1、第七章 核技术在环境领域中的应用核技术不仅在工业、农业、医学等方面应用广泛，在环境科学及环境保护领域中也得到了较快的发展。国内已开展了利用核技术对废气、废水、固体废物处理等实验或中试研究，如利用电子束去除SO2/HOx等。另外，利用核技术进行环境样品元素的定性定量分析，具有众多常规非核技术无可替代的特点，例如高灵敏度、准确度和精密度、高分辨率（包括空间分辨率和能量分辨率）、非破坏性、多元素测定能力等，已广泛应用于环境领域。采用的核分析技术主要有核素示踪技术、核素活化分析、辐照分解技术与同位素测量技术等。例如，放射性示踪方法广泛地应用于环境条件的研究，如环境中大气扩散行为的研究、3H在地层结构分
2、析中的应用、地下水动力学研究和地面水位变化分析等。核技术在环境中的应用归纳起来大致可以分为三大类：放射源辐照在环境中的应用、加速器在环境中的应用、核分析技术在环境中的应用，本章重点从这几方面展开论述。第一节 放射源辐照在环境中的应用反应堆产生的放射性核素可以用于环境废物的辐照处理。一、废水处理反应堆产生的放射性核素可以用于生活污水和工业废水的处理，通常以放射源的形式，如60Co源、137Cs源。其基本原理是水分子在辐射作用下会生成一系列具有很强活性的辐解产物，如OH、H、H2O2等自由基。这些产物与废（污）水中的有机物发生反应可以使它们分解或改性。采用放射源辐射处理法可以明显消除城市污水中的T
3、OC（总需氧量）、BOD（生物需氧量）、COD（化学需氧量），并灭活污水中的病原体。对于含有偶氮染料和蒽醌染料的废水，通过辐照可以使之完全脱色，TOC去除率可达到80%90%。COD去除率达到65%80%。含有木质素的废水在充氧条件下用射线辐照，很容易被降解。据研究报道，采用放射源也可以有效地处理洗涤剂、有机汞农药、增塑剂、亚硝胺类、氯酚类等有害有机物质。将放射源辐照技术与普通废水处理技术（如凝聚法、活性炭吸附法、臭氧活性污泥法等）联用，具有协同效应，可提高处理效果。在与活性炭法联用时，在炭吸附了有机物后，借助射线辐照，可使活性炭再生，实现循环利用。前苏联曾建成一座放射源辐照处理试验厂，用于抗
4、菌素工厂的废水处理，其废水日处理量达到15000m3，经处理的废水各项指标皆优于常规处理法。匈牙利、加拿大、日本等国都建有类似的试验工厂。世界工业发达国家在开发污泥辐射处理技术方面，也取得了积极的进展。其中以德国慕尼黑的试验工厂建立最早，至今已成功运行了十几年，据报道废水日处理能力为150m3，处理费约4.4马克每立方米，经辐射处理的污泥可作为肥料。二、固体废弃物处理俄罗斯物理动力研究所精心设计出一种利用快中子反应堆处理生活和工业垃圾的新技术。该技术是通过在核反应堆中加砌一个烧垃圾的炉子来实现。在这一反应堆大楼里，定期装入生活和工业垃圾，它不断地掉入吹氧的渣缸中，为了保持炉内高温，在炉中不断加
5、入少量的动力煤。当炉温达到1500左右时，所有的垃圾都会被汽化，其中含有矿物质的部分在渣中熔化，而金属物在熔化后便沉入底部。然后，将沉入底部的金属，定期铸成铸件并运出去加工；从炉里清出来的炉渣，则用于加工建筑材料；炉中高达1750的气体，经用抽气机加以冷却，再用于化工生产。而炉子及炉内气体，采用液体钠来冷却。这种液体钠，在垃圾反应堆外壳的双层墙壁之间进行循环。同时，达500高温的液体钠，还可为蒸汽发生器供热，所形成的蒸汽用以转动汽轮发电机，冷凝后的热水又流入锅炉房。这样，就可以从垃圾处理中得到金属、建筑材料、化工产品、电力和热力。根据试验，一套这种快中子反应堆装置，一年可处理生活和工业垃圾2.
