天然放射性核素衰变系列中氡逸出对其子体活度的影响研究

为解决氡逸出对衰变系列子体活度及平衡态的影响问题，研究人员基于 Bateman 方程，对232Th、228Ra、238U、226Ra 衰变系列开展理论与实验研究。发现232Th、228Ra 系列不受影响，238U、226Ra 系列部分子体受影响，为 NORM 处理等提供依据。

　　

在辐射防护与放射性废物管理领域，天然存在的放射性物质（NORM）因其潜在的环境与健康风险，一直是研究的重点。随着工业活动的增加，NORM 残留在石油、采矿等行业的废弃物中逐渐积累，而部分宣称具有健康效益的消费品（如负离子饰品）也被证实可能含有 NORM。准确测量 NORM 残留物的放射性活度是保障公共健康和有效管理废物的关键，但氡（Rn）作为放射性衰变系列中的气态产物，其逸出是否会干扰子体活度及衰变平衡态，长期以来存在争议。例如，在²³⁸U、²³²Th 等衰变系列中，氡的逸出可能导致传统的伽马能谱法测量结果出现偏差，这使得建立可靠的放射性分析方法面临挑战。

为解决这一关键问题，美国食品药品监督管理局（FDA）下属研究机构的科研人员开展了一项系统性研究。研究聚焦于²³²Th、²²⁸Ra、²³⁸U 和²²⁶Ra 衰变系列，通过理论分析与实验验证相结合的方式，探讨氡逸出对其子体活度的影响。该研究成果发表在《Applied Radiation and Isotopes》，为 NORM 废物的安全处理及放射性活度的精准测量提供了重要理论支撑。

研究方法

研究以 Bateman 方程为核心理论工具，该方程是描述放射性衰变系列中各核素活度随时间变化的经典模型。理论分析部分，研究人员通过方程推导，模拟了²²⁰Rn（源自²³²Th 和²²⁸Ra 系列）与²²²Rn（源自²³⁸U 和²²⁶Ra 系列）逸出时，各子体核素的活度变化。实验验证方面，针对²³²Th、²²⁸Ra 和²²⁶Ra 系列进行了放射性活度测量，但由于²³⁸U 样本不足，未对其开展实验。实验数据通过伽马能谱法获取，对比理论预测结果以验证模型的准确性。

研究结果

理论分析结果

• ²³²Th 和²²⁸Ra 系列：研究发现，²²⁰Rn 逸出不会影响其子体活度及衰变平衡态。以²²⁸Ra 系列为例，尽管该系列不存在长期平衡态，但²²⁸Ra 与²²⁸Ac、²²⁸Th 与其他子体分别在约 1.5 年后达到暂时平衡，且氡逸出未打破这一平衡。
• ²³⁸U 和²²⁶Ra 系列：²²²Rn 逸出会显著影响其子体活度，除²¹⁰Pb、²¹⁰Bi 和²¹⁰Po 外，其他子体的活度均偏离平衡态。这一现象与氡作为中间产物在衰变链中的关键位置有关，其逸出导致后续子体的生成量减少，从而破坏活度平衡。

实验验证结果

对²³²Th、²²⁸Ra 和²²⁶Ra 系列的实验数据显示，实测活度与理论预测高度吻合。例如，在²²⁶Ra 系列中，氡逸出后子体活度的衰减趋势与 Bateman 方程计算结果一致，证实了理论模型的可靠性。而²³⁸U 系列因样本限制虽未实验，但理论分析为其提供了可参考的预测框架。

研究结论与意义

本研究首次系统阐明了氡逸出在不同放射性衰变系列中的影响差异：在²³²Th 和²²⁸Ra 系列中，氡逸出对其子体活度无显著影响；而在²³⁸U 和²²⁶Ra 系列中，除末端子体²¹⁰Pb 等外，其他子体均受影响。这一发现解决了长期以来关于氡逸出效应的争议，为伽马能谱法在 NORM 废物活度测量中的应用提供了修正依据 —— 例如，在分析²³⁸U 系列样品时，需考虑氡逸出导致的子体活度偏差，而²³²Th 系列则可直接采用传统方法测量。

从应用层面看，研究结果对核能、矿业等行业的 NORM 废物处理具有指导意义。通过明确氡逸出的影响范围，可优化放射性废物分类标准，制定更精准的安全处置方案。此外，对于含 NORM 的消费品监管，该研究为建立快速、准确的放射性检测方法奠定了基础，有助于降低公众暴露于放射性物质的风险。

总之，这项研究通过理论与实验的结合，深化了对放射性衰变系列动态平衡的理解，其成果不仅具有重要的学术价值，更在辐射安全、环境保护和公共健康领域展现出显著的应用潜力。未来研究可进一步拓展至其他衰变系列，并探索实际环境中氡逸出的复杂影响因素，以完善放射性物质管理的科学体系。