第1章 放射性污染土壤概述
经济的发展、人类的生活都离不开能源的利用。目前世界上的能源主要依赖煤炭、石油、天然气等化石燃料，这些化石燃料的大量使用不仅会排放大量的硫，造成环境污染和生态破坏等问题，而且会引起全球气候变暖等效应。太阳能、风能、地热能、潮汐能等虽然都是理想的清洁能源，但是由于非常容易受地理位置、气候变化及技术条件等的限制，始终不能实现大规模的生产利用。核能作为一种经济、安全、清洁、高效的能源[1， 2]，为能源危机的解决提供了有效途径，给人类的生活带来了诸多便捷。在核能的开发利用过程中，会不可避免地产生大量的核废物，给人类及其生态环境造成严重危害[3]。大部分的放射性污染物经过大气沉降、水源渗流等作用后进入土壤，随后通过生态循环进入动植物体内，然后通过食物链进入人体，这给人体健康构成严重威胁[4]。图1-1为放射性物质进入人体示意图。
图1-1 放射性物质进入人体示意图
土壤作为生命的载体，与地球上的水、空气一样，是构成生命的基本要素之一，同时也是人类赖以生存、发展和进步的重要基石。土壤自身具备一定的净化能力，当放射性废物进入土壤后，通过土壤的物理、化学及生物等过程，能够不断地被吸附、分解、转化，*终实现无害化。但是当放射性物质进入土壤的数量及速度超过土壤自身的容纳能力和净化速度时，土壤的性质、组分等就会发生很大改变，从而会破坏土壤的生态平衡，导致土壤功能失调、质量恶化[5]。
为顺应土壤环境保护、生态可持续发展的现实需求，在过去的40年里，欧洲、美国、日本、中国等国家和地区纷纷研发、制定了许多放射性污染土壤治理计划及方法，并针对不同类型土壤、不同污染源、不同放射性强度等形成了一套较为完善的治理体系，包括物理修复技术、化学修复技术、生物修复技术及联合修复技术等[6]。这些技术在处理一些低放射性土壤时具有良好的效果，但是由于放射性污染土壤的受污染方式及程度具有很大差别，尤其是被α核素所污染土壤的治理尤为困难，α污染土壤中放射性污染物的成分较为复杂，其中锕系元素(actinides，U、Pu、Am、Cm等)具有放射性强、半衰期长(如239Pu半衰期为2.4×104a)及生物毒性大等特点，且大多锕系核素自身极不稳定，可衰变释放出高能粒子(如α粒子能量为4～6MeV)，生成次锕系核素(minor actinides，237Np、241Am、243Am、247Cm等)。虽然所生成的次锕系核素种类较少，但由于其具有较长的半衰期，大多数次锕系核素又是α辐射体，在其衰变过程中产生的重离子、α、β及γ射线会对人类及生态环境构成极大的危害[7]，这对放射性污染土壤治理的安全性提出了较高的要求。因此，寻找高效快速且适应多种核素的α污染土壤治理方法，成为近年来放射性污染土壤处理处置研究的前沿及热点问题之一。
1.1 放射性污染土壤的来源及特点
放射性污染土壤中的放射性物质来源于两个方面[8]。一是天然放射性物质，此类放射性物质主要存在于天然产物之中，其种类较多，主要包括40K、238U、232Th、226Ra等，它们经过自身衰变，产生一系列衰变子体，并广泛分布在土壤中，具体见表1-1[9]。土壤属于天然放射性核素的主要储存库，但由于其在土壤中的含量较低，对人体及生态环境的影响不大。
表1-1 土壤中天然放射性核素的含量
二是人工放射性物质，人工放射性污染是土壤放射性污染的主要来源。第二次世界大战后，人工放射性物质的大量出现使土壤的放射性污染发生了质的变化。人工放射性核素主要有137Cs、240Pu、131I等[8]。其主要来源如下。
1. 核试验
资料显示，自1945年美国在新墨西哥州开展第一次核爆试验以来，人类已经在所建核试验场进行了超过2000次的核试验，其爆炸方式有地表、高空、大气层以及地下核试验等[10]。在这些核试验场中，部分试验场曾进行过数百次的核试验，给核试验场及其周边地区造成了严重的土壤污染。造成核试验场土壤放射性污染的三类主要核活动如下[11]。一是近地表核试验，这类核试验对试验场土壤形成的污染主要集中在地面爆心附近区域及由爆炸风向支配的烟云沉降带，若形成爆炸坑，则在爆炸坑附近富集大量的放射性物质。二是有泄漏的地下核试验，地下核试验产生的放射性物质主要集中在爆心周围的地下空腔区域内，若爆炸造成明显泄漏，则会在爆心周边区域造成污染，且部分放射性物质会随水流渗透，从而扩大污染范围。资料披露，仅美国内华达核试验场(图1-2)由于放射性泄漏造成的大面积土壤污染的地下核试验不少于38次。三是大气层核试验，大气层核试验爆炸后产生的放射性物质随风飘散*终降落到地面，是大面积放射性污染土壤的重要来源。例如，美国在1954年将一颗600万t以上三硝基甲苯(trinitrotoluene，TNT)当量的氢弹于马绍尔群岛比基尼环礁上空引爆，导致近2万km2的区域变成永久的放射性污染区。
图1-2 内华达核试验场及核爆炸的危害
由于核试验场所使用的类型、方式及次数不同，其污染核素的种类及场区的污染程度不同，具体见表1-2。主要的放射性污染物有十几种[12]，包括：锕系核素238Pu、239Pu、240Pu、241Am等；裂变产物90Sr、137Cs、155Eu等；次生放射性核素60Co、152Eu等。
