放射性核素的研究进展

放射性核素的研究进展

张如金1、2、3王帅2、3黄德娟2、3朱业安2

(1.东华理工大学化学生物材料学院，江西 南昌 330013；

2.东华理工大学核资源与环境教育部重点实验室，江西 南昌 330013；

3.江西省质谱科学与仪器重点实验室，江西 南昌 330013)

摘要：本文综述了放射性核素迁移变化的历史发展进程和研究现状、主要的研究方法、内容以及部分研究成果，并着重研究了铀矿区土壤环境中放射性核素的迁移、影响核素迁移的因素、对人体健康带来的危害、以及一些特殊核素的迁移的现状与进展，并对当前存在的某些问题制定了合适的解决方案，并为今后的研究方向做出了科学的指导和提供了理论支撑。

关键词：放射性核素迁移土壤环境研究进展

居里夫妇发现放射性核素是化学发展史上一项重要的里程碑事件，其后产生了一门与其息息相关、祸福与共的技术——核技术，并对世界的发展产生了深远影响。仅仅过去半个的世纪，核技术已被广泛应用于军事、能源、航天、工业等与人类生活休戚相关的各个领域，随之而来的放射性核素污染已经成为当今全人类必须解决的环境污染问题[1]。

土壤是陆地自然生态系统的亚系统，是陆生生物赖以生存和发展的基础，也是环境转移放射性污染物质的重要介质之一[2]。与环境中其他形式的污染不同，放射性污染是不容易被察觉的，但容易在生物体内积累，因此对生态系统会产生难以估量的影响。所以，研究土壤放射性污染特点以及对生态系统和人类健康的影响成为污染生态学的前沿课题之一，而且对土壤放射性污染修复技术研究的重要性也变得越来越突出了。

相对重金属和有机污染土地的修复标准而言，放射性核素污染土壤修复标准的研究要薄弱的多。尽管如此，国外还是有一些标准陆续被推出来[3-4]。国内对此也有零星的文献探讨重金属和有机污染物的土壤修复标准问题[5]，而对于放射性核素污染土壤修复标准基本上还是空白。

1　放射性核素的内容

1.1放射性的发现历程

法国物理学家H.Becquerel研究到了1896年2月有了一次奇妙的发现。一天晚上他无意中将一块包了黑纸而没有经过阳光暴晒的铀矿物，放到一块照相底板上。过了几天发现这块与荧光无关的铀矿物也能发射射线而使照相底板感光。可见这种辐射并非X射线，而是铀矿物本身发出的一种新的辐射。

Becquerel认为他的发现“非常重要，而且超出了想象中各种现象的范围之外”。继续检验后，发现其他的铀化合物也能发射出这种射线，到了1896年5月他又证明了纯金属铀的放射性大于铀化合物的放射性。

出生波兰，在法国学习的M.Curie对Becquerel的发现十分关注，她检验了许多元素及其化合物，发现除了铀和铀化合物外钍和它的化合物也有类似的放射现象。由此她得出了放射现象是一种特有的原子现象的重要概念，其理由是铀和钍发出射线只取决于原子的性质，而与其化合物的组成无关。M.Curie将这一现象称为放射性。

1.2放射性核素的内涵

1.2.1放射性核素的概念

具有相同的质子数、相同的中子数，处于相同的、寿命可以检测的能态的一类原子称之为核素。如果两个原子的质子数目相同，但中子数目不同，然他们仍有相同的原子序数，在元素周期表是同一位置的元素，那么二者是同位素。有放射性的同位素成为“放射性同位素”，没有放射性并且半衰期大于1050年的则称为“稳定同位素”，但并不是所有的同位素都具有放射性。

原子核自发的发射粒子(如α、β、p、14C、…)或电磁辐射、俘获核外电子，或自发裂变的现象称为放射性，这种核转变成为放射性衰变(radioactive decay)或核衰变(nuclear decay)。具有这种性质的核素称为放射性核素。

1.2.2放射性核素的分类

放射性核素可分为天然放射性核素和人工放射性核素。前者是研究天然放射性元素的化学性质，以及有关它们的提炼精制的化学工艺，重点是铀和钍；而后者主要研究人工放射性核素的化学性质和核性质，以及它们的分离、纯化、精制的过程，重点是钚等超铀元素和主要裂片元素，与核化工有着密切的联系。

