塞米巴拉金斯克试验场Sary-Uzen地区地下核试验点植被中人工放射性核素的累积特征与迁移规律研究

《Journal of Hazardous Materials》：Accumulation of artificial radionuclides in vegetation cover in the area of underground nuclear tests locations in the Sary-Uzen site of the Semipalatinsk Test Site

本研究针对前塞米巴拉金斯克核试验场Sary-Uzen区域地下核试验点存在的放射性污染问题，系统评估了241Am、137Cs、90Sr和239+240Pu在土壤-植物系统中的活度浓度与迁移特征。研究发现不同试验类型导致的污染模式显著影响核素生物可利用性，植物吸收顺序为90Sr > 137Cs > 239+240Pu > 241Am，最大总暴露剂量率达74 μGy/day。该研究为前核试验区的放射性风险评估提供了重要数据支撑。

　　

在哈萨克斯坦广袤的土地上，塞米巴拉金斯克试验场（Semipalatinsk Test Site, STS）作为前苏联时期最重要的核试验基地之一，至今仍承载着沉重的历史记忆。1949年至1989年间，这里进行了数百次核试验，其中约70%的试验集中在此区域。尽管最后一次核爆炸已过去数十年，但放射性核素通过土壤-植物系统的迁移转化过程持续对当地生态系统构成潜在威胁。尤其是Sary-Uzen区域在1965-1980年间进行的24次地下核试验，其特有的污染特征和核素行为规律尚未得到系统揭示。

传统研究多聚焦于大气层核试验的污染影响，而对地下核试验造成的区域性污染关注不足。不同试验方式（如内部爆炸、不完全内部爆炸、地表喷发爆炸等）会导致放射性核素以不同物理化学形态存在于环境中，这将直接影响其在生态系统中的迁移能力和生物可利用性。特别是在干旱半干旱的草原生态系统中，核素通过植被向食物链的转移过程可能具有独特规律。为此，来自哈萨克斯坦国家核中心的研究团队在《Journal of Hazardous Materials》上发表了最新研究成果，首次系统揭示了Sary-Uzen地区地下核试验点人工放射性核素的累积特征。

研究人员采用现场采样与实验室分析相结合的方法，在17个存在放射性污染的作战钻孔附近、条件"本底"区以及1951年试验产生的放射性沉降羽流区共设置42个采样点。通过伽马能谱法测定¹³⁷Cs和²⁴¹Am，液体闪烁β能谱法测定⁹⁰Sr，α能谱法测定^239+240Pu。关键实验技术包括：采用包络法采集0-5 cm表层土壤样品，使用带有超纯锗探测器的伽马能谱仪（Canberra BE 3830）进行核素分析，通过转移因子（Transfer Factor, Tf）计算评估核素从土壤到植物的迁移能力，并依据ICRP 108号出版物推荐剂量系数进行植被辐射剂量评估。

3.1 土壤和植物中²⁴¹Am、¹³⁷Cs、⁹⁰Sr和^239+240Pu的含量

研究显示，作战钻孔附近土壤中²⁴¹Am活度浓度范围达<0.9-170,000 Bq/kg，¹³⁷Cs为3.4-120,000 Bq/kg，⁹⁰Sr为<10-12,000 Bq/kg，^239+240Pu高达<0.4-7,100,000 Bq/kg。其中¹³⁷Cs峰值出现在102号钻孔附近，而⁹⁰Sr、²⁴¹Am和^239+240Pu的最高值均出现在215号钻孔附近。植物中的核素累积规律与土壤基本一致，但不同植物类型表现出明显差异：滨海-水生植物对⁹⁰Sr的富集能力更强，而陆生植物对^239+240Pu的累积更显著。

3.2 放射性核素从土壤到植物的积累参数

通过计算转移因子发现，植物对核素的吸收能力依次为：⁹⁰Sr > ¹³⁷Cs > ^239+240Pu > ²⁴¹Am。不同试验类型导致的污染模式显著影响Tf值：内部封闭爆炸（ICE）作战钻孔区域的Tf值最高，而具有水坑的地表污染钻孔区域Tf值最低。特别值得注意的是，在发生异常辐射情况的不完全内部封闭爆炸（ICE-ARS）区域，^239+240Pu的Tf值比其他区域高24倍，这表明核素释放形式（气态或颗粒态）直接影响其生物可利用性。

3.3 辐射学指标

辐射剂量评估结果显示，¹³⁷Cs是植物外照射剂量的主要贡献者，在102号钻孔附近达到320 μGy/day。内照射剂量主要由⁹⁰Sr和^239+240Pu贡献，在215号钻孔附近分别达到7,100 μGy/day和74 μGy/day。研究区植被最大总暴露剂量率为74 μGy/day（7.4 mGy/day），低于ICRP 108号出版物中报道的辐射效应显现阈值。

研究结论表明，Sary-Uzen地区地下核试验点的放射性污染特征与试验类型密切相关。内部封闭爆炸产生的核素更易被植物吸收，而形成喷发坑的爆炸由于核素以紧密结合形态存在，其生物可利用性较低。这种差异主要源于不同爆炸方式导致核素在环境中存在的初始形态不同，进而影响其在生态系统中的迁移转化行为。

该研究的科学意义在于首次系统揭示了地下核试验场放射性核素的迁移规律，建立了试验类型-污染模式-生物可利用性之间的关联框架。研究发现STS区域的Tf值与IAEA推荐的牧场草地参考值存在显著差异：¹³⁷Cs和⁹⁰Sr的Tf值低10倍，而^239+240Pu和²⁴¹Am的Tf值反而更高，这凸显了核试验区污染的特殊性。这些成果不仅为STS区域的生态风险评估提供了精准参数，也为全球类似核污染场地的治理修复提供了科学依据。