俄罗斯的胶体:拥有钚,即可扩散

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在苏联中央计划造成的环境灾难列表中,马雅克(Mayak)核设施肯定名列前茅。该设施于1948年在俄罗斯南部设立,旨在生产用于炸弹的钚,之后很快转变为核反应堆和退役武器核材料的长期后处理中心。但马雅克(在俄语中意为“灯塔”)也产生了自身的放射性废物——铀、钚和其他锕系元素——并且至少在初期,可能一直到 20 世纪 50 年代,都将它们倾倒入周围的水道,包括现已干涸的卡拉恰伊湖以及相邻的两条河流:捷恰河和米舍利亚克河。“如果你需要一个严重污染的场地,那简直是梦想成真,”密歇根大学核材料科学家罗德·尤因(Rod Ewing)冷淡地说。“他们把大量的锕系元素直接排放到地下水中。”

尤因的俄罗斯同事,在俄罗斯科学院的亚历山大·诺维科夫(Alexander Novikov)的带领下,对距离原始污染地点最多四公里的井中提取的地下水进行了采样,那里的放射性水平达到每升约 1,000 贝克勒尔(每秒原子核衰变)。即使在那个距离,研究人员仍然测量到每升 0.16 贝克勒尔。由于铀和钚是重元素,且在水中的溶解度较低,一些科学家曾预计这种污染相对来说是不可移动的。然而,在马雅克,污染在短短 55 年内就扩散了至少三公里。这是如何发生的?

尤因和他的美国同事使用成像技术证实,放射性物质搭乘胶体——小于一微米的纳米级颗粒——的“顺风车”,具体而言,是地下水中存在的氧化铁。“这些是在水中携带的实际矿物碎片,”尤因解释说。它们抓住“铀和钚,并将其携带到数公里之外”。这些氧化铁颗粒——和其他胶体——通常带有负电荷,而带正电的锕系元素只是通过静电吸附在它们的表面。而且锕系元素也不会从颗粒上溶解下来:“它与固体结合在一起并随之移动,即使溶液中的浓度足够低,以至于如果是钚固体,你也会期望它溶解,”尤因指出。


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证实锕系元素可以在胶体上迁移仅仅是第一步。“它进一步证实了我们对地下钚的理解:它是胶体的,它确实会移动,它不是不可移动的,”劳伦斯利弗莫尔国家实验室的地球化学家安妮·克斯廷(Annie Kersting)说。“如果你在那里发现了它,那不是终点,那只是他们打井的地方。如果能为传输浓度设定一些界限就太好了。”这项工作对于确定任何类型的核废料储存库(如内华达州的尤卡山)随着时间的推移可能如何表现,以及评估美国和世界各地场所的污染情况仍然至关重要。

而且氧化铁颗粒可能只是第一个被明确识别出的运输胶体。正如科罗拉多州落基 flats 最近的研究表明,腐殖酸(一种有机复合物)和许多其他胶体可能具有类似的作用。“这是一个难题,因为它真的很难;在地下水中,胶体无处不在,”尤因指出。“它们可能成为某些锕系元素的运输载体,这真是太不幸了。”在那种情况下,马雅克可能最终会成为一个灯塔——尽管是一个警示灯塔。“重要的是要研究环境的地球化学,以帮助我们理解究竟是什么会移动钚,”克斯廷补充道。“但是我们需要摆脱钚不会移动的这种想法,因为它确实会移动。”

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