粉煤灰和土壤的氡析出系数：测量、墙通量几何校正及室内剂量影响

《Journal of Environmental Radioactivity》：Radon emanation coefficients of coal fly ash and soil: Measurement, wall flux geometry correction, and indoor dose implications

　　飞灰的氡释放系数（η=0.0056）约为土壤（η=0.0127）的1/2.3，尽管其²²⁶Ra含量更高。采用16罐密封罐法配合LR-115探测器，回归拟合的R²>0.994。基于模型的三维至一维几何修正使墙体通量提高2.35至4.1倍。在模型假设下，样品级通量可能低估墙体暴露量2.35至4.1倍。模型推算的飞灰剂量（约0.18 mSv y^?1）低于所研究样品的1 mSv y^?1。## 引言氡气（²²²Rn）是一种天然放射性惰性气体，由铀-238（²³⁸U）衰变系列中的镭-226（²²⁶Ra）衰变产生。作为该系列中唯一的气态衰变产物，氡气通过土壤孔隙和建筑材料迁移，经吸入后向支气管上皮沉积电离辐射剂量。国际癌症研究机构（IARC）将室内氡气列为1类明确的人类致癌物，据估计其占全球肺癌病例的3%至14%（WHO, 2009）。随着对这一风险的日益关注，WHO（2009）提出将室内氡的国家参考水平从200 Bq m^?3降至100 Bq m^?3，从而推动了对建筑设计规范和建筑材料选择标准的研究，以最大限度降低室内氡浓度（Rahman and Tracy, 2009; Scivyer, 2001）。室内氡的两个主要来源是土壤析出——被视为既有暴露——以及建筑材料，后者是唯一可在施工期间控制的来源（UNSCEAR, 2000; Nazaroff and Nero, 1988）。因此，众多研究已表征了砖块、水泥、混凝土和瓷砖等建筑材料的表面氡析出率（Chen et al., 2010; Hassan et al., 2010; Keller et al., 2001; Mahur et al., 2007; Righi and Bruzzi, 2006; Sahoo et al., 2007; Stoulos et al., 2003）。所有这些测量中一个至关重要的参数是氡释放系数（η）——即²²⁶Ra衰变产生的²²²Rn原子中逃逸出固体颗粒基体进入连通孔隙网络的比例——该系数受α反冲机制控制，并关键性地取决于镭相对于颗粒表面的空间分布。然而，基于建筑材料通量数据的剂量评估中始终被忽视的一个重要方面是：建成墙体相对于松散建筑材料样品所释放的氡通量的增强效应（Sahoo et al., 2011）。这种增强源于块状建筑材料样品中的扩散过程为三维（3-D），而在建成墙体或天花板中则为一维（1-D）。Sahoo等（2011）通过严格比较氡扩散方程的3-D和1-D解，证明这种几何变化可使墙体析出通量相对于样品析出通量放大最高达7倍，具体取决于氡扩散长度和样品尺寸。他们明确指出Mahur等（2007）和Uji?等（2009）的研究是忽略此几何修正导致室内剂量估算根本性失准的典型案例。鉴于这两项研究与本工作一样在飞灰氡研究文献中被频繁引用，此修正与本文直接相关。氡释放系数（η）在本文中统一使用该术语，而非同义词"释放能力"，其受α反冲机制支配：在²²⁶Ra衰变过程中，子体²²²Rn原子获得约86.3 keV的反冲能量（Tsoulfanidis and Landsberger, 2015），在固体矿物相中行进约20至40 nm（Semkow, 1990）。成功逃逸至孔隙空间要求镭原子位于颗粒-孔隙界面的此反冲距离内，且反冲矢量朝外。因此，η值与比表面积以及镭靠近可及孔隙表面的程度成正比。尽管释放系数常被报告为材料属性，但它本质上反映的是放射性核素分布、孔隙可及性、颗粒形态和反冲逃逸概率的综合效应，而非仅仅取决于总镭含量。因此，具有相似²²⁶Ra活度浓度的材料可能因镭在固体基体中的微观结构位置不同而表现出截然不同的释放系数。在解读天然和工程建筑材料的氡析出数据时，这一区别至关重要。燃煤电厂大规模产生煤粉飞灰，其作为混凝土和砂浆中的辅助胶凝材料正日益受到重视。