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科學普及

【2018年分省院科普征文大賽作品展示】核試驗與它示蹤劑的那些事

發表日期:2019-02-13來源:放大 縮小

  2018年6月12日上午,一則重磅消息瞬間吸引全世界的目光,朝鮮國務委員會委員長金正恩與美國總統特朗普在新加坡圣淘沙島嘉佩樂酒店正式會面并進行會談。這是自上世界50年代以來兩個一直“互相敵視”的國家最高領導人的首次會晤(圖1),對于緩和朝鮮半島局勢、維護東北亞地區的和平穩定具有劃時代的重要意義。

  

圖1 朝美領導人會晤照片,來自網絡

 

  簡單回顧歷史不難發現,兩國關系之所以長期處于緊張狀態,一個很重要的因素恐怕就是我們的鄰國朝鮮幾代領導人出于自保目的鍥而不舍地“核試驗”,并時而在某些關鍵時刻宣稱可以用核武器威脅一下“老大哥”和盟友們的安全,也因此經歷了核試驗-棄核試驗-再核試驗以及被反復被經濟制裁的漩渦之中(圖2)。所以當2018年4月朝鮮宣布停止核武器和洲際彈道導彈試驗,廢棄北部核試驗場,并提出了集中力量發展經濟的新戰略路線時候,各界都在歡呼朝鮮向半島無核化邁出了重要一步。撇開其它因素不談,這可能是能夠讓兩個國家領導人坐在一起“談心”的重要原因之一。我們暫且不用懷疑我們的鄰國是否真正放棄核試驗?如果說“核試驗”一旦發生了,并且有放射性的物質釋放到我們的生存環境里,究竟能否用一些先進的技術手段和方法對它進行監測呢?答案是肯定的。

圖2. 兩個主權國家之間的長期博弈漫畫

(圖片來自網絡檢索) 

  正如我們在前期文章指出的那樣(神奇的碘元素:從加碘食鹽到環境示蹤劑),自然界有一種放射性核素129I就可以承擔示蹤核活動和核環境安全水平的歷史使命。究其原因,這就要從129I的來源說起,129I是碘的長壽命放射性同位素(半衰期為15.7百萬年),一般來說宇宙射線與大氣中的129Xe反應生成途徑是天然129I的主要來源(宇宙射線和它的孩兒們——宇生核素)。據估算,天然生成的129I只有250 kg(圖3),而人類進行大氣核試驗過程中核裂變,核事故以及核燃料循環才是環境中129I的主要來源。20世紀50年代以來的大氣核武器試驗產生了約50-150 kg的129I,使得全球129I的環境水平提高了至少100倍。前蘇聯的切爾諾貝利和日本的福島核事故釋放的129I約有7.2 kg,而于歐洲的Sellafield (英國)和La Hague(法國)的兩大核燃料后處理廠自20世紀60年代以來向環境中釋放了超過6000kg的129I,是目前129I的最大來源,造成歐洲,特別是北歐的129I水平比我國環境水平高約100倍。 

圖3. 環境中129I的來源、含量及其環境水平

(部分請參考Hou et al., 1999, Analyst, 2009, ACA)

 

  當然,在核燃料后處理的過程中,還有很大量的129I(超過14 噸)被封存處置,目前還沒有被排放到環境中,但是處置容器的腐蝕破損、處置地理環境的變化都有可能造成放射性物質的泄漏,是環境中129I的潛在來源。一般來講,核事故和核燃料后處理廠造成的129I水平增加是區域性,只有在氣候地理條件適宜的時候才會向全球大范圍擴散,核武器試驗尤其是大氣核武器試驗是放射性物質全球性傳輸擴散的重要途徑。因此從理論上講,我們可以從環境樣品中獲得的放射性核素129I的異常信號來示蹤核活動的發生。

  除此之外,還有一種放射性核素14C也是核武器試驗的重要產物。14C是碳的一個長壽命放射性同位素(半衰期為5730年),除宇宙射線與大氣中的14N反應生成的天然14C外,環境中14C主要來源于大氣核武器試驗中的核聚變和核裂變、核電站中的活化反應等。20世紀50年代以來的大氣核武器試驗造成大氣中14C的濃度(通常采用Δ14C來表示,單位為‰)從-25‰提高到900‰,隨著大氣擴散、與水圈等其他圈層的交換作用和化石源燃料燃燒等,大氣中14C濃度不斷下降到約20‰(圖4)。雖然其他放射性核素如90Sr、131I、 137Cs等也可示蹤人類核活動,但它們都是半衰期很短的核素,要么很快衰變完無法用儀器測試,要么主要以顆粒結合沉降。14C和129I這兩種核素均為長壽命放射性核素,不會很快衰變完。核武器試驗后均以氣態形式釋放并存在于環境中,可以隨著氣團快速傳輸。例如,2011年的日本福島核事故發生一周后,在歐洲檢測到放射性碘信號,兩周后在我國也檢測到微弱的信號。因此,129I和14C這兩種長壽命放射性核素是核試驗和核事故的理想示蹤劑,能夠很好地評估核環境安全。

 圖4. 上世紀50年代因大氣核試驗引起的大氣14C活度變化

  為了能夠有效地開展我國核環境安全水平監測工作,中國科學院地球環境研究所西安加速器質譜中心的環境放射性研究團隊經過幾年努力,已經建立了包括水、土壤、大氣、植物等多種類型樣品129I核素測試分析方法體系,為開展核環境安全水平監測提供了有效途徑(圖5)。

   

