高寒地區(qū)放射性干沉降物采集方法比較

劉軍 關慶濤

（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查研究核設施正常運行工況下及發(fā)生事故、核武器試驗引起地面輻射強度的變化，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，可用于γ 核素、90Sr、總α/總β 等放射性監(jiān)測項目的分析［1］。隨著輻射環(huán)境監(jiān)測技術的發(fā)展，對采樣的科學性、完整性、準確性、可靠性以及儀器性能等的要求越來越高，對樣品采集的質量控制愈加重視。《全國輻射環(huán)境監(jiān)測方案》中對重要核設施的輻射環(huán)境監(jiān)測均提出了對干濕沉降物進行采集監(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，由顆粒物質自生的重力而引起的沉降；二是干沉積，顆粒的不規(guī)則運動導致與地面的碰撞、靜電引力、吸附、化學作用等引起的沉積；三是濕沉積，由降雨而導致的沉降。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。導致內照射的主要核素有137Cs，90Sr，14C，106Ru，131I 等；導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，只在爆炸后短時期內對公眾造成內外照射［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)測現狀

目前國內外環(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。可根據降水情況自動控制防護蓋板翻轉，采集樣品；但在冬季，北方地區(qū)由于氣溫較低，集塵桶內的液體吸附介質易結冰，導致干沉降收集效率大幅降低［4］。一方面，結冰會使沉降物無法繼續(xù)沉降在采樣盤內的水中，其沉降在冰面后極易被風吹走，造成損失，降低沉降物的收集效率，進而影響測量結果。另一方面，結冰的樣品進入實驗室后需要先融化，不但增加了樣品處理的時間，而且由于放射性物質的衰變，使監(jiān)測結果的測量值偏低。因此，北方高寒地區(qū)干濕沉降物結冰問題成為避免影響樣品質量、增加測量誤差必須要克服的難題。同時，受氣溫影響，樣品處理及監(jiān)測過程效率刻度、標準源制作等均存在問題。

3 樣品采集方法及分析

3.1 點位設置

根據北方冬季寒冷多雪［5］的氣象條件，結合周圍環(huán)境狀況、現有設備、歷史數據對比等因素考慮，選擇紅沿河核電廠監(jiān)督性監(jiān)測系統(tǒng)復州城監(jiān)測子站的標準氣象場作為放射性干沉降物采集的布放點。紅沿河核電廠復州城監(jiān)測子站與位于核電廠ESE方向約22 km 處的復州城前沿站同址合建，包含一個標準氣象場（16 m×20 m）。復州城子站標準氣象場周邊地域開闊，近距離無高大建筑物，符合《環(huán)境空氣質量監(jiān)測點位布設技術規(guī)范》（HJ 664—2013）的空氣采樣要求［6］；同時復州城監(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不同采樣介質的結冰情況。

3.2 樣品采集

沉降物采樣方法應考慮所用試劑、化學特性、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 種方法進行沉降物樣品的采集。每種方法至少布放5 個采樣桶，本次實驗共布采樣桶33 個，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；二甲基硅油涂抹法采樣桶布放5 個；乙二醇和去離子水混合液采集法分為3 種，體積分數20%（冰點約－9 ℃）的采樣桶布放3 個，體積分數40%（冰點約－26 ℃）的采樣桶布放5 個，體積分數60%（冰點約－48 ℃）的采樣桶布放5 個；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，內置恒溫電加熱棒法采樣桶布放5 個。采樣期間，應做好極端天氣或突發(fā)事件的樣品采集工作，及時觀察不同采樣方法的樣品狀態(tài)，并做好相關記錄。采樣介質參數比較見表1。

表1 采樣介質參數比較

3.3 采樣期間樣品狀態(tài)

常規(guī)采集法在采樣期間，介質去離子水一直處于結冰狀態(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混合。乙二醇和去離子水混合液采集法在采樣期間，介質乙二醇和去離子水混合液未結冰，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去離子水未結冰，介質去離子水溫度處于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；內置電加熱棒法采樣介質去離子水未結冰，介質去離子水溫度穩(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，導致微生物附著，介質內有光合植物生長。

3.4 樣品前處理

樣品采集后，送至實驗室，經過蒸發(fā)、烘干、碳化、灰化處理后可進行實驗室分析［7］。樣品前處理過程中，二甲基硅油涂抹法前處理時間較長，且由于二甲基硅油自身雜質較多，導致最終灰樣量較多；其他幾種采樣方法前處理時間正常，最終灰樣量與常規(guī)法基本一致，但內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，乙二醇和去離子水混合液采集法在加熱靜置后能夠實現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行90Sr 放射性活度濃度分析，分析結果見表2。

表2 高寒地區(qū)干沉降物采集90Sr 分析結果 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）；內置電加熱棒法為13.0～19.2 MBq/（m2·d），平均值為17.0 MBq/（m2·d）。

復州城監(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）。本次實驗監(jiān)測結果中，常規(guī)采集法數據分散性較大，監(jiān)測結果適中；二甲基硅油涂抹法數據分散性較大，監(jiān)測結果偏小；不同濃度乙二醇和去離子水混合液采集法數據相對穩(wěn)定，監(jiān)測結果適中；外置電加熱板法數據相對穩(wěn)定，監(jiān)測結果適中；內置電加熱棒法數據相對穩(wěn)定，但監(jiān)測結果偏大。

4 結論與建議

4.1 結論

通過對幾種采樣方法進行研究，得出以下結論：

（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，采樣介質穩(wěn)定性較好，灰樣量適中，樣品前處理時間適中；與歷史監(jiān)測數據比較，監(jiān)測數據穩(wěn)定性較好，監(jiān)測結果適中。

（2）通過分析發(fā)現，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結冰現象。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冰，基本不需再添加介質，且樣品前處理時間較短；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)可根據本地氣象條件，特別是野外采樣時，可調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，用于放射性干沉降物樣品的采集。