鄭捷

（上海建工材料工程有限公司，上海 200041）

技術(shù)版

淺議屏蔽混凝土的低放射性

鄭捷

（上海建工材料工程有限公司，上海 200041）

通過對(duì)中日兩國(guó)混凝土組成材料核素含量的比較分析，提出了混凝土低放射化的必要性，并就低放射性混凝土的評(píng)價(jià)和組成闡述了自己的觀點(diǎn)。建議將混凝土的低放射性問題作為安全性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，研究制定低放射性混凝土的設(shè)計(jì)方法，促進(jìn)混凝土行業(yè)整體水平的提高。

屏蔽混凝土；核素；低放射性；放射性比活度；比活度限量

0 前言

當(dāng)前人們對(duì)裝飾材料中的苯、甲醛、揮發(fā)性有機(jī)化合物等有害物質(zhì)的污染已較為警覺，但對(duì)主體建筑材料混凝土中的輻射性污染的認(rèn)識(shí)尚且不足。2010年由國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)聯(lián)合發(fā)布的 GB 6566－2010《建筑材料放射性核素限量》分別對(duì)核素鐳－226、釷－232、鉀－40 作出了限量規(guī)定，事實(shí)上混凝土中的放射性核素遠(yuǎn)不止這些。

隨著我國(guó)核電事業(yè)的發(fā)展以及醫(yī)用加速器的廣泛應(yīng)用，特別是我國(guó)自 2014、2015年開始進(jìn)入了質(zhì)子重離子治療裝置建設(shè)的高潮期，大體積屏蔽混凝土得到了廣泛的應(yīng)用。但是用于核電、加速器設(shè)施進(jìn)行屏蔽的混凝土如何降低工作人員因日常工作或維護(hù)而遭受輻射導(dǎo)致的危害，如何減少屏蔽混凝土中由熱中子而生成的短壽命核素24Na，以及因感生放射而形成的長(zhǎng)壽命核素如152Eu、60Co 等的生成量，此外，對(duì)于完成使用壽命即將退役的核電及實(shí)驗(yàn)室設(shè)施，如何降低處置費(fèi)用以及促進(jìn)混凝土解體后的綜合利用等都是必須面臨的實(shí)際問題，混凝土的低放射性問題正是在以上背景下提出的。如今，在低碳、環(huán)保、綠色理念的倡導(dǎo)下，低放射性混凝土理應(yīng)得到應(yīng)有的重視。

1 混凝土低放射化的必要性

1.1 混凝土原材料中的天然核素

混凝土中的原材料因地質(zhì)歷史和形成條件的不同，或多或少存在著一些放射性核素，以硅酸鹽水泥生產(chǎn)為例，一般以粘土和石灰石為原料，經(jīng)高溫煅燒得到以硅酸鈣為主要成分的熟料，再加入 5% 以下的混合材和適量石膏作為緩凝劑磨細(xì)而成。原料中還可能摻入硅石以彌補(bǔ)粘土中 SiO2的不足，摻入鐵質(zhì)材料主要為 Fe2O3用來降低原料的熔點(diǎn)。隨著各種工業(yè)廢渣綜合利用的開展，原料中也摻入了一定比例的粉煤灰或礦渣。經(jīng)過有關(guān)部門對(duì) 2002～2005年生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥 373個(gè)樣品的調(diào)查[1]，鐳、釷、鉀核素比活度平均值分別為53.6Bq/kg、28.4Bq/kg、163.6Bq/kg，其中鐳比活度大于 70Bq/kg 的普通硅酸鹽水泥為 37 個(gè)，占統(tǒng)計(jì)總數(shù)的9.9%，鐳比活度超標(biāo)的樣品為 5 個(gè)占 1.3%，最大值達(dá)341.5Bq/kg，上述調(diào)查結(jié)果表明雖然總體上水泥中天然核素比活度平均值尚在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)，但仍有少量水泥品種超出規(guī)定值。除了在水泥生產(chǎn)中摻入礦渣和粉煤灰之外，在商品混凝土中作為外摻料也被大量使用，因此在配制低放射性混凝土?xí)r對(duì)其中的核素限量進(jìn)行控制是很有必要的。

