卡拉珀纳尔褐煤盆地（土耳其）煤炭及煤灰的放射性表征、燃烧相关富集与筛选级剂量评估

《Environmental Science: Processes and Impacts》：Radiological characterization, combustion-related enrichment, and screening-level dose assessment of coal and coal ash from the Karap?nar lignite basin (Türkiye)Open Access

　　

本研究调查了科尼亚-卡拉珀纳尔新近纪盆地煤炭及其实验室模拟煤灰中的天然放射性核素含量、这些核素在煤灰中的分布与富集特征，以及相关的放射性风险。为此，研究人员通过γ能谱法测定了取自5个钻孔的15个煤样品及其灰相中²³⁸U、²³²Th和⁴⁰K的活度，并评估了燃烧过程中的富集行为。煤样品中²³⁸U、²³²Th和⁴⁰K的活度平均值分别为99.2 ± 8.1、35.1 ± 2.5和313 ± 18 Bq kg^?1。燃烧后，按灰基计算这些值平均增加了3.33、2.55和2.56倍，分别达到328 ± 23、82.3 ± 6.6和710 ± 40 Bq kg^?1。²³⁸U的相对富集因子值范围为0.71至1.47，平均值为1.06，表明铀通常保留在灰分中。²³⁸U受有机质丰富、含硫化物微环境中的次生富集控制，而²³²Th和⁴⁰K与碎屑/无机矿物相关。放射性指数显示，灰分的镭当量活度（500.0 Bq kg^?1）超过了国际安全阈值，吸收γ剂量率（232.1 nGy h^?1）约为全球平均值的四倍。在采用RESRAD-ONSITE（v7.2）针对居住农民情景进行的筛选级模拟中，研究人员确定，不受控制的表面灰分积累在第23.2年达到最大总剂量0.164 mSv y^?1。尽管卡拉珀纳尔煤灰中升高的天然放射性需要谨慎管理，但在模拟暴露情景下估算的剂量仍在可接受范围内，不会对公众健康构成显著风险。

论文解读：卡拉珀纳尔褐煤的天然放射性及煤灰辐射风险研究

1. 研究背景与科学问题

煤炭是全球化石能源结构中的重要组成部分，其燃烧产生的煤灰中天然放射性核素（NORM）的富集问题日益受到关注。尽管可再生能源份额持续增长，2024年全球煤炭需求仍以能量计增长1.2%，电力部门占全球煤炭消费的三分之二。土耳其拥有世界约2.1%的煤炭储量，其中大部分为褐煤，且79%的褐煤热值低于2500 kcal kg^?1，主要用于火电厂发电。约三分之一的土耳其电力生产依赖燃煤火电厂。煤及煤灰中天然存在的放射性核素如²³⁸U、²³²Th及其衰变产物和⁴⁰K，构成人类主要的外照射来源，约87%的人类辐射剂量来自天然源。已有研究表明，燃烧后放射性核素在灰渣中的浓度可增加4–10倍。全球超过85%的燃煤产物露天储存或填埋，可能通过大气释放和渗滤进入地下水。卡拉珀纳尔（Konya-Karap?nar）煤田是土耳其第二大煤田，褐煤储量18亿吨，目前该地区尚无燃煤电厂，但建设计划已被提上议程，引发公众环境担忧。因此，对煤和煤灰中放射性核素进行表征，并评估燃煤副产品潜在辐射风险，对支持未来能源投资的科学决策具有重要意义。此前土耳其煤灰放射性研究多集中于运行电厂灰场，而卡拉珀纳尔地区尚无运行电厂，更适宜采用基于潜在地表灰分积累的筛选级评估方法。

2. 研究目标与实验设计

本研究旨在确定卡拉珀纳尔煤中²³⁸U、²³²Th和⁴⁰K的浓度，阐明煤向灰转化过程中的放射性核素富集行为，并考虑间接暴露途径，在筛选水平上评估灰分的放射性风险。研究人员从5个钻孔中共采集15个煤样品，结合地层连续性和煤层厚度变化进行取样。样品经研磨、均质化及2 mm筛分后，在850 °C马弗炉中模拟工业流化床燃烧条件制备灰相，并按ASTM D3174-12测定灰分产率。利用高纯锗γ射线谱仪（AMETEK-ORTEC，n型同轴，230 cm³）测量煤和灰样品的活度浓度，样品密封30天以达到²²⁶Ra与²²²Rn的长期平衡。能量和效率校准使用IAEA-375、IAEA-RGU-1、IAEA-RGTh-1和IAEA-RGK-1标准参考物质。²³⁸U通过²¹⁴Pb（352 keV）和²¹⁴Bi（609和1764 keV）的γ峰确定，²³²Th通过²²⁸Ac（911 keV）及²⁰⁸Tl（583和2615 keV）确定，⁴⁰K直接测量1461 keV峰。研究人员计算了富集比（ER）和相对富集因子（REF），并采用UNSCEAR推荐公式计算吸收γ剂量率（D）、镭当量活度（Raeq）和年有效剂量（AEDE）。筛选级剂量模拟采用RESRAD-ONSITE（v7.2）代码，设定居住农民为关键受照人群，激活外照射、粉尘吸入、土壤/灰分食入和植物食入途径，模拟时间0–100年。

