客观日本

福岛核事故扩散的放射性微粒的溶解状况

2019年03月14日 能源环境
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日本福岛核电站事故发生后,放射性元素铯泄露到空气中,污染了周边环境。最近的研究发现,从反应堆中泄露出来的放射性铯一部分是以数微米(μm)大小的微粒状态扩散的。这种微粒也被称为铯球,每颗微粒的放射性铯浓度远高于受污染的土壤颗粒,会对附近产生局域辐射影响。

此次,东京大学、日本农业食品产业技术综合研究机构(以下简称“农研机构”)和日本原子能研究开发机构组成的研发小组,着眼于构成这种放射性微粒的硅酸盐能缓慢溶解于液体的性质,利用从环境中采集到的微粒样品,调查了这种微粒在纯水和海水中的溶解速度及温度依赖性。结果显示,海水中的溶解速度比纯水中快一位数以上,在福岛县沿岸海域的海水温度下,半径约为1μm的放射性微粒有望在10年左右完全溶解。

此次的实验将附着有这种放射性微粒的无纺布片浸入溶液(纯水和人工海水)中,在一定的温度下经过一定时间后,利用锗半导体探测器测量溶液中的137Cs浓度,由此计算释放到溶液中的137Cs数量。

假设计算出来的137Cs溶出速度与构成放射性微粒的硅酸盐玻璃质颗粒的溶解速度相同,则溶解速度的活化能在纯水和海水中分别为65和88kJ/mol,由此推算,溶液温度为13°C(福岛市的年平均气温)时,微粒的半径减少速度在纯水和海水中分别为0.014μm/年和0.140μm/年(图1)。此前在环境中采集到的放射性微粒的尺寸一般为半径1μm,按照以上数字计算,微粒在纯水和海水中要完全溶解,分别需要70年、10年左右的时间。

福岛核事故扩散的放射性微粒的溶解状况

图1:放射性微粒的溶解速度(k)及其温度(T)依赖性

另外,研发小组对溶解前和溶解后的微粒进行比较发现,在纯水中,微粒的体积随着溶解明显减小,同时,其形状由近似球形的形态变成不规则坑洼的形态。将该微粒制成薄膜然后用电子显微镜观察发现,玻璃中所含的锡和铁在微粒表面形成了氧化物。而在海水中,原来的微粒表面像壳一样残留下来,上面形成了锡和铁的氧化物,并且其内部残留有微粒的未溶解部分(图2)。

福岛核事故扩散的放射性微粒的溶解状况

图2:表示溶解实验之前和之后的放射性微粒形态变化的扫描电子显微镜照片。

以上结果表明,河流、海洋、土壤等各种环境中残留的放射性微粒通过与水接触,会根据温度、溶液的成分和氢离子浓度等,以不同的速度逐渐溶解,在向溶液中释放放射性铯的同时,微粒自身也可能会在数年~数十年中消失。此次的研究成果是一项重要的科学发现,能用来调查因福岛核电站事故泄露的放射性铯的辐射影响,以及环境污染的未来变化。

文 JST客观日本编辑部

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