6、0104t，发电功率为5.0kW，自给有余。在固体废物的处理处置中，废塑料由于其难降解始终是一个棘手的问题。例如聚四氟乙烯，由于用生化法无法分解，机械破碎困难，兼之在高温处理时产生大量有毒的氟化物，造成难于处置的局面。日本曾利用射线辐照与加热联用方法，再以机械破碎后，得到分子量不同的聚四氟乙烯蜡状粉末，可作为优良的润滑剂和添加剂。氯化聚乙烯在使用时会放出百倍的氯乙烯，因而被某些国家禁止使用。但经一定剂量射线照射后，不产生氯乙烯，从而扩大了使用面。放射源辐照可用于污泥处理。污泥中含有大量的能量与生物价值，是优良的农田肥料和土壤改良剂。但由于含有大量病原体而不能直接利用。堆肥化、热消毒或化学处理等
7、方法的处理效果均不十分理想。用射线辐照，可以克服常用处理方法的缺点。据报道，最早建立的德国慕尼黑试验工厂，经辐射处理的污泥仍有原来的养分，据称可作为肥料，施于作物有增产效果。现在德国、美国都已建造了每天处理量达1.5103t污泥的辐照处理设备。我国曾对医院废物的辐射消毒进行较深入的研究。纤维素是城市废物与农业废物的主要成分，日本曾用辐照法处理木屑、废纸、稻草等，通过糖化与发酵而得到酒精；美国则采用对这类纤维素用加酸后辐照处理的方法得到葡萄糖，其回收率高达56%。腐败的食物在经辐照处理后可作为动物的饲料。第二节 加速器在环境中的应用各种低能加速器在国民经济各个领域的广泛应用，在工业上用于活化分析
8、、大型加速器的离子注入机、辐照改性和无损检验等；在农业上用于品种改良、消灭病害和食品保鲜等；在医疗上用于治疗癌症、辐照消毒和生产短寿命同位素等。在国防上，高脉冲功率加速器可用作X射线模拟源等。在环境保护方面，用加速器产生的强束流对燃煤烟气进行脱硫、脱氮处理。高能电子加速器可产生1MeV10MeV能量的高能电子，高能电子有一定地穿透力。电子加速器的辐照功率（kW）为电子束电流（mA）与加速电压（V）的乘积。电子束通过稀薄分散流体时，多次部分反射回流体中进行照射，增加被照体的剂量水平。而且当不使用加速器可立即关闭。利用加速器产生的电子束进行辐照处理正在成为环境保护的重要手段之一，电子束的工艺技术广
9、泛适用于废气、废水和固体废弃物的辐照处理。电子加速器产生的高能电子束照射可使一些物质产生物理、化学和生物学效应，并能有效地杀灭病菌、病毒和害虫。这一技术已被广泛应用于工业生产中的材料改性、新材料制作、环境保护、加工生产、医疗卫生用品灭菌消毒和食品灭菌保鲜等。它同钴源辐照一样，具有常温、无损伤、无残毒、环保、低能耗、运行操作简便、自动化程度高、适宜于大规模工业化生产等特点。与钴源（辐射效率大约20%）相比，其最大优点是辐照束流集中定向，能源利用充分，辐照效率高达80%以上，不产生放射性废物。随着钴源售价的飞涨、废源处理费用的上升，电子加速器辐照装置具有明显的价格和经济优势。用能量为l0MeV的高
10、功率电子加速器建设高能电子辐照中心，在发展辐照加工产业的同时，开展辐照工艺和辐照新领域的研究，在国内外都是一项极具挑战和开拓性的工作，具有明显的社会经济效益和不可估量的潜在价值，是目前国际上倍受关注的高科技领域之一。射线与物质间的作用，电离和激发产生的活化原子与活化分子，使之与物质发生一系列物理、化学与生物化学变化，导致物质的降解、聚合、交联，并发生改性。这样一来，就为采用常规处理方法难以去除的某些污染物提供了新的净化途径辐射降解。一、废气处理加速器在废气处理方面的应用主要是用于有害烟气的处理。大气中的SO2与NOx是主要的污染物，这些污染物主要来自于烟囱排放烟气。通常的烟气脱硫脱硝技术主要有
11、固相吸附与再生技术、湿法同时脱硫脱硝技术、吸收剂喷射法等，绝大多数遇到成本过高或装置复杂的困难，例如以石灰喷雾法脱硫，用酸、碱吸收或催化还原法去除NOx等。高能辐射化学法是一类新型烟气脱硫脱硝技术，主要分为电子束照射法（EBA）和脉冲电晕法（PPCP）两种，其中电子束照射法是目前发展较好的一种方法。应用电子束照射的方法，既可除去烟气中的SO2和NOx，有助于净化大气，防止酸雨的形成，又可得到硝胺和硫胺等副产品，用作肥料。还能降低运行难度和费用，而且由于在干燥条件下使用，几乎不产生二次废水。20世纪90年代俄罗斯科学院西伯利亚分院的核物理研究所制造的加速器供应波兰和日本，用以净化烟雾。波兰的劣质
