现在,自然环境中的大部分人工放射性核素,均为核试验生成的裂变产物,并被称为放射性沉降物,广泛分布于自然界中。近年来,随着世界原子能发电及核燃料再处理工厂的不断增加,由设施中产生的人工核素,作为废物排放到外环境中。当前,这些核素与沉降物相比还是非常少的,但将来有增加的趋势。
1.大气中的放射性沉降物
1945年7月,自美国进行首次核试验以来,截止1978年6月,各核国家共进行了大气层、地下、水下、高空四种类型的核爆905次。累计当量约为33 600万吨。由历次核爆释放到大气层中的裂变产物,分三种过程沉降,蓄积于地表:
(1)局部沉降物、降落在核试验场区附近。核爆后约一天沉降到地面。
(2)核裂变产物随气流扩散,逐渐沉降到地面。
(3)部分裂变产物,由爆炸进入平流层,并向对流层迁移,然后再沉降到地面。
其中,造成全球性长期污染的是(2)、(3)过程中的沉降物。
扩散到大气层中的裂变产物,根据爆后经过的时间,核素的存在比是不同的。核爆后一月以内的沉降物,主要是半衰期为几天至十天且裂变产额较大的核素,主要有131I、140Ba-140La、141Ce-141pr、103Ru-103Rh、89Sr、95Zr-95Nb等。长半衰期核素主要有90Sr、108Ru-106Rh、137Cs、239Pu等。
2.放射性沉降物在地面的蓄积
大气中的裂变产物,随降雨及飘尘沉降并蓄积于地面。全球性沉降物的沉降量,以北半球北纬30°~60°地带为最大,这是由于核试验场多数都集中于北半球中纬度地区的缘故。
蓄积于地面的沉降物,受雨水的影响而流失,并散集于浮度为20cm内的地表浅部,日本90Sr、137Cs在土壤中的蓄积量,90Sr约为80mci/km2,137Cs约为100mci/km2,但沉降物的蓄积量因地区而异,有的约差10倍。
图5-2 世界90Sr蓄积量
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图5-3 不同纬度土壤中的90Sr蓄积量
3.放射性沉降物向海洋的迁移
沉降物经三种途径进入海洋:①由对流层、同平流层向海洋中的沉降。②在太平洋岛屿上进行的核爆,局部性的沉降物,大部分沉降至海洋中。③陆地蓄积的部分沉降物经河流迁移至海洋。其中起支配作用的是前两种过程,陆地上沉降物的蓄积量比海洋多1.5倍,沉降于海洋表面沉降物在100m深处快速混合。日本沿岸表层海水中的90Sr和137Cs的平均浓度,90Sr为0.2pci/L,137Cs为0.3pci/L。
核试验生成的3H的浓度,太平洋沿岸水中约为10TR(Tiritum Radio)。
关于湖水、河水中90Sr、137Cs估计世界平均浓度90Sr、137Cs经河水迁移至海洋的比例。90Sr为年蓄积量的1%~10%,137Cs是2%~6%。
4.食物和人体中的放射性核素
地面和海洋中蓄积的放射性核素,随食物摄入人体,并在体内蓄积,形成长期性内照射。90Sr是半衰期相当长(27.7年)的核素,其子体90Y、β能量较高,Eβ为2.27MeV。同时,Sr与Ca均属碱土族金属,二者在生物界中行径也很相似。
自然界中Sr的含量比Ca少得多。然而生物界中Sr的行径决定于Ca的存在。90Sr在生物界的含量一般采用90Sr与Ca的比,即用Pci90Sr/g Ca来表示。特别是Ca为人骨的主要成分。90Sr也蓄积于骨组织,因此,利用90Sr与Ca含量的比,可以有效地来定量评价90Sr在食物链中的迁移过程。
植物中的90Sr,植物根部能吸收土壤中的90Sr,植物叶面上蓄积的大气中的90Sr也可直接进入植物体内。
5.原子能设施排放出的核素
1970年全世界运转的反应堆数,研究用反应堆361座,发电用反应堆127座,电容量为20GWe(十亿瓦特电工率),截至2016年1月1日全球在运核电反应堆共439堆。到2014年年底,全球核电的发电量为24117Wh(24117亿千瓦时),占全球发电量的11.5%。
核电站及核燃料再处理工厂的运转,将低水平放射性废气、废液排放至环境中,其中所含核素,依设施种类及反应堆型式而异。一般进入大气中的多为Kr、Xe等稀有气体,废液中含有裂变产物、诱导放射性核素和3H。
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