放射性污染物

第六章土壤中放射性物质与土壤环境质量放射性污染放射性污染：是指由于人类活动造成物料、人体、场所、环境介质表面或者内部出现超过国家标准的放射性物质或者射线。—《中华人民共和国放射性污染防治法》天然放射性元素中，一个放射核常常放射出α粒子或β粒子，而γ射线往往是伴随α粒子或β粒子射出的。表6-3环境中主要的放射性核素来源放射性核素半衰期（年（天））射线类型天然/人工3H12.28天然7Be53.44（天）,天然/人工14C5730天然40K1.28109,天然87Rb4.731010天然210Pb22.3,天然226Ra1600天然230Th7.7104天然234U2.45105天然238U4.47109人工60Co5.27,人工63Ni100人工90Sr28.6人工99Tc2.13105人工129I1.57107人工134Cs2.06,人工137Cs30.2,人工238Pu87.75人工239Pu24131人工241Am432.2环境中放射性核素的危害在生物循环中对动物和人体有威胁的主要是长寿命的90Sr和137Cs两种放射性核素，它们的半衰期分别为28年和30年，90Sr衰变时发出β射线，而137Cs在衰变时则发射的是γ射线。90Sr与生物必需元素钙处于同一族，产生危害的主要原因有：半衰期长、核裂变时产额高，通常占原子弹爆炸时产生的裂变产物的10%-20%、化学性质与钙相似，容易参加生物循环、进入动物和人体后，积聚在骨骼中，其β射线能够对生物体产生严重的损伤作用137Cs是另外一个具有毒性的长寿命放射性核素，由于它的化学性质和钾相似，所以落在土壤、水体、植物上的137Cs可以和钾一起参加生物循环，并最后进入人体。一旦进入动物和人体后，很容易被吸收，并广泛分布在肌肉中。环境中放射性核素的来源及性质环境中放射性核素的来源分为天然和人工两种来源，天然的放射性核素有40K、232Th、235U、238U、3H、14C；人工的放射性核素（主要是裂变产物）主要来源于核电站和核武器制造与试验及放射性同位素的应用1核试验分为大气层核试验和地下核试验两种。大气层核试验产生的放射性落下灰是迄今土壤环境的主要放射性污染源。放射性落下灰的沉降可分为3种情况：(1)局地性沉降：颗粒较大的粒子因重力作用而沉降于爆心周围几百公里的范围内。(2)对流层沉降：较小的粒子则在高空存留较长时间降落到大面积的地面上，其中进入对流层的较小颗粒主要在同一半球同一纬度绕地球沉降。沉降时间一般在爆炸后20d-30d，在爆心的同一纬度附近造成带状污染。(3)全球沉降或平流层沉降：百万T级或以上的大型核爆炸，产生的放射性物质带人平流层，然后再返回地面，造成世界范围的沉降，平均需0.5a-3a年。我国第一颗原子弹第一次氢弹试验成功前苏联第一颗原子弹2、核武器制造、核能生产和核事故军事放射性物质生产和核武器制造可能导致放射性核素的常规和事故释放，造成局地和区域性环境污染。核能生产涉及整个核燃料循环，其中包括的主要环节有铀矿开采和水冶、235U的浓缩、燃料元件制造、核反应堆发电、乏燃料贮存或后处理及放射性废物的贮存和处置，放射性物质在整个核燃料循环的各个环节间循环。核事故主要有民用核反应堆事故、军用核设施、核武器运输、卫星重返和辐射源丢失等。这些生产过程和核事故都有可能释放放射性污染物质，成为重要污染源。两次严重人为核事故：1979年美国三里岛核电站二回路故障，造成失水，无法导出余热，部分燃料棒熔化、破损，放射性泄漏，但对环境影响不大。1986年切尔诺贝利核电站严重事故，也是人为造成的。停堆进行电机性能试验，切断安全保护系统，将堆内大部分控制棒迅速拔出，剩下8根时，反应堆功率失控，被切断的安全保护系统无法动作，引起爆炸与燃烧，堆芯熔化，放射性严重泄漏，大范围污染环境和大量人员死伤（31人死亡、203人放射病、400万人低剂量辐射）。