研究快報：西安9月發(fā)現(xiàn)顯著提高的放射性碘-129——是否與朝鮮第六次核試驗有關？
中國科學院地球環(huán)境研究所，黃土與第四紀地質國家重點實驗室，陜西省加速器質譜技術及應用重點實驗室，西安加速器質譜中心，西安，710061
2017年9月3日，朝鮮宣稱成功進行了第六次核試驗。我國環(huán)保部在第一時間啟動了二級應急響應狀態(tài)，進行了為期8天的環(huán)境放射性監(jiān)測，但均未檢測到放射性泄露[1]。但是幾天后我們在西安對于放射性核素碘-129（129I）的監(jiān)測中，卻發(fā)現(xiàn)了比核爆前提高了超過四倍的水平，難道與9月3日的朝鮮第六次核試驗有關？如果真的與核試驗有關，為什么環(huán)保部的監(jiān)測并沒有顯示出來？如果129I信號的升高與朝鮮核武器試驗沒有關系，那又是什么原因造成的呢？這引起了我們的重視和極大的興趣。
據地震分析表明，此次核試驗與前五次試驗一樣，都是在咸鏡北道吉州郡豐溪里試驗場進行的地下核試驗（圖1）。據估計，此次核爆的威力約為108千噸TNT當量，高于朝鮮歷屆核爆，已達到了美國1945年投放在日本長崎的“胖子”原子彈威力的3至7.8倍[2]。約四萬人直接死于胖子的原爆，約二萬五千人受傷。約7000平方米之建筑物被夷平，之后數萬人死于核子塵埃放射引起的癌癥。由此可見，朝鮮第六次核試驗的威力之大。雖然此次核試驗為地下核試驗，大部分放射性物質都被封存在試驗橫井或豎井中，但是如果存在操作失誤等問題，放射性污染物會通過山體裂縫釋放到環(huán)境中，對環(huán)境造成難以估計的輻射危害。
圖1. 朝鮮六次核爆歷史
那么為什么要129I水平的升高會讓我們與朝鮮核試驗聯(lián)系起來呢？這就要從129I的來源說起，129I是碘的長壽命放射性同位素（半衰期為15.7百萬年），宇宙射線與大氣中的129Xe反應生成途徑是天然129I的主要來源，據估算，天然生成的129I只有250 kg。然后，大氣核試驗過程中核裂變，核事故以及核燃料循環(huán)是環(huán)境中129I的主要來源。20世紀50年代以來的大氣核武器試驗產生了約50-150 kg的129I，使得全球129I的水平提高了至少100倍。前蘇聯(lián)的切爾諾貝利和日本的福島核事故釋放的129I約有7.2 kg。而位于歐洲的Sellafield （英國）和La Hague（法國）的兩大核燃料后處理廠自20世紀60年代以來向環(huán)境中釋放了超過6000 kg的129I，是目前129I的最大來源，造成歐洲，特別是北歐的129I水平比我國環(huán)境水平還要高100倍。當然，在核燃料后處理的過程中，還有很大量的129I（超過14 噸）被封存處置，目前還沒有被排放到環(huán)境中，但是處置容器的腐蝕破損、處置地理環(huán)境的變化都有可能造成放射性物質的泄漏，是環(huán)境中129I的潛在來源。一般來講，核事故和核燃料后處理廠造成的129I水平增加是區(qū)域性，只有在氣候地理條件適宜的時候才會向全球大范圍擴散，核武器試驗尤其是大氣核武器試驗是放射性物質全球性傳輸擴散的重要因素。
除此之外，另外一種放射性核素14C也是核武器試驗的重要產物。14C是碳的一種放射性同位素（半衰期為5730年），除宇宙射線與大氣中的14N反應生成的天然14C外，環(huán)境中14C主要來源于大氣核武器試驗中的核聚變和核裂變、核電站中的活化反應等。20世紀50年代以來的大氣核武器試驗造成大氣中14C的濃度（通常采用△14C來表示，單位為‰）從-25‰提高到900‰，隨著大氣擴散、與水圈等其他圈層的交換作用和化石源燃料燃燒等，大氣中14C濃度不斷下降到約20‰。