天然放射性核素是指在自然界中存在的放射性核素，它们是一些原子序数Z>83的重元素，如84Po、85At、86Rn、87Fr、88Ra、89Ac、90Th、91Pa和92U。其中除U和Th具有长寿命的同位素并在自然界里长期存在外，其他天然放射性核素都是U和Th的衰变子体。

人工放射性核素在自然界并不存在，是通过核反应人工合成的其原子序数>93元素，包括43Tc、61Pm和铀后元素93Np、94Pu、95Am、96Cm、97Bk、98Cf、99Es、100Fm、101Md、102No、103Lr、104、105、106、107、108、109号元素。习惯上把93Np和其以后的元素统称为超铀元素。

迄今为止，在已知的117种元素中，有81种元素具有稳定同位素，其余36种只有放射性同位素，它们的放射性衰变半衰期长短不等。原子序数大于83的元素属于放射性元素，其中有三个核素232Th、238U、和235U，由于它们具有足够长的半衰期，因此在自然界仍然存在，并形成三个天然放射性衰变体系，即钍系、铀系和锕铀系。

1.2.3放射性核素的研究

表　放射性核素的研究

2　铀矿区的代表核素

天然铀矿蕴藏于铀矿床中，经过开采和水冶加工成为军用或民用核材料。在铀矿开发的各个环节，都会产生放射性铀及其衰变产物和Cr、Cd等重金属，给环境带来严重的污染。现代的铀采矿工业开始于20世纪40年代末，由于当时认识水平和技术水平的有限性，对矿山保护问题缺乏深刻的保护认识[6]。由于铀尾矿库中含有的放射性物质种类多、毒性大，通常比天然辐射本底值高2～3个数量级以上，其中最主要的放射性核素有U、Ra、Th等长寿命核素以及其衰变体。

我国铀矿山和水冶厂分布在全国的十几个省区数十个地县，其废矿石和尾矿渣等固体废物堆存场地有150多处。我国的铀尾矿库具有堆存量大、占地面积广阔的重要特征[7]。大量堆存的铀尾矿渣中含有铀等污染物质，可带来复杂的环境问题，其中含有的238U、230Th、226Ra、222Rn、40K等大量的放射性核素，多数具有较长的半衰期，半衰期大于1000a的核素约占30%，如230Th和226Ra的半衰期分别是7.7×104a和1602a，他们长期衰变释放放射性气体氡及其子体，并产生出γ射线，对周围环境造成污染，从而造成铀矿山环境持久的辐射危害。随着原子能和国防军工业的发展，铀矿冶产品的需求量将不断增加，相应的铀尾矿量也是与日俱增的。其中储存放射性物质的数量是极大的，随之引起的周边环境土壤污染给人类的生命和健康带来了莫大的威胁和不利[7]。

我国已探明的大小铀矿有200多个，但其矿石品位整体低下，因此开采过程中产生的铀尾矿数量巨大[8]。据初步的估算，每生产1t铀可生产近3000t含放射性核素的固体废弃物，最多可高达5000t[9]。在放射性固体废物和废水中，238U和235U等放射性核素的浓度最大。仅以238U为例，它经过多次α和β衰变后将会产生一系列其他放射性核素，因此铀矿区的放射性污染实际上牵涉到了众多常见的核素如226Ra、210Po和222Rn等一系列对人体健康造成潜在辐射威胁的中间衰变体[10-11]。

研究表明，矿产资源的开发和利用不当不可避免的会对矿区的土壤和水体造成污染。铀矿资源当然也不例外，铀矿开采和选冶过程会产生为数不少的含放射性核素的废水、废渣。其没有得到合理的处置，容易对矿区周边地区的土壤、水体造成放射性核素污染。而土壤中放射性核素等毒性元素的环境影响以及生态有效性并不取决于其总量，主要受到其在介质中的赋存形态的影响，只有易于活化的形态是对环境构成潜在的威胁。国外的一些研究表明，受放射性核素污染的土壤、水体所产生的农作物中存在较强和较高浓度的放射性核素积累[12-13]。

2.1铀(U)