12、煤在燃烧时产生大量有毒的硫和氮的氧化物。在烟雾被辐射时，所有氧化物都变成固休沉淀物，可用作肥料。在日本，也已利用俄罗斯生产的加速器，来净化烧垃圾时所产生的烟雾，避免了烟雾对环境的污染。（一）电子束辐照法脱硫脱硝1. 电子束辐照法的优点从1972年以来，日本开始广泛地进行电子束辐照去除烟道气中的SO2和NOx的基础研究和半工业实验。经过三十多年的研究开发，已从小试、中试和工业示范逐步走向工业化。日本、德国、意大利、波兰、美国等国已经开始的基础研究和半工业、工业实验表明，电子束辐照技术具有以下优点：能同时脱硫脱硝，并可达到90%以上的脱硫率和80%以上的脱硝率；由于电子束法脱硫脱硝是一种干法处理技
13、术，不产生废水废渣；无需催化剂；系统简单，操作方便，过程易于控制；对于不同含硫量的烟气和烟气量的变化有较好的适应性和负荷跟踪性；反应生成可利用的副产品，副产品为硫铵和硝铵混合物，可用作化肥；脱硫脱硝成本比传统方法更经济。可能有的缺点包括：电子束剂量需求高，电能需求大，运行费用高，辐照后气溶胶的过滤等。另外，电子束辐照方法能有效净化其它工业废气，如：易挥发的有机物（VOCs），汽车尾气，有气味、有毒的气体及焚烧炉的废气等。当然，电子束处理污染废气的技术涉及到许多不同的物理化学机制，如：能量吸收，气相反应，颗粒形成，气固相的相互影响等。2. 电子束辐照法的反应机理利用阴极发射并经电场加速形成500
14、keV800keV的高能电子束，这些电子束辐照烟气时产生辐射化学反应，生成OH、O和HO2等自由基，这些自由基可以和SO2、NOx发生氧化反应并生成H2SO4和HNO3，辐照前在烟道气中预先加入化学计量的氨，所生成的雾状H2SO4和HNO3与通入反应器中的NH3相互作用，生成(NH4)2SO4和NH4NO3铵盐等副产品，这些副产物可以通过静电沉降等方法收集起来，直接用做化肥。烟气经电子束照射后，主要反应过程如下：（1）自由基生成燃煤烟气一般由N2，O2，水蒸气、CO2等主要成分及SO2和NOx等微量成分组成。当用电子束照射时，电子束能量大部分被氮、氧、水蒸气吸收，生成大量的反应活性极强的各种自
15、由基。（2）SO2及NOx的氧化SO2及NOx被自由基等活性物种氧化，生成硫酸和硝酸。（3）硫铵和硝铵的生成硫酸和硝酸与事先注入的氨进行中和反应，生成硫酸铵和硝酸铵气溶胶粉体微粒。若尚有未反应的SO2及NH3则在微粒表面继续进行热化学反应生成硫铵。图7-1为烟气经电子束照射后，各组分浓度随时间的变化及生成硫酸铵和硝酸铵的历程。由图可见，整个反应完成所需时间仅为1s左右。图7-1 电子束反应过程3. 电子束辐照法的处理流程图7-2为电子束烟气处理流程图。流程由烟气冷却、加氨、电子束照射和副产品收集等环节构成。锅炉排出的约130的烟气，经静电除尘后，一部分直接进入烟囱排放，待处理的部分烟气进入冷却
16、塔。在冷却塔中，通过喷射冷却水，使烟气降到适于脱硫脱硝的温度（65）。烟气露点通常为50，所以冷却水在塔内完全被气化，一般不会产生需进一步处理的废水。然后根据SO2和NOx浓度及所设定的脱除率，向反应器中注入化学计量的氨。烟气在反应器中被电子束照射，使SO2和NOx氧化，生成硫酸和硝酸，并与注入的氨中和，生成硫铵和硝铵。接着用干式静电除尘器捕集这些副产品微粒，净化后的烟气由引风机升压并与未处理的烟气混合升温后排入烟囱。图7-2 电子束烟气脱硫工艺流程图4. 电子束辐照法的主要设备电子束辐照法的主要设备有：1. 冷却塔，2. 反应设备，3. 电子束发生装置，4. 副产品收集设备，5. 供氨设备，
17、6. 副产品造粒设备，7. 升压风机。电子束发生装置由发生电子束的直流高压电源、电子加速器及窗箔冷却装置组成。电子在高真空的加速管里通过高电压加速。加速后的电子通过保持高真空的扫描管透射过一次窗箔及二次窗箔(均为30m50m的金属箔)照射烟气。窗箔冷却装置是向窗箔间喷射空气进行冷却，控制因电子束透过的能量损失引起的窗箔温度的上升。图7-3为电子加速器结构示意图。直流高压电源：一台，800kV800mA，绝缘芯变压器型电子加速器：二台，800kV400mA，扫描型，扫描幅2.4103mm。图7-3 电子束发生原理及脱硫脱硝反应示意图（二）脉冲电晕法等离子体法脉冲电晕法等离子体法（PPCP）的基本
