120萬噸核廢水奔涌而來,?如何鏟除現實版“哥斯拉”？

一、導讀

2011年3月11日下午，日本發生9級地震，從而造成東京電力公司福島第一核電站發生了嚴重的核泄漏事故，這是切爾諾貝利事故發生25年后，世界遭遇的最嚴重核泄漏事故。十年后的2021年4月13日，日本政府正式決定將福島第一核電站存儲的核處理廢水排入海洋。可以說，如果不是這次排放，可能很多人已經逐步淡忘了這一事件，此次排放的含有放射性核素的廢水總量約為120萬噸，即1000多個儲水容量為1000噸左右的儲水罐存儲的水量（圖1）。

圖1 福島核電站儲水罐鳥瞰圖 圖源:?NBC News

當然，此處的“核廢水”肯定不是未經處理的燃料棒降溫廢水直接排放。如圖2-3所示， 經過鍶、銫過濾，以及除鹽系統的前期處理后，主要采用多核素去除裝置（ALPS，Advanced Liquid Processing System）來進行放射性核素的處理。該裝置的主要原理為“吸附”作用，廢水經鐵鹽、碳酸鹽的共沉淀后，進一步采用活性炭和浸漬活性炭、鈦酸鹽、亞鐵氰化物、二氧化鈦和樹脂等的吸附，最終使廢水中的核素含量達到限值以下。

圖2 福島核廢水處理全景示意圖 圖源：TEPCO

圖3 核廢水處理流程圖 圖源：TEPCO

那么，核廢水中究竟有多少種放射性核素呢？它們的半衰期分別是多少？如圖4所示，需要處理的目標污染物如下：

圖4 核廢水中的放射性核素及其半衰期 數據源：TEPCO

根據世衛組織國際癌癥研究機構曾經公布的致癌物清單，放射性核素位列一類致癌物行列。如圖4所示，其中值得關注的有銫-137，其半衰期為30年，鍶-90的半衰期為29年，可能會經飲食、水源或者灰塵的形式攝入人體，會增加患癌癥的概率。

圖5 ?2021年3月25日提交給IAEA的廢水處理資料

圖5為東京電力公司在2021年3月25日提交給國際原子能機構（IAEA）的凈化后的地下水分析數據，其中的ND代表低于檢測限，括號中的數值為檢測限。我們可以看到，似乎銫的同位素含量都低于檢測限，但是氚（H-3）含量很高，因此，這套處理系統基本無法清除氚核素。關于氚，其實它在生活中的應用很常見，我們經常看到的緊急出口的綠色燈就是基于其放射性激發磷光物質而發光的。但其終究是一種放射性核素，如果進入人體肯定是有一定影響的。

但是根據目前人類的技術水平，徹底去除氚基本是不可能完成的任務，因此，假如以上數據真實的話，氚，可能是核廢水中主要的放射性核素。

但是，另據綠色和平組織在上月發表的一份關于福島放射性污染的調查報告指出，福島核電站周圍環境的污染去除率其實僅僅達到了15%左右（圖6），放射性銫的污染依舊很嚴重，因此，這些區域依舊存在著不小的核廢物危害。

圖6 特殊凈化區的凈化情況 圖源：綠色和平組織報告

那么，科學界關于核廢水的處置、福島核事故的影響檢測等方面，有沒有進行基礎研究呢？

二、核廢物研究最新進展

1. J. Radioanal. Nucl. Chem.:?福島第一核電站事故前后墨西哥土壤中的¹³⁷Cs的濃度

這項研究介紹了在2008年4月和2011年9月兩個采樣期記錄的墨西哥薩卡特卡斯-瓜達盧佩市土壤中的¹³⁷Cs濃度評估。主要目的是在2011年3月11日，日本福島第一核電站發生災難性事故之前和之后，提供相關區域的參考值。平均活性濃度值低于51 Bq·kg^-1的世界平均值。因此，瓜達盧佩地區土壤中的¹³⁷Cs濃度不代表對人群的輻射風險；此外，沒有足夠的證據得出結論，¹³⁷Cs的濃度水平在核事故之后有所增加。

