高寒地區(qū)放射性干沉降物采集方法比較

劉軍 關(guān)慶濤

（遼寧省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，遼寧沈陽 110161）

1 引言

沉降物包括大氣塵埃、落下灰及雨雪，測量沉降物放射性活度的目的在于調(diào)查研究核設(shè)施正常運(yùn)行工況下及發(fā)生事故、核武器試驗(yàn)引起地面輻射強(qiáng)度的變化，估算其可能引起的任何危害，是研究人工放射性核素在大氣中分布規(guī)律的重要途徑。沉降物采集、監(jiān)測、分析是輻射環(huán)境監(jiān)測的重要一項(xiàng)，可用于γ 核素、90Sr、總α/總β 等放射性監(jiān)測項(xiàng)目的分析［1］。隨著輻射環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，對采樣的科學(xué)性、完整性、準(zhǔn)確性、可靠性以及儀器性能等的要求越來越高，對樣品采集的質(zhì)量控制愈加重視?！度珖椛洵h(huán)境監(jiān)測方案》中對重要核設(shè)施的輻射環(huán)境監(jiān)測均提出了對干濕沉降物進(jìn)行采集監(jiān)測。

2 放射性沉降物的形成與監(jiān)測

2.1 放射性物質(zhì)在大氣中的沉積

放射性核素在大氣中的沉積有3 種方式：一是重力沉積，由顆粒物質(zhì)自生的重力而引起的沉降；二是干沉積，顆粒的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致與地面的碰撞、靜電引力、吸附、化學(xué)作用等引起的沉積；三是濕沉積，由降雨而導(dǎo)致的沉降。如果這些沉積物由于溫度或者是氣流的作用，再次飄浮在大氣中就形成了再懸浮。

2.2 放射性沉降物的危害

放射性沉降物對公眾的照射包括經(jīng)由吸入近地空氣中的放射性核素與食入放射性污染的食物和水引起的內(nèi)照射、空氣中核素造成的浸沒外照射和地面沉積核素造成的直接外照射。導(dǎo)致內(nèi)照射的主要核素有137Cs，90Sr，14C，106Ru，131I 等；導(dǎo)致外照射的主要核素有137Cs，106Ru，95Zr 等。

放射性沉降物中大多是短壽命放射性核素，只在爆炸后短時(shí)期內(nèi)對公眾造成內(nèi)外照射［2］，目前可能對公眾造成照射的主要是其中的長壽命放射性核素，最主要的是90Sr 和137Cs。

2.3 放射性沉降物監(jiān)測現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外環(huán)境監(jiān)測單位普遍采用水盤法采集干沉降樣品［3］，在集塵桶內(nèi)添加去離子水吸附采集干沉降樣品，直接使用濕沉降收集桶收集雨雪樣品，采樣器分別由集塵桶、濕沉降收集桶、降水傳感器組成?？筛鶕?jù)降水情況自動(dòng)控制防護(hù)蓋板翻轉(zhuǎn)，采集樣品；但在冬季，北方地區(qū)由于氣溫較低，集塵桶內(nèi)的液體吸附介質(zhì)易結(jié)冰，導(dǎo)致干沉降收集效率大幅降低［4］。一方面，結(jié)冰會使沉降物無法繼續(xù)沉降在采樣盤內(nèi)的水中，其沉降在冰面后極易被風(fēng)吹走，造成損失，降低沉降物的收集效率，進(jìn)而影響測量結(jié)果。另一方面，結(jié)冰的樣品進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后需要先融化，不但增加了樣品處理的時(shí)間，而且由于放射性物質(zhì)的衰變，使監(jiān)測結(jié)果的測量值偏低。因此，北方高寒地區(qū)干濕沉降物結(jié)冰問題成為避免影響樣品質(zhì)量、增加測量誤差必須要克服的難題。同時(shí)，受氣溫影響，樣品處理及監(jiān)測過程效率刻度、標(biāo)準(zhǔn)源制作等均存在問題。

