放射性核素的研究進(jìn)展

放射性核素的研究進(jìn)展

張如金1、2、3王帥2、3黃德娟2、3朱業(yè)安2

(1.東華理工大學(xué)化學(xué)生物材料學(xué)院，江西 南昌 330013；

2.東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013；

3.江西省質(zhì)譜科學(xué)與儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013)

摘要：本文綜述了放射性核素遷移變化的歷史發(fā)展進(jìn)程和研究現(xiàn)狀、主要的研究方法、內(nèi)容以及部分研究成果，并著重研究了鈾礦區(qū)土壤環(huán)境中放射性核素的遷移、影響核素遷移的因素、對(duì)人體健康帶來的危害、以及一些特殊核素的遷移的現(xiàn)狀與進(jìn)展，并對(duì)當(dāng)前存在的某些問題制定了合適的解決方案，并為今后的研究方向做出了科學(xué)的指導(dǎo)和提供了理論支撐。

關(guān)鍵詞：放射性核素遷移土壤環(huán)境研究進(jìn)展

居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性核素是化學(xué)發(fā)展史上一項(xiàng)重要的里程碑事件，其后產(chǎn)生了一門與其息息相關(guān)、禍福與共的技術(shù)——核技術(shù)，并對(duì)世界的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。僅僅過去半個(gè)的世紀(jì)，核技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于軍事、能源、航天、工業(yè)等與人類生活休戚相關(guān)的各個(gè)領(lǐng)域，隨之而來的放射性核素污染已經(jīng)成為當(dāng)今全人類必須解決的環(huán)境污染問題[1]。

土壤是陸地自然生態(tài)系統(tǒng)的亞系統(tǒng)，是陸生生物賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，也是環(huán)境轉(zhuǎn)移放射性污染物質(zhì)的重要介質(zhì)之一[2]。與環(huán)境中其他形式的污染不同，放射性污染是不容易被察覺的，但容易在生物體內(nèi)積累，因此對(duì)生態(tài)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生難以估量的影響。所以，研究土壤放射性污染特點(diǎn)以及對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人類健康的影響成為污染生態(tài)學(xué)的前沿課題之一，而且對(duì)土壤放射性污染修復(fù)技術(shù)研究的重要性也變得越來越突出了。

相對(duì)重金屬和有機(jī)污染土地的修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)而言，放射性核素污染土壤修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)的研究要薄弱的多。盡管如此，國外還是有一些標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)被推出來[3-4]。國內(nèi)對(duì)此也有零星的文獻(xiàn)探討重金屬和有機(jī)污染物的土壤修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)問題[5]，而對(duì)于放射性核素污染土壤修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)基本上還是空白。

1　放射性核素的內(nèi)容

1.1放射性的發(fā)現(xiàn)歷程

法國物理學(xué)家H.Becquerel研究到了1896年2月有了一次奇妙的發(fā)現(xiàn)。一天晚上他無意中將一塊包了黑紙而沒有經(jīng)過陽光暴曬的鈾礦物，放到一塊照相底板上。過了幾天發(fā)現(xiàn)這塊與熒光無關(guān)的鈾礦物也能發(fā)射射線而使照相底板感光?？梢娺@種輻射并非X射線，而是鈾礦物本身發(fā)出的一種新的輻射。

Becquerel認(rèn)為他的發(fā)現(xiàn)“非常重要，而且超出了想象中各種現(xiàn)象的范圍之外”。繼續(xù)檢驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)其他的鈾化合物也能發(fā)射出這種射線，到了1896年5月他又證明了純金屬鈾的放射性大于鈾化合物的放射性。