表1-2 部分核试验场放射性污染情况
2. 核燃料生产过程
核燃料生产过程主要有铀矿的开采、冶炼及燃料元件加工等。铀矿开采和冶炼过程产生的废物主要有废矿石、废矿渣、尾矿等固体废物，矿坑水、湿法作业中产生的工艺废水等液体废物，以及氡和钋的放射性气溶胶、粉尘等组成的气体废物。这类废物主要含有铀、钍、氡、镭、钋等天然放射性物质，比活度较低，产生的数量大。此类放射性污染由于其种类、数量不同，对环境造成的污染程度不同，成为土壤污染的*常见来源。
3. 核技术应用过程
放射性同位素的应用是核技术应用的主要领域，如武器研发、辐射保鲜、放射治疗、材料改性等；利用同位素示踪技术研究药物的作用、生物代谢、光合作用，进行肝肾扫描的医学诊断等。放射性同位素还用于发光涂料、射线测厚仪、金属探伤、消除静电等。在这些应用中，放射性同位素生产所产生的放射性废物相对量较小，污染性核素半衰期短、毒性低，多数的废物经过储存衰变可达到清洁解控水平，可以作为一般废物处置。此外，同位素生产应用产生的废物往往夹带生物废物，如实验动物尸体、生物排泄物和生物试样等，它们的生物危害作用可能大于放射性危害作用。在这个过程中还会产生的放射性废物有核素组成和特性多变的低水平放射性废物、废辐射源(主要是60Co源和226Ra源)等。这些废物进入土壤中，如果不加以处理，则会给土壤带来严重的放射性污染。
4. 核能科研及核事故
在一些核能研究院所、高校、医院及金属冶炼、生物工程等研究部门几乎都会涉及放射性方面的试验。在这些研究过程中，都会有放射性废物的产生，这些放射性废物随室内排水排气系统排放至水流或大气中，*终会渗透至土壤中，同样会对土壤造成严重污染。另外，在核能利用过程中，不可避免地会出现核事故。例如，1957年，苏联车尔雅宾克钚生产基地发生储存罐爆炸事故，罐中含有大量的放射性核素，爆炸后在其厂区周围0～300km形成一个庞大的放射性沉积区，137Cs、90Sr、239， 240Pu等核素大量沉积，造成了严重土壤污染，涉及人口约27万人。2011年，日本福岛核电站发生爆炸，污染物对核电站周围土壤及地下水造成了严重污染，事故的发生直接或间接造成近2万人死亡，近10万人被迫迁移[13]。
这些放射性物质无论是扩散到空气中还是进入水源中，*终在生态循环的作用下汇集于土壤中。土壤中的放射性污染物通过食物链(植物—动物—人类)的作用进入人体，对人的生命健康造成巨大的危害[14]。不同放射性元素在人体内部的转移不同，危害也有所区别。例如，可溶性的 进入人体后，在血液中有60%的 形成了具有超滤性的碳酸氢盐化合物而转移到各组织器官，40%的 与血红蛋白结合，铀(U)化合物主要损伤器官是肾脏，随后出现神经系统和肝脏病变等。镭(Ra)是亲骨性元素，主要蓄积在骨骼。急性镭中毒会引起与外照射相似的急性放射病，造成骨髓损伤以及造血组织的严重破坏等，慢性镭中毒可引起骨肿瘤和白血病[15]。钍(Th)主要蓄积于肝、骨髓、脾和淋巴结，其次是骨骼和肾。钍在人体中聚集会造成人体的造血功能障碍、机体抵抗力减弱、神经功能失常以及由脏器损伤导致的病变和致癌效应[4]。氡(Rn)可沉积于肺部，处于原子态的氡子体则沉积于呼吸道，氡子体的长期过量积累使肺部和上部支气管的上皮基底细胞接受慢性照射可诱发肺癌[4， 15]。钋(Po)在放射性元素中*容易形成胶体，它在体内水解生成的胶粒极易牢固地吸附在蛋白质上，也能与血浆形成不易扩散的化合物，进入人体后能长期滞留于骨、肺、肾和肝中，引起严重的辐射损伤，远期效应可引起肿瘤。此外，个别放射性同位素可以分布到人体各个部位，影响的不仅仅是个体本身，还会形成遗传效应对个体的后代带来危害[16]。为了保证人体及生态环境不受放射性污染物的侵害，应对放射性污染土壤进行防治和处理。
1.2 放射性污染土壤的类型
目前对于放射性污染土壤尚未有统一的分类标准，可按照不同的要求将其进行分类。
1. 按土壤类型分类
受到自然条件和土壤自身发生规律的影响，世界上不同国家和地区的土壤分类标准不尽相同。目前主要有美国土壤分类体系、苏联土壤发生分类及西欧土壤发生分类等。本书以我国土壤系统分类为标准，分为12个土纲，32个亚纲，61个土类，200多个亚类；总体可分为以红壤和黄壤为代表的黏质土，以棕壤、潮土等为代表的壤土及以风沙土为代表的砂质土等三种类型。
2. 按污染物种类分类
根据污染核素种类的不同，放射性污染土壤也呈现出不同类型的辐射危害，可分为α污染土壤、β污染土壤、γ污染土壤及多核素污染土壤。单一种类的污染常见于核技术应用所发生的应急事故中，多核素污染常见于大型核试验所遗留的污染区域。
3. 按照射量率分类
放射性污染土壤属于固体放射性污染物，按照国际原子能机构1970年对固体放射性废物所推行的标准，对于表面照射量率低于或等于0.2R/h的污染区域不必采用特殊处理；对于表面照射量率高于0.2R/h的污染区域需要进行物理屏蔽处理或采用修复技术去除放射性核素。
参考文献
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