2. J. Radioanal. Nucl. Chem.:用四(4-氟苯基)硼酸鈉和四苯硼酸鈉去除A型沸石中的銫離子

這項研究以減少2011年福島核電站事故產生的放射性銫污染土壤體積為最終目標，重點研究在溫和條件下，使用離子締合試劑四(4-氟苯基)硼酸鈉水合物(NaTFPB)和四苯硼酸鈉(NaTPB)從粘土等強烈吸附Cs⁺的礦物中解吸Cs⁺離子。通過選擇A型沸石作為具有代表性的高銫吸附量鋁硅酸鹽礦物，與NaTPB相比，NaTFPB與Cs⁺表現出更強的疏水作用，在10∶1的NaTFPB /Cs摩爾比下，解吸效率達到89.4%。

3. J. Hazard. Mater.:受核廢料銫影響的硅酸鈣水合物的結構演變和力學性質的原子級視角

核廢料對混凝土性能影響的基本機制仍然知之甚少，尤其是在分子水平上。這項研究將銫離子引入硅酸鈣水合物(CSH)中，采用分子動力學模擬研究其作用。在結構上觀察到了膨脹現象，這源自CSH層間的膨脹，因為Cs⁺比Ca²⁺占據更大的空間。隨著Cs⁺含量的增加，層間水、Ca²⁺和Cs⁺的擴散按照水＞Cs⁺＞Ca²⁺的次序而加速，其主要源自三種機制：層間空間擴大、界面相互作用減弱和化學鍵穩定性的喪失。從力學上講，Cs⁺降低了CSH的楊氏模量和強度，這源于兩種機理：(1)層間水和Ca²⁺的荷載傳遞能力減弱；(2)Cs⁺提供的載荷傳遞很弱。此外，還提出了一種“水解弱化”機制來解釋隨著含水量增加的機械降解。該研究也為研究其他廢棄物(如重金屬離子)對混凝土的影響提供了指導。

4. Chemosphere:使用功能化木質纖維素吸附劑去除廢水中銫的評估

人類迫切需要可持續的材料來處理放射性銫污染的水，以保護公眾健康。除了基于合成配體的材料外，紅樹林木炭改性吸附劑還可以用于評估從廢物樣品中去除銫的情況。采用硝化法對木炭進行氧化，引入了含羧基、羰基和羥基官能團的不同含氧基團。改性后，通過FTIR、N₂吸附-解吸等溫線和SEM的測試，吸附劑的特性與木炭相比發生了顯著變化。數據表明，基于其鍵合能力，炭改性吸附劑的內表面表現出高的銫遷移，吸附劑對銫離子的動力學相對較慢；然而，吸附容量高達133.54?mg/g，其高于冠醚基共軛材料。高含量鈉和鉀的存在對炭改性吸附劑吸附銫有輕微干擾，然而，鈉和鉀的濃度比銫的濃度高350-600倍。對于潛在的真正放射性銫污染水，該吸附劑對銫具有選擇性。體積降低是建立在解吸和再利用的優勢之上的。通過在500℃下燃燒吸附有銫的吸附劑得到了超過99%的體積減少，從而確保用過的吸附劑的安全儲存和處置。因此，炭改性吸附劑可能為含銫廢水的處理打開了新的大門。

?5.?J. Radioanal. Nucl. Chem.:日本福島¹³⁷Cs在針葉林土壤中的劑量學深度分布

在受源自福島¹³⁷Cs污染的針葉林地上，以深度作為函數計算了小時間尺度的環境劑量率(ADR)。對計算出的ADR總量沿土壤垂直分層和采樣時間序列進行了統計評估。此外，還研究了森林地面成分對總輻射劑量的貢獻。凋落物和碎裂有機層約占環境劑量的58-96% (平均77-14%)，表明有機層是外部輻射暴露的主要來源，也是重要的放射性土壤部分。

