秦山核電基地外圍水體環(huán)境中14C水平和分布

王鐘堂，胡 丹，許 宏，郭秋菊，＊

（1．北京大學(xué)物理學(xué)院核物理與核技術(shù)國家重點實驗室，北京 100871；

2．浙江省輻射環(huán)境監(jiān)測站，浙江杭州 310012）

秦山核電基地外圍水體環(huán)境中14C水平和分布

王鐘堂1，胡 丹2，許 宏2，郭秋菊1，＊

（1．北京大學(xué)物理學(xué)院核物理與核技術(shù)國家重點實驗室，北京 100871；

2．浙江省輻射環(huán)境監(jiān)測站，浙江杭州 310012）

為了解和評價運行20余年的秦山核電基地外圍環(huán)境水體中14C的水平和分布，本文研制了水體中溶解態(tài)無機碳提取裝置，并結(jié)合加速器質(zhì)譜法對秦山核電基地外圍環(huán)境中采集的水體樣品進行了14C活度的測量。測量結(jié)果表明，距排放口5km內(nèi)的海水樣品14C比活度為（203．4±5．6）Bq／kg，分布范圍為196．8～206．5Bq／kg，與參照點（本底）處于同一水平，未觀察到顯著的濃度分布規(guī)律。另外，也未觀察到地表水、井水及地下水樣品中14C濃度與參照點相比有顯著增高。本次水體采樣調(diào)查結(jié)果表明，核電站排放的冷卻水未引起近海岸海水中14C濃度增高，無14C富集現(xiàn)象。

14C；秦山核電基地；水體環(huán)境；溶解態(tài)無機碳

14C是核電站正常運行時向環(huán)境中排放的放射性核素之一，由于其擴散流動性強、易進入生物鏈、可參與生命循環(huán)，是核電站周圍公眾所受輻射劑量的主要貢獻者，而受到廣泛關(guān)注［14］。正常運行時，核電站產(chǎn)生的14C主要通過兩種途徑排入外部環(huán)境：通過煙囪的氣態(tài)排放和通過廢水管道的液態(tài)排放。IAEA421報告［5］中指出：對于壓水堆，14C液態(tài)排出是氣態(tài)排出的1%；對于重水堆，液態(tài)排出量更少。液態(tài)流出物中的14C量雖少，但由于14C在局域水體中的擴散較氣態(tài)14C在大氣中的擴散要差，同時由于大氣中的14C會向水體轉(zhuǎn)移，有增加核電站周邊水體中的14C含量的可能。因此，對核設(shè)施周邊環(huán)境水體中14C水平的調(diào)查分析是環(huán)境安全評價的科學(xué)基礎(chǔ)之一。

目前關(guān)于國外圍繞核設(shè)施開展的水體中14C測量的文獻非常有限［6－7］，國內(nèi)有關(guān)核電站排放14C的研究主要集中在氣態(tài)14C、植物中14C分布等方面［8－11］，液態(tài)排放14C的相關(guān)研究很少。2011年頒布的國家標準GB 6249—2011［12］中明確規(guī)定了核動力廠通過液態(tài)途徑排放到環(huán)境中的14C的限值，使得國內(nèi)核電站排放廢水及周圍水體中14C水平的監(jiān)測有了迫切的需求，但目前有關(guān)在役核電站周邊水域中14C水平調(diào)查的數(shù)據(jù)非常有限。

為調(diào)查研究核電站運行對其周圍水域中14C水平的影響，本文將已運行了20余年的秦山核電基地外圍環(huán)境水體作為調(diào)查對象，建立加速器質(zhì)譜法測量水樣品中14C活度的方法及裝置，并利用該方法對秦山核電基地外圍的海水樣品和淡水（地表水、地下水及飲用水）樣品進行測量，以期為評價秦山核電基地排放的液載14C對周邊水系的影響提供依據(jù)。

1 材料和方法

1．1 秦山核電基地簡介

秦山核電基地位于浙江省海鹽縣杭州灣北岸的秦山山麓，該基地有3座核電廠，即秦山核電廠、秦山第二核電廠和秦山第三核電廠（簡稱一期、二期、三期）。目前共有5個壓水堆和2個重水堆機組在役，包括1個一期壓水堆（300MWe）、4個二期壓水堆（600MWe）和2個三期重水堆（700MWe）。3個核電廠產(chǎn)生的廢液將通過各自的排水口排出。含14C的廢液并非連續(xù)排放，而是核電廠根據(jù)情況適時排放。