3. 主要结果

3.1 天然放射性核素活度浓度

煤样品中²³⁸U活度范围33.3–267 Bq kg^?1（平均99.2 Bq kg^?1），²³²Th范围18.3–53.3 Bq kg^?1（平均35.1 Bq kg^?1），⁴⁰K范围133–582 Bq kg^?1（平均313 Bq kg^?1）。灰样品中活度显著升高：²³⁸U达75.8–971 Bq kg^?1（平均328 Bq kg^?1），²³²Th为54.8–178 Bq kg^?1（平均82.3 Bq kg^?1），⁴⁰K为332–1120 Bq kg^?1（平均710 Bq kg^?1）。这些值均高于UNSCEAR报告的全球煤平均值。与土耳其国内外其他煤田对比，²³⁸U与Soma、Kangal和Yenik?y煤田相当，²³²Th与多个土耳其及希腊煤田相当，灰样品活度与Orhaneli电厂的底灰和飞灰一致。

3.2 放射性核素分布、地球化学控制及燃烧行为

²³²Th和⁴⁰K活度相对接近且与灰分产率呈弱正相关，表明其主要赋存于碎屑重矿物（如独居石、锆石）和黏土/铝硅酸盐矿物中。卡拉珀纳尔煤中高CaO含量（31.69%）使碳酸盐矿物主导无机组分，稀释了Th和K与灰分的关系。²³⁸U与灰分产率呈弱负相关，反映其受有机质和硫化物控制，在还原条件下U⁶⁺被还原为不易溶的U⁴⁺而富集；部分高U样品还显示后生/成岩富集作用。ER平均值为²³⁸U 3.33、²³²Th 2.55、⁴⁰K 2.56；REF平均值分别为1.06、0.88和0.91。REF接近1表明²³⁸U和²³²Th基本保留于灰相，但部分样品出现稀释；⁴⁰K的REF波动较大，低值指示挥发性钾盐损失，高值表明稳定硅酸盐态钾的保留。

3.3 放射性危害指数

煤和灰样品的D平均值分别为80.6和232.1 nGy h^?1，后者约为全球平均值（59 nGy h^?1）的4倍。煤的Raeq平均值（173.4 Bq kg^?1）低于370 Bq kg^?1的推荐限值，而灰的Raeq平均值达500.0 Bq kg^?1，超出安全阈值。AEDE平均值煤为98.9 μSv y^?1，灰为284.6 μSv y^?1，均低于全球平均的480 μSv y^?1和公众限值1 mSv y^?1。

3.4 筛选级剂量评估

RESRAD-ONSITE模拟显示，在居住农民情景下，地表灰层产生的最大总有效剂量为0.164 mSv y^?1，出现在污染开始后约23.2年。²³²Th系贡献了总剂量的98%以上，²³⁸U系约占1.8%，⁴⁰K长期贡献可忽略。²³²Th系因其长衰变链产生高γ辐射和低环境迁移性而长期主导剂量。外照射占总剂量的67%，植物食入约占30%，土壤食入（2%）和吸入（0.5%）贡献有限。这一分布与地表灰层直接γ照射及该区域以农业为主导的土地利用相符。

4. 讨论与结论

研究人员指出，常规放射性指数（D、Raeq）显示煤灰具有高的辐射源潜力，但RESRAD-ONSITE基于特定土地利用、暴露途径、时间和防护因素进行的模拟给出的有效剂量低于AEDE估算值，表明高活度浓度并不必然转化为高人体剂量。模拟中最大剂量0.164 mSv y^?1低于1 mSv y^?1的国际限值。然而，该评估为筛选级，模型未包含²²⁶Ra衰变链和²²²Rn吸入途径，可能低估实际风险，尤其是在封闭空间或通风不良条件下。结论强调，煤和灰中放射性核素分布具有显著的横向和纵向异质性，NORM即使在短距离内也可能发生明显变化。高CaO含量掩盖了Th、K与灰分的关系。尽管常规指标证实了灰中NORM积累的程度，RESRAD结果显示了在具体土地利用情景下该源如何映射至现实暴露模型，两者结合表明年有效剂量低于国际限值，但高Raeq和D值提示灰分管理仍需谨慎规划。由于该地区尚无燃煤电厂，本研究使用实验室总灰，结果应视为筛选级。未来若建设火电厂，需包括工业规模分离的飞灰和底灰样品、²²⁶Ra和氡测量、不同灰储存/覆盖情景及场地特定水文地质参数。