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核試驗與它示蹤劑的那些事
2019-04-26| 编辑: | 【 】【打印】【關閉

  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聖淘沙島嘉佩樂酒店正式會面並進行會談。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。

  

  簡單回顧曆史不難發現,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锲而不舍地“核試驗”,並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,也因此經曆了核試驗-棄核試驗-再核試驗以及被反複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,並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,並且有放射性的物質釋放到我們的生存環境裏,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。

  

  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曆史使命。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(半衰期爲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(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。

  

  當然,在核燃料後處理的過程中,還有很大量的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的潛在來源。一般來講,核事故和核燃料後處理廠造成的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範圍擴散,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産物。14C是碳的一個長壽命放射性同位素(半衰期爲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,單位爲‰)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,要麽很快衰變完無法用儀器測試,要麽主要以顆粒結合沈降。14C和129I這兩種核素均爲長壽命放射性核素,不會很快衰變完。核武器試驗後均以氣態形式釋放並存在于環境中,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後,在歐洲檢測到放射性碘信號,兩周後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理想示蹤劑,能夠很好地評估核環境安全。

  

  为了能够有效地开展我国核环境安全水平监测工作,中國科學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核素測試分析方法體系,爲開展核環境安全水平監測提供了有效途徑(圖5)。

  

  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)。

  

  故事說到這裏人們不禁要問,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“想法是多麽美好,而現實又那麽骨感”。

  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啓動了二級應急響應狀態,進行了爲期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)。但是在朝鮮核試驗後,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,爲什麽環保部的監測並沒有顯示出來?如果129I信號的升高與朝鮮核武器試驗沒有關系,那又是什麽原因造成的呢?這引起了我們的重視和極大的興趣。

  

  據地震分析表明,此次核試驗與前五次試驗一樣,都是在鹹鏡北道吉州郡豐溪裏試驗場進行的地下核試驗(圖8)。據估計,此次核爆的威力約爲108千噸TNT當量,高于朝鮮曆屆核爆,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平方米的建築物被夷平,之後數萬人死于放射性塵埃引起的癌症。由此可見,朝鮮第六次核試驗的威力之大。雖然此次核試驗爲地下核試驗,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,放射性汙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。

  

  根據對我們實測的氣溶膠樣品結果的再分析,朝鮮核試驗後氣溶膠中Δ14C的值在-450‰到-627‰之間,核爆前後並未發現明顯差異(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(約爲-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,氣溶膠中129I/127I比值在核爆前(4月和8月)爲(0.4-1.7)×10-8,而核爆後(9月3-11日)的比值爲(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迹模型分析,我們發現,該異常信號並不是來自于朝鮮的第六次核試驗,而是由于歐洲核燃料後處理廠排放的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。 

  

  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。 

  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爲輻射危害來源地,對我國核環境安全産生影響。以中科院地球環境研究所西安加速器質譜中心爲主導的研究團隊正在開展全國範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,並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爲公衆核環境安全保駕護航的曆史責任。 

  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.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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