[科普中国]-放射性核素分布

概念

国内已开展铀矿山土壤一植物中天然放射性核素现状和环境迁移的研究，并在不同介质中模拟核素迁移规律，为铀矿环境治理提供了科学依据。

粤北某铀矿经过50多年的勘探、开采和水冶工作，为我国原子能事业提供了铀资源保障，而且在今后相当长时间内还将是我国天然铀生产的重要来源。该矿采用坑道开采和矿石堆浸工艺，经过50多年的生产，产生大量的尾矿和废料。在山洪冲刷和风化的作用下，尾矿库中放射性核素及有害物质不断淋浸和析出，使其污染范围不断扩大，造成水体和地表的长期污染。1

铀矿下游水系沉积物放射性核素分布特征研究发现，铀矿下游水中放射性核素浓度经稀释和沉淀等作用，238U和226Ra等核素浓度可以降低至当地本底水平，但是表层沉积物中238U、235U和226Ra含量却异常高为了研究放射性核素在水系沉积物中的垂直分布特征和迁移规律，对该矿下游水系沉积物进行剖面采样和分析，为铀矿区环境污染治理提供科学依据。

铀矿周围稻田土壤、溪流沉积物和池塘底泥3个剖面的放射性核素含量相差较大，特别是同系列的238U和226Ra受铀矿生产影响，在水系沉积物中含量高低顺序分别是池塘底泥>溪流沉积物>水稻田土壤。除池塘底泥外，32Th和40K在另2个剖面不同深度的差异较小，受铀矿的影响不大。

水稻田土壤中放射性核素含量相对较低，证明没有利用含铀的溪水灌溉；而受铀矿生产影响的池塘底泥(溪流沉积物)中238U、235U和226Ra含量是水稻田土的100(50)、87(11)和155(5)倍。

土壤中有机质对238U和235U有较强的吸附作用，可能还有络合和氧化还原作用；而对226Ra和40K的吸附降低，与腐殖酸导致pH降低，使得226Ra和40K溶解而迁移。2

核燃料棒内放射性核素分布的计算机模拟研究基本概念确定受照燃料棒中的放射性核素分布是核保障的一项重要任务，非破坏分析中的γ扫描方法在这方面得到了广泛的应用。应用γ射线的两种非破坏性分析方法有两种，分别是总γ活度测量和比活度测量，这两种方法都是测量某一选定放射性产物的γ活度，通常选134Cs和137Cs作为主要的核素。随着断层照相方法在理论和实用上的发展，断层照相法已经成功用于核燃料棒的分析、检测和核查。

断层照相技术能够通过外部测量创建物体内部剖面图，已经广泛用于医学和工业领域。在核电领域，断层照相技术既可用于单根燃料棒也可用于燃料棒束。应用这项技术。物体某一剖面上的密度分布图像可以以较高的空间分辨率重建出来，由此，对于给定的燃料棒，它内部的放射性核素的分布图像就可以得到。在通常的断层照相技术的基础上，二十世纪七十年代美国洛斯。阿拉莫斯国家实验室首先提出了分段γ扫描(Segmented Gamma Scanning(SGS))技术，并在此基础上，于九十年代发展了层析γ扫描(TomographicGamma Scanning(TGS))技术。TGS可以准确定量测量中、高密度非均匀分布介质中的放射性核素及其含量，在密闭容器内放射性材料、核设施中可回收物以及核废物测量分析中具有广泛的应用。

原理传统断层照相技术在核技术中的应用中，一般采用透射测量的方法，用高纯锗探测器测量透射源的γ射线穿过被测物的衰减情况，确定被测物体内部的信息。因为被测物中放射性的存在，它不可避免地对被测物的发射γ射线进行计数，成为透射和发射的综合体。TGS技术是传统断层照相技术在核辐射测量中的应用和发展，它分为透射测量和发射测量。在发射TGS中，对被测物(这里为单根燃料棒)的扫描是通过变化探测器的位置和转动被测物来实现的。对每一个角位置，探测器进行横向的平移，通常每次平移几毫米，然后在此位置对被测物的各个转动角度分别进行计数，获得某一能量γ射线的计数率，此时得到的γ射线计数称为投影。如果测量得到了一系列的投影，采用适当的图像重建算法，就可以通过重建算法计算棒内的放射源空间分布图像。

计算机模拟研究在参考现有的γ扫描测量系统的基础上，建立了燃料棒模拟模型，进一步构建了计算机模拟研究仿真平台，针对模拟模型中各核素中放射性强度的多种分布情况，采用代数图像重建算法，计算机模拟研究了放射性核素不同分布的图像重建。

对发射TGS方法定量确定燃料棒中放射性核素分布进行了仿真研究。首先对测量值的各个投影进行仿真。然后应用ART算法，对仿真模型进行了重建。对多种分布情况的模型，从均匀到极端非均匀分布，进行了全面深入的研究，重建的结果与参考值的相对偏差小于10%。仿真研究的结果表明，发射TGS拄术适用于确定燃料棒内放射性核素分布，TGS技术有望成为定量确定热室燃料棒内放射性核素有强有力工具。3