Радиоактивные элементы в угле и летучей золе:Изобилие, формы и экологическое значение

Радиоактивные элементы в угле и летучей золе:Изобилие, формы и экологическое значение

Tadmore, J., Cothern, C.R., Smith, J.E., Swaine, D.J., Swaine, D.J. Перевод: Зиновьева К. Э.

Введение

Уголь в основном состоит из органического вещества, но эти неорганические вещества в минеральной части угля и микроэлементы - то, что может быть названо в качестве возможных причин медицинских, экологических и технологических проблем, связанных с использованием угля. Некоторый след элементов в угле естественно радиоактивен. К таким радиоактивным элементам можно отнести следующие:уран (U), торий (Th), а также их многочисленные продукты распада, в том числе радий (Ra) и радон (Rn). Хотя эти элементы химически менее токсичны, чем другие угольные составляющие, такие как мышьяк, селен, или ртуть, поднимались вопросы, касающиеся возможных рисков от радиации. Точное решение этих вопросов, и прогнозирование подвижности радиоактивных элементов в течение угльного топливного цикла - это важно для определения концентрации, распределения и формы радиоактивных элементов в угле и летучей золе.

Обилие радиоактивных элементов в угле и летучей золы

Оценка радиационного облучения при сжигании угля в решающей степени зависит от концентрации радиоактивных элементов в угле и в летучей золы, которая остается после сжигания. Данные для урана и тория в угольных содержания доступна из Геологическая служба США (USGS), который ведет крупнейшая база данных информации о химическом составе США угля. Эта база данных для поиска по World Wide Web по адресу: http://energy.er.usgs.gov/products/databases/CoalQual/intro.htm. В большинстве проб концентрации урана понижаются в пределах от чуть ниже 1 до 4 частей на миллион (промилле). Подобные концентрации урана обнаружены в различных породах и почвах. Угли с более чем 20 частей на миллион урана редки в США. Концентрации тория в угле понижаются в аналогичном диапазоне 1-4 промилле, по сравнению со средним показателем в земной коре примерно 10 промилле. Угли с более чем 20 частей на миллион тория также крайне редки. Во время сжигания угля большая часть урана, тория и их продуктов распада освобождаются от первоначальной угольной матрицы и распределяются в газовой фазе и твердых продуктах сгорания.

Перегородки между газовой и твердой фазами контролируются неустойчивостью и химией отдельных элементов. Практически 100 процентов радона питает уголь в газовой фазе, и теряется в дымовых выбросах. Однако, менее летучие элементы, такие как торий, уран, и большинство их продуктов распада, почти полностью сохраняются, при сжигании, в твердых отходах. Современные электростанции можно восстановить более чем на 99, 5 процента от сжигания твердых отходов. Средняя урожайность золы от сжигания угля в США составляет примерно 10 процентов веса. Таким образом, концентрация наиболее радиоактивных элементов при сжигании в твердых отходах, будет примерно в 10 раз больше от концентрации в исходном угле.

Формы возникновения радиоактивных элементов в угле и летучей золе

В USGS в настоящее время существует научно-исследовательский проект по изучению распространения и способов возникновения (химическая форма) микроэлементов в угле и в продуктах сгорания угля. Этот подход, как правило, включает: 

(1) ультра чувствительные химические или радиометрические анализы частиц, разделенных на основе размера, плотности, минеральных или магнитных свойств$ 

(2) анализы химического экстракта, который избирательно накапливает определенные компоненты углей или летучей золы; 

(3) прямое наблюдение и анализ микроизлучений очень небольших площадей или зерна; 

(4) радиографические методы определения местоположения и количества радиоактивных элементов.

Большинство тория в угле содержится в минералах-фосфатах, таких как моназит или апатит. В отличие от урана, он находится в минеральных и органических фракциях угля. Некоторые разновидности урана могут добавляться постепенно, в течение геологического времени так как органические вещества могут извлекать и растворенный уран из подземных вод. В летучей золе уран больше сосредоточен в тонких частицах малых размеров частиц. Если во время сжигания угля некоторая часть урана сосредоточена на поверхности золы как конденсат, то эта поверхность в его рамках является потенциально более подвержена выщелачиванию. Как бы то нибыло, никаких очевидных доказательств поверхности обогащения урана в сотнях частиц летучей золы, рассмотреными USGS исследователями, не было найдено.

Приведенные выше наблюдения, основанны на использовании деления-трек радиографии, сложнуой техники для наблюдения за распределением частиц урана размером до 0, 001 сантиметра в диаметре. Диаметр стеклянной сферы летучей золы относительно большой, составляет около 0, 01 см. Распределение и концентрация урана отмечаются в виде делений на треки, которые появляются, как темно-линейные функции на рентгеновском снимке. Дополнительные изображения получают путем USGS исследователей из различных частиц летучей золы подтверждающим преференциальное расположение урана внутри стеклянного компонента, частицах летучей золы.

Здравоохранения и окружающей среды от воздействия радиоактивных элементов, связанных с углем

Радиоактивные элементы из угля и летучей золы могут быть в контакте с общественностью, когда они рассеиваются в воздухе и воде или включены в коммерческие продукты, которые содержат летучую золу.

Радиационная опасность из бортовых выбросов угольных электростанций оценивается в серии исследований, проведенных с 1975-1985. Эти исследования пришли к выводу, что максимальная доза облучения с индивидуальной зоной жизни в пределах 1 км от современной электростанции, эквивалентно несовершеннолетним, может быть от 1 до 5 процентов, возрастание радиации происходит и в природной среде. Для обычного гражданина, доза облучения при сжигании угля, значительно меньше. Природные источники составляют большинство (82 процентов) от радиации. В антропогенных источниках радиации преобладают медицинские рентгеновские лучи (11 процентов).

