福岛第一核电站事故释放的放射性颗粒物中钚的同位素比值

《Journal of Environmental Radioactivity》：Isotopic ratios of plutonium in radioactive particles released by the accident of Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant

本研究通过分析福岛核事故产生的七种放射性颗粒，测定了钚同位素比例，发现240Pu/239Pu和241Pu/239Pu的平均值分别为0.369±0.008和0.150±0.007，接近堆芯计算值但存在差异，可能源于燃料 burn-up 异常及计算参数优化。

　　本研究聚焦于对福岛第一核电站（FDNPP）事故中释放的放射性粒子中钚（Pu）同位素原子比的分析，以确定其来源特征。Pu同位素的原子比具有独特的特性，能够反映其释放源的性质，因此成为追踪Pu污染来源的重要指标。此前已有诸多研究关注FDNPP事故释放的Pu污染，但由于所分析的样本数量有限，导致对Pu原子比的估计存在较大不确定性。本研究通过增加样本数量，使用更精确的分析方法，对七种放射性粒子中的Pu同位素原子比进行了测定，从而提高了对FDNPP事故释放Pu污染的识别能力。

### 研究背景与意义

2011年3月11日，日本东部发生了一场里氏9.0级的大地震，随后引发了海啸，导致福岛第一核电站的冷却系统受损，引发反应堆核心熔毁，大量放射性核素被释放到环境中。根据国际原子能机构（IAEA）的分类标准，该事故被评定为最高等级的核事故——7级，其释放的放射性核素总量约为340至800 PBq。在这些释放的核素中，部分具有高挥发性，如129mTe、132Te、131I、133Xe、134Cs和137Cs等，它们的释放行为和扩散模式已经被大量研究报道。然而，一些非挥发性核素，如90Sr、239Pu、240Pu和241Pu，则以较低的量被释放。这些核素的半衰期较长，如239Pu和240Pu的半衰期分别为24100年和6560年，而241Pu的半衰期则较短，约为14.4年。因此，239Pu和240Pu的迁移和残留对环境的影响更为持久，值得进一步关注。

Pu同位素的原子比是核事故研究中的关键参数，其特征可以用于区分不同的污染源。例如，核武器试验、核电站事故以及历史上的核爆残留物等，都会在Pu同位素的原子比上留下独特的“指纹”。全球核武器试验期间释放的Pu同位素原子比通常为0.180±0.014（240Pu/239Pu）和0.00194±0.00028（241Pu/239Pu），而切尔诺贝利事故释放的Pu原子比则分别为0.408±0.003和0.0384±0.0022。在日本，FDNPP事故前的Pu原子比接近全球核武器试验释放的水平，约为0.14–0.24和0.00261±0.00026。然而，FDNPP事故后，环境样本中的Pu原子比出现了显著变化，尤其是241Pu的含量明显增加，但这些变化可能受到全球核污染的影响，因此难以准确判断其是否源自FDNPP。

为了更精确地识别FDNPP事故释放的Pu污染，本研究对七种放射性粒子中的Pu同位素原子比进行了测量。这些放射性粒子主要由二氧化硅（SiO?）组成，并且具有较高的放射性，因此被认为是在事故中直接从反应堆释放到环境中的物质。由于这些粒子的化学性质稳定，且不易被环境中的其他物质污染，因此成为研究Pu污染来源的理想样本。

### 研究方法

本研究通过采集土壤和灰尘样本，利用放射化学分析和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）技术对Pu同位素进行了分析。首先，通过自动显影技术（autoradiography）和成像板（IP）对样本中的放射性粒子进行分离和确认。随后，采用多湿分离法提取单个放射性粒子，并利用半导体锗探测器（GEM40-76）对其放射性进行测量。为了确定Pu的同位素原子比，研究团队首先通过放射化学方法对样本中的Pu进行纯化，再利用SF-ICP-MS技术对239Pu、240Pu和241Pu的同位素比值进行测量。通过这种方法，研究团队获得了更精确的Pu同位素比值，并与之前的研究结果进行了比较。

