鈾礦山放射性危害及其防治

至1965年，已發現有1130個不穩定的核素。不穩定的核素能自發地發生衰變而成另一種不穩定的核素(或穩定的元素)，在衰變過程中同時放出射線。放射性核素的這一特性在工業、農業、醫學、國防等領域得到了廣泛的應用。在當今世界，核科技競爭，能源危機日益加劇，加快了核能利用的過程。核輻射對大氣、對環境的危害日趨嚴重，人們對此非常關心是理所當然的。現就放射性的來源、放射性的危害、放射性的防治三方面談談自己的粗淺認識。
1　放射性的來源
1.1　自然界中的天然放射源
　　在自然界中存在著鈾鐳系、釷系和錒系三個放射性系列。鈾鐳系的起始核素是鈾238，它經過15代的衰變后成為穩定元素鉛。其衰變形式是：²³⁸₉₃U→²³⁴₉₀Tn…→²²⁶₈₈Ra→²²³₈₆Rn…→²⁰⁷₈₂Pb。氡經過8代衰變成穩定的元素鉛。其衰變形式是：Rn→RaA→RaB→RaC…→²⁰⁷₈₂Pb。
　　放射性核素在衰變過程中，放出各種不同的射線。主要有α、β、γ射線及電子俘獲。
　　α衰變，不穩定的原子核自發地放出α粒子而變成另一種核即氦(⁴₂He)原子核，由二個中子，二個質子組成，帶二個正電荷。放射性核素在α衰變后，新形成的核素的原子量比原來的降低4，原子序數降低2。如²²⁶₈₈Ra放出α粒子后就變成²²²₈₆Rn。α射線穿透能力很弱，一張紙就可擋住。
　　β衰變，放射性核素衰變時放出β粒子，β粒子即為電子。β衰變前后，母體與子體核素質量數不變，但子體核素的原子序數比母體提高了。如²¹⁴₈₃Bi(RaC)在β衰變后，就變成²¹⁴₈₄Po(RaC′)，β射線比α射線穿透能力強，但可被5mm鉛板擋住。
　　電子俘獲是指原子核俘獲了核外的一個軌道電子，使核里的一個質子變為中子，所以產生的子體原子核的原子序數比母體少1，而質量數不變。如⁴⁰₁₉K經電子俘獲后變為⁴⁰₁₈Ar。
　　放射性核素在衰變過程中，一般都伴隨γ射線放出，γ射線是一種波長極短的電磁波，不帶電荷。它的穿透能力很強，需要10cm厚鉛板才能擋住。
1.2　天然放射性物質的分布
　　由于地區的不同，環境中各種天然放射性核素的分布有很大的差異。在一些礦區尤其是鈾礦區和火山浸入巖的地區放射性元素含量就高。
　　土壤和巖石中的天然放射性核素是環境中放射性核素的主要來源。鈾在土壤中含量為2.8μg/g，在巖石中為1μg/g；Ra(鐳)在土壤中含量為1×10^-6μg/g，在巖石中為8×10^-3μg/g。不同的土壤，巖石其含量不盡相同，火成巖中的放射性核素的含量高于水成巖，石灰石最低。
　　河水中天然U的濃度一般為0.3～10μg/L，Ra的濃度一般為0.37～37×10^-2Bq/L。
　　陸地上大氣中Ra的濃度平均為4.44×10^-3Bq/L，海洋上空Rn的濃度約為3.7×10^-5Bq/L。
　　不同建筑物內空氣中Rn濃度亦各異。如農村土房為33.5×3.7×10^-4Bq/L，水泥地磚瓦房為38.8×3.7×10^-4Bq/L。此外，食物如大豆、面粉、牛奶、牛肉、蔬菜等都不同程度含有放射性物質。
