史克亮:为核安全铸剑

科学中国人scichi

2021-02-26 16:15
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史克亮

核能的开发和利用是当今世界解决能源短缺问题的首选途径。然而,在核燃料循环过程中,往往会产生大量含有强放射性、高毒性及较长寿命的放射性核素。虽然经过特殊处理和处置,在正常情况下它们不会对人类生活环境产生影响,但随着时间推移,尤其是一些突发事件的发生,这些放射性核素会通过不同介质经土壤、大气等进入生物圈而影响人们的生活环境,甚至威胁人类的健康。兰州大学核科学与技术学院教授史克亮的工作就是立足国家核安全,开展环境中放射性核素的分析研究。多年来,他已经在环境样品前处理、典型放射性核素分离纯化及质谱测量等方面积累了丰富经验。

放化分析,大有可为

2002年,史克亮考入兰州大学,本科毕业后在母校又继续攻读了硕士和博士。从进入兰大开始,他就把全部精力投入到放射化学领域,研究环境中低水平放射性核素的分析和检测方法,为国家核安全护航。

“从核安全的角度来说,这些放射性核素一旦释放到环境中,就需要对其进行监测分析。因为大多数放射性核素的半衰期都很长,一旦它们迁移到人类居住的地方,就会形成长期的放射性污染,对人类的健康生活产生影响。因此,我们的研究就是要对所释放的放射性核素进行监测,评价其污染程度。”甫一见到记者,史克亮就开门见山讲起他做了十多年的研究工作。

通过海藻分析锝-99的含量、分布,及其对环境的污染评价,是他做的第一个国家自然科学基金项目。锝-99是长寿命放射性核素,它的裂变产额较高。史克亮和团队把研究焦点放在海藻样品上。鉴于锝-99能被海藻高度富集的特点,史克亮带领团队,集中研究了海藻样品中锝-99的准确测定及快速分析方法,同时就海藻中锝-99的存在形态进行了探究,建立了相应的分析流程。针对热不稳定的特点,史克亮的研究还聚焦了固体样品灰化及溶液蒸发过程中锝的损失,并优化了相应的灰化及蒸发条件。最终,史克亮的研究团队通过生物化学分离和ICP-MS测量相结合,实现了环境海藻样品中锝的形态分析,建立了海藻中不同化学形态锝的分析流程。

锝-99的研究不仅仅在于获得了分析流程和分析方法,更是首次采用质谱测量的方法对形态进行分析。也因此,史克亮开辟了一个新的研究领域。“以前测浓度手段有限,就是测不了很低。所以说,关注总量更多。现在,我们发现除了关注总量以外,形态是非常重要的。以铬元素为例,它属于重金属,重金属的污染近年来备受关注,但形态不同(包括化合价),它的毒性也有差异,一般来讲,3价铬的毒性比较弱,而6价铬有很高的毒性。如果一个地方的铬是以3价存在的,它的影响或者毒性就是有限的。如果它变成6价,那么它的毒性就成倍增加了。所以说,形态很重要。”

在核科学领域跋涉,史克亮牢记的是“为国家核安全铸好剑”。所以,他总是在努力向前,探索最新的方法,寻找最快的路径。

跟学生做实验

童话王国,圆梦南极

2009年,史克亮远赴丹麦技术大学里瑟国家实验室学习,英语却让他很头疼。但是,里瑟国家实验室是由丹麦著名量子力学专家、诺贝尔奖得主玻尔创立的,其在放射性生态分析方面走在世界前列,研究方向包括环境放射性、放射性生态、辐射防护等,对大气颗粒物、降雨、湖水、河水、海水、海洋沉淀物、土壤、植物、食品等进行长期监测和研究,具有丰富的经验。史克亮决定一试!

