Characterization of Particulates Containing Naturally Occurring Radioactive Materials in Phosphate Processing Facility

Phosphate rock, phosphogypsum, and products in phosphate processing facility contain naturally occurring radioactive materials (NORM). Therefore, they may give rise to enhanced radiation dose to workers due to inhalation of airborne particulates. Internal dose due to particle inhalation varies depending on particle properties. The objective of the present study was to characterize particle properties at the largest phosphate processing facility in Korea. A cascade impactor was employed to sample airborne particulates at various processing areas in the plant. The collected samples were used for characterization of particle size distribution, particle concentration in the air, and shape analysis. Aerodynamic diameters of airborne particulates ranged 0.03-100 ${\mu}m$ with the highest concentration at the particle size range of 4.7-5.8 ${\mu}m$ (geometric mean = 5.22 ${\mu}m$) or 5.8-9.0 ${\mu}m$ (geometric mean = 7.22 ${\mu}m$). Particle concentrations in the air varied widely by sampling area up to more than two orders of magnitude. The large variation resulted from the variability of mechanical operations and building ventilations. The airborne particulates appeared as spheroids or rough spherical fragments across all sampling areas and sampled size intervals. Average mass densities of phosphate rocks, phosphogypsums, and fertilizers were 3.1-3.4, 2.1-2.6, and 1.7 $gcm^{-3}$, respectively. Radioactivity concentration of uranium series in phosphate rocks varied with country of origin, ranging 94-866 $Bqkg^{-1}$. Among the uranium series, uranium was mostly concentrated on products, including phosphoric acid or fertilizers whereas radium was concentrated on byproducts or phosphogypsum. No significant radioactivity of $^{226}Ra$ and $^{228}Ra$ were found in fertilizer. However, $^{40}K$ concentration in fertilizer was up to 5,000 Bq $g^{-1}$. The database established in this study can be used for the accurate risk assessment of workers due to inhalation of airborne particles containing NORM. In addition, the findings can be used as a basic data for development of safety standard and guide and for practical radiation safety management at the facility.

인광석 취급 산업체에서 발생하는 천연방사성물질 함유 입자의 특성 평가

인광석 취급 산업체에서는 천연방사성물질(NORM)을 함유한 물질을 다량으로 취급하고 있어, 종사자들은 각 공정에서 발생하는 공기 중 입자의 흡입에 의해 내부피폭을 받을 수 있다. 흡입에 의한 내부피폭 방사선량은 입자의 특성에 의해 크게 좌우된다. 따라서 본 연구에서는 국내 최대 인광석 취급 산업체에서 공기 중 부유 입자의 크기 분포 및 농도, 입자의 모양 및 밀도, 그리고 방사능 농도를 평가 하였다. 다단계입자채집기를 이용하여 공기 중 입자를 채집하고 입자의 크기분포, 농도, 그리고 모양을 분석하였다. 입자의 공기역학적 직경은 0.03-100 ${\mu}m$까지 광범위하게 분포하였으며, 입자크기가 4.7-5.8 ${\mu}m$(기하학적 평균직경 = 5.22 ${\mu}m$) 혹은 5.8-9.0 ${\mu}m$(기하학적 평균직경 = 7.22 ${\mu}m$)인 범위에서 공기 중 입자의 농도가 최댓값을 나타냈다. 공기 중 부유입자의 농도는 공정에 따라 최대 수백 배 이상 차이를 보였으며, 중장비 작업이 이루어지는 창고에서 높은 농도를 보였다. 반면에 인산석고 적치장에서는 입자의 부유방지를 위한 덮개 및 살수 그리고 비료공장 제어실에서는 환기시설을 갖추고 있어 상대적으로 입자의 공기 중 농도가 낮게 나타났다. 입자의 모양은 모든 측정 장소에서 구형에 가깝게 나타났으므로, 인광석 취급 시설에서 발생하는 입자의 모양인자 값을 1로 정하였다. 각 공정에서 시료를 채집하여 입자의 밀도를 분석하였다. 인광석의 밀도는 약 3.1-3.4 $gcm^{-3}$, 염화칼륨의 밀도는 약 2.7 $gcm^{-3}$, 공정 부산물인 인산석고의 밀도는 약 2.1-2.6 $gcm^{-3}$, 최종제품인 복합비료의 밀도는 약 1.7 $gcm^{-3}$으로 나타났다. 감마분석기를 이용하여 원료물질, 공정부산물, 생산제품 내 $^{226}Ra$, $^{228}Ra$, $^{40}K$ 핵종의 방사능 농도를 측정하였다. 인광석에는 주로 우라늄계열 핵종을 많이 함유하고 있었으며, 그 농도는 원료 산지에 따라 94-866 $Bqkg^{-1}$ 정도였다. 인광석 내에 존재하는 우라늄계열 핵종 중 우라늄은 생산품인 인산 혹은 비료에 농축되었으며, 라듐은 부산물인 인산석고에 농축되었다. 최종제품인 비료의 경우에는 $^{226}Ra$과 $^{228}Ra$이 거의 존재하지 않았으나, 제품생산을 위해 첨가한 염화칼륨에 의해 $^{40}K$의 방사능 농도가 5,000 $Bqkg^{-1}$로 높게 나타났다. 본 연구에서 생산한 인광석 취급 산업체의 입자의 특성 평가 자료는 인산염 취급 산업체 종사자에 대한 방사선학적 안전성 평가에 이용될 수 있을 것이며, 최근 시행된 생활주변방사선 안전관리법에 따른 생활주변방사선 안전관리의 체계를 수립하기 위한 자료로 활용될 수 있을 것이다.