1．2 樣品采集

為得到核電廠廢液排放口14C的濃度、近海岸海水中14C的分布（判斷有無14C的富集）及14C向深海擴散的情況，設(shè)置了海水采樣布點（S1～S15），同時在廢液排放口設(shè)置取樣點SⅠ、SⅡ和SⅢ，如圖1所示。淡水樣品在最靠近核電基地的居民區(qū)采集，也在圖1中標注。海水的參照樣品于離秦山核電站9km左右的海邊采集，淡水樣品的參照樣品均于上海地區(qū)采集（北緯31°24′58″，東經(jīng)121°17′44″）。2013年5月27—28日進行了海水樣品和淡水樣品的采集。每個樣品用2個1L的廣口瓶采集，采樣操作依據(jù)美國加州大學(xué)碳循環(huán)AMS實驗室的海水樣品采樣規(guī)范［13］。

圖1 采樣點分布Fig．1 Geographic position and water sample location of Qinshan NPP

1．3 化學(xué)處理

在進行加速器質(zhì)譜測量前，所有水樣品需經(jīng)過溶解態(tài)無機碳（DIC）提取和石墨制備兩個步驟。水樣品無機碳提取是制樣過程的一個難點，要求在操作過程中樣品不能與空氣接觸（避免發(fā)生碳交換）。本研究中樣品DIC的提取在實驗室搭建的DIC提取裝置中進行，裝置原理如圖2所示。該裝置右端與真空系統(tǒng)相連，整個系統(tǒng)的真空度達2Pa。水樣品DIC提取操作流程如下：1）在手套箱中將300mL水樣置于圖2的反應(yīng)燒瓶中，并用分液漏斗向DIC提取系統(tǒng)裝入適量磷酸；2）除去系統(tǒng)中的空氣后，將氮氣（流速450mL／min）經(jīng)過液氮冷阱除去其中可能含有的CO2氣體；3）打開分液漏斗閥門，將平板磁力攪拌器溫度控制在80℃，水樣品中DIC遇磷酸后反應(yīng)生成CO2，隨載流氣體進入干冰冷阱；4）氣流中混雜的水蒸氣被干冰冷阱吸收，在后面的真空系統(tǒng)中得到進一步的純化和定量，最終將3．7mg左右的CO2轉(zhuǎn)移到裝有Fe粉、Zn粉和TiH2粉末的還原管中；5）用火焰將還原管燒封好后，置于馬弗爐中，在540℃下反應(yīng)8h，石墨樣品將在Fe粉表面生成［14］。

圖2 水樣品DIC提取裝置原理示意圖Fig．2 Principle diagram of DIC extraction device from water sample

1．4 加速器質(zhì)譜測量

樣品經(jīng)過上述過程轉(zhuǎn)化為石墨后，用1．5SDH－1加速器質(zhì)譜儀進行測量。該加速器質(zhì)譜儀樣品測量精度達0．4%，本底可達4× 10－16［15］。與樣品一起測量的還有空白樣品和標準樣品，空白樣品采用的是煤樣品（不含14C），用于測量本底及扣除處理。標準樣品采用的是美國國家標準技術(shù)研究院提供的草酸樣品（SRM－4990C），用于調(diào)整儀器狀態(tài)及對加速器質(zhì)譜儀進行校準，并標定樣品中14C的活度。用加速器質(zhì)譜儀測量得到的是樣品中14C／12C和13C／12C，最終的測量結(jié)果采用式（1）～（3）［12］計算獲得：

標準差σ的計算公式如下：

2 結(jié)果與討論

海水樣品中14C的分析結(jié)果列于表1，淡水樣品中14C測量結(jié)果列于表2。表2中本底值為兩參照樣品比活度的平均值。由表1可見，海水樣品中14C的比活度范圍為196．8～206．5Bq／kg（平均203．4Bq／kg），與參照樣品14C比活度（205．9±1．8）Bq／kg相比，無明顯差異。

結(jié)合采樣點分布圖（圖1）不難看出，沿海岸線采集的樣品14C比活度全部與本底接近，而在垂直海岸線往深海方向的樣品14C比活度低于本底。值得注意的是，參照樣品也是海邊采集的。由表1可知，海邊海水樣品的14C比活度高于非海邊海水樣品的14C比活度。這一現(xiàn)象的可能原因是：海邊海水受入海淡水中14C的影響，而表2中地表水的14C濃度要高于海水的。因此，海邊海水中因為淡水的流入而使14C濃度升高，但這種影響隨著往深海方向深入而減弱。類似的現(xiàn)象在Shen等［16］的研究中也有發(fā)現(xiàn)。

表1 海水樣品14C的分析結(jié)果Table 114C results of seawater samples

核電廠的廢液并非持續(xù)排放，且排放時間也不確切。由于沒有獲得準確的排放時間，該次采樣時并沒有廢液的排放。SⅠ、SⅡ、SⅢ分別為一期、二期和三期核電廠排水口的樣品，這3個樣品的14C比活度也在本底范圍內(nèi)，與其他位置海邊的樣品比活度一致。通過分析這些數(shù)據(jù)的分布規(guī)律可認為，在核電站沒有廢液排放時，附近海域的海水中14C比活度在本底水平上下波動；核電基地附近海域無14C的富集。目前的測量結(jié)果表明，核電站排放的含14C廢液得到了很好的稀釋與擴散。