3 樣品采集方法及分析

3.1 點(diǎn)位設(shè)置

根據(jù)北方冬季寒冷多雪［5］的氣象條件，結(jié)合周圍環(huán)境狀況、現(xiàn)有設(shè)備、歷史數(shù)據(jù)對比等因素考慮，選擇紅沿河核電廠監(jiān)督性監(jiān)測系統(tǒng)復(fù)州城監(jiān)測子站的標(biāo)準(zhǔn)氣象場作為放射性干沉降物采集的布放點(diǎn)。紅沿河核電廠復(fù)州城監(jiān)測子站與位于核電廠ESE方向約22 km 處的復(fù)州城前沿站同址合建，包含一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣象場（16 m×20 m）。復(fù)州城子站標(biāo)準(zhǔn)氣象場周邊地域開闊，近距離無高大建筑物，符合《環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)位布設(shè)技術(shù)規(guī)范》（HJ 664—2013）的空氣采樣要求［6］；同時(shí)復(fù)州城監(jiān)測子站冬季歷史最低氣溫低于－20 ℃，具有一定的代表性，可以用來觀測冬季采樣時(shí)不同采樣介質(zhì)的結(jié)冰情況。

3.2 樣品采集

沉降物采樣方法應(yīng)考慮所用試劑、化學(xué)特性、加入量、影響因素、樣品處理難度等因素，分別采用常規(guī)采集方法、二甲基硅油涂抹法、乙二醇和去離子水混合液采集法、干沉降物自加熱采集法4 種方法進(jìn)行沉降物樣品的采集。每種方法至少布放5 個(gè)采樣桶，本次實(shí)驗(yàn)共布采樣桶33 個(gè)，用于平行樣品的收集比對。其中，常規(guī)采集方法采樣桶布放5 個(gè)；二甲基硅油涂抹法采樣桶布放5 個(gè)；乙二醇和去離子水混合液采集法分為3 種，體積分?jǐn)?shù)20%（冰點(diǎn)約－9 ℃）的采樣桶布放3 個(gè)，體積分?jǐn)?shù)40%（冰點(diǎn)約－26 ℃）的采樣桶布放5 個(gè)，體積分?jǐn)?shù)60%（冰點(diǎn)約－48 ℃）的采樣桶布放5 個(gè)；干沉降物自加熱采集方法分為2 種，外置電加熱板法采樣桶布放5 個(gè)，內(nèi)置恒溫電加熱棒法采樣桶布放5 個(gè)。采樣期間，應(yīng)做好極端天氣或突發(fā)事件的樣品采集工作，及時(shí)觀察不同采樣方法的樣品狀態(tài)，并做好相關(guān)記錄。采樣介質(zhì)參數(shù)比較見表1。

表1 采樣介質(zhì)參數(shù)比較

3.3 采樣期間樣品狀態(tài)

常規(guī)采集法在采樣期間，介質(zhì)去離子水一直處于結(jié)冰狀態(tài)，沉降物附著于桶壁和冰面。二甲基硅油涂抹法在采樣期間，介質(zhì)二甲基硅油未發(fā)生變化，有少量揮發(fā)，沉降物一部分附著于桶壁，一部分與二甲基硅油介質(zhì)混合。乙二醇和去離子水混合液采集法在采樣期間，介質(zhì)乙二醇和去離子水混合液未結(jié)冰，沉降物一部分附著于桶壁，一部分與乙二醇和去離子水混合液介質(zhì)混合。干沉降物自加熱采集法采樣期間，外置電加熱板法采樣介質(zhì)去離子水未結(jié)冰，介質(zhì)去離子水溫度處于1～15 ℃之間，緩慢蒸發(fā)，沉降物一部分附著于桶壁，一部分與去離子水混合；內(nèi)置電加熱棒法采樣介質(zhì)去離子水未結(jié)冰，介質(zhì)去離子水溫度穩(wěn)定于19 ℃，去離子水蒸發(fā)較快，需定期添加去離子水，沉降物一部分附著于桶壁，一部分與去離子水混合，且由于水溫較高，導(dǎo)致微生物附著，介質(zhì)內(nèi)有光合植物生長。

