津巴布韦Hwange矿区天然放射性物质（NORM）的辐射危害评估：一项伽马能谱研究

《International Journal of Environmental Research and Public Health》：Radiological Hazard Assessment of Naturally Occurring Radioactive Materials in the Hwange Mining Area, Zimbabwe: A Gamma Spectrometric Study

　　

Hwange矿区位于津巴布韦西北部的中赞比西卡鲁盆地，是煤炭开采、加工和火力发电的主要中心。研究人员通过使用高纯锗（HPGe）伽马能谱法表征煤炭和周围土壤中放射性核素（²²⁶Ra、²³²Th、⁴⁰K）的活度浓度，评估了与这些活动相关的生态和公共卫生风险。样品采集自四个地点：Hwange Colliery Company（地下和露天矿）、Zambezi Gas露天开采作业区、居民区以及Zimbabwe Power Company（ZPC）火力发电站。放射性核素浓度使用高纯锗（HPGe）伽马能谱法测量。煤炭中的平均活度浓度在两个采矿点均较低（Hwange Colliery：²²⁶Ra 16 ± 5.3 Bq/kg，²³²Th 14 ± 5.7 Bq/kg，⁴⁰K 51 ± 8.8 Bq/kg；Zambezi Gas：²²⁶Ra 9.80 ± 2.3 Bq/kg，²³²Th 11 ± 3.3 Bq/kg，⁴⁰K 43 ± 26 Bq/kg），远低于联合国原子辐射效应科学委员会（UNSCEAR）的全球煤炭平均值。相比之下，居民区土壤（²²⁶Ra 36 ± 15 Bq/kg，²³²Th 36 ± 12 Bq/kg，⁴⁰K 220 ± 80 Bq/kg）和ZPC发电站（²²⁶Ra 47 ± 8.6 Bq/kg，²³²Th 42 ± 10 Bq/kg，⁴⁰K 230 ± 92 Bq/kg）表现出显著升高的浓度，与飞灰等煤炭燃烧副产物的积累一致。所有地点的辐射危害指数均在国际公认限值范围内：镭当量（Ra_eq）范围为29 ± 6.7 Bq/kg（Zambezi Gas）至120 ± 18 Bq/kg（ZPC），远低于370 Bq/kg的安全上限；外暴露和内暴露危害指数（H_ex、H_in）在所有地点均低于1，在ZPC分别达到峰值0.32和0.46。年有效剂量当量（AEDE）范围为16 ± 3.8至69 ± 10 μSv/年，后者（ZPC）约占国际放射防护委员会（ICRP）公众剂量限值1 mSv/年的7%。超额终生癌症风险（ELCR）值范围为5.56 × 10^?5（Zambezi Gas）至2.42 × 10^?4（ZPC），仍低于全球室外参考平均值0.29 × 10^?3，但在ZPC达到该参考值的约83%，在居民区达到71%。这些发现表明，尽管Hwange的煤炭开采活动对环境放射性贡献极小，但ZPC火力发电站的煤炭燃烧是周围环境中放射性核素浓度和辐射指数升高的主要驱动因素，居民区土壤反映了相同的富集路径。尽管在任何地点均未发现即时辐射危害，但ZPC及附近居民区相对较高的指数强调了需要持续的环境监测、加强监管控制以及针对性的辐射防护策略，以保护工作人员和附近社区。

**研究背景与问题**
煤炭开采和燃烧过程中，天然放射性物质（NORM）被释放并富集，对环境和公众健康构成潜在风险。津巴布韦Hwange矿区是重要的煤炭生产和火力发电中心，但此前缺乏结合煤炭、燃烧副产物和居民区土壤的放射性核素活度浓度及辐射危害评估的伽马能谱数据。现有研究多关注全球其他地区，而Hwange地区的地质和工业特征可能导致不同的辐射暴露模式。此外，该矿区位于赞比西河流域，放射性核素可能通过环境迁移影响更广区域。因此，开展此项研究以填补数据空白，为监管和公共卫生决策提供依据。

**研究内容与结论**
研究人员采用高纯锗（HPGe）伽马能谱法，测量了Hwange矿区四个地点（Hwange Colliery煤矿、Zambezi Gas煤矿、居民区、Zimbabwe Power Company火力发电站）的煤炭、土壤和飞灰中²²⁶Ra、²³²Th、⁴⁰K的活度浓度，并计算了辐射危害指数（镭当量Ra_eq、外暴露指数H_ex、内暴露指数H_in）、吸收剂量率（D）、年有效剂量当量（AEDE）和超额终生癌症风险（ELCR）。结果表明，煤炭本身放射性水平低，而发电站燃烧产生的飞灰显著富集了放射性核素，导致居民区土壤和发电站周边辐射指数升高，但所有指标均低于国际安全限值。该研究发表于《International Journal of Environmental Research and Public Health》，为Hwange地区NORM管理提供了基线数据，强调了燃煤副产物作为主要辐射源的重要性。