Летучая зола обычно используется в качестве добавки в бетон, в строительные материалы, но радиоактивность типичной летучей золы существенно не отличается от более традиционных бетонных добавок или других строй-материалов, таких, как гранит или красный кирпич. Один крайний расчет предполажил, высокую пропорцию летучей золы в качестве добавки в бетон, по сравнению с нормальным бетоном, 3 процента от естественной радиации окружающей среды.

Еще одно соображение заключается в том, что с низкой плотностью, конкретные продукты, богатые летучей золой, могут стать источником радона. Прямые измерения этого вклада радона внутри помещений, усугубляется гораздо больший вклад от лежащих почвы и породы. В эманации, радон из летучей золы менее опасен, чем из природных почвенных аналогичного содержания урана. Нынешние расчеты показывают, что бетонному зданию продукции всех видов способствуют менее 10 процентов от общего объема помещений радона. 

Приблизительно три четверти от годового производства летучей золы, предназначенных для захоронения, в инженерии поверхности запруд и свалки, или в заброшенных шахтах и карьерах. Главной экологической проблемой является возможность загрязнения грунтовых вод. Стандартные тесты на leachability токсичных микроэлементов, таких как мышьяк, селен, свинец и ртуть из летучей золы свидетельствует о том, что сумма растворенных достаточно низка, чтобы оправдать регулирования классификации летучей золы, как nonhazardous твердых отходов. Максимально допустимая концентрация в этих стандартизированных тестах - 100 раз стандартам питьевой воды, но эти пределы концентрации редко подходят для летучей золы.

В leachability радиоактивных элементов, из летучей золы имеет значение, в связи с США Агентством по охране окружающей среды (USEPA) питьевой водой стандартного для растворенного радия (5 пикокюри за литр) и предлагаемым добавлением питьевой воды стандартов и радон урана к 2000 году. Предыдущие исследования мобильности радиоэлементов в окружающей среде, и, в частности, в непосредственной близости от урановых шахт и заводов, служат основой для прогнозирования химических условий, которые могут оказывать влияние на leachability урана, бария (химический аналог для радия) и тория с летучей золы. Например, leachability радиоактивных элементов критически зависит от рН, результат реакции воды с летучей золой. Экстремальность либо кислотность (рН меньше 4) или щелочность (рН больше 8) может способствовать повышению растворимости радиоактивных элементов. Кислотность - нападения различных минеральных фаз, которые находятся в летучей золе. Вместе с тем, нейтрализации кислотных растворов последующие реакции с природными скалами или почвами способствует выпадению осадков или сорбции многих растворенных элементов, в том числе урана, тория, а многие из их продуктов распада. Высокая щелочность растворов содействия распада из стеклянного компонента летучей золы, является принимающей урана, что может, в частности, может привести к увеличению растворимости урана, уран-карбонатные виды. К счастью, большинство частиц летучей золы богаты растворенными сульфатами, и это уменьшает растворимость бария (и радий), которые образуют весьма нерастворимые сульфаты.

Прямые измерения растворенного урана и радия в воде, что связался с летучей золой ограничивается небольшим числом лабораторных исследований выщелачивания, в том числе путем USGS исследователей и разреженными данными для природной воды вблизи некоторых объектов утилизации золы. Эти предварительные результаты показывают, что концентрации, как правило, ниже нынешнего стандарта питьевой воды для радия (5 пикокюри на литр), либо изначально предложили стандарт для урана питьевой воды из 20 частей на миллиард.

Резюме

Радиоактивные элементы в угле и летучей золе не должны быть источником тревоги. Подавляющее большинство из угля, и большинство из летучей золы, не существенно обогатили радиоактивные элементы или связанные радиоактивностью, по сравнению с общей почвой или породами. Это замечание является полезной геологической точкой зрения общества для решения проблем, касающихся возможной радиационной опасности и радона. 

Расположение и форма радиоактивных элементов в летучей золе определяет наличие элементов для выщелачивания пепла во время использования или утилизации. Существующие измерения распределения частиц урана в летучей золе свидетельствуют о равномерном распределении урана всех стекловидных частиц. В явном пренебрежении изобилии поверхности ограниченных, относительно доступных частиц урана свидетельствует о том, что темпы высвобождения его в основном контролируются сравнительно медленным растворением пребывания золы. 

Предыдущие исследования радиоэлементов растворенных в окружающей среде, а также существующие знания о химических свойствах урана и радия, могут быть использованы для прогнозирования наиболее важного химического контроля, как, например, рН на растворимость урана и радия, когда летучая зола взаимодействует с водой. Ограниченность измерения растворенного урана и радия в воде летучей золы и природной воды из пепла свидетельствуют о том, что концентрации растворенных этих радиоактивных элементов находятся ниже уровня человеческого здоровья.

Список литературы

Tadmore, J., 1986, Radioactivity from coal-fired power plants: A review: Journal of Environmental Radioactivity, v. 4, p. 177–204. 

Cothern, C.R., and Smith, J.E., Jr., 1987, Environmental Radon: New York, Plenum Press, 363 p. 

Ionizing radiation exposure of the population of the United States, 1987: Bethesda, Md., National Council on Radiation Protection and Measurements, Report 93, 87 p. 

Swaine, D.J., 1990, Trace Elements in Coal: London, Butterworths, 278 p. 

Swaine, D.J., and Goodarzi, F., 1997, Environmental Aspects of Trace Elements in Coal: Dordrecht, Kluwer Academic Publishers, 312 p.