3.4 樣品前處理

樣品采集后，送至實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)過蒸發(fā)、烘干、碳化、灰化處理后可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析［7］。樣品前處理過程中，二甲基硅油涂抹法前處理時(shí)間較長，且由于二甲基硅油自身雜質(zhì)較多，導(dǎo)致最終灰樣量較多；其他幾種采樣方法前處理時(shí)間正常，最終灰樣量與常規(guī)法基本一致，但內(nèi)置電加熱棒法由于微生物附著生長，灰樣量略微偏大。樣品前處理過程發(fā)現(xiàn)，乙二醇和去離子水混合液采集法在加熱靜置后能夠?qū)崿F(xiàn)干沉降物與乙二醇和去離子水混合液的快速分離，通過傾倒上層清液，可以加快樣品前處理過程。

3.5 樣品分析

對完成前處理的沉降灰進(jìn)行90Sr 放射性活度濃度分析，分析結(jié)果見表2。

表2 高寒地區(qū)干沉降物采集90Sr 分析結(jié)果 MBq/（m2·d）

由表2 可見，常規(guī)采集法90Sr 放射性活度濃度為0.68～5.47 MBq/（m2·d），平均值為2.68 MBq/（m2·d）；二甲基硅油涂抹法為0.44～0.78 MBq/（m2·d），平均值為0.59 MBq/（m2·d）；20%乙二醇和去離子水混合液采集法為3.71～4.33 MBq/（m2·d），平均值為4.05 MBq/（m2·d）；40%乙二醇和去離子水混合液采集法為3.64～4.40 MBq/（m2·d），平均值為3.97 MBq/（m2·d）；60%乙二醇和去離子水混合液采集法為3.78 ～4.82 MBq/（m2·d），平均值為4.29 MBq/（m2·d）；外 置 電 加 熱 板 法 為3.54 ～4.80 MBq/（m2·d），平均值為4.41 MBq/（m2·d）；內(nèi)置電加熱棒法為13.0～19.2 MBq/（m2·d），平均值為17.0 MBq/（m2·d）。

復(fù)州城監(jiān)測子站沉降物90Sr 放射性活度濃度2012—2017 年歷史監(jiān)測值為1.02～6.14 MBq/（m2·d），平均值為3.85 MBq/（m2·d）。本次實(shí)驗(yàn)監(jiān)測結(jié)果中，常規(guī)采集法數(shù)據(jù)分散性較大，監(jiān)測結(jié)果適中；二甲基硅油涂抹法數(shù)據(jù)分散性較大，監(jiān)測結(jié)果偏?。徊煌瑵舛纫叶己腿ルx子水混合液采集法數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定，監(jiān)測結(jié)果適中；外置電加熱板法數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定，監(jiān)測結(jié)果適中；內(nèi)置電加熱棒法數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定，但監(jiān)測結(jié)果偏大。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

通過對幾種采樣方法進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

（1）各種采樣方法中，乙二醇和去離子水混合液采集法、外置電加熱板法，在采樣期間，采樣介質(zhì)穩(wěn)定性較好，灰樣量適中，樣品前處理時(shí)間適中；與歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)比較，監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較好，監(jiān)測結(jié)果適中。

（2）通過分析發(fā)現(xiàn)，乙二醇和去離子水混合液采集法、外置電加熱板法比較適合寒季干沉降物采集，能夠有效解決寒冷天氣干沉降物采集過程去離子水介質(zhì)結(jié)冰現(xiàn)象。對于乙二醇和去離子水混合液采集法，20%乙二醇和去離子水混合液即可滿足－20 ℃低溫條件下采樣期間不結(jié)冰，基本不需再添加介質(zhì)，且樣品前處理時(shí)間較短；外置電加熱板法也能滿足低溫條件下沉降物采集，但采樣期間會增加用電量，采樣成本較高，存在安全隱患，野外采樣存在困難。

4.2 建議

在高寒地區(qū)，建議采取乙二醇和去離子水混合液采集法采集放射性干沉降物樣品，各地區(qū)可根據(jù)本地氣象條件，特別是野外采樣時(shí)，可調(diào)整乙二醇和去離子水混合液濃度，配制適合本地氣象條件的沉降物采樣介質(zhì)，用于放射性干沉降物樣品的采集。