核能开发利用之放射性污染及其研究现状、热点与问题

核能开发利用之放射性污染及其研究现状、热点与问题1王津1，李红春2，陈永亨＊3，唐世荣4，刘娟11中国科学院广州地球化学研究所，广州（510640）2台湾成功大学地球科学系，台湾台南3广州大学环境科学与工程学院，广州（510006）4农业部环境保护科研监测所，天津（300191）E-mail：[e-mail]摘要：国民经济的发展、能源的短缺，促使我国核电工业迅速崛起。业已投入运营的有：浙江秦山核电站、连云港田湾核电站、广东大亚湾核电站和岭澳核电站；在建的有广东阳江核电站、岭东核电站、浙江三门核电站和辽宁红沿河核电站等；正在规划中的有四川、湖南、山东、江西等地的核电站。铀是核裂变的主要物质，是极其重要的核电与战略资源，我国共探明大小铀矿200多个，主要分布在两广、江西、湖南、新疆、辽宁、云南、河北、浙江等省。核电站的运行和铀矿的开采给周围环境造成了一定程度的放射性污染。由于放射性污染不同于一般的化学污染，其污染性质、危害程度及其治理方法有着独特性，因此受到人们的广泛重视。本文归结了国内外核能开发与利用过程中放射性污染的研究现状与进展情况，阐明生态修复是今后放射性污染治理的热点，并梳理了国内外放射性污染研究中存在的问题与局限。关键词：核电站；铀矿；放射性污染；研究进展1.引言进入改革开放30年以来，我国经济高速发展，能源是支撑经济持续高速发展的关键。在地球化石原料（石油、天然气、煤）的使用年限越来越短的时代，开发新能源已是人类一项迫切和重要的任务。作为污染相对较小的核能，已被认为是继石油之后的第四代能源。我国出台的“十一五”核电规划提出，到2020年，核电装机容量将达到4000万千瓦，将占全国发电量的4％，平均每年就要兴建一个相当于大亚湾核电站的核电站。作为主要核电能源，铀矿资源在我国湘、赣、粤等地区已被大量开采。此外，由于核武器等战略能源储备以及民用科研需要，开发越来越多的铀矿和伴生放射性矿产资源已是大势所趋。2.核能开发利用带来的放射性污染核能的开发与利用是一把双刃剑，一旦造成放射性污染，后果不堪想象。核电站在正常运行期间，不可避免地要向环境排放放射性污染物。核电站在正常运行过程中要向环境排放常规的气态和液态流出物（固态放射性废物经压缩按半衰期长短分类存放于放射性废物贮存库,不向环境排放）。核电站排放的气态放射性污染物包括:85Kr、133Xe、135Xe、131I、133I、90Sr、137Cs、14C以及3H等[1];液态放射性流出物包括：3H、54Mn、58Co、60Co、110mAg、124Sb、131I、90Sr、134Cs和137Cs等，这些放射性核素由核电站废液排放系统排至近海里[2]。核电站排放的这些放射性污染物对近域生态环境带来一定程度的影响。我国铀矿勘探与开采过程中，槽探和硐探工程所排出的废渣就地堆放，经雨水淋滤、山洪冲刷，其中放射性核素四处扩散，严重污染环境。开采过程中产生的铀尾矿数量更多，初步估算每生产1吨铀平均产生近3000吨含放射性核素的废弃物，最高达5000多吨[3]。如果1本课题得到国家自然科学基金委－广东省人民政府联合基金(U0633001)、国家自然科学基金(No.20477007)的资助。吨铀产生的放射性废弃物量，全国产生的放射性废弃物总量是惊人的。我国至少有150多处这样的铀矿废石场和尾矿库，且多分布于湘、赣、粤等人口稠密地区。这些伴随核工业发展形成的含放射性核素废弃物已成为环境放射性污染的重要因素。因此，退役铀矿的环境生态修复也是我国环境安全工作者不能忽视的问题。3.放射性污染的特殊性在自然界中的放射性核素，包括三个天然放射系（铀系、锕系、钍系）和一些单个放射性核素（如：40K）以及一些放射性的宇宙射线产物（如：3H、14C、10Be，32Si、129I）。因此，放射性核素广泛存在于自然界，人类也已适应了这种天然本底。