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                核试验与它示踪剂的那些事
                2019-04-26| 编辑: | 【 】【打印】【关闭

                  2018年6月12日上午,一则重磅消息瞬间吸引全世界的目光,朝鲜国务委员会委员长金正恩与美国总统特朗普在新加坡圣淘沙岛嘉佩乐酒店正式会面并进行会谈。这是自上世界50年代以来两个一直“互相敌视”的国家最高领导人的首次会晤(图1),对于缓和朝鲜半岛局势、维护东北亚地区的和平稳定具有划时代的重要意义。

                  

                  简单回顾历史不难发现,两国关系之所以长期处于紧张状态,一个很重要的因素恐怕就是我们的邻国朝鲜几代领导人出于自保目的锲而不舍地“核试验”,并时而在某些关键时刻宣称可以用核武器威胁一下“老大哥”和盟友们的安全,也因此经历了核试验-弃核试验-再核试验以及被反复被经济制裁的漩涡之中(图2)。所以当2018年4月朝鲜宣布停止核武器和洲际弹道导弹试验,废弃北部核试验场,并提出了集中力量发展经济的新战略路线时候,各界都在欢呼朝鲜向半岛无核化迈出了重要一步。撇开其它因素不谈,这可能是能够让两个国家领导人坐在一起“谈心”的重要原因之一。我们暂且不用怀疑我们的邻国是否真正放弃核试验?如果说“核试验”一旦发生了,并且有放射性的物质释放到我们的生存环境里,究竟能否用一些先进的技术手段和方法对它进行监测呢?答案是肯定的。

                  

                  正如我们在前期文章指出的那样(神奇的碘元素:从加碘食盐到环境示踪剂),自然界有一种放射性核素129I就可以承担示踪核活动和核环境安全水平的历史使命。究其原因,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),一般来说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(宇宙射线和它的孩儿们——宇生核素)。据估算,天然生成的129I只有250 kg(图3),而人类进行大气核试验过程中核裂变,核事故以及核燃料循环才是环境中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的环境水平提高了至少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 (英国)和La Hague(法国)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6000kg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高约100倍。

                  

                  当然,在核燃料后处理的过程中,还有很大量的129I(超过14 吨)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途径。因此从理论上讲,我们可以从环境样品中获得的放射性核素129I的异常信号来示踪核活动的发生。

                  除此之外,还有一种放射性核素14C也是核武器试验的重要产物。14C是碳的一个长寿命放射性同位素(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Δ14C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‰(图4)。虽然其他放射性核素如90Sr、131I、 137Cs等也可示踪人类核活动,但它们都是半衰期很短的核素,要么很快衰变完无法用仪器测试,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示踪剂,能够很好地评估核环境安全。

                  

                  为了能够有效地开展我国核环境安全水平监测工作,中国科学院地球环境研究所西安加速器质谱中心的环境放射性研究团队经过几年努力,已经建立了包括水、土壤、大气、植物等多种类型样品129I核素测试分析方法体系,为开展核环境安全水平监测提供了有效途径(图5)。

                  

                  该团队曾经对我国一个正在运行的核电站周边环境的129I 水平进行了调查分析,结果与报道的大范围环境大气沉降本底水平一致,这说明没有明显可测量的129I 从核电厂排放到海水中,其周边环境安全可靠(图6)。

                  

                  故事说到这里人们不禁要问,这是不是意味着只要我们获得了环境样品中记录的显著129I异常信号,就能够用来指示了人类核活动或者核试验的发生呢?下面就用一个鲜活的实例,来说一说“想法是多么美好,而现实又那么骨感”。

                  2017年9月3日,朝鲜宣称成功进行了第六次核试验(图7)。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(环保部网站信息)。但是在朝鲜核试验后,利用在西安地区连续收集的大气气溶胶样品,通过加速器质谱测定放射性核素129I水平时,西安加速器质谱中心团队却发现了比核爆前提高了超过四倍水平的129I异常信号,直觉所带来的兴奋感会告诉你,难道这与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。

                  

                  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(图8)。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。“胖子”的爆炸造成了约四万人的直接死亡,约二万五千人受伤,约7000平方米的建筑物被夷平,之后数万人死于放射性尘埃引起的癌症。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。

                  

                  根据对我们实测的气溶胶样品结果的再分析,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(图9)。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‰),说明气溶胶中的Δ14C主要受到化石源燃料燃烧贡献的“老碳”(化石燃料经过上亿年的地质演变形成,14C衰变殆尽,基本只含有稳定的12C和13C,故称老碳)影响,即使存在核爆信号也会被化石源的 “老碳”信号所掩盖。  

                  然而,气溶胶中129I/127I比值在核爆前(4月和8月)为(0.4-1.7)×10-8,而核爆后(9月3-11日)的比值为(0.6-8.7)×10-8,比核爆前的平均水平高出4.5倍(图9)。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经大气环流系统(主要是西风环流和东亚冬季风)向我国内陆地区的传输幅度增加所致。 

                  

                  至此故事逐渐变得清晰和明朗,通过对气溶胶样品测试数据的再分析,表明朝鲜第六次核试验并未发现明显的核泄漏,没有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。这个实例同样告诉我们,不能仅仅依靠从样品中直接获得的129I异常数据, 简单判断一起核试验事件及其所产生的潜在环境影响,必须通过科学、严谨的数据分析,给出有说服力的判断。 

                  当然,我们应该清醒地认识到,经过多次的核试验的破坏以及近期拆毁核试验场所导致的通道坍塌等,未来这些地区很有可能成为辐射危害来源地,对我国核环境安全产生影响。以中科院地球环境研究所西安加速器质谱中心为主导的研究团队正在开展全国范围的环境放射性精细图谱建设工作,以建立环境放射性数据库,并将在短期内快速提升核事故和紧急状况下的快速分析及应急响应能力,我国科学家将主动承担起在新时代为公众核环境安全保驾护航的历史责任。 

                  大家都听明白了没???

                  

                  

                  主要参考资料: 

                  1.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? 

                  http://www.ieecas.cn/xwdt/zhxw/201711/t20171128_4900740.html 

                  2.中华人民共和国环保部. 

                  2017.09.10. http://www.zhb.gov.cn/gkml/  

                  3.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 

                  http://seis.ustc.edu.cn/2017/0903/c10094a191087/page.htm?from=timeline&isappinstalled=0. 

                  

                  

                   


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