世界煤炭平均值与本底相近，说明我国好的煤炭资源逐渐减少，只能大量开采含较高辐射性物质的煤炭。 煤炭燃烧后，辐射性物质倍富集3－10倍，达到124 Bq/kg（＝10ppm），我国去年排放的粉煤灰达到约8亿吨，等于向地表环境中排放了8000吨铀。
由于大量使用这种煤炭，我国土壤中淀积了辐射性物质含量富集了3－10倍以上的粉煤灰，使土壤辐射含量成倍增加，例如临沧城区15平方公里范围内的U含量是世界本底5倍。 使用粉煤灰制砖等，带来的污染更严重。我们估算，湘西金矿煤渣砖建筑的额外剂量当量最大一种达到16.8mSv/a，超过标准15.8倍。我们估算云南临沧使用煤渣砖建房，剂量当量将超标6倍以上。即使使用国内一般粉煤灰制砖建房，增加的辐射剂量当量也将平均超标4倍以上。建议禁止使用粉煤灰制砖做民用建筑。
个人住家办公等应注意通风换气。美国室内平均Rn浓度为15 Bq/kg，是室外5倍，给个人带来的剂量当量是0.92mSv/a。缺少通风，很容易使室内Rn浓度加倍，因为地板和墙壁不断对外释放Rn。室内浓度增加16Bq/kg，就使个人附加辐射剂量超标。对使用煤渣砖的建筑来说，更是需要通风。
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