出生波蘭，在法國學(xué)習(xí)的M.Curie對(duì)Becquerel的發(fā)現(xiàn)十分關(guān)注，她檢驗(yàn)了許多元素及其化合物，發(fā)現(xiàn)除了鈾和鈾化合物外釷和它的化合物也有類似的放射現(xiàn)象。由此她得出了放射現(xiàn)象是一種特有的原子現(xiàn)象的重要概念，其理由是鈾和釷發(fā)出射線只取決于原子的性質(zhì)，而與其化合物的組成無關(guān)。M.Curie將這一現(xiàn)象稱為放射性。

1.2放射性核素的內(nèi)涵

1.2.1放射性核素的概念

具有相同的質(zhì)子數(shù)、相同的中子數(shù)，處于相同的、壽命可以檢測的能態(tài)的一類原子稱之為核素。如果兩個(gè)原子的質(zhì)子數(shù)目相同，但中子數(shù)目不同，然他們?nèi)杂邢嗤脑有驍?shù)，在元素周期表是同一位置的元素，那么二者是同位素。有放射性的同位素成為“放射性同位素”，沒有放射性并且半衰期大于1050年的則稱為“穩(wěn)定同位素”，但并不是所有的同位素都具有放射性。

原子核自發(fā)的發(fā)射粒子(如α、β、p、14C、…)或電磁輻射、俘獲核外電子，或自發(fā)裂變的現(xiàn)象稱為放射性，這種核轉(zhuǎn)變成為放射性衰變(radioactive decay)或核衰變(nuclear decay)。具有這種性質(zhì)的核素稱為放射性核素。

1.2.2放射性核素的分類

放射性核素可分為天然放射性核素和人工放射性核素。前者是研究天然放射性元素的化學(xué)性質(zhì)，以及有關(guān)它們的提煉精制的化學(xué)工藝，重點(diǎn)是鈾和釷；而后者主要研究人工放射性核素的化學(xué)性質(zhì)和核性質(zhì)，以及它們的分離、純化、精制的過程，重點(diǎn)是钚等超鈾元素和主要裂片元素，與核化工有著密切的聯(lián)系。

天然放射性核素是指在自然界中存在的放射性核素，它們是一些原子序數(shù)Z>83的重元素，如84Po、85At、86Rn、87Fr、88Ra、89Ac、90Th、91Pa和92U。其中除U和Th具有長壽命的同位素并在自然界里長期存在外，其他天然放射性核素都是U和Th的衰變子體。

人工放射性核素在自然界并不存在，是通過核反應(yīng)人工合成的其原子序數(shù)>93元素，包括43Tc、61Pm和鈾后元素93Np、94Pu、95Am、96Cm、97Bk、98Cf、99Es、100Fm、101Md、102No、103Lr、104、105、106、107、108、109號(hào)元素。習(xí)慣上把93Np和其以后的元素統(tǒng)稱為超鈾元素。

迄今為止，在已知的117種元素中，有81種元素具有穩(wěn)定同位素，其余36種只有放射性同位素，它們的放射性衰變半衰期長短不等。原子序數(shù)大于83的元素屬于放射性元素，其中有三個(gè)核素232Th、238U、和235U，由于它們具有足夠長的半衰期，因此在自然界仍然存在，并形成三個(gè)天然放射性衰變體系，即釷系、鈾系和錒鈾系。

1.2.3放射性核素的研究

表　放射性核素的研究

2　鈾礦區(qū)的代表核素

天然鈾礦蘊(yùn)藏于鈾礦床中，經(jīng)過開采和水冶加工成為軍用或民用核材料。在鈾礦開發(fā)的各個(gè)環(huán)節(jié)，都會(huì)產(chǎn)生放射性鈾及其衰變產(chǎn)物和Cr、Cd等重金屬，給環(huán)境帶來嚴(yán)重的污染?，F(xiàn)代的鈾采礦工業(yè)開始于20世紀(jì)40年代末，由于當(dāng)時(shí)認(rèn)識(shí)水平和技術(shù)水平的有限性，對(duì)礦山保護(hù)問題缺乏深刻的保護(hù)認(rèn)識(shí)[6]。由于鈾尾礦庫中含有的放射性物質(zhì)種類多、毒性大，通常比天然輻射本底值高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)以上，其中最主要的放射性核素有U、Ra、Th等長壽命核素以及其衰變體。

