２０１４年３月 四川有色金属 Ｓｉｃｈｕａｎ Ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓ Ｍｅｔａｌｓ ・７・ 文章编号：１００６—４０７９（２０１４）０１－０００７－０３ 放射性核素锶在地质环境中的迁移研究 杨森，王永利，黄艺，张志程 （成都理工大学地球化学系，四川成都 ６１００５９） 摘要：放射性核素锶是一种典型的亲骨性元素，对人体的危害极大。国内外的学者对核素锶 进行了各种实验研究和模拟研究。核素锶的研究主要集中在不同介质中核素的行为，考虑的介 质主要是单一介质，尤其针对高放废物处置的土壤和岩石两种介质的研究较多；在核素的模拟 研究方面，主要集中在通过实验和数值模拟对核素的行为进行模拟，实验室的研究方法主要运 用静态法和动态法；在核素的模型研究方面，主要运用的软件包括ｍｏｄｅｆｌｏｗ、ＰＨＲＥＥＱＣ、ＧＭＳ 和ＰＨＡＳＴ。 关键词：亲骨元素；ｓｒ；单一介质；实验模拟；数值模拟 中图分类号：Ｘ８３３ 文献标志码：Ａ Ｔｈｅ Ｍｉｇｒａｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｒａｄｉｏｎｕｃｌｉｄｅ ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ ｉｎ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎ￣ ＹＡＮＧ Ｓｅｎ，ＷＡＮＧ Ｙｏｎｇｌｉ，ＨＵＡＮＧ Ｙｉ，ＺＨＡＮＧ Ｚｈｉｃｈｅｎｇ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆＧｅｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｆｏＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００５９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒａｄｉｏｎｕｃｌｉｄｅ ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ ｉＳ ａ ｔｙｐｉｃａｌ ｂｏｎｙ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｇｒｅａｔ ｈａｒｍ ｔｏ ｔｈｅ ｈｕｍａｎ ｂｏｄｙ．Ｓｃｈｏｌａｒｓ ｉｎ ｔｈｅ ｗｏｒｌｄ ｈａｄ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｎ ｖａｒｉｏｕｓ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｉｓ ｅｌｅｍｅｎｔ．Ｆｏｒ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｍａｉｎｌｙ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅ ｉｎ ｔｈｅ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｒａｄｉｏｎｕｃｌｉｄｅ ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｅｄｉａ ｍｏｓｔｌｙ ｆｏｃｕｓ ｏｎ ｐｕｒｅ ｍｅｄｉａ， ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒａｄｉｏａｃｔｉｏｎ ｗａｓｔｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ Ｓ ｓｏｉｌ ａｎｄ ｒｏｃｋ．Ｆｏｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ．ｍａｉｎｌｙ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅ ｉｎ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｔｈｉｓ ｅｌｅｍｅｎｔ．