硬煤粉煤灰中技术增强型天然放射性核素及采用 RESRAD 模型的相关放射性危害评估

《Applied Radiation and Isotopes》：Technologically enhanced natural radionuclides in hard coal fly ash and associated radiological hazard assessment using RESRAD modeling

　　

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  评估了?atala?z?热电厂煤灰的放射性危害。
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  测定了煤灰中²²⁸Ra、²²⁶Ra和⁴⁰K的活度浓度。
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  煤灰在放射学上对水泥和混凝土生产是安全的。
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  通过RESRAD-ONSITE代码模拟了工人暴露情景。
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  最大总有效剂量率在第18年达到0.14 mSv/y。
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  终生超额癌症风险在第9年达到峰值，为2.78 × 10^?4。

引言

全球人口的持续增长、工业化、城市化和科技发展导致全球能源需求持续增加。2025年全球能源需求增长了1.3%，这主要受工业消费上升、制冷需求增加、交通电气化以及数据中心和人工智能应用的快速扩张所驱动（IEA, 2025; IEA, 2026）。因此，电力需求持续上升，2025年全球电力消费增长了3%，预计在2026–2030年间将以年均3.6%的速度增长（IEA, 2026）。尽管可再生能源的贡献日益增加，煤炭仍是全球发电最重要的能源资源之一（Saletnik等, 2025）。2024年，全球煤炭需求达到88亿吨（BT），燃煤发电达到了历史最高水平，反映出许多国家为满足不断增长的能源需求而对煤炭的持续依赖（IEA, 2025）。土耳其也严重依赖燃煤发电，并拥有约220亿吨煤炭储量（MENR, 2026）。然而，热电厂（TPPs）中的煤炭燃烧会产生大量固体副产品，包括底灰和煤灰（CFA），以及大气污染物。在这些残留物中，煤灰是最丰富的副产品。与燃煤相比，煤灰中含有较高浓度的铀（²³⁸U）和钍（²³²Th）衰变系列中的天然放射性核素以及钾-40（⁴⁰K）（Siraz等, 2023）。因此，煤灰被归类为技术增强的天然放射性物质（TENORM），由于其潜在的放射性和环境影响而引起了广泛关注（Hendryx等, 2020; Petrovi?和Fiket, 2022; Markovi?等, 2023; Mahlangeni等, 2024; Turhan和Jamasali, 2025）。全球每年产生约7.8亿吨（Mt）煤灰，这为其管理、处置和有利用再应用带来了巨大挑战（Naz和Chowdhury, 2024）。虽然煤灰的再利用具有经济和环境效益，但其庞大的全球产量、利用不足、不当的处置做法以及对其固有风险的认识不足对人类、植物和生态系统构成了重大健康风险（Chen等, 2024; Mukke等, 2025）。煤灰最常见的应用之一是将其掺入水泥、混凝土和其他建筑材料中，因为具有良好的工程和经济特性。虽然煤灰的再利用减少了处置需求并保护了自然资源，但煤灰中存在的放射性核素可能会增加公众和工作人员的辐射暴露。居住在使用含煤灰材料建造的建筑中的人可能会暴露于天然放射性核素发射的外部伽马辐射。此外，参与煤灰储存、运输、处理、回收和处置的工作人员可能通过外部照射和内部途径暴露，如吸入、摄入和皮肤接触。在煤灰中存在的放射性核素中，镭同位素（²²⁶Ra和²²⁸Ra）具有特别的放射性意义，因为镭进入人体后会在骨骼组织中积累，从而增加健康不利影响的风险（?ata和Danielowska, 2020）。此外，²²⁶Ra是氡（²²²Rn）的主要放射性核素，其短寿命衰变产物对人类从自然来源接收的内部辐射剂量贡献显著（UNSCEAR, 2008）。因此，关于煤灰中放射性核素活度浓度的可靠信息对于评估建筑材料的 safe 使用和潜在放射学健康对工作人员和公众的影响至关重要。

