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,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。

皇家88平台注册,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?

应我所侯小琳研究员的邀请,哈萨克斯坦国家核研究中心辐射安全与生态研究所Oksana
Lyakhova博士和Alua M. Kabdyrakova
女士于2016年4月4-8日访问中科院地球环境研究所。

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张路远*,侯小琳*,程鹏,陈宁,范煜坤,刘起

4月5日Oksana Lyakhova博士和Alua M. Kabdyrakova
女士分别作了“前苏联塞米巴拉金斯克核试验场(Semipalatinsk Nuclear Test
Site,STS)环境放射性研究”和“塞米巴拉金斯克核试验场土壤中人工放射性核素形态研究”的学术报告。报告分析了STS控制区内核设施的放射性物质储量、放射性核素239,240Pu、241Am、90Sr、137Cs等的土壤-农作物转移系数,受前苏联塞米巴拉金斯克核试验影响的区域的人群辐射剂量水平、STS控制区土壤去污研究的结果。提出了STS控制区边界内及边界以外区域受核爆影响较大的区域范围,及放射性核素的浓度的调查结果。我所助理研究员张路远博士和邢闪博士介绍了气溶胶中129I分析方法及应用和我国土壤中放射性核素的水平的研究进展。随后Lyakhova博士和Kabdyrakova
女士参观了加速器质谱中心3MV加速器质谱设备以及14C、10Be以及129I的前处理与样品制备实验室。她们对中心已建立的分析方法和开展的应用研究给予了高度的评价。4月6日,Lyakhova博士和Kabdyrakova
女士与加速器质谱中心科研人员就放射性核素的化学分析方法以及塞米巴拉金斯克核试验场环境放射性水平、放射性核素的环境迁移特性等问题展开了学术交流讨论。4月7日,双方就进一步的合作,以及采集哈萨克斯坦的样品的计划方案进行了交流讨论。

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。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。

中国科学院地球环境研究所,黄土与第四纪地质国家重点实验室,陕西省加速器质谱技术及应用重点实验室,西安加速器质谱中心,西安,710061

哈萨克斯坦国家核中心辐射安全与生态研究所(Institute of Radiation Safety
and Ecology of the National Nuclear Center of Kazakhstan
主要从事哈萨克斯坦的辐射安全水平监测,其中塞米巴拉金斯克核试验场及其周边环境的放射性生态水平与辐射安全水平的监测是研究所的主要任务。研究所长期开展试验场各种不同类型样品中放射性物质的测定,不同类型环境样品中放射性水平的监测。该研究所和国际原子能机构等建立了广泛的合作关系,组织了四次关于塞米巴拉金斯克试验场的辐射安全研究的国际会议,是目前国际上核环境安全和环境放射性领域一个重要的实验室。

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2017年9月3日,朝鲜宣称成功进行了第六次核试验。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[1]。但是几天后我们在西安对于放射性核素碘-129的监测中,却发现了比核爆前提高了超过四倍的水平,难道与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。

哈萨克斯坦此次访问对由我所牵头主持的科技部科技基础性工作专项项目“我国环境放射性水平精细图谱建设”的执行具有重要的促进作用。该项目的研究内容包括获取塞米帕拉金斯克核试验基地的放射性核素指纹信息,进而用于鉴别我国放射性核素的来源,为我国核环境安全提供必要的基础数据,哈萨克斯坦国家核中心辐射安全与生态研究所是这一项目的重要合作对象。通过本次来访,加强与该实验室的合作、交流分享科学信息、开展哈萨克斯坦环境样品中指纹核素的放射性分析,将极大提高项目研究的准确性,有助于高水平地完成研究目标。

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,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 和La
Hague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。

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。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[2]。约四万人直接死于胖子的原爆,约二万五千人受伤。约7000平方米之建筑物被夷平,之后数万人死于核子尘埃放射引起的癌症。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。

本次来访的研究人员Oksana
Lyakhova博士现为哈萨克斯坦国家核中心环境监测设计中心主任,研究员,主要从事核反应堆实验过程中大气和土壤等环境中的放射性污染的控制研究。Alua
M.
Kabdyrakova女士为哈萨克斯坦国家核中心物理化学研究中心主任,高级工程师,主要从事的研究方向为239+240Pu,
241Am, 137Cs ,
90Sr等人工放射性核素的环境行为与形态分析,中科院与俄乌白等国科技合作专项2016年度项目“环境放射性水平研究”哈萨克斯坦方面的主要参与骨干。

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当然,在核燃料后处理的过程中,还有很大量的129I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。

图1. 朝鲜六次核爆历史

Oksana Lyakhova博士做学术报告

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‰。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的理想示踪剂,能够很好地评估核环境安全。

那么为什么要129I水平的升高会让我们与朝鲜核试验联系起来呢?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),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,据估算,天然生成的129I只有250
kg。然后,大气核试验过程中核裂变,核事故以及核燃料循环是环境中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 和La
Hague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6000
kg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还要高100倍。当然,在核燃料后处理的过程中,还有很大量的129I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因素。

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除此之外,另外一种放射性核素14C也是核武器试验的重要产物。14C是碳的一种放射性同位素(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△14C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‰。

Alua M. Kabdyrakova女士做学术报告

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。

虽然其他放射性核素如90Sr、131I,134Cs、137Cs也可示踪核武器试验,但是均为短寿命放射性核素,要么很快衰变完无法测试,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的示踪剂,能够很好地评估核环境安全。

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基于此,中国科学院地球环境研究所环境放射性研究团队,在西安地区连续收集的大气气溶胶样品,长期监测其中的14C和129I。朝鲜核事故发生后,我们立即对获得的样品进行了化学处理和加速器质谱测定,并且比较了朝鲜核试验前后的浓度差异。

交流人员合影

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