我國鈾礦山和水冶廠分布在全國的十幾個(gè)省區(qū)數(shù)十個(gè)地縣，其廢礦石和尾礦渣等固體廢物堆存場地有150多處。我國的鈾尾礦庫具有堆存量大、占地面積廣闊的重要特征[7]。大量堆存的鈾尾礦渣中含有鈾等污染物質(zhì)，可帶來復(fù)雜的環(huán)境問題，其中含有的238U、230Th、226Ra、222Rn、40K等大量的放射性核素，多數(shù)具有較長的半衰期，半衰期大于1000a的核素約占30%，如230Th和226Ra的半衰期分別是7.7×104a和1602a，他們長期衰變釋放放射性氣體氡及其子體，并產(chǎn)生出γ射線，對(duì)周圍環(huán)境造成污染，從而造成鈾礦山環(huán)境持久的輻射危害。隨著原子能和國防軍工業(yè)的發(fā)展，鈾礦冶產(chǎn)品的需求量將不斷增加，相應(yīng)的鈾尾礦量也是與日俱增的。其中儲(chǔ)存放射性物質(zhì)的數(shù)量是極大的，隨之引起的周邊環(huán)境土壤污染給人類的生命和健康帶來了莫大的威脅和不利[7]。

我國已探明的大小鈾礦有200多個(gè)，但其礦石品位整體低下，因此開采過程中產(chǎn)生的鈾尾礦數(shù)量巨大[8]。據(jù)初步的估算，每生產(chǎn)1t鈾可生產(chǎn)近3000t含放射性核素的固體廢棄物，最多可高達(dá)5000t[9]。在放射性固體廢物和廢水中，238U和235U等放射性核素的濃度最大。僅以238U為例，它經(jīng)過多次α和β衰變后將會(huì)產(chǎn)生一系列其他放射性核素，因此鈾礦區(qū)的放射性污染實(shí)際上牽涉到了眾多常見的核素如226Ra、210Po和222Rn等一系列對(duì)人體健康造成潛在輻射威脅的中間衰變體[10-11]。

研究表明，礦產(chǎn)資源的開發(fā)和利用不當(dāng)不可避免的會(huì)對(duì)礦區(qū)的土壤和水體造成污染。鈾礦資源當(dāng)然也不例外，鈾礦開采和選冶過程會(huì)產(chǎn)生為數(shù)不少的含放射性核素的廢水、廢渣。其沒有得到合理的處置，容易對(duì)礦區(qū)周邊地區(qū)的土壤、水體造成放射性核素污染。而土壤中放射性核素等毒性元素的環(huán)境影響以及生態(tài)有效性并不取決于其總量，主要受到其在介質(zhì)中的賦存形態(tài)的影響，只有易于活化的形態(tài)是對(duì)環(huán)境構(gòu)成潛在的威脅。國外的一些研究表明，受放射性核素污染的土壤、水體所產(chǎn)生的農(nóng)作物中存在較強(qiáng)和較高濃度的放射性核素積累[12-13]。

2.1鈾(U)

1789年德國化學(xué)家M.H.Klaproth從瀝青鈾礦分離出一種黑色粉末狀的物質(zhì)，其化學(xué)性質(zhì)與當(dāng)時(shí)已知的任何元素都明顯不同，他認(rèn)定是一種新元素，為紀(jì)念1781年發(fā)現(xiàn)的天王星(Uranus)，便將其命名為鈾(Uranium)。1841年法國化學(xué)家E.M.Peligot在進(jìn)行無水UCl4分析試驗(yàn)時(shí)，接著用鉀還原UCl4，從而真正制備出了金屬鈾。1869年俄國的化學(xué)家門捷列夫根據(jù)自己闡明的元素周期表，確定了鈾的相對(duì)原子質(zhì)量和周期表的位置。1896年法國著名科學(xué)家H.Becquerel發(fā)現(xiàn)了鈾的放射性衰變，從此揭開了原子能科學(xué)發(fā)展的序幕。1939年德國化學(xué)家O.Hahn和F.Strassmann發(fā)現(xiàn)了鈾的核裂變現(xiàn)象。從那以后，鈾的分量倍增，人類則進(jìn)入利用原子能的時(shí)代。