6.?BUNSEKI KAGAKU: 日本近海海底沉積物¹³⁷Cs濃度與化學/物理因子的相關性分析

在日本周邊沿海水域采集的海底沉積物中測量了化學和物理因素。它們包括¹³⁷Cs的濃度、穩定元素、粒度分布、有機碳、氮含量和密度。為研究¹³⁷Cs濃度與沉積物理化因子的關系，計算了各因子間的相互關系。在未受福島第一核電站事故影響的地區采集的樣本中，¹³⁷Cs濃度與總有機碳、75?μm通過率和比表面積等因素存在顯著相關性(r > 0.8)。然而，在發現事故源¹³⁷Cs的宮城、福島和茨城縣附近水域采集的沉積物樣本顯示，¹³⁷Cs與任何其他因素之間沒有任何良好關系，這表明新增的福島源¹³⁷Cs（在海水中分布不均勻）沉積在沉積物上，與事故前化學和物理因素之間的關系無關。

7. Environ. Sci. Technol.: 沖擊電滲析法連續分離污染水中的放射性核素

核能的日益普及使得有必要開發新的方法來處理被放射性物質污染的水。因為這種受污染的水包含幾種溶解的物質(并非所有物質都具有放射性)，所以放射性核素的選擇性累積對于盡可能減少核廢料的體積并促進其密封或處置是可取的。在本項研究中，通過使用沖擊電滲析從溶解的鋰、鈷、銫和硼酸進料中選擇性、連續和高效地去除鈷和銫。該構想模擬了輕水反應堆和其他核過程中常見的污染水。在三通道流程中，觀察到凈化水的回收和鈷的去除百分比之間存在一致的權衡，這為系統操作提供了靈活性。例如，可去除99.5%的鈷，水回收率為43%，但如果允許鈷的去離子降至98.3%，則可回收高達66%的水。一般而言，此過程中消耗的能量(范圍在1.76至4.8 kW·h·m^-3之間)較低，因為僅僅靶向帶電的物質，去除溶液中最豐富的物質硼酸幾乎沒有消耗能量。

8. RSC Adv.: 磁性多壁碳納米管印跡電位傳感器測定環境水樣中的銫離子

這項研究介紹了一種基于磁性多壁碳納米管/銫離子印跡聚合物復合材料修飾玻碳電極(GCE)的電位傳感器，進而用于銫(I)的檢測。以銫離子為模板離子，殼聚糖為功能單體，戊二醛為交聯劑合成了IIP。以MMWCNTs@Cs(I)-IIP為改性劑，PVC為中性載體，2-硝基苯辛基醚為增塑劑，四苯硼酸鈉為親脂性鹽，制備了涂于GCE表面的膜。該傳感器在1×10^-7至1×10^-4?M(mol L^-1)工作濃度范圍內的Nernstian斜率為0.05954V dec^-1，檢測極限為4×10^-8?M。該傳感器對銫離子具有高選擇性，已成功應用于實際樣品中Cs(I)的測定。

三、現實版“哥斯拉”

作為重要的新型能源，核能為人類帶來了重大機遇，但也面臨挑戰。無論是切爾諾貝利還是福島，核事故的危機沒有休止符，一旦發生，影響將是毀滅性、長久性的。因為它的散播悄無聲息，從空氣、灰塵、水流，到食物鏈，餐桌，甚至是你昨晚剛吃的海鮮。

關于核素的危害還沒有被科學利刃完全解開，科學謎題一直不斷。如何開發高效的環境友好新型核素固化材料，如何揭開核素固化背后的物理化學機制，如何有效的探測更低濃度核素等等，都是人類需要解決的重大科學問題。盡管核聚變能的研究已經有了進展，但距離人造太陽的真正商業化，還有很長的路要走。

當現實版的哥斯拉上演的時候，你、我，還有他（她）能否成為那永不認輸的金剛？科學界能否擔負起驅除核素邪惡的第一道光，需要學術界齊心協力，因為我們擁有共同的地球環境！

本文由?Free-Writon供稿。

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