Ｉｎ ｌａｂ Ｓ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．ｓｔａｔｉｃ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｍｅｔｈｏｄ ｉＳ ａｌｗａｙｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｒａｄｉｏｎｕｃｌｉｄｅ ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ Ｓ ｍｏｄｅｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ．Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｕｅｓ ｏｆ ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｍｏｄｅｆｌｏｗ，ＰＨＲＥＥＱＣ．ＧＭＳ ａｎｄ ＰＨＡＳＴ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｐｒｏ－ｂｏｎｅ ｅｌｅｍｅｎｔｓ；Ｓｒ；ｓｉｎｇｌｅ ｍｅｄｉｕｍ；Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ １放射性Ｓｒ的产生及其危害 ０（天然放射性除外），小于低放废物比活度的放射性 废物［２－３１。其它各个国家具有不同的标准。由于这类放 放射性废物是核能利用不可避免的伴生物。绝 射性废物量大，地质处置需要大量的费用；但若不处 大部分放射性废物来自核电站、核燃料循环各阶段 置，这部分废物对人类健康和环境又存在潜在危害， 和核武器等。通常放射性废物含有铀镭系和铀系天 “极低放废物” ＬＬ 的地质处理成为我们面临的一 然放射性核素、铀裂变产物、超铀元素或中子活化产 个重要的环境问题。 物等各类放射性物质。 锶的原子序数从Ｓｒ 一Ｓｒ９７共有１７种同位素，其 在放射性废物中，有相当部分的废物为放射性 中毒理学意义最大的为Ｓｒ８９和Ｓｒ９０。它们是一种半衰 活度极低、对人类危害很小的放射性废物［１１，即极低 期相当长、亲骨性的纯Ｂ辐射源。锶属碱土族元素， 放废物。ＩＡＥＡ定义极低放废物为放射性比活度大于 化学性质与钙相似，因此参与钙的代谢过程。它在机 作者简介：杨森（１９８９－－），男，硕士，主要从事核设施退役、水文地球化学、环境地球化学、放射性化学、热力学、环境 工程等方面研究。 ・８・ 放射性核素锶在地质环境中的迁移研究 第１期 体器官、组织中的分布通常和钙是平行的；它主要通 过水、土壤，动植物最后进入人体，易被机体吸收，蓄 积于骨内。它在骨内主要沉积在骨骼的无机盐部分， 下， Ｓｒ的加速迁移试验中，实验结果显示ｓｒ以两种 不同的化学形态迁移，它们的分配系数分别介于 ４００ｍ【／ｇ～８００ｍｌＪｇ和３０ｍｌ＿／ｇ－－６０ｍＵ￣。 核素在岩石中的研究，主要集中在高放废物填 埋中。作为国内最早开始研究岩石对核素吸附迁移 影响的文章，研究者以北京地区花岗岩为例，用间歇 其机理可能与骨骼的物理化学和生理代谢过程有 关。但放射性锶在不同骨骼内的蓄积量并不相等，一 般脊椎、肋骨、颅骨的锶含量高于长骨。沉积于骨内 的放射性锶主要照射骨骼和骨髓，是一种典型的亲 法测定了９０Ｓｒ在石湖峪和阳坊花岗岩上的吸附比及 骨性分布的核素，对人体危害较大，且难易排出体外。 因此其对环境及人体健康有重要的影响，越来越受 到大家的注意。 ２核素Ｓｒ的研究进展 我国众多学者主要关注的核素主要有：６ＯＣｏ、 Ｓｒ、 Ｃｓ、 Ｕ、 Ｉ ＺＳｐｕ等放射性核素，对于超铀核素 研究较少。 ｓｒ作为重要的放射性核素被众多学者所 注意。 ２．１开展了在不同介质中核素的研究，主要集中在 土壤和岩石中 在切尔诺贝利事故后，该地区及其周边便成为 核素迁移研究的焦点地带。在事故发生后的三到五 年后，研究者在白俄罗斯进行了核素Ｓｒ和Ｃｓ在土 壤中不同深度的迁移研究，结果显示对于河流阶地 上的土壤而言，Ｃｓ的迁移深度大于Ｓｒ，５％一１５％的核 素迁移超过了５ｃｍ，９０％的核素迁移到３ｃｍ－７ｃｍ的 土壤中；而在河漫滩，Ｓｒ的迁移速率更大，５％的 Ｃｓ 以及５％一３０％的 ｓｒ迁移到５ｃｍ以下网。