18、原理与EBA相似，都是利用高能电子使烟气中的H2O、O2等气体分子被激活、电离或裂解而产生强氧化性的自由基，对SO2和NOx进行等离子体催化氧化，分别生成SO3和NOx或相应的酸，在有添加剂的情况下，生成相应的盐而沉降下来。二者的差异在于高能电子的来源不同，EPA法是通过阴极电子发射和外电场加速而获得；而PPCP法则是电晕放电自身产生的，它利用上升前沿陡、窄脉冲的高压电源（上升时间10ns100ns，拖尾时间100ns500ns，峰值电压100kV200kV，频率20Hz200Hz）与电源负载-电晕电极系统（电晕反应器）组合，在电晕与电晕反应器电极的气隙间产生流光电晕等离子体，从而对SO2和N
19、Ox进行氧化去除。PPCP法的优势在于可同时除尘。研究表明，烟气中的粉尘有利于PPCP法脱硫脱氮效率的提高。因此，PPCP法集三种污染物脱除于一体，且能耗和成本比EPA法低，从而成为最具吸引力的烟气治理方法。二、废水处理水污染是当今全世界非常关注的一个严重问题，而使用活化污泥的传统的水处理方法、不可能彻底解决。因此，需要有一项处理污水更有效的技术。电子束辐照技术工艺恰好能满足这个需求，是一项处理污水更有效的技术。辐射能处理水与废水，辐照作用使水中产生活性物质，如OH基可气化和分解水中任何有机污染物。在有一定的经济效益条件下，决定废水处理规模。选择合适的电子束辐照装置，确保处理废水的流速达到均匀
20、接受足够剂量。考虑的因素包括辐射的能量分布、在水中的穿透能力、辐射与水相互作用体积的几何形状，以及通常说考虑辐射注量的“厚度”等。早在前苏联时期科学家就曾做过曾做过大规模试验，用加速器来改善生态环境。如在沃罗涅日市净化被橡胶制品生产废料所污染的地下水，经过10a的努力，方圆30km的地下水终于得到净化。此外，通过辐照还可以有效地杀死水中的微生物。氯灭菌处理二次污水的方法可以杀死微生物，但是会产生有毒的含氯有机物，例如三氯代甲烷。电子束辐照也有效地使噬菌体失去活性，用比较小的剂量（如0.25kGy1kGy）进行辐照，对普通细菌（如大肠杆菌、沙门氏菌等）90%的剂量可将它们杀死，用10Gy剂量则所
21、有的细菌都被消灭掉。用电子束辐照代替氯灭菌处理二次污水，既不会产生有毒的含氯有机物，又能进行有效的灭菌。灭菌效果取决于辐照区域内水层的厚度、水的属性以及不同类型的病菌对辐射的敏感度的影响。电子束辐照的杀菌效率还依赖于电子在水中的穿透能力（见图7-4和图7-5）。在流动系统中，由于液体的强烈混合，受照细菌的存活曲线，比稳定条件下的那些辐照更有效。与杀灭微生物的同时，液体废物所通常具有的棕褐色也消失了，水变得没有臭味，而且COD也大大降低。图7-4 深度剂量D为水深的函数A60Co的射线，B2MeV的电子束图7-5 不同能量束在水中的深度剂量D的分布A3MeV，B8MeV，C10MeV，D12Me
22、V由于合成表面活性物质的生产及其在工业和生活中的应用规模不断扩大，使污水净化问题日趋复杂，且相应地加剧了水库的污染。这些物质主要是用来生产性能大大优于含脂肥皂的洗涤剂。在工业企业的排水沟中也还有一些可在工艺生产过程中使用的物质。表面活性物质的特点是在与碱溶液和盐溶液进行化学作用时的高稳定性。缓慢的生物化学氧化及高的发泡性能。虽然用活性炭或离子交换树脂对水作加工处理可以获得要求的效果，但是在经济上是不大合算的。辐射对表面活性物质的作用可以使其发生断裂-分解成较轻的、相对来说较易排除的物质。和生物净化不同，辐射净化是对所有化合物发生作用；在有氧存在时和它们发生氧化作用。在射线和臭氧同时作用下净化的
23、效率明显提高。这可解释为是HO2游离基转化成OH游离基的缘故，而后者对大多数有机化合物来说是强的氧化剂。污水、污泥含有可利用的有机物和无机物，可用作农肥或作为营养物添加饲料里，除了要辐照降解破坏污水中有毒的合成物外，还需要作特殊的处理，来杀死病变的微生物。一般的消毒法是将污水在约70下加热几十分钟。与此同时也在研究用30kGy剂量辐射剂量处理污水的效率。依杀菌效果上看，上述两种方法都差不多。对辐射处理过的污水沉积物的研究表明，这些沉积物实际上与以污水热处理法得到的肥料十分相似。各种原始水样在沉积时形成的淤泥的体积比运到消毒工厂的污水体积要小1到2个数量级，因此需要非常低的辐射功率。从应用前景看
24、，污水的辐射消毒可能成为一种非常便宜的方法，因为这个方法还可以同时清除聚合物杂质。电子束辐照技术净化污水的另一种途径是利用电子束辐照技术再生用过的活性炭。由于活性炭具有很强的吸附力，所以可利用它来消除废水中的污染物质。但是用当前流行的方法再生用过的活性炭费用很高。由于用过的活性炭表面附着有机物，电子束辐照技术则可以有效地再生活性炭。通过比较再生的活性炭和新的活性炭在NaLa的水溶液中的等温吸附曲线，分析碳的再生程度发现两者的等温吸附曲线几乎是相同的。三、固体废物的处理固体废物可以分为两大类：l 需要辐照消毒的废物，如城市污水污泥、生物医学废物，来自国际空港和海港的垃圾；l 辐照处理再生的废橡胶