**主要技术方法**
研究人员使用HPGe伽马能谱仪（Canberra GX4020，相对效率40%，能量分辨率2.0 keV at 1.33 MeV）测量样品放射性。样品采集自Hwange Colliery（n=5）、Zambezi Gas（n=5）、居民区（n=5）和ZPC（n=5），共20个样品，包括煤炭、土壤和飞灰，采样深度0–15 cm，每样约2 kg。样品经2mm筛分、干燥、密封28天以达到²²²Rn/²²⁶Ra长期平衡，随后进行48小时伽马能谱测量，背景扣除使用去离子水。现场使用Thermo Scientific RadEye B20-ER测量表面剂量率。数据分析采用Genie 2000软件，效率校准使用LABSOCS和¹⁵²Eu/²²Na源。辐射指数按标准公式计算。

**研究结果**
**3.1. 活度浓度**
研究人员通过HPGe伽马能谱测量，确定了各地点²²⁶Ra、²³²Th、⁴⁰K的平均活度浓度。
**3.1.1. 煤炭中的NORM——Hwange Colliery**：Hwange Colliery煤矿煤炭样品中²²⁶Ra平均16±5.3 Bq/kg，²³²Th平均14±5.7 Bq/kg，⁴⁰K平均51±8.8 Bq/kg，均低于UNSCEAR全球煤炭平均值。
**3.1.2. 煤炭中的NORM——Zambezi Gas**：Zambezi Gas煤矿煤炭样品中²²⁶Ra平均9.80±2.3 Bq/kg，²³²Th平均11±3.3 Bq/kg，⁴⁰K平均43±26 Bq/kg，同样低于全球平均值。
**3.1.3. Hwange Colliery与Zambezi Gas的平均NORM比较**：两个煤矿的活度浓度均远低于UNSCEAR世界平均值，表明煤炭本身不是主要辐射源。
**3.1.4. 居民区中的NORM**：居民区土壤中²²⁶Ra平均36±15 Bq/kg，²³²Th平均36±12 Bq/kg，⁴⁰K平均223±80 Bq/kg，显著高于煤炭，与附近发电站飞灰沉积一致。
**3.1.5. Zimbabwe Power Company中的NORM**：ZPC发电站飞灰中²²⁶Ra平均47±8.6 Bq/kg，²³²Th平均42±10 Bq/kg，⁴⁰K平均230±92 Bq/kg，为所有地点最高，体现燃烧富集效应。
**3.2. 辐射危害指数**
基于平均活度浓度，研究人员计算了各地点的辐射指数。镭当量（Ra_eq）从Zambezi Gas的29±6.7 Bq/kg到ZPC的120±18 Bq/kg，均低于370 Bq/kg安全限值。外暴露指数（H_ex）和内暴露指数（H_in）均小于1，最高为ZPC（0.34和0.46）。年有效剂量当量（AEDE）范围为16±3.8 μSv/yr（Zambezi Gas）至69±10 μSv/yr（ZPC），后者约为ICRP公众剂量限值1 mSv/yr的7%。吸收剂量率（D）从13±3.1 nGy/h（Zambezi Gas）到56±8.2 nGy/h（ZPC）。超额终生癌症风险（ELCR）范围从5.56×10^?5（Zambezi Gas）到2.42×10^?4（ZPC），均低于全球室外参考值0.29×10^?3，但ZPC和居民区分别达到参考值的83%和71%。

**讨论部分总结**
研究人员讨论了活度浓度的空间变异及其环境与健康影响。煤炭开采点放射性水平低，而燃煤飞灰是二次富集的主要途径，导致居民区和ZPC辐射指数升高。尽管所有指标在国际安全限值内，但ZPC和居民区相对较高的值提示需要持续监测和针对性管理。研究局限包括采样时间短、未考虑季节变化、样本量有限、未测量氡释放以及仅评估外照射，未来需扩展至全途径模型（包括吸入、食入）并考虑年龄特异性剂量。对津巴布韦辐射防护实践而言，煤矿仅需通知和定期核查，而ZPC的飞灰管理需纳入许可制度，包括覆盖输送、湿法调理、粉尘抑制、封顶复垦和防风林。飞灰再利用于建筑需满足Ra_eq < 370 Bq/kg标准。建议建立年度监测计划并向社区通报。

**结论翻译**
研究人员显著推进了Hwange煤炭开采和燃烧过程中NORM浓度的表征。通过HPGe伽马射线能谱法，为Hwange矿区生成了放射性核素活度浓度及关联辐射危害指数的综合新数据集，供监管机构、矿业公司和环境管理组织使用。总之，研究证明Hwange（Hwange Colliery和Zambezi Gas）的煤炭开采活动对环境放射性贡献极小，煤炭中²²⁶Ra、²³²Th、⁴⁰K的平均值低于全球平均水平。相反，Zimbabwe Power Company火力发电站的煤炭燃烧在升高周围土壤放射性核素浓度方面起更显著作用，在所有采样地点中记录了最高的镭当量、吸收剂量率、年有效剂量和超额终生癌症风险，略高于居民区且远高于采矿点。统计检验证实煤炭与燃烧影响基质之间的差异显著（Mann–Whitney U检验，所有三种放射性核素p < 0.001）。所有辐射指数（Ra_eq、H_ex、H_in）均低于UNSCEAR安全阈值，所有AEDE值均低于ICRP公众剂量限值1 mSv/yr。ZPC和居民区的ELCR值低于全球室外参考值0.29×10^?3（分别达到该参考值的约83%和71%）。发电站及邻近居民区升高的终生癌症风险强调了需要主动的环境管理，包括改进飞灰处理、粉尘控制和职业暴露控制，以保障公众健康。