日本的有關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)本國(guó)生產(chǎn)的各品種水泥及混合材所含放射性核素進(jìn)行了檢測(cè)，其中 Eu 和 Co 的檢測(cè)結(jié)果見表 1[2]。

表1 水泥及混合材的分析結(jié)果 mg/k g

由表 1 分析結(jié)果可知，硅酸鹽水泥品種因生產(chǎn)中使用煤作為燃料 Eu 的含量在 0.31～0.81mg/kg 間波動(dòng)，低熱水泥的 Eu 要低于普通硅酸鹽水泥，也低于混合水泥，顯然混合水泥由于摻加了礦渣或粉煤灰使得 Eu 的含量高于硅酸鹽水泥。核素 Co 含量的離散性較大無(wú)規(guī)律可循。在混合材中石灰石微粉中的 Eu 和Co 都大大低于其它混合材。在粗骨料方面，通過對(duì)核素 Eu 和 Co 含有量的測(cè)定發(fā)現(xiàn)石灰石骨料的 Eu 含量在 0.01～0.1mg/kg 范圍內(nèi)，Co 含量在 0.01～1mg/kg之間，可見石灰石配制的混凝土其長(zhǎng)壽命核素60Co 及152Eu 的生成量也相應(yīng)較少。

原材料中存在的微量放射性核素由于其不穩(wěn)定的原子結(jié)構(gòu)會(huì)自發(fā)地放射出各種射線，最常見的就是α、β、γ射線，雖然這些射線的穿透能力各不相同，但都將對(duì)人體造成不同程度的輻射傷害，不可小覷。

1.2 天然核素的被動(dòng)激發(fā)問題

對(duì)于原材料中放射性核素限量的控制不僅僅是為了降低混凝土的放射性從而減少對(duì)人體的傷害，同時(shí)還在于降低感生放射性所產(chǎn)生的輻射危害。如醫(yī)用加速器產(chǎn)生的輻射還與加速器的結(jié)構(gòu)材料以及環(huán)境介質(zhì)如空氣、屏蔽混凝土等有關(guān)。通過輻射作用而誘發(fā)產(chǎn)生感生放射性更值得我們關(guān)注。醫(yī)用加速器的基本原理都是利用電磁場(chǎng)使帶電粒子獲得高能量，其中質(zhì)子束流能量幅度在 50～221MeV，重離子束流能量幅度在 85～430MeV范圍，如此高的能量在質(zhì)子重離子醫(yī)院的治療裝置區(qū)域?qū)χ髌帘螀^(qū)都設(shè)計(jì)成較厚墻體的大體積屏蔽混凝土。如上海市質(zhì)子重離子醫(yī)院整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的屏蔽墻厚度從1500～3750mm 不等，墻板厚度從 1200～2500mm 不等，而且混凝土內(nèi)微量放射性核素必須控制在一定限量?jī)?nèi)，即鈷、銀、銥、銪、釤、鏑、銩等元素含量必須小于 10ppm，防止因感生放射被激發(fā)而產(chǎn)生新的輻射源。

1.3 核污染及核廢料處置的需要

2011年 3 月受大地震的影響位于日本福島工業(yè)區(qū)的東京電力公司核電站發(fā)生核泄漏事故。在諸多泄漏的放射物質(zhì)中最令人關(guān)注的是134Cs、137Cs 和131I。從半衰期角度分析，134Cs 的半衰期為 2年，137Cs 為 30年。而131I 的半衰期較短僅為 8 天。通常衰變所產(chǎn)生的產(chǎn)物也是帶有放射性的，這些放射物質(zhì)通過雨水、土壤、下水道污染環(huán)境，為此日本的相關(guān)水泥生產(chǎn)企業(yè)從 2011年 5 月起必須出具放射能的測(cè)定結(jié)果，測(cè)定對(duì)象主要是134Cs、137Cs 和131I。目前對(duì)核污染物以及核電站正常運(yùn)行中產(chǎn)生的核廢料、退役實(shí)驗(yàn)室放射物的處置，根據(jù)污染濃度除了深度填埋和中間儲(chǔ)存還未有更好的辦法，而深度填埋或中間儲(chǔ)存裝置都需要既經(jīng)濟(jì)屏蔽效果又好的混凝土，這些屏蔽混凝土設(shè)施的年限少則幾十年多則上千年甚至幾萬(wàn)年，從今后的解體循環(huán)利用角度來看，提出混凝土的低放射性絕非一時(shí)之策。

