1993年西伯利亚化学联合企业事故后，泥炭剖面中钚的长期分布及垂直迁移

《Science of The Total Environment》：Long-term distribution and vertical migration of plutonium in a peat profile after the 1993 Siberian Chemical Combine accident

本研究追踪了1993年西伯利亚化学联合企业放射性事故后钚-239在土壤中的分布及形态变化，利用分层泥炭 bog 分析其垂直迁移。结果显示，超过半数钚仍被困于低溶性‘热点’颗粒中，强调初始形态对长期环境影响的关键作用。

　　这是一篇关于1993年发生在俄罗斯联邦西伯利亚化学联合企业（Siberian Chemical Combine, SCC）的放射性事故对环境影响的科学研究论文。研究主要聚焦于事故后超过25年的时间尺度内，放射性核素尤其是钚-239（23?Pu）在土壤中的分布及其迁移行为。该研究通过多种方法，包括放射性追踪、土壤分层分析、以及对“热”粒子的识别，揭示了钚在环境中的长期行为特征。

1993年的事故发生在SCC的再处理厂，具体时间是4月6日下午12:58。当时，一个用于铀和钚提取的设备发生爆炸，导致大量放射性物质泄漏。事故设备是一个34立方米的不锈钢容器，壁厚为14毫米，位于一个直径4米、深度7.7米的池子中，周围有1.2米厚的混凝土屏蔽。爆炸时，容器内含有449克的钚（活动度为1012贝克勒尔）和8757千克的铀（活动度为1.1×1011贝克勒尔），以及总量为1.2×101?贝克勒尔的β发射核素。事故的主要原因是压缩空气不足，导致溶液混合不良，有机物质积累以及溶剂降解，最终引发了一种自催化、放热的反应，涉及硝酸对有机层的氧化和硝化。

事故产生的放射性痕迹在西南风（190–210°）作用下，以8–13米/秒的速度扩散。放射性沉降物沉积在稳定的雪层上，该雪层在5月中旬完全融化。放射性痕迹向东北方向延伸，偏离了污染源约7公里，并在接近Georgievka村时转向北方。根据1μSv/h的等剂量线，痕迹的轴向部分延伸约15公里，宽度约为1公里。外部伽马剂量率轮廓是基于12–13日对距离事故地点7–25公里的可及路线进行的飞机和地面测量得出的。β剂量率测量显示了污染的不均匀性，与“热”粒子的存在有关。一些孤立的粒子尺寸为8–10微米，其剂量率高达220μSv/h，主要由于??Nb的贡献。

在1993年4月至5月期间，雪样中97%的放射性与融化后的雪中颗粒物相关。土壤污染的显著局部异质性归因于“热”粒子的存在，其活动度可达每粒n×10?贝克勒尔，密度估计在Georgievka村附近为每平方米400粒。Georgievka是唯一受到污染影响的定居点，位于放射性痕迹的东北边缘。对居民的主要危害来自于??Sr和其他β发射核素，它们对剂量率的贡献最大。相比之下，α发射核素的贡献较小，Georgievka附近痕迹边缘的钚（23?Pu）污染密度为7.4–14.8MBq/km2。总α活动的分布比例为：0.8（23?Pu）: 0.1（23?U）: 0.1（23?U）。

尽管1993年的事故已过去多年，但事故产生的放射性物质仍然在环境中具有重要影响。研究指出，钚的迁移行为复杂，受到其多种氧化态以及来源特征和土壤的地球化学性质和矿物/有机成分的影响。在环境中，钚主要以四种形式存在：（i）吸附在无机相（如铁/锰氧化物、黏土）上；（ii）与自然有机质结合；（iii）以低溶解度的PuO?“热”粒子形式存在；（iv）以五价或六价溶解态存在。吸附到无机相以及随后的扩散被认为是其滞留的关键机制。

在萨凡纳河低水平废物现场进行的淋溶实验表明，无论初始氧化态（III、IV、V）如何，钚在非饱和带中的脱附和迁移都极为有限。在11年后，超过95%的钚仍然在距离污染源1.25厘米的范围内。在32年后，这一比例仍然保持不变。实验室研究进一步表明，吸附在铁氧化物和石英上的PuO?纳米粒子可以在数月内保持稳定，并且在酸性条件下也表现出高度的热力学稳定性。

近年来的研究强调了自然有机质在钚迁移中的关键作用。自然有机质既可以与钚的滞留相关，也可以通过胶体迁移促进其扩散。在内华达试验场和萨凡纳河现场的F区，已经观察到这种现象。对于回顾性研究，利用分层的、未受干扰的自然档案，如湖泊沉积物（Lin et al., 2019）和中生性泥炭沼泽（Fia?kiewicz-Kozie? et al., 2025; Cwanek et al., 2021; X. Zhao et al., 2024; Mezhibor et al., 2011; Yakovlev et al., 2021; Testa et al., 1999），是广泛采用的方法。在大多数北半球的泥炭剖面中，钚的最大值通常对应于1952年和1963年，这与全球平流層核素沉降有关。相比之下，Tomsk-Seversk地区的钚剖面显示出不同的最大值和同位素比例，反映了SCC的贡献（Gauthier-Lafaye et al., 2008; Fia?kiewicz-Kozie? et al., 2025）。