第一次走出国门,他感觉到的都是新鲜。而在实验室学习、研究以及与老师、同学们相处的过程中,他的语言能力也在不知不觉中得到了提高。在里瑟国家实验室,史克亮最欣慰的是,“完全没有人干扰。如果你有想法,你就可以按照你的思路,高效率地完成”。3年时间,在放射分析领域,史克亮阅读了大量的文献资料,进行了各种调研,也思考了很多问题。为之后的研究,打下了坚实的基础。

就在攻读博士期间,又一个机会来临。这次,史克亮要去南极参加科考。这是由美国国家科学基金会和瑞典研究委员会联合资助的花费数百万美元的阿蒙森海波利尼亚国际研究考察项目的开始。史克亮是46名科研人员之一,此次科考的目的之一是研究人类核活动对南极的影响。他们选择以碘-129为研究对象,“这源于两点:一是碘-129的裂变产额高;二是碘-129大多以气体释放”。据史克亮介绍,目前环境中碘-129的来源主要是人类核活动,通过乏燃料后处理目前已经向环境释放了约6100千克的碘-129。而碘具有亲生物性,可与自然界中的各种有机化合物高度融合,因此研究其对于南极环境的影响意义重大。

绕着南极圈航行,史克亮的主要任务是采集水样和空气样,目的是考察采样区域内的水和空气有没有被污染。“去南极之前,我想象中那里应是一片冰天雪地,但到了才发现,实际情况跟我想象的有很大差距。在极地周围,有些区域也是蓝天碧水,可能是夏天的缘故,有时候遇到晴天,太阳光相当强,感觉比丹麦的冬天要舒服。”史克亮边介绍,边拿出当年科考时的照片。

“这是我第一次见到冰山。在汪洋大海中,突然耸立起一座冰山,太奇妙了。冰山还没看够,海豹又出现了。看着它们一副懒洋洋的样子,好像在向我们透露一个信号——它们才是那里的主人!”那是一段愉快的时光,虽然时不时有晕船的困扰,但“痛并快乐着”。

南极之旅,史克亮收获颇丰。

设施退役,并非终点

回到兰州大学后,复杂基体中关键放射性核素及其化学形态分析研究和放射性核素在固/液界面上的吸附和迁移行为研究是史克亮的两个主要研究方向。近年,随着核设施退役成为热门话题,史克亮的研究中,又增加了一项内容——核设施退役中的放射分析技术研究。

史克亮说:“核设施的寿命,一般只有几十年。时间到了,就需要进行处理。处理不是说把乏燃料进行处理,而原来的设施就在那里放着不管。那样,很多年过去了,地球上就会出现越来越多的废旧核设施,严重影响环境安全。所以,核设施退役,是要把相关的设施拆除处理,最后变成一块能够再次使用的空间。”

对完成历史使命的核设施来说,退役是终点。但对核设施退役及放射性废物治理而言,又是一个重要研究方向的起点。在核设施退役研究中,史克亮的任务是建立不同基体中典型放射性核素的快速、准确分析方法,为核设施退役安全评价标准的制定贡献力量。

为了建立放射性核素的快速分析流程,史克亮将硒-79、锶-90、锝-99等重点核素纳入研究视野,开展了硒-79、锶-90、锝-99在环境土壤、沉积物、水体中的放化分析研究。史克亮介绍:“从这3个核素来看,硒和锝是长寿命裂变产物,因它们较长的半衰期及较高的迁移能力,在放射性核素的安全评价过程中备受关注。锶是重要的核裂变产物,半衰期为28年,裂变产高达5.9%,大量存在于辐照后的乏燃料中,也是核设施退役过程中普遍关注的放射性核素。”

研究中,史克亮带领团队研究不同的样品前处理技术,在缩短预处理时间的同时,力求得到高的化学回收率。在目标放射性核素分离、纯化过程中,他们将传统分离手段和现代分离技术相结合,通过搭建自动分离系统,提高了分离效率,避免了大量有毒试剂的使用,减少了人员直接操作放射性的时间。同时,结合电感耦合等离子质谱测量时间短、分析检测限低等优点,建立了系列针对低水平环境样品及事故情况下放射性核素的快速、准确分析流程,部分已用于涉核企业的实际工艺分析中。

涉及核安全,史克亮所能做的,就是尽最大努力做好准备,“召之即来,来之能战,战之能胜,为国效力”。

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