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研究快报:西安9月发现显著提高的放射性碘-12

发布时间:2019-09-21 13:05编辑:地球科学浏览(83)

    2018年9月10-14日,地球环境研究所侯小琳研究员团组一行五人赴哈萨克斯坦参加第八届塞米巴拉金斯克核试验场科学发展国际会议,该会议由哈萨克斯坦国家核研究中心主办,是目前国际上专门针对前苏联塞米巴拉金斯克核试验场研究的专业会议,也是国际上针对核试验场研究最具影响力的国际会议之一。2015年侯小琳研究员团队与哈萨克斯坦国家核研究中心放射性生态研究所建立合作关系,2016年哈萨克斯坦方面访问地球环境研究所进行学术交流,本次是受哈萨克斯坦邀请首次参加该会议。来自欧洲、亚洲等9个国家的200余名代表参加本次会议,共安排口头报告80余个,墙报120余个,该会议的主题为前苏联在塞米巴金斯克核试验场进行的核试验的环境影响研究与核污染治理措施,还安排核试验场核爆遗址、环境放射分析、放射性生态研究实验室参观考察活动。侯小琳研究员以及张路远助理研究员分别以“放射性核素分析方法及其在放射性生态与环境示踪”及“14C和129I研究2017年9月3日朝鲜核试验对我国内陆的影响分析”为主题做大会报告,均引起与会人员的关注并进行了交流讨论。代表团其他成员对我国环境样品中129I、Pu同位素分析及其示踪的研究成果做了墙报展示。这些报告展示了地球环境研究所在放射性核素环境示踪与核环境安全方向的成果,扩大了影响力。通过参加会议,代表团还了解获取了核试验场控制区重要放射性核素水平、迁移、扩散以及放射性生态等方面的重要进展。

    应我所侯小琳研究员的邀请,哈萨克斯坦国家核研究中心辐射安全与生态研究所Oksana Lyakhova博士和Alua M. Kabdyrakova 女士于2016年4月4-8日访问中科院地球环境研究所。

    研究快报:西安9月发现显著提高的放射性碘-129——是否与朝鲜第六次核试验有关?

    在与哈萨克斯坦方面的交流中,哈方认为地球环境研究所报道的放射分析技术可以提升哈方的分析水平,双方表达了加强合作的意愿,并于9月12日下午,代表团与哈萨克斯坦国家核研究中心主任,该中心辐射安全和生态研究所负责人以及科研骨干人员举行了正式会谈,双方围绕已有研究基础、研究成果、研究计划、合作形式等内容进行了交流,希望能够深入合作,并在下一阶段确定合作方案,签署协议。哈萨克斯坦作为“一带一路“沿线重要的国家之一,建立与哈萨克斯坦实质性的合作关系将进一步促进地球环境研究所与带路国家的深入交流与发展。

    4月5日Oksana Lyakhova博士和Alua M. Kabdyrakova 女士分别作了“前苏联塞米巴拉金斯克核试验场(Semipalatinsk Nuclear Test Site,STS)环境放射性研究”和“塞米巴拉金斯克核试验场土壤中人工放射性核素形态研究”的学术报告。报告分析了STS控制区内核设施的放射性物质储量、放射性核素239,240Pu、241Am、90Sr、137Cs等的土壤-农作物转移系数,受前苏联塞米巴拉金斯克核试验影响的区域的人群辐射剂量水平、STS控制区土壤去污研究的结果。提出了STS控制区边界内及边界以外区域受核爆影响较大的区域范围,及放射性核素的浓度的调查结果。我所助理研究员张路远博士和邢闪博士介绍了气溶胶中129I分析方法及应用和我国土壤中放射性核素的水平的研究进展。随后Lyakhova博士和Kabdyrakova 女士参观了加速器质谱中心3MV加速器质谱设备以及14C、10Be以及129I的前处理与样品制备实验室。她们对中心已建立的分析方法和开展的应用研究给予了高度的评价。4月6日,Lyakhova博士和Kabdyrakova 女士与加速器质谱中心科研人员就放射性核素的化学分析方法以及塞米巴拉金斯克核试验场环境放射性水平、放射性核素的环境迁移特性等问题展开了学术交流讨论。4月7日,双方就进一步的合作,以及采集哈萨克斯坦的样品的计划方案进行了交流讨论。

    张路远*,侯小琳*,程鹏,陈宁,范煜坤,刘起

    会议考察期间,地球环境研究所参会代表团对前苏联核试验场核爆遗址、原子湖等相关核试验区域、核试验场周围及其下风向区域进行考察,了解了核试验场控制区的范围,已有研究成果。这对评估塞米巴拉金斯克核试验对我国环境的影响具有重要意义。