雖然其他放射性核素如90Sr、131I，134Cs、137Cs也可示蹤核武器試驗，但是均為短壽命放射性核素，要么很快衰變完無法測試，要么主要以顆粒結合沉降。14C和129I這兩種核素均為長壽命放射性核素，不會很快衰變完。核武器試驗后均以氣態(tài)形式釋放并存在于環(huán)境中，可以隨著氣團快速傳輸。例如，2011年的日本福島核事故發(fā)生一周后，在歐洲檢測到放射性碘信號，兩周后在我國也檢測到微弱的信號。因此，129I和14C這兩種長壽命放射性核素是核試驗和核事故理想的示蹤劑，能夠很好地評估核環(huán)境安全。
基于此，中國科學院地球環(huán)境研究所環(huán)境放射性研究團隊，在西安地區(qū)連續(xù)收集的大氣氣溶膠樣品，長期監(jiān)測其中的14C和129I。朝鮮核事故發(fā)生后，我們立即對獲得的樣品進行了化學處理和加速器質譜測定，并且比較了朝鮮核試驗前后的濃度差異。
我們的研究發(fā)現(xiàn)，朝鮮核試驗后氣溶膠中Δ14C的值在-450‰到-627‰之間，核爆前后并未發(fā)現(xiàn)明顯差異（圖2）。實際上，從Δ14C的分析結果來看，該值遠遠低于西安大氣CO2中Δ14C水平（約為-20‰到-30‰）[3]，說明氣溶膠中的Δ14C主要受到化石源燃料燃燒貢獻的“老碳”（14C大量衰變，十分虧損）影響，即使存在核爆信號也會被化石源的 “老碳”信號所掩蓋。
然而，氣溶膠中129I/127I比值在核爆前（4月和8月）為(0.4-1.7)×10-8，而核爆后（9月3-11日）的比值為(0.6-8.7)×10-8，比核爆前的平均水平高出4.5倍（圖2）。高值點出現(xiàn)在9月5-6日和10-11日的兩次采樣中。經過仔細的分析討論，最終通過對確定的核爆地點和采樣點的軌跡模型分析，我們發(fā)現(xiàn)，該異常信號并不是來自于朝鮮的第六次核試驗，而是由于歐洲核燃料后處理廠排放的129I經大氣（主要是西風帶西風和東亞冬季風）向我國內陸地區(qū)的傳輸幅度增加所致。
圖2. 西安大氣氣溶膠中放射性Δ14C和129I/127I比值在朝鮮第六次核爆前后對比圖
我國內陸地區(qū)的大氣樣品的長壽命放射性核素分析結果表明，朝鮮第六次核試驗并未發(fā)現(xiàn)明顯的核泄漏，不會對我國內陸地區(qū)和民眾造成輻射危害，這與我國環(huán)保局的監(jiān)測結果一致 [1]。
朝鮮不斷進行核試驗對周邊國家乃至全世界造成威脅。據最新的報道，在朝鮮第六次核試驗后，朝鮮豐溪里核試驗場破損，發(fā)生地底通道坍塌事故，這成為包括中國等朝鮮周邊國家重點關注的輻射危害來源之一，這也將是我們研究的課題之一。
近年來在科技部創(chuàng)新方法項目和基礎性工作專項項目的大力支持下，中國科學院地球環(huán)境研究所西安加速器質譜中心，建立了完善的環(huán)境放射性第三方實驗室，不僅具有利用14C和129I進行核環(huán)境安全監(jiān)測的能力，還有在核事故和緊急狀況下的快速分析能力，以及目前正在開展全國范圍的環(huán)境放射性精細圖譜建設工作，建立環(huán)境放射性數據庫，為公眾核環(huán)境安全保駕護航。
參考文獻：
1. 中華人民共和國環(huán)保部. 2017.09.10. http://www.zhb.gov.cn/gkml/
2. 溫聯(lián)星等，中國科大研究精確確定朝鮮2017年9月3日地下核爆位置和當量， 2017.09.04，http://seis.ustc.edu.cn/2017/0903/c10094a191087/page.htm?from=timeline&isappinstalled=0.
