综述：核燃料循环中的钌及其对环境的影响：行为、释放及危害性

《Journal of Hazardous Materials》：Ruthenium in the nuclear fuel cycle and the environment: behavior, release, and hazard relevance

　　摘要：钌同位素是一类独特的裂变产物，其辐射危害性并非由存量决定，而是取决于化学形态及释放条件。在正常反应堆运行条件下，钌主要以金属形式与其他铂族金属一同存在，几乎不会对环境构成威胁。然而，在严重反应堆事故、燃料后处理或高放射性液体废物储存系统出现冷却故障等高温氧化环境中，钌可转化为易挥发的氧化物，尤其是RuO4，从而便于通过大气传播并造成短期辐射暴露。本综述系统整合了实验研究、运行经验以及历史事故数据，从风险角度总结了钌在核燃料循环及环境中的行为特征。文章重点分析了控制钌氧化、挥发、传输和滞留的物理化学机制，尤其是那些会影响释放风险的关键过程环节。环境监测表明，钌污染程度差异很大，且高度依赖于具体工况——只有在特定氧化条件下才会发生大量释放，而其还原态则会在土壤、沉积物及人工屏障中迅速固定。总体而言，钌属于一种条件性辐射危害物质，其环境和健康影响主要取决于暂时的化学条件而非总放射性核素存量。这些发现为基于风险的钌管理策略提供了依据，即通过控制氧化还原状态及高效捕获事故场景中的挥发性物种来降低风险。

引言：钌同位素在核燃料循环中发挥着重要作用，既是裂变产物，也可作为反应堆运行状态的标志，还能用于指示辐射事故、事件或核武器试验。钌属于铂族金属中的主要裂变元素，约70%的裂变产生的钌同位素是稳定的。在放射性钌同位素中，由于半衰期较长，Ru-103（半衰期39天）和Ru-106（半衰期368天）被视为最具风险。放射性钌约占裂变产物总质量的7–9%，在乏核燃料初期冷却阶段对整体放射性有显著贡献，约占β和γ辐射总量的10%[1]、[2]。与U-235相比，Pu-239的钌裂变产额更高[3]、[4]，因此MOX燃料中会产生大量钌，且其含量会随燃料燃烧程度的增加而呈线性上升[5]。正因为如此，钌同位素比率被用作衡量燃料燃烧程度和反应堆类型的指标，凸显了钌作为核活动示踪剂的价值[6]、[7]、[8]。除了作为裂变产物外，钌还被欧盟和美国列为关键战略金属。由于供需失衡以及其在先进技术中的日益重要地位，钌的市场价格大幅上涨，从2025年初的约18美元/克升至2026年1月的50美元/克[9]。这些经济动态凸显出加强钌管理和回收的全球重要性，也为本综述所探讨的辐射与安全问题增添了战略维度。大气中存在的钌同位素，尤其是Ru-103和Ru-106，可作为核设施事故或核武器试验的可靠指示物[10]。钌通常以氧化物形式释放，但在事故或后处理过程中的异常条件下，可能会形成易挥发的氧化物，进而显著影响其在大气中的释放和传输[11]。相比之下，核燃料后处理厂排放物中的钌主要以可移动的硝酰复合物形式存在，这些复合物会随时间逐渐发生变化[12]。在切尔诺贝利和福岛两起重大辐射事故中都观测到了钌同位素的释放，但释放强度存在显著差异。此外，Ru-106在核燃料后处理厂的放射性排放物中也占有相当比例。人造钌同位素也被视为核武器试验的标志物。总体而言，Ru-103和Ru-106是监测核设施的关键同位素[13]、[14]、[15]。尽管已有大量关于钌作为裂变产物的研究，但现有综述大多从环境角度（如化学形态、迁移及生物可利用性）或与燃料后处理及废物管理相关的技术视角来探讨其行为。因此，目前仍缺乏一种将钌的主要化学形态、正常及事故条件下的释放机制及其对环境传输、监测和风险评估的影响有机结合的系统性风险分析。2017年欧洲范围内检测到大量未报告的Ru-106现象[10]，进一步凸显了建立涵盖源强、化学行为和环境影响的综合框架的必要性。尽管关于钌的化学性质和环境行为的文献众多，但据我们所知，至今尚无综述能将整个核燃料循环中的化学形态、释放机制及危害性进行全面整合。因此，本综述旨在系统总结钌同位素在核燃料循环及环境中的现有知识，重点分析其危害特性以及对环境保护和核安全的意义。图1展示了核燃料循环中主要的钌形态、危害程度及关键释放条件。与许多裂变产物不同，钌的危害性在很大程度上取决于其化学形态及事故条件。