    哈萨克斯坦国家核中心辐射安全与生态研究所(Institute of Radiation Safety and Ecology of the National Nuclear Center of Kazakhstan 主要从事哈萨克斯坦的辐射安全水平监测,其中塞米巴拉金斯克核试验场及其周边环境的放射性生态水平与辐射安全水平的监测是研究所的主要任务。研究所长期开展试验场各种不同类型样品中放射性物质的测定,不同类型环境样品中放射性水平的监测。该研究所和国际原子能机构等建立了广泛的合作关系,组织了四次关于塞米巴拉金斯克试验场的辐射安全研究的国际会议,是目前国际上核环境安全和环境放射性领域一个重要的实验室。

    中国科学院地球环境研究所,黄土与第四纪地质国家重点实验室,陕西省加速器质谱技术及应用重点实验室,西安加速器质谱中心,西安,710061

    这次出访为地球环境研究所刚获得的中科院“一带一路”科技合作专项项目“带路沿线国家核环境辐射安全和核应急体系建设”打下了良好的基础,未来将在该项目资助下,双方互派学者交流访问、合作采集样品、共享数据等,加强“一带一路”国家在环境放射性与核分析技术领域的密切合作。

    哈萨克斯坦此次访问对由我所牵头主持的科技部科技基础性工作专项项目“我国环境放射性水平精细图谱建设”的执行具有重要的促进作用。该项目的研究内容包括获取塞米帕拉金斯克核试验基地的放射性核素指纹信息,进而用于鉴别我国放射性核素的来源,为我国核环境安全提供必要的基础数据,哈萨克斯坦国家核中心辐射安全与生态研究所是这一项目的重要合作对象。通过本次来访,加强与该实验室的合作、交流分享科学信息、开展哈萨克斯坦环境样品中指纹核素的放射性分析,将极大提高项目研究的准确性,有助于高水平地完成研究目标。

    2017年9月3日,朝鲜宣称成功进行了第六次核试验。我国环保部在第一时间启动了二级应急响应状态,进行了为期8天的环境放射性监测,但均未检测到放射性泄露[1]。但是几天后我们在西安对于放射性核素碘-129的监测中,却发现了比核爆前提高了超过四倍的水平,难道与9月3日的朝鲜第六次核试验有关?如果真的与核试验有关,为什么环保部的监测并没有显示出来?如果129I信号的升高与朝鲜核武器试验没有关系,那又是什么原因造成的呢?这引起了我们的重视和极大的兴趣。

    本次出访推进了地球环境研究所牵头的科技部基础性工作专项项目“我国环境放射性水平精细图谱建设”在哈萨克斯坦相关研究分析任务的开展,为阐明位于我国西北地区上风向的塞米巴拉金斯克核试验场对“一带一路”沿线区域核环境的影响提供了关键信息,特别是我国西北地区。代表团本次出访还得到了黄土与第四纪地质国家重点实验室的经费支持。

    本次来访的研究人员Oksana Lyakhova博士现为哈萨克斯坦国家核中心环境监测设计中心主任,研究员,主要从事核反应堆实验过程中大气和土壤等环境中的放射性污染的控制研究。Alua M. Kabdyrakova女士为哈萨克斯坦国家核中心物理化学研究中心主任,高级工程师,主要从事的研究方向为239 240Pu, 241Am, 137Cs , 90Sr等人工放射性核素的环境行为与形态分析,中科院与俄乌白等国科技合作专项2016年度项目“环境放射性水平研究”哈萨克斯坦方面的主要参与骨干。

    据地震分析表明,此次核试验与前五次试验一样,都是在咸镜北道吉州郡丰溪里试验场进行的地下核试验。据估计,此次核爆的威力约为108千吨TNT当量,高于朝鲜历届核爆,已达到了美国1945年投放在日本长崎的“胖子”原子弹威力的3至7.8倍[2]。约四万人直接死于胖子的原爆,约二万五千人受伤。约7000平方米之建筑物被夷平,之后数万人死于核子尘埃放射引起的癌症。由此可见,朝鲜第六次核试验的威力之大。虽然此次核试验为地下核试验,大部分放射性物质都被封存在试验横井或竖井中,但是如果存在操作失误等问题,放射性污染物会通过山体裂缝释放到环境中,对环境造成难以估计的辐射危害。

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    图1. 侯小琳研究员、张路远助理研究员作大会报告

