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解密 "铀236"

编著:中科院地球环境研究所 杨宪林     来源:https://mp.weixin.qq.com/s/vEm0gpG1iur6R_VNI5rLhQ

说道铀,大家脑海中浮现的第一个词是啥?原子弹,反应堆,辐射,核武器……大家的“恐核”心理可能与从小听到的居里夫人去世若干年后在她家的门把手上还可以检测到高剂量放射物,两弹元勋邓稼先在进行核试验时受到辐射患癌去世,美国在日本广岛长崎两座城市投下原子弹后几十万人为此丧命,切尔诺贝利核事故使老鼠变异等一系列的故事有关。可是今天要讲述的不是这些大家耳熟能详的故事,为啥叫做解密“铀236”,且听我慢慢道来。


原子弹爆炸(图片来自网络)


切尔诺贝利核事故(图片来自网络)

一、236U的来源

铀在自然界中以三种放射性的同位素存在,它们分别是:原始的238U(T1/2=4.47×109y)和235U(T1/2=7.04×108y),以及来自238U的放射性同位素234U(T1/2=2.45×105y),它们的衰变模式均为α衰变丰度分别是99.27%,0.72%和0.0055%。这三位本来老老实实的存在于自然界,可是在1938年“多事”的德国化学家哈恩和物理学家斯拉特斯曼用中子轰击235U时发现了一个奇怪现象,被轰击的铀原子会裂变成新的原子(包含各种长寿命和短寿命的放射性同位素)同时释放出新的中子,裂变产生的新中子又会轰击更多的铀原子,这一过程会不断放出能量(http://blog.sciencenet.cn/blog-3404169-1150154.html)。科学家也许仅仅是为了纯粹的科学探索,可是当利用铀原料制造新式炸弹的想法出现在“战争狂魔”希特勒的办公室时,我们可以想象在这位纳粹头子脸上露出的诡异笑容。好在美国赶在德国前边研制出了原子弹,要不然后果难以设想。


说了那么多,咱们的 “主角”——236U怎么还没出场啊?莫着急,以上是做个铺垫,也是交代个背景。上面说了用中子轰击235U时会发生裂变,但是有一部分在形成236U(α衰变,T1/2 = 2.34 ×107y)后不再裂变,这一过程可以用235U(n,γ)236U表示。而发生这一过程的几率,我们用截面符号σ(单位:巴(b))来表示,σ=86.7b;除了235U,它的孪生哥哥238U在中子的轰击下也会产生236U,σ=0.4b(238U(n,3n)236U)。

中子轰击235U裂变示意图

中子轰击235U生成236U示意图


宇宙线示意图(图片来自网络)


既然236U是由中子轰击铀原子产生的,我们只要区分了中子的来源(天然or人为)就可以将236U进行归类。宇宙射线中与地球表面的铀同位素发生相互作用会生成236U(基本原理可参考宇宙射线和它的孩儿们——宇生核素),但是含量很低(<10-13)[1];有报道称中子在部分岩石中形成的236U与238U的比值接近7×10-13[2];而在铀矿里生成的236U与238U比值目前是天然来源中最高的,约为10-10[3]。


说完天然来源的236U,自然就该介绍人为来源的236U。从1945年到1980年,几个核大国在天上和地下放了很多“大炮仗”。我们知道每当到了春节,空气里火药味十足。我们是不是也可以闻到这些“大炮仗”味道?显然不会(要不然人类早已化为尘土了)!但世界各地的核试验向大气中释放的236U早就把我们包围了(全球沉降避无可避,举手投降吧)。除了核试验,核反应堆是形成236U的另一大场所,但这部分236U主要存在于反应堆内部和封闭较好的乏燃料中,总量虽大但是相对安全(处于封闭状态)。在某些地区,由于核废料后处理厂及核电站事故会增加当地的236U含量,并造成了一定量的人员伤亡,从而加重了人们的“恐核”心理。

 

核电站(图片来自网络)


核废物后处理厂(图片来自网络)


二、236U的用途

(图片来自网络)


看到各种核事故带来的危害,想必大家对236U已经恨之入骨了。但接下来我要介绍236U的一些用途、用途、用途(是不是心里会有个What?)。我们可以根据初始铀同位素的组份、各个同位素的活度,以及它们受到的中子辐照的历史,计算材料中的236U/238U的比值,从而来推断铀污染的来源[4]。举个例子,切尔诺贝利核事故时释放的236U/238U约为10-3,而受到全球沉降影响的环境样品的比值在10-9-10-8之间,因此236U/238U可以作为指纹核素识别放射源[4]。除此之外,它还可以作为热中子源监测器和计算核燃料消耗的工具,这些用途在核安保领域意义非凡。