圖5. 西安加速器質譜中心建立的多種環境樣品129I分析方法體系示意

  該團隊曾經對我國一個正在運行的核電站周邊環境的129I 水平進行了調查分析,結果與報道的大范圍環境大氣沉降本底水平一致,這說明沒有明顯可測量的129I 從核電廠排放到海水中,其周邊環境安全可靠(圖6) 

  

圖6. 我國某核電廠周圍環境海水、土壤樣品129I水平與報道的環境樣品對比(Zhou et al, 2013,NIMB)    

  故事說到這里人們不禁要問,這是不是意味著只要我們獲得了環境樣品中記錄的顯著129I異常信號,就能夠用來指示了人類核活動或者核試驗的發生呢?下面就用一個鮮活的實例,來說一說“想法是多么美好,而現實又那么骨感”。  

  2017年9月3日,朝鮮宣稱成功進行了第六次核試驗(圖7)。我國環保部在第一時間啟動了二級應急響應狀態,進行了為期8天的環境放射性監測,但均未檢測到放射性泄露(環保部網站信息)。但是在朝鮮核試驗后,利用在西安地區連續收集的大氣氣溶膠樣品,通過加速器質譜測定放射性核素129I水平時,西安加速器質譜中心團隊卻發現了比核爆前提高了超過四倍水平的129I異常信號,直覺所帶來的興奮感會告訴你,難道這與9月3日的朝鮮第六次核試驗有關?如果真的與核試驗有關,為什么環保部的監測并沒有顯示出來?如果129I信號的升高與朝鮮核武器試驗沒有關系,那又是什么原因造成的呢?這引起了我們的重視和極大的興趣。

 

    

圖7. 朝鮮第六次核試驗場地以及韓國民眾收看電視新聞

 

  據地震分析表明,此次核試驗與前五次試驗一樣,都是在咸鏡北道吉州郡豐溪里試驗場進行的地下核試驗(圖8)。據估計,此次核爆的威力約為108千噸TNT當量,高于朝鮮歷屆核爆,已達到了美國1945年投放在日本長崎的“胖子”原子彈威力的3至7.8倍。“胖子”的爆炸造成了約四萬人的直接死亡,約二萬五千人受傷,約7000平方米的建筑物被夷平,之后數萬人死于放射性塵埃引起的癌癥。由此可見,朝鮮第六次核試驗的威力之大。雖然此次核試驗為地下核試驗,大部分放射性物質都被封存在試驗橫井或豎井中,但是如果存在操作失誤等問題,放射性污染物會通過山體裂縫釋放到環境中,對環境造成難以估計的輻射危害。

 

   

圖8. 朝鮮六次核爆歷史示意圖

 

  根據對我們實測的氣溶膠樣品結果的再分析,朝鮮核試驗后氣溶膠中Δ14C的值在-450‰到-627‰之間,核爆前后并未發現明顯差異(圖9)。實際上,從Δ14C的分析結果來看,該值遠遠低于西安大氣CO2中Δ14C水平(約為-20‰到-30‰),說明氣溶膠中的Δ14C主要受到化石源燃料燃燒貢獻的“老碳”(化石燃料經過上億年的地質演變形成,14C衰變殆盡,基本只含有穩定的12C和13C,故稱老碳)影響,即使存在核爆信號也會被化石源的 “老碳”信號所掩蓋。 

  然而,氣溶膠中129I/127I比值在核爆前(4月和8月)為(0.4-1.7)×10-8,而核爆后(9月3-11日)的比值為(0.6-8.7)×10-8,比核爆前的平均水平高出4.5倍(圖9)。高值點出現在9月5-6日和10-11日的兩次采樣中。經過仔細的分析討論,最終通過對確定的核爆地點和采樣點的軌跡模型分析,我們發現,該異常信號并不是來自于朝鮮的第六次核試驗,而是由于歐洲核燃料后處理廠排放的129I經大氣環流系統(主要是西風環流和東亞冬季風)向我國內陸地區的傳輸幅度增加所致。

 

圖9. 西安大氣氣溶膠中放射性Δ14C和129I/127I比值在朝鮮第六次核爆前后對比圖    

  至此故事逐漸變得清晰和明朗,通過對氣溶膠樣品測試數據的再分析,表明朝鮮第六次核試驗并未發現明顯的核泄漏,沒有對我國內陸地區和民眾造成輻射危害,這與我國環保局的監測結果一致。這個實例同樣告訴我們,不能僅僅依靠從樣品中直接獲得的129I異常數據, 簡單判斷一起核試驗事件及其所產生的潛在環境影響,必須通過科學、嚴謹的數據分析,給出有說服力的判斷。  

  當然,我們應該清醒地認識到,經過多次的核試驗的破壞以及近期拆毀核試驗場所導致的通道坍塌等,未來這些地區很有可能成為輻射危害來源地,對我國核環境安全產生影響。以中科院地球環境研究所西安加速器質譜中心為主導的研究團隊正在開展全國范圍的環境放射性精細圖譜建設工作,以建立環境放射性數據庫,并將在短期內快速提升核事故和緊急狀況下的快速分析及應急響應能力,我國科學家將主動承擔起在新時代為公眾核環境安全保駕護航的歷史責任。

  大家都聽明白了沒???

   

  主要參考資料:

  1.研究快報:西安9月發現顯著提高的放射性碘-129——是否與朝鮮第六次核試驗有關?

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

  2.中華人民共和國環保部.

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

  3.溫聯星等,中國科大研究精確確定朝鮮2017年9月3日地下核爆位置和當量, 2017.09.04

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

  

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