25、和塑料。（一）城市污水污泥在日本处理和处置污泥是一个棘手的难题。在内地和沿海地区大约有60%的污泥需要处置。尽管污泥中通常有致病的细菌和寄生虫，但利用城市排出的污泥对植物的生长、农作物增产和改良土壤都是有益的。在德国，一个处理污泥的辐照装置已运行了将近30a。最近又有一个处理污泥的辐照装置在印度开始运行。污泥经辐照灭菌后，可作为肥料直接在农田使用。由于在日本农村逐渐城市化，因此即使经过灭菌处理的污泥也不能直接使用。这些含有有机物的污泥是一种污染源，它释放出一股令人作呕的气味并聚集着令人发麻的各种昆虫，为了使污泥中的有机物稳定且易降解，必须对污染灭菌，制成堆肥。日本原子能研究所已开始研究一个有效
26、地处理污泥的工艺-电子束灭菌便制成堆肥。传统的制造堆肥方法必须利用堆肥时产生的热量对污泥进行灭菌。在传统的方法中，堆肥的制造是靠微生物，但堆肥产生的热量既能灭菌又对微生物构成杀伤，而且还需要很长时间才能制成。在日本原子能研究所高崎辐射化学研究中心研究的工艺中，是先灭菌，后堆肥，而且还可以选择最佳的制造堆肥的条件来获得更好的效果。堆肥的制成率受温度影响大，最佳的温度4050。最佳的pH值是78。为了使需氧菌发酵、需要在直径大约为5mm的粒状污泥中补充氧。用辐照方法制造堆肥，排放二氧化碳时间只需2d3d；而用传统方法则需要10d以上。为杀死致病的细菌发酵温度需在65以上。在新工艺中灭菌和制造堆肥是
27、分开的，因此可以选择最佳的制造堆肥的条件，使堆肥制造周期缩到最短。（二）生物医学废物来自医院、研究和诊断实验室等的废物，被看作是潜在的污染源。因此，存在着对公众健康危害。这一类也包含解剖的废物，动物的组织和机体部分。据Gay等人估算，医院废物中大约85%是不传染疾病的废物，其余的被看作是生物医学废物。其中医院大部分或全部都按生物医学废物处理其废物。在北美，近来不允许未经适当处理（比如燃烧）而把生物医学废物处置在填埋场。但是，医院废物可能还有大量还有大约20%的塑料（比如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等）。如果燃烧，会产生有毒气体产物，现在这些有毒气体必须被除去。另一方面，为了防止在处理这种废物时传染
28、疾病的危险，可通过辐照对生物医学废物进行消毒。在这种情况下，为了提供一个清洁的环境，政府当局应该采纳和规定辐照程序。在实施过程中，存在几个样板和一些限定，这在文献19中已有评述。（三）来自国际空港和海港的垃圾此类废物（如食品碎屑、塑料、纤维素等）可能存在动物滤过性病毒（如白蹄疫、猪的传染性水疱病、非洲猪热病等）潜在传染病原体。因此，在大多数国家里，用专门处理这种“国际废物的规章。在加拿大，对上述废物加热到大约100以上，至少30min，或者进行焚化已达到消毒杀菌目的。根据规定，用于贮存和运输废物的容器，在重复使用之前，应该进行清洗和消毒。国际废物消毒的一种可能替代方法是采用辐照（射线或电子束）
29、。辐照装置可以设在空港区并能自动和连续的工作。这种概念设计是可靠而经济的，能满足清洁环境的现代要求。当然，生物医学废物和来自国际空港与海港的垃圾，两者的辐照消毒如果合适的话，可以由一个辐照设施来处理。（四）橡胶的辐照处理采用辐射手段，回收来自旧轮胎的橡胶是一种成熟的方法。再生材料获得有价值的加工特性，而且由此增加的制造新轮胎的组份，目的为了改进它们的耐用性。回收橡胶的过程包括：先把旧轮胎切割程序的小碎片，然后再用高能电子束或射线辐照，使大分子网络结构分解，然而交联过程也发生了。这些过程的结果是观察到了橡胶力学性质的变化。因此，较少的能量（30%55%）是为了原料的研磨。破碎的纤维分离之后，原料
30、便可与其它组分混合用于生产新轮胎。应该指出某些进一步的辐照效应也已被观察到，例如随着剂量的增大，模量值、硬度和支架的质量也产生也增加了，但其抗腐蚀性却降低了。（五）塑料的辐照处理辐射诱发塑料降解的早期研究，是20世纪50年代和60年代由若干研究组研究核技术应用时完成的。一般地，与橡胶类似，塑料大分子也是由C-C键的断裂而分解的。其结果获得了气态、液态和固态产物的小分子，它们可用作适当合成物的原材料。作为一个例子，辐照诱发的聚四氟乙烯（PTFE）的降解已有简短的论述。通过电子束辐照PTFE的降解，得到G=41.2，而用射线则G=12.8。为了得到所要求的分子大小的产品份额，在辐照期间，可通过所使