1.3　人工放射源
　　隨著核能利用步伐的加快，人工輻射源對大氣、環境的污染日趨嚴重。
　　(1)大氣層核武器爆炸，地下核爆炸含有核燃料，感生放射性及核裂變產物的放射性氣溶膠、放射性沉降物擴散到大氣層中或因自身的重量降到陸地、江河湖海。核爆炸產生的放射性物質和感生放射產物達幾十種元素200多種放射性同位素。自1945年以來，世界環境受人工放射性污染的主要來源美國、前蘇聯兩國在大氣層進行一系列核武器試驗和地下核爆炸試驗所產生的裂變產物。
　　(2)正常進行的核電站和反應堆對環境和大氣的污染主要是放射性廢氣、廢碴，排放出的主要放射性物質有⁸⁵Kr、¹⁴⁰Ba等。到2000年，世界核電總裝機容量可達1030～1652GW(e)，占總發電量的50%。由此可見，放射性核素對大氣和環境的污染日益加劇。
　　核電事故釋放出的放射性物質更是觸目驚心。1957年10月英國的溫茨開爾反應堆事故向環境釋放放射核素¹³¹I約為740^TBq，同時伴有¹⁰⁶Ru等核素釋放。1986年4月前蘇聯切爾諾貝利核電站爆炸，使東歐、北歐環境遭到嚴重污染，對整個北半球均有不同程度的影響。
　　(3)礦山尤其是鈾礦山開采過程中對環境和大氣的污染主要來自于“四廢”(即廢碴、廢氣、廢水、廢物)。如一個留礦法采場高3m，面積為200m²，堆積1000t礦石，其品位為0.1%，經計算其氡氣產生量約為3.0Bq/(s^.t)，10min后，可產生Rn179.82×10Bq，其他采礦方法也不同程度地產生Rn并釋放到空氣中。此外，廢碴、廢水、廢物中的放射性物質滲入地下，流入河流、小溪，擴散到礦山周圍大氣中，鈾水冶廠生產中所產生的“四廢”放射性濃度更高，對大氣和環境污染更嚴重。實質上鈾礦廠是一個龐大的放射源。
　　(4)放射性診斷。隨著核科學的發展，放射性同位素在醫療領域得到廣泛的應用。它不僅造成對環境的放射性污染，而且對人體造成直接損傷，甚至還產生對遺傳的影響。
2　放射性的危害
　　大氣和環境中的放射性物質，可經過呼吸道、消化道、皮膚、直接照射、遺傳等途徑進入人體，一部分放射性核素進入生物循環，并經食物鏈進入人體。放射性核素及其衰變產物進入人體的途徑如圖1所示。
　　放射性核素進入人體后，由于它具有不斷衰變并放出射線的特性，以及放射性環境、放射性診斷等對人體的直接輻射，即內照射和外照射，使體內組織失去正常的生理機能并給組織造成損傷。
　　其中氡的危害最為顯著。氡是鐳的衰變產物，鐳是鈾的衰變產物。
　　氡從鐳A經過八代衰變，最后才形成穩定的元素鉛，前四代，即從RaA→RaC′，半衰期很短，叫做短壽命子體。氡是一種無色、無味、無臭而透明，-65℃溫度時為液態，-17℃時由液態變為氣態，氣態Rn的重率為9.37g/L，液態氡的重率為5.7g/mm³。氡的化學性質不活潑，一般不參加化學反應。能溶于水、油類、有機溶劑，在脂肪中的溶解度為在水中的125倍。亦能被固體物質吸附，吸附在固體表面上的氡形成難解脫的放射性薄膜。

