在福島第一核電廠核災發生13 年後，研究人員實現了全球首次直接對環境樣本中的放射性銫原子進行成像，為當前環境和放射性廢棄物管理方面的挑戰提供了新的見解。這項由多國團隊參與的突破性研究發表在《危險物質雜誌》（Journal of Hazardous Materials）上，加深了人們對銫分佈的了解，並為反應爐退役和廢棄物管理策略提供了參考。

一項新研究對福島環境樣本中的放射性銫原子進行了直接成像，為核廢料管理和環境恢復工作提供了重要數據。

在福島第一核電廠（FDNPP）核災發生13 年後，研究人員取得了一項突破性的成就：他們首次成功地對環境樣本中的放射性銫（Cs）原子進行了直接成像。

由日本、芬蘭、美國和法國的研究人員組成的研究小組完成了一項開創性的分析，對受損的國防核電廠反應爐排放的材料進行了分析，揭示了日本面臨的揮之不去的環境和放射性廢棄物管理挑戰的重要見解。這項研究最近發表在《危險物質期刊》（Journal of Hazardous Materials）上。

福島第一核電廠核子洩漏事故：持續的工程與環境難題

2011 年，東北大地震和海嘯發生後，由於失去備用電源和冷卻系統，國防核電廠的3 座核反應爐發生熔毀。此後，大量的研究工作集中在了解受損反應器內的燃料碎片（熔化的核燃料和結構材料的混合物）的特性。這些碎片必須小心清除和處理。

然而，燃料碎片的物理和化學狀態仍存在許多不確定因素，這使得回收工作變得非常複雜。

受損的福島第一核反應器以微粒形式釋放大量放射性銫。這些顆粒稱為富含銫的微顆粒（CsMPs），溶解性差，體積小（< 5 微米），成分類似玻璃。

日本九州大學的Satoshi Utsunomiya 教授領導了這項研究。他解釋說，”在熔毀過程中，熔融核燃料撞擊混凝土，在受損反應器底部形成。在形成之後，許多銫金屬氧化物從反應器安全殼中流失到周圍環境中。”

圖1：（左）輝綠岩的結構模型和使用MacTempas 模擬的HAADF-STEM 影像。 (右圖）CsMPs 中富含鐵的輝綠岩的高解析度HAADF-STEM 影像。影像中的銫原子呈現為亮點（影像中的圓圈）。此結構中約有一半的銫原子具有放射性。放射性銫原子以前從未在環境樣本中成像過。資料來源：Kanako Miyazaki et.

對CsMPs 的詳細表徵揭示了有關熔毀機制和程度的重要線索。然而，儘管微顆粒中含有大量的銫，但事實證明不可能對顆粒中的放射性銫進行原子尺度的直接成像。

來自赫爾辛基大學的研究合作者加雷思-勞教授解釋說：”這意味著我們缺乏關於粒子和燃料碎片中銫化學形態的完整資訊。”

Utsunomiya 說：”雖然粒子中的銫濃度相當高，但往往還是太低，無法使用先進的電子顯微鏡技術成功地進行原子尺度成像。當發現銫的濃度足夠高時，我​​們發現電子束會損壞樣品，從而使得到的數據毫無用處”。不過，在該團隊使用最先進的高解析度高角度環形暗場掃描透射電子顯微鏡（HR-HAADF-STEM）進行的前一項工作中，他們發現銫多晶錳礦石中存在一種名為銫榴石（一種沸石）的礦物包裹體。 Law 解釋說：”在過去的分析中，我們發現CsMPs 中富含鐵的銫榴石包裹體中的銫含量大於20 wt.%。在自然界中，銫榴石通常富含鋁。”

銫多晶錳礦中的多晶錳礦明顯不同於自然界中的多晶錳礦，顯示多晶錳礦是在反應器中形成的。 Utsunomiya 繼續說：”由於我們知道銫多晶錳礦中的大部分銫是裂變產生的，因此我們認為對多晶錳礦的分析可以首次獲得放射性銫原子的直接圖像。”

沸石在受到電子束輻照時會變得無定形，但這種破壞與沸石的成分有關，研究小組發現，一些沸石夾雜物在電子束中是穩定的。

了解到這一點並借鑒模型，研究小組開始了艱苦的分析工作，宇都宮、研究生宮崎加奈子和研究小組最終將放射性銫原子成像。

科學家在受損的福島第一核反應器附近採集受污染土壤樣本。圖片來源：Satoshi Utsunomiya

影像中約有一半的原子與放射性銫相對應。這是人類首次對環境樣本中的放射性銫原子進行直接成像。在環境樣本中發現足夠高濃度的放射性銫以允許直接成像是不尋常的，而且會帶來安全問題。雖然能在科學界首次成像令人興奮，但同時，令人遺憾的是，這只是因為核事故才成為可能。

Utsunomiya 強調說，這項研究的發現不僅僅是放射性銫原子的成像：”我們的工作揭示了輝綠岩的形成，以及Cs 在FDNPP 反應器和環境中可能存在的異質性分佈”。

Law 進一步強調了相關性：”我們明確證明了一種新的銫出現與FDNPP 反應器排放的材料有關。在CsMPs 中發現含Cs 的多孔石可能意味著它也殘留在受損的反應器中；因此，現在可以在反應爐退役和廢棄物管理策略中考慮它的特性”。

合作者、南特大學亞特蘭蒂克分校Subatech 榮譽教授Bernd Grambow 補充說：”我們現在也應該開始考慮銫沸石的環境行為及其可能造成的影響。它的表現可能與迄今為止記錄的其他形式的銫沉降物不同。

最後，史丹佛大學的羅德尤因（Rod Ewing）教授在反思這項研究的意義時強調，迫切需要繼續進行研究，為碎片清除策略和環境修復提供依據：「我們再次看到，國際科學家艱苦的分析工作確實能夠揭開核事故的神秘面紗，幫助長期的恢復工作”。

編譯來源：ScitechDaily