福岛核事故中放射性铯微粒的XANES光谱解析：基于过渡边缘传感器的铯形态分布与形成机制研究

本研究针对福岛第一核电站事故释放的放射性铯微粒（CsMPs）中铯（Cs）化学形态难以检测的问题，利用高分辨率过渡边缘传感器（TES）结合X射线吸收近边结构（XANES）和微束X射线荧光（μ-XRF）技术，首次实现了对低浓度Cs的LIII-边缘光谱分析。研究发现CsMPs中存在两种铯形态：一种溶解于硅酸盐基质，另一种富集于内部孔隙表面，揭示了CsCl气相吸附的冷却过程。该成果为核事故颗粒形成机制及环境行为提供了关键数据，对核安全评估与污染治理具有重要意义。

　　

2011年福岛第一核电站事故释放的大量放射性铯（RCs）中，不溶于水的铯微粒（CsMPs）因其长期环境滞留性和潜在生物危害性备受关注。这些微粒如同"时间胶囊"，封存了反应堆内部事故瞬间的物理化学信息。然而，传统检测技术面临两大难题：对于高放射性但尺寸仅微米级的Type-A CsMPs，空间分辨率不足；而对低浓度（约50 μg/g）、富含钙钛干扰元素的Type-B CsMPs，硅漂移探测器（SDD）因能量分辨率有限（130 eV）无法区分Cs Lα与邻近元素谱线。

为解决这一技术瓶颈，研究团队创新性地采用美国国家标准与技术研究院（NIST）开发的240像素过渡边缘传感器（TES），其能量分辨率达5 eV（6 keV），比SDD提升25倍。通过同步辐射XANES和μ-XRF分析Unit 1释放的球形Type-B CsMP（直径500 μm），首次实现：1）在Ca/Ti高背景中检测μg级Cs；2）解析Cs L_III-边缘光谱；3）发现Cs在硅酸盐基质溶解态与孔隙表面富集态的双重分布。微粒内部孔隙表面的Cs富集现象，佐证了事故中气态CsCl在熔融硅酸盐冷却过程中的吸附机制，为重建反应堆内燃料-结构材料相互作用提供了直接证据。

关键技术包括：1）TES探测器克服低S/B比难题；2）μ-XRF绘制元素空间分布；3）体相与微区XANES联用解析化学形态。样本来自福岛县双叶町距核电站4.14 km处道路粉尘（¹³⁴Cs/¹³⁷Cs活度比0.952），经放射性筛选与SEM-EDS表征确认属Unit 1来源。

研究结果：

1. Cs检测突破：TES成功从Ca Kβ（4.01 keV）和Ti Kα（4.50 keV）干扰峰中分离Cs Lα（4.28 keV），实现50 μg/g级检测。
2. 形态鉴定：XANES显示Cs主要呈硅酸盐溶解态，但μ-XANES发现孔隙表面存在CsCl类似物，表明气态Cs的二次吸附。
3. 形成机制：元素分布图显示Cs与Cl在孔隙表面共定位，支持"熔融硅酸盐捕获CsCl蒸气"的Type-B CsMP形成模型。

结论指出，TES技术为核环境样品痕量元素分析树立了新标准，证实Unit 1释放的CsMPs记录了两阶段Cs掺入过程：初期熔融阶段Cs进入硅酸盐网络，后期冷却阶段气态CsCl吸附。该发现不仅完善了核事故源项解析方法，对反应堆退役安全评估和长期环境风险管控具有双重价值。论文发表于《Journal of Hazardous Materials》，标志着硬X射线TES光谱学在环境放射化学领域的里程碑式应用。