圖1　放射性核素及衰變產物進入人體途徑示意圖

　　前面已經提到，氡及其子體具有α、β、γ三種衰變形式。三種衰變的特性不同，對人體危害程度各異。其中以α射線的內照射危害最大，因為它的射程短，一張紙就可以阻擋住。可集中在人體小范圍內進行強烈的內照射，使小范圍的肌體組織承受高度集中的輻射能而造成損傷。如在呼吸道器官中的α粒子的射程正好可以轟擊到支氣管上皮基底細胞核上，而造成嚴重的呼吸道疾病，乃至肺癌。
　　射線對人體的危害不僅來自于α粒子的內照射，也來自β、γ及其他射線的外照射。
　　在輻射防護中，用來度量射線對物質的作用程度，引用了吸收劑量這個概念，并用“D”表示。

式中　—是由輻射給予某一體元中的物質的平均質量，J；
　　　dm—該體積元中物質的質量，kg。
　　此外，還引用了“劑量當量”這個概念，用“H”表示。
　　　　　H=DQN
式中　Q—品質因素；
　　　N—其他任何修正因素的積。
　　根據有關資料介紹，青年婦女在懷孕前受到診斷性照射(0.7～5rad)后其小孩發生Downs綜合癥的幾率增加9倍。低劑量的照射對人胎兒是有害的。
　　此外，放射性輻射尚可誘發致癌機理，目前有兩種主要假說：“一是輻射誘發體細胞突變，從而使正常細胞向惡性細胞轉變；二是輻射可使細胞的環境發生變化，從而有利于病毒的復制和病毒誘發惡性病變。
　　除致癌效應外，輻射的晚期效應還包括再生障礙性貧血、壽命縮短、白內障和視網膜發育異常。
　　事物總是一分為二的，放射性輻射除了對人體的危害外，也有益人類的方面，如放射性探測，放射性治腫瘤等。關鍵在于人類如何正確應用，堅決防治有害于人類的放射性危害，使核科學朝著造福于人類方向不斷發展，不斷完善。
3　放射性的防治
　　放射性污染的防治是關系到保護環境、保障人們健康，促進社會物質文明、精神文明建設一個重要問題。具有重要的現實意義和深遠的歷史意義。
　　防治要標本兼防，標本兼治，以“防”為主，在“治”字上狠下功夫。從而使我們賴以生存的空間和環境更干凈、更美麗。這應當成為全人類共同奮斗目標。
3.1　有效控制氡及子體的析出
　　對于鈾礦山而言，有效地控制氡及其子體的析出是至關重要的。就技術條件而論，礦井使用抽出式通風不佳。因抽出式通風，井卷、采場、硐室均處于負壓狀態，而礦巖中空隙的空氣壓力高于井巷、采場、硐室的空氣壓力，由于氣體壓力降低時的吸出效應，使氡及子體從礦巖內隨空氣流動而析出到礦井空間。而壓入式通風，井巷內空氣壓力大于礦巖中空隙空氣壓力，壓入空氣滲入礦巖空隙，一方面沖淡了礦巖空隙中的氡濃度，另一方面改變了礦巖中壓力梯度，約束了氡向井巷擴散速度，使井巷空氣氡濃度顯著下降。有關資料表明，如采用573.7Pa的負壓，會引起氡析出量增加3倍，而573.7Pa正壓，則導致氡析出量下降60%以上。
　　此外，最大限度減少礦巖的暴露面，選擇最佳的采礦方法。充填法不僅適應于鈾礦床規模小、礦體不連續、品位變化大的特點，而且有利于控制氡的析出。嚴禁脈內開拓采準。
　　在鈾水冶廠的破碎、磨礦、篩分等工藝過程中會產生大量的放射性粉塵，應采用濕式操作，同時在各個設備上加裝密封罩，加強通風和排氣除塵。
3.2　有效處理放射性工業廢水
　　隨著原子能工業的發展，產生放射性廢水量也在增加。放射性廢水的處理在放射性的污染防治中占有很重要的地位。目前世界上約有1/3的核電站，其冷卻水排入海洋、湖泊、土地中，這只是一種消極處理方法，無益于全球環境的保護。
　　美國研究發展了一種低水平放射性廢水處理的新工藝，即將放射性廢水經凝沉淀、離子交換處理后再重復使用。它是補充水資源缺乏的新途徑，有益于全球環境的保護。
3.3　個體防護
　　在放射性場所工作人員配戴高效防塵口罩；清除表面污染，上班更衣、下班沐浴；充分提高工作效率，縮短工作時間；上班不進食，不吸煙，皮膚破裂不得在放射性場所工作；設置密閉罩，使操作者與含氡空氣隔離；除非出于健康的絕對需要，任何人都不要受到任何輻射量的照射。
3.4　從根本上防治
　　全面調查已退役或將退役的放射性礦山、尾礦壩。在有條件的地方，應堅決做到植被還林、還田。嚴禁土法開采治煉；大力推廣溶浸采礦、鉆孔浸礦技術。因為它無需礦石轉運、無需水冶工藝、無尾礦壩、無廢碴。是采、選、冶的結合，有廣闊的發展前景；對高放射性廢物可選擇合適的地層，在地下數百米或更深的地層建造最終處置庫，可利用地層作隔離層把放射性廢物包容起來。保持從廢物中透出的放射性核素在潛入生物圈之前能夠衰變到無害水平；大力開展放射性廢物的綜合利用，如生產核電池、照射源、醫學上的特殊能源等。
　　由于本人對放射學，放射醫學研究不多，只是根據自己從事鈾礦山以及后來的放射性采礦專業教學工作的30多年的實踐，并參閱有關文獻的一些粗淺認識和體會寫成此文，錯誤之處在所難免，敬請讀者批評。

〔作者簡介〕　王前裕　中南工學院教授
王前裕（中南工學院^.衡陽421001）

參考文獻

〔1〕吳成祥、李　彥著，環境放射學，1991
〔2〕〔美〕K.N普拉薩德著，人體放射生物學，1984
〔3〕葉鎮杰主編，礦山環境工程，1987