与许多天然骨料相比，飞灰中天然放射性物质（NORM）含量较高，因此表征其氡释放行为至关重要。先前的研究表明，飞灰的η值低于天然土壤（Bossus, 1984; Karamdoust and Durrani, 1991），归因于燃烧过程中镭被包裹在玻璃质基质中，但数据有限，且尚无研究将飞灰释放测量与Sahoo等（2011）的墙体通量修正框架相结合。本研究针对此问题的两个层面展开。首先，利用γ能谱法进行镭定量、采用扩展的16罐密封罐装置配合LR-115径迹蚀刻探测器（SSNTDs），估算飞灰和土壤的η值，提供了具有完整不确定度量化的统计稳健数据集。其次，所导出的释放参数——包括采用Rogers等（1994）经验公式估算的氡扩散长度——作为Sahoo等（2011）半经验模型的输入，估算两种材料的墙体级析出通量增强因子，从而实现经几何修正的室内剂量评估。实验示意图见图1。除提供材料特定的释放系数外，本研究旨在建立一个物理一致的框架，将实验室尺度的测量与现实的室内暴露场景联系起来。通过将实验确定的释放参数与已有的墙体扩散模型相结合，本研究试图弥合样品表征与建筑材料实际辐射防护评估之间的差距。明确说明这一区别：本工作的实验创新在于对这两种特定材料的η值进行统计稳健的16点测定；墙体通量修正（第2.6节）是对Sahoo等（2011）已有半经验模型的新测量参数的应用，而非对该模型本身的修改。## 各章节摘要### 样品采集与制备飞灰样品采自一座燃煤电厂的静电除尘器，该电厂以烟煤为燃料运行。土壤样品取自距最近工业设施约15公里处未受污染的农田。两种材料均通过150 μm筛网进行筛分，以确保粒度均匀并最小化比表面积变异性。每种材料取三个独立的80 g子样品进行镭均匀性验证；### 镭活度浓度通过γ能谱法测定的²²⁶Ra活度浓度分别为：飞灰102.4 ± 8.2 Bq kg^?1，土壤77.6 ± 6.5 Bq kg^?1（图3），均显著高于最小探测限（MDA）2.1 Bq kg^?1（表2）。飞灰中较高的镭含量反映了煤燃烧过程中天然放射性物质富集的公认现象，其中不挥发性放射性核素在残余灰分中相对母煤富集3至10倍（UNSCEAR, 2000）。重要的是，正如后续各节所讨论的，这### 释放系数差异的物理基础尽管飞灰的²²⁶Ra活度浓度更高，其η值仍比土壤低约2.3倍，这与以下假说一致：颗粒基体中镭的空间分布——而非总体镭含量——是本文所研究两种材料氡释放的主要决定因素；但要将其确立为一般性机制原理，需要更多材料和直接的微观结构证据。孔隙氡### 局限性承认以下局限性：(1) 释放系数在全干燥条件下（105°C预干燥）测得。已知水分通过为向外反冲的氡原子提供额外的阻力而提高η值（Hassan et al., 2010）；现场条件下的潮湿或部分饱和飞灰（如在灰库储存时）可能表现出更高的η值。建议进行水分依赖性测量以全面评估现场风险。(2) 氡扩散长度l采用……估算### 结论本研究采用γ能谱法和扩展的16罐LR-115密封罐法估算了煤粉飞灰和农业土壤的氡释放系数，并首次将这些测量与Sahoo等（2011）的半经验墙体通量修正模型相结合，提供了经几何修正的析出通量估算。主要结论如下：1. 飞灰的氡释放系数（η = 0.0056 ± 0.0015, k = 2）约为土壤的2.3倍低### CRediT作者贡献声明**M. Swarnkar：** 撰写——审稿与编辑、资源、方法学、调查、数据整理。 **S.K. Sahu：** 撰写——初稿、可视化、监督、方法学、形式分析、概念化。 **T.D. Rathod：** 撰写——审稿与编辑、验证、软件、形式分析、数据整理。 **M. Tiwari：** 撰写——审稿与编辑、验证、资源、方法学、数据整理。 **R.C. Bhangare：** 撰写——审稿与编辑、资源、方法学、数据整理。 **P.Y. Ajmal：** 撰写——### 资助本研究未获得公共、商业或非营利领域资助机构的任何专项拨款。### 利益冲突声明作者声明不存在任何可能影响本论文报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。M. Swarnkar|S.K. Sahu|T.D. Rathod|M. Tiwari|R.C. Bhangare|P.Y. Ajmal|V. Pulhani