2 低放射性混凝土的評(píng)價(jià)與組成

2.1 低放射性混凝土的評(píng)價(jià)

質(zhì)子重離子醫(yī)院及核電設(shè)施采用的大體積屏蔽混凝土經(jīng)過長(zhǎng)期營(yíng)運(yùn)都累積了殘余的放射能，既不利于日常的維護(hù)也不利于退役后的處置或循環(huán)利用，因此屏蔽混凝土應(yīng)由低放射性的原材料組成。然而如何評(píng)定低放射性混凝土以及與普通混凝土的區(qū)別是值得研究的問題。按照國(guó)家 2002年 10 月 8 日發(fā)布的 GB 18871－2002《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，公眾照射劑量限值不應(yīng)超過年有效劑量 1mSv。此外，在GB 6566－2010 中規(guī)定建筑主體材料中天然放射性核素鐳－226、釷－232、鉀－40 的放射性比活度應(yīng)同時(shí)滿足 IRa≤1.0 和 Iγ≤1.0，其中 IRa為內(nèi)照射指數(shù)，Iγ為外照射指數(shù)，并規(guī)定了各自的比活度限量和計(jì)算方法。由于該標(biāo)準(zhǔn)僅規(guī)定了 3 種核素的比活度限量，尚不能涵蓋混凝土主體材料中存在的放射性核素，考慮到在醫(yī)用加速器和核電站屏蔽混凝土中長(zhǎng)期運(yùn)行產(chǎn)生的殘余放射能以及感生放射性問題，為此建議適當(dāng)增加24Na、22Na、3H、60Co、152Eu 的比活度限量，借用 GB 6566－2010 中規(guī)定的外照射指數(shù) Iγ計(jì)算方法稍作改動(dòng)和延伸進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，即上式中 H 為列入量化評(píng)價(jià)的各核素的放射性比活度與相對(duì)應(yīng)的核素比活度限量值之比的和，Ci 為核素 i 的放射性比活度，Bi 為核素 i 的比活度限量值。與普通混凝土相比，若其和僅是普通混凝土的十分之一或幾十分之一，則可認(rèn)為該混凝土屬低放射性混凝土。由于人們的居住空間是由混凝土結(jié)構(gòu)和混凝土制品或粘土磚等材料構(gòu)成的，混凝土中的放射性核素含量必須控制在低放射性范圍內(nèi)，從而消除或減弱對(duì)人體的危害。

2.2 低放射性混凝土的組成

在表 1 中我們發(fā)現(xiàn)硅酸鹽各品種水泥的 Eu 含量分布不均，一個(gè)重要原因是以煤作為煅燒燃料，在熟料中灰分約占 1.5% 左右，而灰分中 Eu 和 Co 的含量分別在1mg/kg 和 10mg/kg 以上，導(dǎo)致成品水泥中 Eu 和 Co 的含量升高。從工藝上分析若以油或天然氣代為燃料則可減少 Eu 和 Co 的含量。我國(guó)水泥行業(yè)大部分還以煤為燃料，今后隨著替代能源如垃圾焚燒、舊輪胎等的相繼利用，將逐步減少以上放射性物質(zhì)的含量。當(dāng)然利用垃圾焚燒及其它替代能源不可避免會(huì)產(chǎn)生其它有害物質(zhì)，這就有待進(jìn)一步的研究和改進(jìn)。從水泥生產(chǎn)原料分析，石灰石是重要原料之一，其成分組成與 Eu 和 Co 的含量高低有關(guān)。有研究表明[3]，石灰石成分中的 P2O5和Fe2O3的含量與 Eu 和 Co 的含量高低有一定的相關(guān)性，選擇較低含量的 P2O5和 Fe2O3的石灰石有助于降低水泥中的 Eu 和 Co 的含量。從水泥中化合物組成分析，低熱水泥 C3A 的含量較少而 C4AF 的含量較多，說明在水泥原料組成中要注重成分比例的調(diào)整有利于減少 Eu和 Co 的含量。由于低熱水泥的水化熱低，若對(duì)水泥生產(chǎn)工藝及原料成分作適量調(diào)整，用于大體積屏蔽混凝土的配制則可以達(dá)到低放射性的目的。