    Oksana Lyakhova博士做学术报告

    图1. 朝鲜六次核爆历史

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    那么为什么要129I水平的升高会让我们与朝鲜核试验联系起来呢?这就要从129I的来源说起,129I是碘的长寿命放射性同位素(半衰期为15.7百万年),宇宙射线与大气中的129Xe反应生成途径是天然129I的主要来源,据估算,天然生成的129I只有250 kg。然后,大气核试验过程中核裂变,核事故以及核燃料循环是环境中129I的主要来源。20世纪50年代以来的大气核武器试验产生了约50-150 kg的129I,使得全球129I的水平提高了至少100倍。前苏联的切尔诺贝利和日本的福岛核事故释放的129I约有7.2 kg。而位于欧洲的Sellafield 和La Hague的两大核燃料后处理厂自20世纪60年代以来向环境中释放了超过6000 kg的129I,是目前129I的最大来源,造成欧洲,特别是北欧的129I水平比我国环境水平还要高100倍。当然,在核燃料后处理的过程中,还有很大量的129I被封存处置,目前还没有被排放到环境中,但是处置容器的腐蚀破损、处置地理环境的变化都有可能造成放射性物质的泄漏,是环境中129I的潜在来源。一般来讲,核事故和核燃料后处理厂造成的129I水平增加是区域性,只有在气候地理条件适宜的时候才会向全球大范围扩散,核武器试验尤其是大气核武器试验是放射性物质全球性传输扩散的重要因素。

    图2. 地球环境研究所代表团与哈方相关领导成员进行会谈

    Alua M. Kabdyrakova女士做学术报告

    除此之外,另外一种放射性核素14C也是核武器试验的重要产物。14C是碳的一种放射性同位素(半衰期为5730年),除宇宙射线与大气中的14N反应生成的天然14C外,环境中14C主要来源于大气核武器试验中的核聚变和核裂变、核电站中的活化反应等。20世纪50年代以来的大气核武器试验造成大气中14C的浓度(通常采用△14C来表示,单位为‰)从-25‰提高到900‰,随着大气扩散、与水圈等其他圈层的交换作用和化石源燃料燃烧等,大气中14C浓度不断下降到约20‰。

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    虽然其他放射性核素如90Sr、131I,134Cs、137Cs也可示踪核武器试验,但是均为短寿命放射性核素,要么很快衰变完无法测试,要么主要以颗粒结合沉降。14C和129I这两种核素均为长寿命放射性核素,不会很快衰变完。核武器试验后均以气态形式释放并存在于环境中,可以随着气团快速传输。例如,2011年的日本福岛核事故发生一周后,在欧洲检测到放射性碘信号,两周后在我国也检测到微弱的信号。因此,129I和14C这两种长寿命放射性核素是核试验和核事故理想的示踪剂,能够很好地评估核环境安全。

    图3. 野外科考

    交流人员合影

    基于此,中国科学院地球环境研究所环境放射性研究团队,在西安地区连续收集的大气气溶胶样品,长期监测其中的14C和129I。朝鲜核事故发生后,我们立即对获得的样品进行了化学处理和加速器质谱测定,并且比较了朝鲜核试验前后的浓度差异。

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    我们的研究发现,朝鲜核试验后气溶胶中Δ14C的值在-450‰到-627‰之间,核爆前后并未发现明显差异。实际上,从Δ14C的分析结果来看,该值远远低于西安大气CO2中Δ14C水平(约为-20‰到-30‰)[3],说明气溶胶中的Δ14C主要受到化石源燃料燃烧贡献的“老碳”(14C大量衰变,十分亏损)影响,即使存在核爆信号也会被化石源的 “老碳”信号所掩盖。

    图4、参观塞米巴拉金斯克核试验场遗址、实验室

    然而,气溶胶中129I/127I比值在核爆前为×10-8,而核爆后的比值为×10-8,比核爆前的平均水平高出4.5倍。高值点出现在9月5-6日和10-11日的两次采样中。经过仔细的分析讨论,最终通过对确定的核爆地点和采样点的轨迹模型分析,我们发现,该异常信号并不是来自于朝鲜的第六次核试验,而是由于欧洲核燃料后处理厂排放的129I经大气(主要是西风带西风和东亚冬季风)向我国内陆地区的传输幅度增加所致。

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    图2. 西安大气气溶胶中放射性Δ14C和129I/127I比值在朝鲜第六次核爆前后对比图

    我国内陆地区的大气样品的长寿命放射性核素分析结果表明,朝鲜第六次核试验并未发现明显的核泄漏,不会对我国内陆地区和民众造成辐射危害,这与我国环保局的监测结果一致 [1]。

    朝鲜不断进行核试验对周边国家乃至全世界造成威胁。据最新的报道,在朝鲜第六次核试验后,朝鲜丰溪里核试验场破损,发生地底通道坍塌事故,这成为包括中国等朝鲜周边国家重点关注的辐射危害来源之一,这也将是我们研究的课题之一。

    近年来在科技部创新方法项目和基础性工作专项项目的大力支持下,中国科学院地球环境研究所西安加速器质谱中心,建立了完善的环境放射性第三方实验室,不仅具有利用14C和129I进行核环境安全监测的能力,还有在核事故和紧急状况下的快速分析能力,以及目前正在开展全国范围的环境放射性精细图谱建设工作,建立环境放射性数据库,为公众核环境安全保驾护航。

    参考文献:

    1. 中华人民共和国环保部. 2017.09.10.

    2. 温联星等,中国科大研究精确确定朝鲜2017年9月3日地下核爆位置和当量, 2017.09.04, .

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