切尔诺贝利核电站事故后几天英国牛奶和叶菜中典型放射性核素比活度放射性核素南部北部牛奶（Bq/L）蔬菜（Bg/kg）牛奶（Bq/L）蔬菜（Bg/kg）131I50100400200134Cs410400100137Cs25200503、放射性同位素的生产和应用放射性同位索的生产及其在工业、医疗、教学、研究等日益广泛的应用和相关的废物处置，也会对公众造成一定剂量的照射。4、矿物的开采、冶炼和应用除作为核燃料原料的含铀矿物以外，煤、石油、泥炭、天然气、地热水(或蒸汽)和某些矿砂中的含量也比较高，其开采、冶炼和应用一定程度上也会释放放射性废物到环境中去，给土壤环境带来一定的污染。影响放射性物质在土壤环境中的积累和迁移的因素1、气候与地形年降雨量是影响土壤放射性污染的重要因素，潮湿地带土壤的pH值往往较低；其次，水对许多放射性离子有一定的溶解作用，使之随水的渗流而向土壤深层迁移；含水量对土壤中微生物、细菌的活动和有机物的分解、合成也有明显影响，从而间接影响核素的吸附行为。地形对土壤放射性污染水平有影响，在山坡地区，污染程度较高的表层土壤流失严重，土壤中核素的污染水平远比平原地区低。2、放射性核素的形态和性质放射性核素半衰期长的对环境影响大，短的影响相对小；核素在土壤中的存在形态对交换吸附也有很大的影响，通常溶解态的阳离子易被吸着，其在土壤中的迁移能力较小；难溶态的氧化物或沉淀物不被粘粒矿物吸着，可随水流在土壤缝隙中迁移。以不同氧化价态存在于土壤中的放射性核素，植物的吸收能力也不同。一般情况下，放射性核素的粒径愈小，愈易溶解和被作物吸收；比活度愈高，也愈易于溶解。3、土壤的性质及土地的利用方式不同种类的土壤对放射性物质的吸附能力有明显的差异。例如，中国东北地区的土壤对90Sr的吸附能力依次为：黑土粘粒＞白浆土粘粒＞暗棕色森林土粘粒。土壤颗粒粒径愈小，其有效比表面积愈大，吸附能力也愈强。土壤中的粘土矿物是土壤吸附或固定137Cs的主要原因，但土壤中的有机质对137Cs吸附或固定的影响也非常重要。土壤中的有机质能吸附或固定土壤中的有机质能吸附或固定137Cs的主要原因在于它能提供大量的交换性阳离子．而土壤中的阳离子交换量增大时，能增加土壤对放射性核素的吸附或固定。土壤中有机物质的施用能大大减少作物对核爆炸副产物(Sr，Cs，Ce和Ru)的吸收。这一方面可减少放射性核素通过食物链对人类和动物造成的危害，另一方面可为，137Cs作为土壤侵蚀和沉积示踪剂提供理论依据。土壤的pH值对土壤胶体的生成、放射性核素的水解和离子交换反应都有明显的影响，从而影响到土壤对核素的吸附。土壤的pH值一般为4-10，除放射性Sr、Cs和Ra外，锕系元素、稀土元素和大多数感生放射性核素(如54Mn、60Co等)均易水解，从而影响其被土壤吸着的能力。例如，60Co在酸性条件下以Co2+离子状态存在于土壤中，极易被吸附，但中性条件下即发生水解反应，生成Co0H+和Co(0H)2，吸附能力明显下降。土壤中天然的无机和有机配位体，可与放射性核发生络合或整合反应，从而影响土壤对核素的吸附能力。土壤中含有的多种常量及微量元素，可形成放射性核素的天然载体，对其在土壤颗粒表面上的吸附具有某种竞争及稀释作用，从而减小其吸附量。例如，土壤中Ca2+含量增高，可明显降低其对90Sr的吸附，在有机质含量高的土壤中，这一作用尤为明显，其原因是有机质能优先吸附Ca2+。4、植物种类不同种的植物对土壤中放射性核素的吸收能力是不同的。例如，豆科植物对90Sr的吸收能力比禾本科植物强，但蓼科和葫芦科植物对90Sr的吸收能力比豆科植物强得多；植物和谷类对137Cs的吸收为：莴苣属、甘蓝＞胡萝卜、马铃薯＞谷类、葱属，水果：草莓属＞苹果；对90Sr的吸收顺序为：莴苣属、甘蓝＞胡萝卜、葱属＞谷类＞马铃薯。另外，同种植物不同的器官对放射性核素的积累是不同的。例如，芝麻茎内90Sr含量比叶子高，并且90Sr大量集中在老叶中。137Cs在水稻各器官中的比活度大小顺序为叶＞茎＞根＞穗。