在混凝土骨料方面，粗骨料一般都由巖石經(jīng)開采、破碎、篩分取得。以地質(zhì)成因區(qū)分可分成火成巖、沉積巖和變質(zhì)巖。我國(guó)在各種巖石的放射性核素調(diào)查方面鮮有資料。劉娟紅、包文忠、趙為新等人在《新疆地區(qū)骨料資源狀況與產(chǎn)品現(xiàn)狀的調(diào)查與分析》一文中通過對(duì)新疆地區(qū) 27 個(gè)礦點(diǎn)資源及 17 個(gè)砂石生產(chǎn)企業(yè)的調(diào)研和取樣，結(jié)果表明[4]，27 個(gè)礦點(diǎn)資源中有 18 個(gè)礦點(diǎn)可用于混凝土骨料，8 個(gè)礦點(diǎn)由于內(nèi)照射指數(shù)和外照射指數(shù)以及風(fēng)化嚴(yán)重堅(jiān)固性不合格，不能用于混凝土。可見對(duì)巖石資源或砂石礦點(diǎn)的檢測(cè)是很有必要的。在河砂資源方面，近年來個(gè)別地區(qū)在鈾礦開采過程中片面追求經(jīng)濟(jì)效益，忽視開采過程中的“三廢”處理，造成部分地區(qū)河砂被放射性污染，因此，加強(qiáng)骨料的放射性核素的檢測(cè)，選用低放射性的粗細(xì)骨料也是配制低放射性混凝土的重要環(huán)節(jié)。

3 結(jié)語(yǔ)

雖然人們每時(shí)每刻都受到來自自然界的放射性核素的輻射，但人體與生俱來的特性能夠抵御這種輕微的輻射入侵。當(dāng)輻射劑量超出人體能承受的限值時(shí)，輕則會(huì)使人體感到不適，重則造成人體組織的損傷，直接導(dǎo)致各種疾病的發(fā)生，如核素鐳－226 在衰變過程中產(chǎn)生的氡氣被公認(rèn)為誘發(fā)肺癌的主要環(huán)境因素。很顯然，從這個(gè)意義上講，混凝土的低放射性問題已經(jīng)大大超出了屏蔽混凝土本身。因此，提倡低放射性不僅僅是關(guān)注當(dāng)下混凝土發(fā)展的可持續(xù)性，更是著眼于未來綠色、環(huán)保、生物多樣性生態(tài)環(huán)境的建設(shè)，為此必須站在新的高度上重新認(rèn)識(shí)混凝土低放射化的重要性，研究制定低放射性混凝土的設(shè)計(jì)方法，促進(jìn)混凝土行業(yè)整體水平的提高。

[1] 張永貴，于濤，馬振珠，等．我國(guó)水泥產(chǎn)品天然放射性核素比活度的調(diào)查分析[J]．中國(guó)建材科技，2009(6)：1-5．

[2] 田野崎隆雄，三浦太一，齊滕究，等．低放射化コンクリ—ト[C]．コンクリ—ト工學(xué)會(huì)．コンクリ—ト工學(xué)年次論文集.日本東京：コンクリ—ト工學(xué)會(huì)，2003：18-50．

[3] 田野崎隆雄，一坪幸輝，三浦啓一，等．コンクリ—ト系低放射化材料の開發(fā)[C]．コンクリ—ト工學(xué)會(huì)．コンクリ—ト工學(xué)年次論文集．日本東京：コンクリ—ト工學(xué)會(huì).2007：84．

[4] 劉娟紅，包文忠，趙為新，等．新疆地區(qū)骨料資源狀況與產(chǎn)品現(xiàn)狀的調(diào)查與分析[J]．混凝土世界，2013(01)：69．

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鄭捷（1948—），男，高級(jí)工程師