1789年德国化学家M.H.Klaproth从沥青铀矿分离出一种黑色粉末状的物质，其化学性质与当时已知的任何元素都明显不同，他认定是一种新元素，为纪念1781年发现的天王星(Uranus)，便将其命名为铀(Uranium)。1841年法国化学家E.M.Peligot在进行无水UCl4分析试验时，接着用钾还原UCl4，从而真正制备出了金属铀。1869年俄国的化学家门捷列夫根据自己阐明的元素周期表，确定了铀的相对原子质量和周期表的位置。1896年法国著名科学家H.Becquerel发现了铀的放射性衰变，从此揭开了原子能科学发展的序幕。1939年德国化学家O.Hahn和F.Strassmann发现了铀的核裂变现象。从那以后，铀的分量倍增，人类则进入利用原子能的时代。

铀的地球化学性质十分活泼，易于迁移分散，因此铀广泛存在于自然界，但难以形成富矿床。地壳中铀的平均含量是3.5×10-4%，其总含量达1.3×1014t，约和锡的含量相当；海水中铀的含量比较低，约为2mg/t。它在各类岩石中分布不均匀，在火成岩中含量较高，并随着岩石中硅土含量的增加而增加；在水成岩中含量较低，约为火成岩含量的一半。铀属于分散性元素，已发现的铀矿物和含铀矿物约有200种，其中仅有20多种具有工业价值。

铀在自然界中的存在状态，大体可以分为三类：一是呈矿物状态——在地壳中由于天然的物理化学和生物作用而形成；二是呈类质同象状态——在物质的晶体结构中的某粒子，被铀离子所取代，而该物质的晶体结构不变；三是呈分散状态——铀以极小的质点或离子状态被某些矿物吸附而形成。其已知铀的同位素有15个，质子数从226-240，其中234U、235U、和238U是天然存在的放射性核素，其他的同位素都是通过核反应人工合成的。235U是唯一天然存在的裂变核燃料，但是其丰度较低，为了获得实用的核燃料必须进行235U的富集。铀是环境中毒性很强的重金属元素之一，地球表面铀的平均浓度低于4mg/kg[14]。238U是再生核燃料，它俘获一个中子后，经过2次β衰变转变成另一个核燃料核素239Pu。

铀的危害主要来自其化学毒性和放射性伤害2个方面。而铀的化学毒性主要是有水合六价的双氧铀酰离子引起的[15]；铀的辐射伤害主要是由铀以及衰变子核有放射性，吸入铀气溶胶后对肺部和其他器官较长时间的内照射可以引起患癌风险的增加[16]。

参考文献

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[2]杨俊诚，朱永懿，陈景坚，等.137Cs不同污染水平在大亚湾、秦山、北京土壤-植物系统的转移[J].核农学报，2002，16(2)：93-97.

[3]International Commission on Radiological Protection(ICRP).Protection of the Public in Situations of Prolonged Radiation Exposure.Publication No.82，Pergamon Press，Oxford，NewYork[S].2000.

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[16]黄德娟，徐巍越，周青，等.铀矿辐射对人体致癌病情调查报告[J].中国辐射卫生，2007，16(2)：185-186.

Research progress of radionuclides in the soil

environment of a mining area

ZHANG Ru-jin1、2、3WANG Shuai2、3HUANG De-juan2、3ZHU Ye-an2

(1.SchoolofWaterResourcesandEnvironmentEngineering，EastChinaInstituteofTechnology，JiangxiNanchang330013；

2.StateKeyLaboratoryBreedingBaseofNuclearResourcesandEnvironment，EastChinaInstituteofTechnology，

JiangxiNanchang330013；3.JiangxiKeyLaboratoryforMassSpectrometryandInstrumentation

(EastChinaInstituteofTechnology)，JiangxiNanchang330013)

Abstract：This paper reviews the radionuclide migration change process of historical development and the present research situation，research methods，main contents and some results，and emphasizes on the study of radionuclide migration in the soil environment of a uranium mine，the influencing factors and the nuclide migration on human health hazards，and brought some special nuclide migration status and progress on some problems existing in the present，and made the appropriate solution，and make a scientific guidance and provides theoretical support for the research direction in the future.

Key Words：Radionuclide；migration；soil environment；advances