节选内容：

自然环境中的钌：钌是一种稀有贵金属，地壳中的浓度约为0.001 ppm[16]。它与其他铂族金属一起存在于月长石（含钌约70%）、铱矿（含钌约7–15%）和锇矿（含钌约9–14%）等矿物中[17]、[18]。全球范围内，钌矿床主要分布在南非、北美和俄罗斯的乌拉尔山脉[19]、[20]、[21]。此外，钌也是奥克洛天然核反应堆中产生的裂变产物之一。

核反应堆中的钌：在正常运行条件下，钌并不会对环境构成直接威胁。燃料中钌的化学和同位素组成——这取决于反应堆类型和燃料燃烧程度——决定了其在后续异常或事故条件下的反应性及潜在释放情况。稳定钌同位素的同位素比率对于核电站的核查具有重要意义，因为它们……

PUREX工艺中的钌形态：核燃料循环可分为开放式和封闭式两种模式。在开放式中，乏核燃料无需进一步处理，直接储存；而在封闭式中，燃料会被重新处理，以回收有价值的元素[63]、[64]。乏核燃料中含有多种重要元素，包括钯、铑和钌等铂族金属[65]。根据相关研究，来自压水堆型反应堆的一吨乏核燃料中……

高放射性液体废物中的钌：在冷却故障场景下，钌从高放射性液体废物中以气态形式释放的过程，是由第3章所述的氧化驱动挥发机制控制的。下文介绍的方法按其风险控制功能分为三类：(i)抑制钌的氧化和挥发；(ii)在钌O4生成后将其捕获；(iii)以提升工艺效率或资源利用率为目标的回收分离方法，而非直接……

核燃料后处理过程中钌的环境释放：钌同位素可通过多种形式从核燃料后处理厂释放到环境中，包括气态和液态排放物。据研究，拉阿盖后处理厂液态排放物中的总β–γ放射性约有70–80%来自Ru-106，而塞拉菲尔德工厂的这一比例约为10%[128]、[129]。这两家后处理厂的年度报告显示，Ru-106的主要释放期在1966年至……

重大辐射事故和核武器试验中的钌释放与行为：与分别讨论缓解策略和各过程阶段释放情况的第5章和第6章不同，本章重点分析历史上辐射事故发生后钌的环境行为和转化规律。钌与碘、锶和铯一同被视为核反应堆事故中最具风险的放射性核素，这是因为它在核燃料中的含量较高，且易于形成……

钌的环境迁移、生物吸收及对人类健康的影响：辐射事故期间钌的量、化学形态及释放途径，直接影响其后续的环境行为和生物影响。氧化状态、挥发性和气溶胶形成能力等因素会决定其环境传输、生物可利用性及潜在暴露路径。基于第5–7章所述的释放机制和事故场景，本章将重点探讨钌的环境迁移、生物吸收及其对人类健康的影响。

结论：本综述表明，钌在核燃料循环中的危害性并非由其总量决定，而是受一系列控制其化学形态、挥发性和传输能力的物理化学条件制约。无论是在自然环境中、反应堆系统中还是历史事故中，钌都是一种条件性辐射危害物质——当高温和氧化条件促使其形成易挥发氧化物时，其对环境的危害性会显著增加。

环境意义：钌是一种具有环境危害性的物质，因为在氧化条件下，它能形成易挥发且易于移动的化合物，从而在核燃料循环及事故场景中加剧大气释放、环境扩散和吸入暴露风险。虽然事故后的评估通常将铯和锶视为关键的环境放射性核素，但钌同样值得重视，尤其是在高温事件中，其化学形态直接影响释放程度和危害大小。

作者贡献声明：Petr Distler负责初稿撰写及概念构思；Jan John负责文章审阅与编辑及概念构思；Iga Zuba负责初稿撰写及概念构思；Pawlukoj? Andrzej负责文章审阅与编辑及概念构思。

关于写作过程中生成式人工智能及人工智能辅助技术的声明：在撰写本文时，作者们使用了Anthropic公司的Claude工具来协助制作示意图和可视化信息图。使用该工具/服务后，作者们对内容进行了必要的审阅和修改，并对最终发表的文章内容承担全部责任。

利益冲突声明：作者们声明存在以下可能被视为利益冲突的财务利益或个人关系：Petr Distler表示获得了欧盟的财政支持；Jan John表示获得了欧盟的财政支持；Iga Zuba表示获得了捷克MEYS的财政支持。其他作者则声明没有已知的可能影响研究结果的财务利益或个人关系。

致谢：我们衷心感谢欧盟和捷克MEYS资助的项目CROP（CZ.02.01.01/00/22_011/0008569），以及由布拉格捷克技术大学资助的HORIZON-EURATOM-2021项目FREDMANS（项目编号101060800）和SGS项目（SGS24/148/OHK4/3 T/14），这些项目为本研究提供了支持。

Iga Zuba | Andrzej Pawlukojc | Petr Distler | Jan John
波兰华沙多罗德纳16号，核化学与技术研究所，邮编03-195