此外，为了验证放射性粒子是否受到全球核污染的影响，研究团队还对环境样本中的Pu原子比进行了分析，包括土壤、植物、黑物质等。这些样本中的Pu原子比通常较低，表明它们主要来源于全球核武器试验。相比之下，放射性粒子中的Pu原子比则明显高于环境样本，这表明其污染源更可能与FDNPP事故相关。通过对这些样本的分析，研究团队进一步探讨了Pu同位素比值的差异原因，以及这些差异对环境评估的意义。

### 研究结果

研究团队对七种放射性粒子中的Pu同位素原子比进行了测定，结果显示240Pu/239Pu的平均值为0.369±0.008，241Pu/239Pu的平均值为0.150±0.007。这些值与通过计算得出的反应堆库存值接近，但略有不同。例如，Nishihara等人（2012）基于燃料燃烧程度计算出的240Pu/239Pu比值分别为0.344（Unit 1）、0.320（Unit 2）和0.356（Unit 3），而本研究中所测得的比值在0.326±0.030至0.426±0.078之间，且241Pu/239Pu比值在0.117±0.019至0.198±0.073之间。这些数据表明，放射性粒子中的Pu原子比与反应堆库存值存在一定差异，可能是由于燃料在反应堆中的不均匀燃烧造成的。

研究团队还对放射性粒子的形态和成分进行了分析，发现这些粒子主要由二氧化硅组成，并含有钠、铝、镁和钙等元素。通过扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS）技术，研究人员确认了这些粒子的物理特性，并进一步探讨了其可能的来源。根据放射性粒子中的铯（Cs）同位素比值，研究团队认为这些粒子主要来源于Unit 1反应堆，这与之前的研究结果一致。

### 研究讨论

本研究的Pu同位素原子比与全球核武器试验释放的比值存在明显差异，表明其污染源与核武器试验无关，而是来源于FDNPP事故。同时，研究团队还发现，这些放射性粒子的Pu原子比与之前的研究结果相比，存在一定的偏差。例如，Igarashi等人（2019）对放射性粒子中的Pu同位素比值进行了测量，得到的结果为0.330±0.077–0.415±0.069（240Pu/239Pu）和0.162±0.028–0.178±0.016（241Pu/239Pu），而本研究中测得的比值为0.369±0.008和0.150±0.007。这一结果表明，Pu同位素的原子比在不同反应堆中可能存在差异，同时也受到燃料燃烧状态的影响。

此外，研究团队还对放射性粒子的Pu原子比与计算结果进行了比较。根据Nishihara等人（2012）使用ORIGEN代码计算出的反应堆库存值，240Pu/239Pu的比值分别为0.344（Unit 1）、0.320（Unit 2）和0.356（Unit 3），而本研究中测得的比值为0.369±0.008，略高于计算值。对于241Pu/239Pu的比值，计算值分别为0.192（Unit 1）、0.192（Unit 2）和0.183（Unit 3），而本研究中测得的比值为0.150±0.007，明显低于计算值。这种差异可能与燃料在反应堆中的不均匀燃烧有关，也可能与计算模型的参数设置有关。

### 研究结论

本研究通过对七种放射性粒子中的Pu同位素原子比进行精确测量，确认了这些粒子主要来源于FDNPP事故，尤其是Unit 1反应堆。研究结果表明，FDNPP事故释放的Pu同位素原子比与全球核武器试验释放的比值存在显著差异，因此可以作为识别该事故污染的“指纹”指标。此外，研究还发现，Pu同位素的原子比受到多种因素的影响，包括燃料的燃烧状态、反应堆的结构以及样本的采集地点等。因此，对Pu同位素比值的准确测定对于评估核事故对环境的影响具有重要意义。

总之，本研究通过增加样本数量和采用更精确的分析方法，提高了对FDNPP事故释放Pu污染的识别能力。研究结果不仅为未来的Pu污染来源研究提供了重要的数据支持，也为评估核事故对环境的长期影响提供了新的视角。未来的研究可以进一步探讨Pu同位素比值与反应堆运行条件之间的关系，并结合其他核素的分析，更全面地了解核事故的环境影响。