31、用的剂量、剂量率和温度来控制辐射诱发过程。各种非降解产物都具有广泛的应用。举其中一个例子来说，如全氟烯烃，它们可以转化为一具有特殊性能的氟化表面活性剂，或者它们也可以氧化为特殊用途所需的全氟羧酸。作为副产品出现的全氟烷烃，可以用做高质量的绝缘材料、容剂和润滑剂，满足某种特殊需求。最后，它们也可用作合成的原料。此外，加速器在环保还有其它的应用，如：强流连续束质子加速器可用于核废料处理、核燃料生产和以洁净的方式产生核能。用加速器产生的强束流轰击核废料，可以将其中的长寿命放射性元素转变为有用的或短寿命的元素。利用加速器产生的1GeV，数十毫安级的强流质子束驱动次临界核反应堆，可以安全、洁净地发电而用
32、加速器产生的束流和靶物质进行核反应则是一种生产核燃料的有效方式。第三节 核分析技术在环境领域中的应用目前多种核分析技术及与核相关的分析已广泛应用于大气污染物监测、水体和各类环境样品的分析，以及对有害元素及物质在环境介质中的影响和迁移规律的研究等。我国在环境研究中，应用的核技术方法包括：l 示踪技术。利用寿命短、其物化行为与模拟介质相似的放射性核素为示踪剂的示踪方法，已经广泛应用在环境大气和水中扩散模式的实验研究。l 中子活化技术。目前已从总量分析发展到元素的化学总态分析。l 质子激发X射线分析和扫描质子微探针。已广泛应用于大气细颗粒的原识别。l 同步辐射技术。同步辐射是速度接近光速的电子在运动
33、中改变方向时所发出的电磁辐射, 它是一种很纯净的光源，没有韧致辐射本底，被照射的样品所吸收的能量比用带电粒子（如电子、质子等）束激发所吸收的能量降低103105倍，极大地减弱了对样品的破坏（热损伤）。同步辐射X射线荧光分析已经广泛应用于环境样品的形态分析，在珍稀的极地环境样品（例如，气溶胶，骨胳和残骨，冰雪）地分析研究中也是首选的分析手段之一。l 穆斯堡尔谱学。已成功用于大气中铁微粒的鉴别，不仅能分析出污染量，而且能给出污染物的化学总态。l 加速器质谱技术，是一种超高灵敏度现代核分析技术，主要用于长寿命放射性核素的同位素丰度比的分析，从而推断样品的年龄或进行示踪研究，其探测下限可达10-2至1
34、0-15。l 低温等离子体技术。已广泛应用于污染物的分析鉴别及废气、废液及废渣的治理。l 固体核径迹探测技术。在灾变环境、室内氡气的监测等方面有重要作用。核分析技术在辐射环境监测领域的应用主要有：l 环境辐射水平监测：包括大气中的放射性气溶胶，地面辐射剂量水平、水中、土壤和建筑材料的放射性活度和室内外氡浓度等的监测；l 核设施的监测：核设施烟囱放射性流出物监测；核设施周围辐射环境水平监测；l 利用流动谱仪寻测技术，可以快速进行大地辐射剂量分布和相应核素活度的测量。从而快速进行环境污染水平调查和环境影响评价。由联合国计划开发署资助、中国地质大学（北京）负责完成的“测量对固体废弃物污染物监测研究”
35、于1991年在内蒙古呼和浩特市开展了对工业废物、生活垃圾和人畜粪便等的监测。美国、德国、前苏联和我国等相继开展了室内氡浓度调查。用氡气异常预报地震和火山一直在研究之中，美国在加利福尼亚州中部的San Andress断层上沿380km剖面建立了360多个测氡点，用核径迹蚀刻法进行地震预报研究。除去在环境科学方面的直接应用以外，核监测技术在水文学、地质学、气象学、以及在农业、生物学方面的应用，均与环境科学和环境工程有紧密的联系。在众多的核分析技术中，应用最广泛的是中子活化分析和同位素示踪技术，下面就中子活化分析和同位素示踪技术进行较详细的表述。一、中子活化分析（一）中子活化分析在大气环境地球化学中
36、的应用大气污染已经成为危害人类健康的一个很重要的问题，其污染浓度在全球范围内普遍升高，特别是城市工业地区更为突出。人为来源造成的大气污染，因为长期附加有天然来源，往往很难鉴别。所以研究大气污染问题，就必须测定污染物的化学元素组份。许多分析方法已经广泛应用于气溶胶的组份研究，除了常用的化学分析方法以外，其它如：以设法、发射光谱法、原子吸收光谱法、X射线荧光分析法、等离子体发射光谱法、扫描电镜X荧光分析法、质子激发X荧光分析法以及中子活化法等都普遍地被采用。气溶胶具有某些特征：在大气中的浓度很低以及它所含的元素浓度更低，要求选择灵敏度高、准确度好的分析方法。气溶胶中含有大量元素，其相互间具有一定相