由表2可見，秦山地區(qū)的地表水（河水、池塘水和露天井水）較上海參照地區(qū)的地表水中的14C濃度略高。秦山地區(qū)地表水14C濃度的增加可能是由于核電站排放的氣態(tài)14C（14CO2）與地表水進行碳交換導(dǎo)致的（根據(jù)未發(fā)表的空氣樣品的結(jié)果，地表水采樣點附近空氣中14CO2比活度約為240．6Bq／kg）。

表2中地下水（壓水井水）和自來水中14C比活度數(shù)據(jù)表明，秦山地區(qū)和上海地區(qū)的14C比活度在同一水平，沒有觀察到秦山地區(qū)的增高。通常認為地下水由于處于封閉的地下環(huán)境中，不能與外界的14C進行交換，其14C濃度會由于14C的衰變而變小，且地下水中溶解了許多礦物質(zhì)（碳酸鹽、碳酸氫鹽），這些礦物質(zhì)中14C含量極低，從而會導(dǎo)致地下水的14C比活度降低。羅馬尼亞核電站地下水的結(jié)果［6］很好地說明了這一點。但秦山地區(qū)和上海地區(qū)的地下水中14C水平并不低于地表水，一個可能的解釋是：我國南部雨水充沛、水井較淺，露天水井和壓水井中的地下水從雨水中得到了補充，導(dǎo)致地下水中14C濃度與外部地表水中的處于同一水平。

表2 淡水樣品14C測量結(jié)果Table 214C specific activities of fresh water samples

3 結(jié)論

本工作建立了一種測量水樣品無機14C活度的方法，該方法由水中DIC提取裝置和加速器質(zhì)譜法組成，具有所需樣品量少、測量精度高等特點，適用于核設(shè)施周邊水環(huán)境中無機14C的研究。在此基礎(chǔ)上，以液體流出物的排放口為關(guān)注點，分別對海水、地表水、井水和地下水進行了采樣測量。在實驗室進行化學(xué)處理后，采用加速器質(zhì)譜儀對樣品進行了測量。根據(jù)測量結(jié)果分析，可得到如下結(jié)論。

1）在核電站非廢液排放期間，核電廠排放口排出的冷卻水和近海岸海水中14C濃度相當；未觀測到附近海域有14C的富集，說明核電站排放的含14C廢液得到了很好的稀釋與擴散。

2）秦山核電基地附近的地表水14C水平略高于對照地區(qū)。

3）與對照地區(qū)相比，未觀察到秦山地區(qū)飲用水（井水、自來水）及地下水中14C濃度升高。

對北京大學(xué)物理學(xué)院AMS實驗室丁杏芳、劉克新及中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所劉衛(wèi)、王廣華等的悉心幫助表示感謝。

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Concentration and Distribution of14C in Aquatic Environment around Qinshan Nuclear Power Plant

WANG Zhong－tang1，HU Dan2，XU Hong2，GUO Qiu－ju1，＊
（1．State Key Laboratory of Nuclear Physics and Technology，School of Physics，Peking University，Beijing100871，China；
2．Environmental Radiation Monitoring Center of Zhejiang Province，Hangzhou310012，China）

In order to study the concentration and distribution of14C in aquatic environment in the vicinity of Qinshan Nuclear Power Plant（NPP）after twenty years’operation，an apparatus extracting dissolved inorganic carbon from water was set up and applied to pretreat the water samples collected around Qinshan NPP．The14C concentration was measured by accelerator mass spectrometer（AMS）．The results show that the14C specific activities in surface seawater samples range from 196．8to 206．5Bq／kg（（203．4±5．6）Bq／kg in average），which are close to the background．The14C concentrations in cooling water discharged from Qinshan NPP are close to the14C values in near shore seawater samples out of liquid radioactive effluent discharge period．It can be further concluded that the14C discharged previously is diluted and diffused well，and no14C enrichment in seawater is found．Also，no obvious increment in the14C specific activities of surface water and underground water samples are found between Qinshan NPP region and the reference region．

14C；Qinshan NPP；aquatic environment；dissolved inorganic carbon

TL75

：A

：1000－6931（2015）03－0404－05

10．7538／yzk．2015．49．03．0404

2013－12－12；

2014－06－24

國家自然科學(xué)基金資助項目（11275015）

王鐘堂（1987—），男，湖南邵陽人，博士研究生，粒子物理與原子核物理專業(yè)

＊通信作者：郭秋菊，E－mail：qjguo＠pku．edu．cn