印度卡克拉帕尔核电站热带地区氚（3H）降雨冲刷效应的实验研究

《Journal of Radiation Research》：Experimental investigation on 3H washout by rainfall at Kakrapar Atomic Power Station, Gujarat, India

本刊推荐一项针对核电站周边氚（3H）湿沉降过程的重要研究。为解决热带地区氚化水蒸气（HTO）在大气中迁移转化的关键环境问题，研究人员在印度卡克拉帕尔原子能电站（KAPS）开展了为期四年的现场观测，结合微雨雷达（MRR）获取雨滴谱参数，首次系统揭示了降雨强度与冲刷系数（Λ）的正相关性（R2=0.73）及雨滴直径与雨水3H活度的负相关性（R2=0.70）。该研究为核设施周边放射性物质环境行为预测提供了珍贵的热带区域实测数据，对完善辐射安全评估模型具有重要科学价值。

　　

在核能设施的安全评估中，放射性核素在大气环境中的行为一直是科学家们关注的焦点。氚（³H）作为氢的放射性同位素，其半衰期长达12.32年，主要通过β衰变释放能量。在加压重水堆（PHWR）运行过程中，氚以氚化水蒸气（HTO）的形式持续排放到大气中，成为核电站周边环境的主要放射性污染物之一。当这些放射性物质遇到降雨时，会通过“湿沉降”过程被清除并转移到地表，其中 below-cloud scavenging（washout）是雨水下落过程中捕获大气污染物的关键机制。然而，热带地区高温高湿的特殊气候条件如何影响这一过程，长期以来缺乏系统性的实测数据支撑。

为了解决这一科学问题，印度巴哈原子研究中心的Akhaya Kumar Patra团队在《Journal of Radiation Research》上发表了他们对卡克拉帕尔原子能电站（KAPS）周边氚降雨冲刷过程的深入研究。研究人员连续四年（2016-2019年）监测了107场降雨事件，同步收集空气水分和雨水样本，并结合气象参数与微雨雷达（MRR）获取的雨滴谱数据，首次在热带地区建立了完整的氚湿沉降观测数据集。

研究团队采用了几项关键技术方法：通过冷冻凝结法收集大气水分样本，使用雨量计收集雨水样本；采用超低本底液体闪烁计数仪（LSC）测定³H活度；利用微雨雷达（MRR）实时监测雨滴直径、下落速度、液水含量（LWC）等雨谱特征；同时记录风速、温度、湿度等气象参数，并基于Gifford分类法确定大气稳定度。所有样本均来自距离KAPS-1&2机组100米烟囱1600米处的固定采样点，确保了数据的一致性和可比性。

气象参数对采样地点的影响

研究发现，采样期间30米高度的风速范围为0.4-7.9米/秒，环境温度在16.3-30.1°C之间，相对湿度为59%-100%，多数情况下超过90%。主导风向为西南风，大气稳定度以中性类别（D类）为主。这些气象条件的详细记录为分析氚的扩散和沉降提供了重要的环境背景。

不同降雨事件的光谱特征

通过微雨雷达获取的雨滴谱数据显示，雨滴直径主要集中在1.00-1.50毫米范围（占总观测的40%）。液水含量（LWC）的变化范围很大（0.001-27.03克/立方米），反映了不同类型的云层和降水强度。研究人员发现，除非云层产生的LWC超过0.5克/立方米，否则不太可能形成有效降水。

空气中水分和雨水中测得的3H活度

研究显示，空气中³H活度范围为≤0.1-12.0 Bq/m3，雨水中为≤5-267 Bq/L，存在显著差异。这种变化主要受³H释放速率（8.8×10?-1.2×10? Bq/s）、风速、风向、降雨强度和环境温度等多种因素影响。与全球其他地区的背景值相比，KAPS周边的³H活度明显偏高，但仍在安全限值内。

清除比的估算

清除比（雨水/空气）是评估雨水清除空气中氚化水蒸气效率的关键参数。研究发现，在107个样本中，清除比>1.0的仅有5例，=1.0的有9例，<1.0的占93例，几何平均值为0.29。这一结果远低于Belot理论预测的稳态值1.1，表明在实际环境条件下，氚在气液两相间的平衡受到多种复杂因素的干扰。

不同降雨事件的场地特定因素对3H冲刷的影响

场地特定的湿沉降速率和冲刷系数是本研究最重要的发现。湿沉降速率范围为1.4×10??-4.8×10?1 Bq/m2/s（几何均值=5.3×10?3），冲刷系数范围为1.1×10??-3.6×10?2/s（几何均值=4.1×10??）。这些数值与全球其他核电站的报道值相比处于合理范围，但展现了热带地区的特殊性。

研究发现了两个重要的相关性：平均降雨速率与冲刷系数之间存在显著正相关（R2=0.73），表明降雨强度越大，氚的清除效率越高；而雨滴直径与雨水中³H活度呈负相关（R2=0.70），说明较大的雨滴可能由于下落速度较快，与气态HTO的接触时间较短，导致清除效率降低。

这项研究的意义不仅在于提供了热带地区核电站周边氚湿沉降的详细数据集，更重要的是揭示了降雨微物理特性对放射性核素环境行为的影响机制。通过建立降雨参数与冲刷系数之间的定量关系，为改进核设施周边辐射剂量评估模型提供了科学依据。在气候变化背景下极端天气事件增加的今天，这类研究对确保核能安全可持续发展具有重要的现实意义。研究人员强调，实验测量的雨滴谱为评估清除速率提供了必要且可靠的基础，未来应在此基础上进一步研究不同气候条件下氚的环境行为特征。