37、关关系，为了鉴别污染物的来源以及计算各个污染源的贡献，需要进行多元素分析，然后利用数学模式计算定量确定元素。气溶胶中还有经高温灼烧过的碳质微粒，较难完全溶解，而且还含有部分易挥发的元素（如Hg、As、Se等），因此要求用不破坏样品的分析方法、才能准确地测定其全量。常用的分析方法较难满足上述要求。中子活化分析由于其灵敏度高，准确度好，适应性强，可不破坏样品同时测定四、五十种微量元素的含量，已成为研究大气污染问题的一个主要手段。气溶胶特征研究方法：1. 采样与布点在大气污染的监测现场，从非均相气体体系中采集有代表性的气溶胶，是气溶胶研究工作中最困难和关键的步骤。根据研究工作的目的和要求，其布点数目
38、、采样时间和频率各不相同。采样地点和高度的选择以及采样技术的使用是否恰当，都会影响研究结果，因而必须按一定条件，选择较合适的方式。例如，在一定流速的气流中，采集气溶胶时、需按动力学条件的要求进行采样（在污染源的排放烟囱或飞机上采样等），否则所得结果将会产生很大偏差。迄今为止，还没有一种现成的方法能适合各种目的和要求。采集气溶胶的方法主要有以下八种：重力沉降、离心分离、惯性收集、干撞击、过滤、静电沉降、热沉降、超声凝聚。目前，使用的最普遍的方法是过滤式（采集气溶胶总颗粒）以及撞击式（采集不同粒径的气溶胶颗粒）两种。2. 滤膜的选择（1）滤膜的收集效率：有机膜或核孔滤膜（Nclepore）的小颗粒
39、具有很高的收集效率，但是气流速度相对较低。聚苯乙烯纤维膜虽能通过高速气量，但难于灰化，不适宜应用于放化分离中子活化分析。Whatman41滤膜对亚微米颗粒的收集效率为85%90%。Zefluor滤膜在32Lmin-1流量条件下，对0.3m颗粒的收集效率为99%。滤膜的效率随颗粒粒径的减小、滤膜孔径的增大和颗粒在滤膜上的面速度的增加而减小。一般有机滤膜适用于采集0.3m的颗粒。玻璃纤维（Micro-sorban）由于其能使气流很快通过，阻力较小，适用于大容量采样器，不过其收集效率相对较低。（2）滤膜的纯度应用中子活化分析测定气溶胶元素组份，采样内膜的纯度，是确定被测元素探测极限的决定因素，因此选
40、择杂质含量低的滤膜是至关重要的。国内外常用的几种纯度较好的滤膜是：Zefluor滤膜、Fluoropore滤膜、Nclepore滤膜、Whatman41滤膜和国产新华滤纸。3. 测定气溶胶的分析程序（1）样品与标准的制备：在采样过程中，由于滤膜易受潮，必须在恒温恒湿的条件下、称量采样前后的滤膜，以求得采集气溶胶粒子质量。将称量后的样品滤膜用尼隆冲模压成3mm8mm的薄片，备作照射用。（2）样品照射中子辐照试样所产生的放射性活度取决于下列因素：试样中该元素含量的多少，严格地讲，是产生核反应元素的某一同位素含量的多少；辐照中子的注量；待测元素或其某一同位素对中子的活化截面；辐照时间等。大气气溶胶或
41、其它任何环境物质，用中子活化分析，首先要考虑的因素就是可供照射的核反应堆管道位置的中子注量率是多少。因为这决定了可测出气溶胶中哪些元素以及它们的探测极限。根据被测元素的核性质，采用不同的照射和衰变时间，分别测出各放射性核素的放射性活度，求出气溶胶中各元素的浓度。 短照射（利用短寿命核素进行测定）本工作是在微型反应堆上进行的，样品装在聚乙烯照射筒内，然后放入“跑兔”，用气动传送装置将“跑兔”送入微型堆中心管道（中子注量率为91011m-2s-1）。照射10min后，将“跑兔”送回到分装箱内，然后将“跑兔”及照射筒除去，样品转入测量小盒内，传送至测量装置的探测器上，进行测量。 长照射（利用中、长寿
42、命核素进行测定）将经过短照射测量后的样品，冷却一星期后，用超纯铝箔包紧，与标准及作为质量监控的标准参考物一起装入照射的铝筒类，送入重水型核反应堆管道（中子注量率为61013m-2s-1），照射20h40h。样品照射后，转移至塑料测量盒内，冷却5d6d后，先测量一次，计数时间为2000s，冷却15d16d，再进行第二次测量，计数时间为4000s。图7-6给出了照射和技术程序图解。图7-6 照射与技术程序图解（3）放射性测量及数据处理根据各放射性核素的性质，用不同的照射时间及衰变时间分别测得各个试样的能谱。用计算机进行数据处理，程序经过寻峰、净峰面积的计算及同位素鉴别和分析后，得到各核素特征峰的净