鈾的地球化學(xué)性質(zhì)十分活潑，易于遷移分散，因此鈾廣泛存在于自然界，但難以形成富礦床。地殼中鈾的平均含量是3.5×10-4%，其總含量達(dá)1.3×1014t，約和錫的含量相當(dāng)；海水中鈾的含量比較低，約為2mg/t。它在各類巖石中分布不均勻，在火成巖中含量較高，并隨著巖石中硅土含量的增加而增加；在水成巖中含量較低，約為火成巖含量的一半。鈾屬于分散性元素，已發(fā)現(xiàn)的鈾礦物和含鈾礦物約有200種，其中僅有20多種具有工業(yè)價(jià)值。

鈾在自然界中的存在狀態(tài)，大體可以分為三類：一是呈礦物狀態(tài)——在地殼中由于天然的物理化學(xué)和生物作用而形成；二是呈類質(zhì)同象狀態(tài)——在物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)中的某粒子，被鈾離子所取代，而該物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)不變；三是呈分散狀態(tài)——鈾以極小的質(zhì)點(diǎn)或離子狀態(tài)被某些礦物吸附而形成。其已知鈾的同位素有15個(gè)，質(zhì)子數(shù)從226-240，其中234U、235U、和238U是天然存在的放射性核素，其他的同位素都是通過核反應(yīng)人工合成的。235U是唯一天然存在的裂變核燃料，但是其豐度較低，為了獲得實(shí)用的核燃料必須進(jìn)行235U的富集。鈾是環(huán)境中毒性很強(qiáng)的重金屬元素之一，地球表面鈾的平均濃度低于4mg/kg[14]。238U是再生核燃料，它俘獲一個(gè)中子后，經(jīng)過2次β衰變轉(zhuǎn)變成另一個(gè)核燃料核素239Pu。

鈾的危害主要來自其化學(xué)毒性和放射性傷害2個(gè)方面。而鈾的化學(xué)毒性主要是有水合六價(jià)的雙氧鈾酰離子引起的[15]；鈾的輻射傷害主要是由鈾以及衰變子核有放射性，吸入鈾氣溶膠后對(duì)肺部和其他器官較長時(shí)間的內(nèi)照射可以引起患癌風(fēng)險(xiǎn)的增加[16]。

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Research progress of radionuclides in the soil

environment of a mining area

ZHANG Ru-jin1、2、3WANG Shuai2、3HUANG De-juan2、3ZHU Ye-an2

(1.SchoolofWaterResourcesandEnvironmentEngineering，EastChinaInstituteofTechnology，JiangxiNanchang330013；

2.StateKeyLaboratoryBreedingBaseofNuclearResourcesandEnvironment，EastChinaInstituteofTechnology，

JiangxiNanchang330013；3.JiangxiKeyLaboratoryforMassSpectrometryandInstrumentation

(EastChinaInstituteofTechnology)，JiangxiNanchang330013)

Abstract：This paper reviews the radionuclide migration change process of historical development and the present research situation，research methods，main contents and some results，and emphasizes on the study of radionuclide migration in the soil environment of a uranium mine，the influencing factors and the nuclide migration on human health hazards，and brought some special nuclide migration status and progress on some problems existing in the present，and made the appropriate solution，and make a scientific guidance and provides theoretical support for the research direction in the future.

Key Words：Radionuclide；migration；soil environment；advances