[科普中國]-放射性核素分布

概念

國內(nèi)已開展鈾礦山土壤一植物中天然放射性核素現(xiàn)狀和環(huán)境遷移的研究，并在不同介質(zhì)中模擬核素遷移規(guī)律，為鈾礦環(huán)境治理提供了科學(xué)依據(jù)。

粵北某鈾礦經(jīng)過50多年的勘探、開采和水冶工作，為我國原子能事業(yè)提供了鈾資源保障，而且在今后相當(dāng)長時間內(nèi)還將是我國天然鈾生產(chǎn)的重要來源。該礦采用坑道開采和礦石堆浸工藝，經(jīng)過50多年的生產(chǎn)，產(chǎn)生大量的尾礦和廢料。在山洪沖刷和風(fēng)化的作用下，尾礦庫中放射性核素及有害物質(zhì)不斷淋浸和析出，使其污染范圍不斷擴大，造成水體和地表的長期污染。1

鈾礦下游水系沉積物放射性核素分布特征研究發(fā)現(xiàn)，鈾礦下游水中放射性核素濃度經(jīng)稀釋和沉淀等作用，238U和226Ra等核素濃度可以降低至當(dāng)?shù)乇镜姿剑潜韺映练e物中238U、235U和226Ra含量卻異常高為了研究放射性核素在水系沉積物中的垂直分布特征和遷移規(guī)律，對該礦下游水系沉積物進(jìn)行剖面采樣和分析，為鈾礦區(qū)環(huán)境污染治理提供科學(xué)依據(jù)。

鈾礦周圍稻田土壤、溪流沉積物和池塘底泥3個剖面的放射性核素含量相差較大，特別是同系列的238U和226Ra受鈾礦生產(chǎn)影響，在水系沉積物中含量高低順序分別是池塘底泥>溪流沉積物>水稻田土壤。除池塘底泥外，32Th和40K在另2個剖面不同深度的差異較小，受鈾礦的影響不大。

水稻田土壤中放射性核素含量相對較低，證明沒有利用含鈾的溪水灌溉；而受鈾礦生產(chǎn)影響的池塘底泥(溪流沉積物)中238U、235U和226Ra含量是水稻田土的100(50)、87(11)和155(5)倍。

土壤中有機質(zhì)對238U和235U有較強的吸附作用，可能還有絡(luò)合和氧化還原作用；而對226Ra和40K的吸附降低，與腐殖酸導(dǎo)致pH降低，使得226Ra和40K溶解而遷移。2

核燃料棒內(nèi)放射性核素分布的計算機模擬研究基本概念確定受照燃料棒中的放射性核素分布是核保障的一項重要任務(wù)，非破壞分析中的γ掃描方法在這方面得到了廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用γ射線的兩種非破壞性分析方法有兩種，分別是總γ活度測量和比活度測量，這兩種方法都是測量某一選定放射性產(chǎn)物的γ活度，通常選134Cs和137Cs作為主要的核素。隨著斷層照相方法在理論和實用上的發(fā)展，斷層照相法已經(jīng)成功用于核燃料棒的分析、檢測和核查。

斷層照相技術(shù)能夠通過外部測量創(chuàng)建物體內(nèi)部剖面圖，已經(jīng)廣泛用于醫(yī)學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域。在核電領(lǐng)域，斷層照相技術(shù)既可用于單根燃料棒也可用于燃料棒束。應(yīng)用這項技術(shù)。物體某一剖面上的密度分布圖像可以以較高的空間分辨率重建出來，由此，對于給定的燃料棒，它內(nèi)部的放射性核素的分布圖像就可以得到。在通常的斷層照相技術(shù)的基礎(chǔ)上，二十世紀(jì)七十年代美國洛斯。阿拉莫斯國家實驗室首先提出了分段γ掃描(Segmented Gamma Scanning(SGS))技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上，于九十年代發(fā)展了層析γ掃描(TomographicGamma Scanning(TGS))技術(shù)。TGS可以準(zhǔn)確定量測量中、高密度非均勻分布介質(zhì)中的放射性核素及其含量，在密閉容器內(nèi)放射性材料、核設(shè)施中可回收物以及核廢物測量分析中具有廣泛的應(yīng)用。

原理傳統(tǒng)斷層照相技術(shù)在核技術(shù)中的應(yīng)用中，一般采用透射測量的方法，用高純鍺探測器測量透射源的γ射線穿過被測物的衰減情況，確定被測物體內(nèi)部的信息。因為被測物中放射性的存在，它不可避免地對被測物的發(fā)射γ射線進(jìn)行計數(shù)，成為透射和發(fā)射的綜合體。TGS技術(shù)是傳統(tǒng)斷層照相技術(shù)在核輻射測量中的應(yīng)用和發(fā)展，它分為透射測量和發(fā)射測量。在發(fā)射TGS中，對被測物(這里為單根燃料棒)的掃描是通過變化探測器的位置和轉(zhuǎn)動被測物來實現(xiàn)的。對每一個角位置，探測器進(jìn)行橫向的平移，通常每次平移幾毫米，然后在此位置對被測物的各個轉(zhuǎn)動角度分別進(jìn)行計數(shù)，獲得某一能量γ射線的計數(shù)率，此時得到的γ射線計數(shù)稱為投影。如果測量得到了一系列的投影，采用適當(dāng)?shù)膱D像重建算法，就可以通過重建算法計算棒內(nèi)的放射源空間分布圖像。

計算機模擬研究在參考現(xiàn)有的γ掃描測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，建立了燃料棒模擬模型，進(jìn)一步構(gòu)建了計算機模擬研究仿真平臺，針對模擬模型中各核素中放射性強度的多種分布情況，采用代數(shù)圖像重建算法，計算機模擬研究了放射性核素不同分布的圖像重建。

對發(fā)射TGS方法定量確定燃料棒中放射性核素分布進(jìn)行了仿真研究。首先對測量值的各個投影進(jìn)行仿真。然后應(yīng)用ART算法，對仿真模型進(jìn)行了重建。對多種分布情況的模型，從均勻到極端非均勻分布，進(jìn)行了全面深入的研究，重建的結(jié)果與參考值的相對偏差小于10%。仿真研究的結(jié)果表明，發(fā)射TGS拄術(shù)適用于確定燃料棒內(nèi)放射性核素分布，TGS技術(shù)有望成為定量確定熱室燃料棒內(nèi)放射性核素有強有力工具。3