放射性污染是指来自人类活动产生的人工源，其放射性强度大大超过背景值，对动植物和人体造成辐射损伤。这些人工源包括：核电工业废弃物及排出物、放射性矿（如铀矿）的开采和利用、核试验及航天事故、医学和科研等部门的放射性废弃物等。放射性污染有以下特殊性：（1）与一般化学毒害物质污染不同，放射性污染通常是无嗅无色，其放射性与物质的化学状态无关，很不容易察觉。（2）每一种放射性核素都有一定的半衰期，不因气压、温度而改变。有的放射性核素的半衰期极长，例如238U高达4.9×109年，而有些则只有几分钟甚至几秒。对于短半衰期（小于1-10年）的放射性核素通常采取隔离，让其自然衰变就可以减少放射性污染。因此，科研人员关注更多的是，半衰期超过10年的放射性核素在环境中的污染行为。（3）通常放射性核素都能发射出具有一定能量的一种或几种射线（α、β、γ射线）。除了核反应条件外，任何化学、物理、生物的处理都不能改变放射性核素的性质，但放射性核素能随着介质的扩散或流动在自然界中迁移，并进入植物、动物、人体内被吸收、富集。（4）放射性核素被动物和人体吸收富集后，其电离辐射会引起生物组织内分子和原子电离，破坏组织中的大分子结构，威胁健康。其损伤方式有急性的，但多数情况下为慢性的、隐性的（远期效应、躯体效应、遗传效应），往往不易察觉，所以必须要预先排查，防患于未然。4.放射性污染的国内外研究现状4.1国外研究现状核能的开发与利用是一个世界范围的议题，西方发达国家比我们更早地意识到潜在的污染与问题[4]。不少发达国家的核能开发与利用比我国早起步10-20年，随之而来的放射性污染也较早地出现，如：前苏联的切尔诺贝利核电站和美国核电站事故[5-6]；美国、澳大利亚、葡萄牙等国的铀矿污染[7-18]，加拿大、波兰、蒙古和罗马尼亚等国的核污染问题[19-21]；这些都是在核能开发与利用中的前车之鉴。为此，国际上一直重视放射性核素与环境关系的研究，从监测放射性污染，发展到放射性污染的防治和修复，主要采用物理和化学技术。步入20世纪90年代后，放射性污染的研究主要集中在放射性污染场地的风险评价与生态修复方面。其研究进展可分为以下几方面：（1）放射性污染环境的生态安全评价研究。此研究多与20世纪40年代以来放射性核素污染事件密切相关，包括各种核试验、核电站的正常运行与核卫星事故等。为此，仅美国就曾先后颁布过多部生态风险评价指南，欧洲共同体和国际原子能机构也都制定了放射性辐射标准以及放射性安全防护措施[22-23]，以指导人们开展放射性核素污染环境的生态安全评价及相关工作。国外在建立放射性核素对人类健康风险评价、动植物健康风险评价以及生态风险评价等方面的理论和研究方法上已取得了较大进展。（2）放射性核素的时空分布与演变规律研究。对放射性污染场地，如：核事故发生地、大气和地下核试验场、放射性矿场和尾矿等，实地监测和跟踪研究取得了重要成果。20世纪70年代开始，美国采用航测技术对内华达核试验场进行了多次航空放射性污染测量，对地面放射性进行了全面源项调查和长期跟踪调查；切尔诺贝利核电站核泄漏事故发生后，前苏联与其它国家合作对其产生的放射性污染开展了监测研究，至今仍在继续监测；20世纪90年代，哈萨克斯坦、法国等国家也分别对塞米巴拉金斯克和穆鲁罗瓦岛、方阿陶法岛等核试验场的放射性污染展开详细调查与评估。通过污染跟踪调查，揭示放射性污染演变规律，进而分析其对生态安全特别是对人类生存环境的影响。在测量方法上，不仅采用总α、总β、总γ射线测量法，也采用更为精密和详细的α能谱和γ能谱法[24-25]以及β液闪法[26]。近来也利用同位素质谱技术鉴定与研究放射性核素污染区一些罕见的长寿命放射性核素（99Tc、129I和237Np等），它们的环境生态学重要性可能与那些产生高辐射剂量的核素如137Cs、90Sr、239,240Pu和131I相当。