(图片来自网络)


难道就上述这些作用?当然不是!科学家在持续地发掘它的新功能。海洋学家利用海水里的236U作为示踪剂进行海洋洋流示踪研究;核环境学家利用沉积在海底的236U去解读镌刻在历史深处的“风云”岁月。


珊瑚芯中记录的236U/238U比值[5]

三、236U的测量

海洋里236U/238U 比值[4]


以上说了那么多优势,怎么才能在科研过程中把236U的这些优势真正发挥出来呢?这就需要对它进行精确测量。就目前已知的数据而言,海洋里的236U/238U算是比较低的,但也不会低于10-12。最初测量236U的方法是利用α谱仪测量它衰变时放出的α的能量。但是这个方法存在两个问题,一是环境样品中236U的含量太少,需要大量样品才行;二是236U的半衰期太长,这就使得测量时耗时太长;此外235U衰变时放射出的α粒子能量与236U的α能量相近,α谱仪的能量分辨率不够,这就影响了该仪器的测量下限。目前使用α谱仪能够测量到的236U/238U为10-5


α谱仪测量原理示意图(图片来自网络)


既然α谱仪效果不理想,科学家就另辟途径——利用质谱仪数原子个数。这些年为了测量好236U,科学家也是煞费苦心,先后尝试了热表面电离质谱仪(TIMS),电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS),加速器质谱仪(AMS)。各种质谱仪为236U发挥更大的作用提供了可能。


质谱仪在测量236U时难道是一帆风顺的?答案是否定的。以ICP-MS为例,刚一开始在测量236U时,也遇到了丰度灵敏度不足和多原子离子干扰的障碍。为了克服这些障碍,ICP-MS家族先后降生了多位成员,这些基于扇形磁铁、六级杆碰撞反应池和多接受技术的仪器使得测量236U/238U的能力被不同程度的提高,最终多接收ICP-MS(MC-ICP-MS)在测量236U/238U时略胜一筹,比值达到3×10-9


科学永无止境,科学家的脑袋里千奇百怪的想法转化为现实后,原来一切看似不可能的东西又一一变为可能。不知道当初在碰撞反应池前再加一个四级杆是不是专门为测量锕系核素设计的,但最终形成的ICP-MS/MS,确实在测量236U时起到了意想不到的效果(236U/238U约为1×10-10,基本原理见示意图)。


ICP-MS/MS测量236U示意图[4]


既然ICP-MS表现的那么优秀,AMS怎么会逊色!我们知道最初超重核只能在大型核物理实验室进行测量。自从上个世纪九十年代赵晓雷博士率先利用3MV加速器质谱对236U进行测量后[3],有条件的实验室或者改进探测器,或者给自己的仪器增加分辨率更大磁铁,或者改变剥离气的气体;没条件的实验室也是对仪器优化优化再优化。念念不忘,必有回响,最终测量236U的AMS端电压也是各种各样:13MV、6MV、3MV、1MV和0.6MV,最终各家实验室也取得了不俗成果(见下表)。


各类质谱仪及其(236U/238U)丰度灵敏度[4]

四、结束语


我们的文字终归有限,不能详细的记录236U的每一个部分(本文中没有涉及到关于铀的化学前处理的故事,我想这部分工作交给专业人士才会有更精彩的呈现),也不能把世界上科学家为之而做的努力统统表达出来(水平实在有限,没介绍TIMS的内容)。但是我们相信关于236U的故事还在继续着,无论是化学上,测量上还是应用上,也许不久的明天就会有新的突破,新的发现,让我们拭目以待。 


参考文献

[1] P. Steier, et al. Nucl. Instr. Meth. B 266 (2008) 2246-2250

[2] A. Sakaguchi, et al. Sci.Total Environ. 407 (2009) 4238-4242.

[3] X.L. Zhao et al. Earth Planet. Sci. Lett. 124 (1994) 241-244.

[4] Wenting Bu et al. Analytica Chimica Acta 995 (2017) 1-20.

[5] Stephan R.Winkler et al. Earth Planet. Sci. Lett.359–360(2012)124–130

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