说明在相同 介质不同环境中核素的迁移形式是不同的。在第二 年的研究中，研究者通过采集分散在乌克兰、白俄罗 斯和俄罗斯来自于切尔诺贝利核电站泄露所产生的 辐射微尘中，运用现代数值理论分析技术量化了Ｃｓ 和Ｓｒ在土壤中的迁移活动及规律圈。 在我国根据相关规定，中低放射性核素的地质 处置采取就近填埋原则。我国涉核单位更多的将这 类物质进行浅层填埋。在这种情况下，核素在土壤介 质中的迁移行为研究将是重中之重。在非饱和黄土 介质中， ｏ、 ｓｒ和聊Ｃｓ无论是在垂向还是纵向上 迁移速率均不相同。为了探究这种不相同，研究者对 环境模拟试验进行了拟合与分析，算出了踮ｓｒ的平 均迁移速和延迟系数［６１。在黄土包气带人工喷淋条件 吸附平衡时间。分别得出岩石颗粒度、固液比、水相 ｐＨ值和核素载体浓度对吸附比的影响，并绘制了吸 附等温线圈。在后来确定花岗岩作为我国第一个高放 废物处置场后，研究者又着重研究了ＴＢＰ、ＥＤＴＡ、草 酸、草酸铵和腐殖酸以及水相ｐＨ值和岩石颗粒度等 因素对锶、铯在花岗岩上的吸附影响圈。 在实验理论方面提出了可用天然花岗岩中的热 液蚀变，热液演化、Ｕ、Ｔｈ和ＲＥＥ等元素的地球化学 行为、次生矿物及其对有关放射性核素的阻滞作用， 来对比研究高放废物处置过程中核素的迁移行为 （３１。 ２．２开展了核素的模拟研究。主要集中在通过实验和 数值模拟 由于核素迁移的复杂性和不确定性，经常会造成 相同的实验条件下得出不同的实验结果。通过对核 素研究的实验方法及影响因素进行分析探讨，最终 得出了核素研究中常用的两种实验方法，即静态实 验和动态实验方法，较详细地讨论了这两种方案的 化学影响因素ｌ１ｌｌ。 随着计算机的普及应用及各学科的相互交叉， 有不少的研究人员通过模糊数学、灰色理论、神经网 络等方法对放射性废物处置场进行了安全评价。通 过应用分形理论方法，针对非均匀性明显的某放射 性废物处置场候选场址，在介质水力性质参数与介 质结构分维之间建立函数关系式来描述场址介质的 非均匀性【１ 。通过进行核素迁移的二维非平衡吸附数 值模式研究，将水动力弥散方程与核素在空隙介质 中非平衡吸附关系式相耦合，建立非平衡吸附数值 模式，获取非平衡吸附数值模式中吸附解吸速率参 数 ；通过建立单裂隙花岗岩中核素迁移的连续数学 模型，研究了在饱和水流条件下，花岗岩单裂隙中核 素迁移的连续注入数学模型，给出了裂隙中和岩块 中核素浓度的解析解，并结合裂隙流出水样实验数 第１期 放射性核素锶在地质环境中的迁移研究 ・９・ 据，分析得出影响核素迁移的主要参数ｌ１ 。 ２．３均匀介质中的核素的模型研究，主要集中在运用 型的开发软件 放射性废物处置最主要来自地下水。流动的地 在这种情况下，通过引入热力学基础研究对放 射性核素工作时很有帮助。 参考文献： 【１】潘自强．核能与可持续发展田．科技导报，２００３，，（７）：９． ［２１ Ｌｉｎｓｌｅｙ Ｇ．Ｔｈｅ Ｒａｄｗａｓｓ Ｐｒｏｇｒａｍｍｅ ａｎｄ ｔｈｅ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｖｅｒｙ Ｌｏｗ Ｌｅ ｖ ｅｌ Ｗａｓｔｅ．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ａｌｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎ２ ａｌ 下水将放射性废物中有害的放射性核素浸出、扩散 和迁移至生物圈。针对这种情况有学者研究了放射 性核素在地下水中的反应运移，考虑了其在地下水 与固体之间的对流、弥散、稀释、吸附等相互作用，并 介绍了德国累斯顿市附近的Ｋｏｅｎｉｇｓｔｅｉｎ矿区淋滤 条件的可行性研究结果Ⅱ ；有学者应用ｖｉｓｕａｌ ｍｏｄｅｆｌｏｗ 建立了研究区地下水三维水流及溶质运移模型，并 应用其中的ｍｏｄｅ ｐａｔｈ模块模拟了地下水中水质点 的运移轨迹，分析了由于过量开采而形成地下水水位 降落漏斗后，研究区地下水溶质的运移规律，提出了 受污染后的对策及治理方法 。 ３核素Ｓｒ的形态分布研究展望 化学物质在环境中都有一定的赋存形态，这其 中包括物理结合态、化学态（有机的或无机的）、化合 态、价态和化学异构态等多方面。认定环境污染物在 某种环境状态下的存在形态，并掌握它在环境因素 影响下所发生的形态变化，是开展如污染物在环境 中迁移问题等有关环境研究的前提条件。一种元素 在一定的环境条件下，往往可能有多种存在形态，而 不同的存在形态，无论其化学性质，还是其物理化学 毒性，以及在环境中的迁移特征都不一样，有时存在 很大的差别。 水中的ｓｒ是可以通过实验室仪器测定来分析 出其形态分布，对于一般比较简单的分析实验来说， 不确定度的分析可以分为Ａ类不确定度和Ｂ类不 确定度 ，而放射性化学分析，由于前处理比一般化 学分析复杂，并且样品前处理的用量大，操作步骤 多，故带来的不确定度因素也较多，故测量偏差较 大。低本底值 、Ｂ测量仪是统计性测量核素，与普通 分析仪器不同，测量偏差较大，再加上仪器探测效率 的带来的不确定性，故测量结果的不确定度也相对 较大。总体来讲，实验室测量放射性核素也有部分局 限性。 Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ．Ｖｉｅｎｎａ（Ａｕｓｔｒｉａ）：ＡＥＡ，１９９７． ［３］王金生，等．极低放废物处置研究进展【Ｊ１．辐射防护，２００５．，（５）． ［４］ＫＡＧＡＮ，ＬＥＯＮＩＤ Ｍ，ＫＡＤＡＴＳＫＹ，ｅｔ ａ１．．Ｄｅｐｔｈ Ｍｉｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｅｍｏｂｙｌ Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ ＇Ｃｓ ａｎｄ￣Ｓｒ ｉｎ Ｓｏｉｌｓ ｏｆ Ｂｅｌａｒｕｓ叨． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｒａｄｉｏａｃｔｉｖｉｔｙ，１９９６，３３（１）． ［５］ ＩＶＡＮＯＶ Ｙ Ａ，ＬＥｗＹＣＫＹＪ Ｎ，ＬＥＶＣＨＵＫ Ｓ，ｅｔ ａ１．Ｍｉｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ ＇Ｃｓ ａｎｄ ｆｒｏｍ Ｃｈｅｍｏｂｙｌ Ｆａｌｌｏｕｔ ｉｎ Ｕｋｒａｉｎ：＇ａｎ． Ｂｅｌａｒｕｓｓｉａｎ ａｎｄ Ｒｕｓｓｉａｎ ｓｏｉｌｓ［Ｊ］．，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｒａｄｉｏａｃｔｉｖｉｔｙ．１９９７．３５（１＇）：１． 『６］王志明，杨月娥，赵英杰，等．核素在非饱和黄土介质中迁 移的环境模拟试验结果的拟合与分析【ＪＪ．辐射防护，１９９８， １８ｆ１１：１１． 『７ｌ王金生，李书绅，杨志峰．包气带中ｓｒ迁移的浓度双峰分布 数值模拟研究【ＪＪ．中国环境科学，１９９９，１９ ，ｑ６）：５５６ 『８１法誓俊，等．放射性核素９ＯＳｒ在石湖峪和阳坊花岗岩上吸附 与迁移的特性，复旦学报ｆ自然科学版）．１９９６．６． ［９】叶明吕，陆誓俊，谭佐兵，等．各种因素对放射性缌、铯在花 岗岩上的吸附与迁移影响的研究Ⅲ．核化学与放射化学， １９９３．１５ｆ２１：８８． ［１ ｏ］于津生．放射性核素在花岗岩处置库中迁移的天然类似 物模拟研究叨．核动力工程，１９９５．６． 【１１］张红庆．核索迁移研究的实验方法及影晌因素叨．辐射防 护通讯，１９９１，４：２７． ｆ１２］郭敏丽，王金生，等．核素在非均匀介质中的迁移预测．中 国环境科学２００９２９（３）：３２５￣３２９． 【１３］王全生，李书绅，王志明，等．核素迁移的二维非平衡吸附 数值模式研究四．应用生态学报，１９９６，７（１）：８９． ［１ ４Ｊ李录，李春江．单裂隙花岗岩中核索迁移的连续数学模型 研究叨．山西大学学报（自然科学版）．１９９８２１（１）：Ｉ． 【１５】Ｂ，ＭｅｒｋｅＬ地下水中铀的反应运移模拟 ．地球科学一中国 地质大学学报２０００，２５（５）：４５１－－４５５． ［１ ６１吴夏懿，等．开采条件下的地下水溶质运移规律的研究一 以山东济宁漏斗区为例叨．工程勘察．２０Ｏ６（２）：２７一－３０． ｆ１７］ｌＳＯ／ＩＣ １４７／ＳＣ ７Ｎ ４５，分析方法的校准和评价及操作特 征的计算［ｓ］．