迄今为止，大量研究报告了不同国家燃煤热电厂产生的煤灰中放射性核素活度浓度及相关放射性危害（Fidanchevski等, 2021; Moreno de los Reyes等, 2021; Ahmed等, 2021; Loan等, 2022; Mohamed等, 2023; Mishra等, 2023; Hassan, 2023; Suarez-Navarro等, 2024; Dao等, 2024; Van等, 2025）。然而，大多数以往的研究主要关注褐煤和烟煤产生的煤灰，而无烟煤产生的煤灰的放射性数据仍然有限。此外，尚未报告对?atala?z?热电厂（?ATES）产生的煤灰进行综合放射性评估，该电厂是土耳其第一座热电厂，也是该国唯一的无烟煤燃煤电厂。该电厂每年产生约75万吨煤灰，其中相当一部分材料被用于水泥和混凝土生产（K?zgut等, 2001; ?ATES, 2026）。因此，放射性数据的缺失代表了关于煤灰有益再利用和参与煤灰管理活动的工作人员保护的重要知识空白。本研究通过提供来自?ATES的无烟煤产生的煤灰的第一个综合放射性表征来解决这一空白。本研究的创新性在于将伽马射线光谱法获得的实验观察与使用RESRAD-ONSITE计算机代码的高级计算建模协同集成。具体而言，使用高纯度锗（HPGe）探测器进行高分辨率伽马射线光谱测量，测定了从?ATES不同机组收集的19个煤灰样本中²²⁶Ra、²²⁸Ra和⁴⁰K的活度浓度。使用α和γ指数评估了煤灰样本用于水泥和混凝土生产的适用性。同时，通过计算年有效剂量和终生癌症风险估算了潜在的室内放射性影响。此外，基于光谱测量结果，使用RESRAD-Onsite 7.2计算机代码估算了参与煤灰储存和处理操作的工作人员的工作辐射剂量和相应的超额终生癌症风险。研究结果为土耳其无烟煤产生的煤灰提供了基线放射性数据，并有助于更好地理解与煤炭燃烧残留物利用和管理相关的TENORM暴露。

章节片段

样品收集与制备

?ATES所在地区的地质结构反映了宗古尔达克盆地的特征，该盆地含有土耳其最丰富的硬煤储量（?ATES, 2026）。如图1所示，该热电厂位于黑海西部地区的宗古尔达克省基利姆利区?atala?z?镇，位于周围崎岖地形中的沿海河谷。从地质学角度看，该地区位于一个煤炭盆地中的古生代（第一个地质时期）地层上。

结果与讨论

表2列出了在?ATES煤灰样本中测得的²²⁸Ra、²²⁶Ra和⁴⁰K的活度浓度（±不确定度）。放射性核素活度浓度的箱线图和频率分布分别如图2和图3所示。图4展示了放射性核素平均活度浓度与某些国家热电厂煤灰样本中测得值的比较。从表2可以看出，煤灰中放射性核素的活度浓度

结论

煤炭是土耳其使用最广泛的能源。因此，测量煤灰样本中的TENORM水平非常重要。如图4所示，?ATES煤灰中的放射性核素含量与其他煤灰有所不同。活度结果表明煤灰样本富含放射性核素。测量结果表明，?ATES煤灰样本中²²⁸Ra和²²⁶Ra的平均活度浓度低于欧盟国家的煤灰，而⁴⁰K较高。

CRediT作者贡献声明

Yusof-den Jamasali：调查、形式分析、概念化。?eref Turhan：写作——审阅与编辑、写作——初稿、软件、形式分析。

伦理审批

不适用。

资金声明

作者声明本研究未收到任何资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本研究报告的工作。

致谢

作者感谢Asl? Kurnaz教授博士的协助。在准备本研究时，作者使用了Grammarly和人工智能工具来提高文本的清晰度、结构或可读性。在使用这些工具后，作者审阅、编辑和验证了所有内容，以确保其准确代表他们自己的想法和解释。

Yusof-den Jamasali|?eref Turhan