近几年来，国外放射性污染研究体现出两个特点：1）注重各种环境介质中放射性核素背景值的详细调查[27-30];2）注重不同放射性核素在环境介质中的独特行为，如：Carvalho[31]对226Ra、210Pb和210Po在河口沉积物与悬浮物中的分布、迁移、循环和滞留时间的研究；Pham等[32]研究鱼体中210Po的富集；Johnston[33]和Sinclair[34]分别在他们的博士论文中对铀矿、尾矿中230Th的迁移与控制，以及风化过程对铀矿尾矿地球化学稳定性的影响，进行了详细地研究。（3）放射性核素污染环境的生态修复研究。放射性核素污染环境的修复目前多采用物理的、化学的及工程的措施，其不仅可能耗费大量的人力、物力和财力，而且有时还会造成环境的二次污染。生态修复技术适用于137Cs、90Sr、3H、238,239,240,241Pu及238,235U等放射性核素污染环境的治理，具有经济、环保等优点[35]。但作为新兴的环境治理技术，其相关基础理论问题有待深入研究，如植物超低量吸收与超常富集放射性核素的机理、转基因植物蓄积放射性核素的机理、二氧化碳施肥诱导植物产生铜和锌超积累现象是否适用于放射性核素等。国外对放射性核素污染环境的生态修复已做过一些工作，但远不及重金属污染环境和有机污染环境生态修复的研究工作详细和深入，主要成果与进展如下：①通过野外调查、与金属超积累植物类比和植物系统发育特征分析的方法成功筛选出放射性核素超积累植物[36]。②研究发现放射性核素超积累植物在植物科、属内的分布存在一定的规律[37]。③国外对环境因素（如土壤理化性质、土壤微生物、农艺措施等）影响植物蓄积放射性核素的研究工作做得较为详细和深入[38]。④目前国外已成功分离到一些抗辐射菌种和有潜在修复能力的菌种，包括对放射性核素有还原和固定能力的菌种。4.2国内研究现状我国在开发与利用核能的同时也逐渐开始重视生态与环境保护，不断降低放射性核素带来的辐射危害，并在辐射对动植物、特别对人的影响方面做过大量的调查与研究工作[39-48]，取得了很多成果，核农学、核医学、放射生态学等新兴学科也相继形成。自从我国第一座核电站运行以来，众多科研工作者，围绕核电站运行带来的生态环境问题进行多层次多角度地探讨，如：核电站辐射剂量评价；放射性固体废物处置场的环境问题；核电站气、液态流出物对海洋生物的影响；核电站周围居民体内40K沉积量的调查；核电站余氯排放对邻近海域鱼类的影响；核电站地区水体和大气中3H放射性活度监测与调查；90Sr、137Cs等典型放射性核素在环境介质中的放射性水平以及迁移规律等。尽管在核电站的运行上，由于严格和良好的管理，浙江秦山核电站、连云港田湾核电站、广东大亚湾核电站和岭澳核电站都未发现明显的放射性污染[49-58]，但到2020年，我国将陆续建立30多个核电站，核废料的积累和发生事故的潜在威胁不容忽视[59-61]。目前，通过卫星遥感和实测研究，发现大亚湾核电站的热水和废热对周围海域有影响[62]。因此，继续对核电站周围的环境进行核辐射监测，对环境放射性污染可能带来的环境异常识别的研究，加强可能污染的防治与处理研究，是非常有必要的。铀矿作为发展核电事业的基础，其开采过程产生大量的放射性废物，不可避免地在一定程度上污染生态环境。谢玲琳和申志军的研究[63]发现七一五铀矿的开采和冶炼，造成放射性核素和毒性重金属对矿山土壤较重的污染，对矿山周边居民的正常生产与生活带来一定程度的影响。云南和广东的铀矿和重金属矿也存在类似问题[64-68]。在核能开发与利用中，铀矿及其尾矿造成的放射性污染的防治和修复已经成为重要的研究课题。然而，国内就放射性核素污染地区的生物修复研究较少，目前主要集中在植物和动物对137Cs和90Sr的修复功能上[69-71]。例如：唐世荣等[72-73]通过对300余种植物的研究发现，放射性铯超积累植物主要分布在茄科、苋科、菊科、十字花科、蓼科