放射性核素不同污染时期在植物器官中的分布也不同，例如，137Cs在根和叶中的分布随污染叶位的上升而减少，在茎和穗中的分布随污染叶位的上升而增加。5、肥料、化学添加剂和人类的耕种肥料和化学添加剂的施用可影响土壤中稳定元素的浓度及其酸碱度。例如，铵基铁(III)、六氯铁酸盐的应用对减少放射性核素从土壤向植物中转移有明显效果。人类在土地上的耕翻和种植作物的不同也有影响。研究施用石灰、褐煤和钾肥等对减少137Cs在水稻植株中积累的影响。结果表明，施用相当干土壤阳离子代换量1/20的钾盐，使水稻对137Cs的积累比对照组减少32％以上，随时间变化，这种效应更加显著。在第2茬水稻试验中(137Cs污染后57d)施钾盐处理组水稻中137Cs的积累比对照组减少76％以上，分析结果表明，施用钾盐后，土壤中代换性137Cs的含量比对照组低得多，差异十分显著。99％以上的137Cs被土壤固定，难以被水稻吸收。本试验的两组施用量相比，低量组比高量组效果更好。表6-14施肥对春小麦吸收90Sr和137Cs的影响（单位：Bq/g干物）90Sr137Cs处理茎叶籽粒处理茎叶籽粒对照429.266.6对照29.57.4Na3PO4421.866.6K2SO421.52.6K2CO3388.562.9K2CO314.82.1NH4H2PO4654.981.4KCl16.82.6Ca(H2PO4)2440.362.9NH4H2PO438.111.0K2SO4366.359.2草木灰16.22.6---Ca(H2PO4)240.514.2L.S.D44.418.5L.S.D1.851.3放射性污染土壤的管理1、土壤改良剂：通过降低土壤溶液中核素的浓度，而降低植物吸收。主要的改良剂有沸石等沸石对草本植物中放射性铯提取的影响（mg/kg，DW）沸石（%）壤土泥炭土第一次收获第二次收获第一次收获第二次收获07.324.96307.0427.0103.692.008.4119.1施用石灰可以提高土壤中pH和增加钙离子浓度，从而改变土壤溶液的化学组成。有研究表明：施用石灰可以降低菠菜和绿豆对锶和铯的吸收。2、化学肥料：主要是通过改变土壤溶液（固-液相交换）和植物吸收过程来影响植物对核素的吸收。灰化土土壤中，钾肥施用可使植物对铯的吸收降低3-4倍。3、菌根：土壤中微生物对环境中放射性核素的活化与固定起着关键作用。菌根对植物吸收放射性物质有影响从枝状对积累137Cs的影响菌根8周收获16周收获地上部分累积（Bq/植物）生物浓度比地上部分累积（Bq/植物）生物浓度比NM6915.95485.9G.mosseae137717.3100113.2G.intraradices175116.67959.5生物浓度比（Bq/g植物组织）/（Bq/g土壤）植物对放射性核素的吸收植物吸收放射性核素的主要途径包括大气的干/湿沉降，土壤颗粒在植物体表面的黏附和植物根系的吸收根外吸收：大气沉降发生在核武器或核电站爆炸之后较短的时间内，沉降在植物表面的放射性核素可以直接转移到放牧的动物体内，也可以被植物叶片吸收而转移到植物体内的其它部分沉降在植物表面的放射性核素也可以通过雨水和风的作用、植物生长（稀释作用）、组织衰老、叶片凋落或动物吞食而降低，这些过程称为植物表面放射性核素的风化作用。风化作用和放射性核素衰变决定了植物表面放射性核素的实际消失量。实际消失量的动态规律已被广泛用来研究核事故发生时的放射性污染与评价，动态规律用如下方程来表达式中A（t）为时间t时，植物表面放射性浓度（Bq/kg或Bq/m2）；D为沉降速率（Bq/m2•t）；B（t）为时间t时植物的生物量（kg/m2）；μ为吸收速率（m2/kg），λe为有效消失速率常数（/t）。有效消失速率常数是消失速率常数的总和，包括风化作用和物理衰变A(t)λeμ(B(t))]Dexp([1dtdA(t)转移系数估计植物从土壤中吸收放射性核素的比例用转移系数（TF）来表示TF=干重）土壤中核素的比活度（干重）（植物体