Petropavlovsky Ryam泥炭地的中生性特征已被记录，该泥炭地在水文上孤立，仅通过降水获得水分。通过对2厘米厚的层进行详细的21?Pb测年，确认了Pu同位素、2?1Am和13?Cs在几个SCC相邻地点，包括Petropavlovsky Ryam的垂直分布（Gauthier-Lafaye et al., 2008）。此外，有机配体在铀和钍结合中的作用也得到了注意（Toropov et al., 2025）。

本研究的重点是分析1993年事故后超过25年，放射性痕迹中土壤的钚分布和迁移行为。我们特别关注识别α发射核素，尤其是钚，在已知年代控制的分层、快速生长的泥炭剖面中的可迁移和不可迁移形式。为了阐明钚的迁移性，我们研究了其在剖面中的垂直分布以及在个体土壤层中的微观分布，包括其与“热”粒子的关联。

研究选取了三个位于放射性痕迹上的采样点，这些点的污染强度和土壤组成有所不同。在2019年8月，采用“信封”法采集了两个靠近Naumovka村道路的表面土壤样本（深度不超过5厘米），分别位于“N-1”和“N-2”位置（见图1）。样本命名为“N-1-1”、“N-1-2”等和“N-2-1”、“N-2-2”等。这两个采样点位于放射性痕迹的东侧。此外，采样点的选择还考虑了土壤的多样性以及污染程度的差异，以便更全面地了解钚在不同环境条件下的行为。

对表面土壤样本“N-1”和“N-2”中的放射性分布进行了分析。研究显示，铀和钍的浓度数据如图S-1所示。在“N-1”表面土壤（平均五个样本）中，钍和铀的平均浓度分别为4.65和2.17毫克/千克。在“N-2”表面土壤（平均三个样本）中，它们分别为2.45和4.01毫克/千克。相邻采样点（距离20–50米）之间没有显著差异，浓度值在研究区域的自然背景范围内。

在“N-1”地点，13?Cs的活动量显示，其在土壤中的分布具有明显的不均匀性，特别是在事故影响层（10–20厘米）中，钚的活动量达到了数千贝克勒尔/千克，远高于泥炭层的平均值。13?Cs和2?1Am的最高活动量出现在泥炭层（20–30厘米）中，显示出钚在土壤中的持久性以及其与其他放射性核素的共同迁移特征。

研究还特别关注了钚“热”粒子的稳定性及其横向分布。α-轨迹放射成像表明，事故影响层中的钚主要以颗粒形式存在，且在下层中也存在大量较小的颗粒。这些“热”粒子的持久性，即使在放射性污染源为液体废弃物的情况下，也值得注意。在特定的泥炭环境条件下，大部分钚仍然以低溶解度的形式存在。研究进一步揭示了这些“热”粒子的形成与环境条件之间的关系，例如高温条件如武器测试、工业火灾或核事故等，都可能导致这些颗粒的形成。

此外，研究还分析了钚在不同环境中的迁移机制，包括其通过无机伪胶体的迁移。在多个核遗产地点，已经观察到这种现象，如Kersting和Zavarin（2011）以及Novikov等人（2006）的研究。合成PuO?胶体在形成、溶解性、老化、稳定性、pH范围内的表现以及Pu浓度、结晶性和初始氧化态的影响方面，已经被广泛研究（Walther和Denecke, 2013及其中的参考文献）。对于回顾性研究，天然有机质在钚迁移中的作用得到了进一步强调，如P. Zhao等人（2020）的研究，他们分析了天然PuO?胶体在黏土表面的转化。

对于受污染土壤中的放射性核素直接进行光谱分析时，由于浓度较低，常常受到限制。在这种情况下，放射成像和顺序提取提供了有价值的放射性核素分配信息。放射成像有助于评估分布的均匀性，识别局部高浓度的“热”粒子，估计其丰度，并量化其对总放射性的贡献。使用固态探测器的α-轨迹放射成像已确认在1993年放射性痕迹的土壤中存在含有α发射核素的“热”粒子（Tcherkezian等人, 1995; Gromov等人, 1995）。事故后六个月，非破坏性α-轨迹分析显示，靠近污染源的土壤中粒子数量增加，其α活动范围在7–1公里的距离内为400–1500贝克勒尔/千克。

本研究的结论表明，超过25年后，钚同位素及其他放射性核素的横向分布仍然高度不均匀，与事故后初期的观察结果一致。受1993年事故影响的泥炭层（10–20厘米）中含有异常的、分散的高活动值，钚的活动量可达到数千贝克勒尔/千克，远高于泥炭层的平均值。13?Cs和2?1Am的最高活动量出现在泥炭层（20–30厘米）中，这表明钚在环境中的长期行为特征。此外，研究还指出，放射性物质在土壤中的分布和迁移受多种因素影响，包括其初始化学和物理形式、土壤的地球化学性质以及环境条件。因此，理解这些因素对于评估放射性物质的长期环境影响至关重要。

总之，本研究通过多种方法，揭示了1993年放射性事故后，钚在土壤中的分布及其迁移行为。研究强调了“热”粒子在放射性物质滞留和扩散中的关键作用，并指出这些粒子的形成与环境条件密切相关。同时，研究还探讨了土壤中有机质和无机质对钚迁移的影响，为未来的放射性污染治理和环境监测提供了重要的科学依据。