43、峰面积，经过各个干扰贡献的扣除校正后，与标准进行比较，即可计算出试样中个待测元素的含量。（二）中子活化分析在水环境地球化学中的应用水是环境中比较活跃的介质，又是环境中物质交换的纽带。随着人类对自然资源大规模开发利用，人为因素计入地质环境，改变了水圈的成分。现代工业发展，大量工业废水排入江、河、湖、海，污染了水体，严重地威胁人们的健康，已引起全世界的重视。为了判断天然水域的污染状况，首先必须对水中的有害元素As、Hg、Cd、Pd等进行分析。并将结果与未受污染情况下元素的自然背景值进行比较，从而为污染的预防和治理提供科学依据。由于水体中污染元素含量极微，而且种类很多，因此需要采用先进的分析方法。中
44、子活化分析具有灵敏度高和可以同时测定多种元素的特点，在各种淡水（河、湖、雨、沼泽水）、海水和地下水分析中都得到了广泛的应用。对于含量极低（0.001gL-10.1gL-1）的元素，分析前要进行预浓集，预浓集可以采用离子交换、溶剂萃取、电沉积、低温蒸发、活性炭吸附、共沉淀和冷冻干燥等方法。将经过预浓集的水样和标准封装在一起，进行一定注量率的中子照射，经过适当的照射时间和衰变时间以后，将样品转移出来置于探测器上测量放射性活度，依此计算出元素的含量。分析方法的探测极限取决于样品基体组分和测量条件，中国科学院高能物理研究所中子活化分析实验室在1980年利用冷冻干燥的方法预浓集天然水，用中子活化法分析水
45、中多种元素，其探测极限列于表7-1，由于他们照射样品使用反应堆中子注量率较高，并且Ge（Li）探测器的探测效率高，所以对稀有元素和稀土元素的分析灵敏度高于其它分析方法。表7-1 探测极限元素探测极限，gL-1元素探测极限，gL-1元素探测极限，gL-1Ag0.04Cs0.005Sb0.007As0.002Eu0.001Sc0.0002Au0.00004Fe5Se0.05Ba2Hf0.004Sr6Zn0.5La0.01Sm0.0003Ca2Lu0.001Tb0.004Ce0.05Mo0.1Th0.005Co0.01Nd0.2U0.005Cr0.07Rb0.2Yb0.004在20世纪七、八十年代，
46、中国科学院高能物理研究所中子活化分析实验室对渤海湾水系、京津地区主要河流、新疆天山和吐鲁番盆地等包括淡水、海水在内的各种天然水中Ca、Na、Cr、Fe、Co、Rb、Cs、Hf、Sc、La、Ce、Nd、Sm、Yb、Lu、U、Th等多种元素的背景值进行了测定，为评价天然水的污染程度、合理开发自然资源、探索地方性疾病的预防以及某些元素的丰缺与人体健康的关系提供了科学的依据。（三） 中子活化分析在土壤环境地球化学中的应用 目前，活化分析已成为微量元素分析中最有效的方法之一，土壤样品的基体成分极其复杂，样本量大，待测元素多，而且元素含量的变化范围很大。采用中子活化分析研究土壤中微量元素是一种十分理想的方
47、法。1978年，中国科学院高能物理研究所中子活化分析实验室针对土壤、岩石及河流沉积物中微量元素的测定，建立了不破坏样品的仪器中子活化分析方法，利用该方法先后开展了土壤中微量元素研究、月球岩石样品的微量元素组成研究、考古样品及国内外各种标准参考物质的定值分析等工作。土壤样品的分析方法是将制备好的土壤样品与标准同时送入反应堆，在一定的注量下进行一定时间的辐照，照射后的样品和标准，经过不同的冷却时间，在相同的几何条件下用射线能谱仪进行分析。例如：中国科学院高能物理研究所中子活化分析实验室对土壤样品的分析。他们将制备好的土壤样品与标准一并送入中国原子能科学研究院的重水反应堆（中子注量率约为61013m
48、-2s-1）或者清华大学核能技术研究所的游泳型反应堆（中子注量率约为11013m-2s-1）中照射，照射时间约10h15h。照射后的样品和标准，经过不同的冷却时间，在相同的几何条件下用高分辨率HPGe探测器分析核素活度。射线能谱分析、各种干扰校正及元素含量的计算均由微机程控能谱仪系统完成。表7-2列出了工作所用的照射时间、冷却时间及测定的元素。为了检验分析方法的可靠性及实现分析质量控制，在分析样品的同时，测定了美国国家标准局（NBS）及美国地质调查所研制（USGS）和发行的各种标准参考物质和标准样品，并进行了多个样品的平行分析。测定结果表明绝大多数元素的测定值与美国国家标准局的鉴定值和文献值符合相当好，其准确度和精密度均在10%以内。表7-2 样品的辐照、冷却时间及测定元素中子注量率照射时间冷却时间测定的元素 11013m-2s-1
