放射化学第十一讲（放射性示踪技术和废物处置）.ppt

2020 2 23 C L Liu 放射化学 Radiochemistry 2020 2 23 C L Liu 放射性示踪技术 2020 2 23 C L Liu 放射性示踪技术 示踪剂 一种带有特殊标记的物质 当在研究的对象中加入示踪剂后 可以根据示踪剂的运动变化规律 来了解不易或不能观测的研究对象的运动变化规律 示踪剂不一定是放射性物质 也可以是非放射性物质 染料 荧光指示剂 稳定同位素等 放射性核素的探测简单 灵敏 因此 放射性核素及其标记化合物是常用的示踪剂 2020 2 23 C L Liu 放射性示踪剂的特点 灵敏 可示踪微量物质的性质和行为1 Ci的32P相当于6 1010个32P原子 质量仅为10 12g 一般的放射性探测器可定量测定 1nCi的放射性 因此可检测的放射性核素的量为10 13 10 19g 2020 2 23 C L Liu 放射性示踪剂的特点 简单 易分辨 通过各种射线探测仪测量放射性来定量或定性 不受非放射性物质的干扰 勿需分离提纯 在生物 医学研究中可从体外测量 不影响正常生物活动 2020 2 23 C L Liu 放射性示踪剂的特点 提供原子 分子水平的研究手段 化学平衡时的反应速率 有机化合物的分子重排 异构化 反应机理 模拟水平高 模拟真实的环境条件 由于用量少 不影响生物体的正常生理过程 不影响环境过程的正常变化 可用于研究药物的毒理 环境的变化 2020 2 23 C L Liu 放射性示踪剂的特点 定位可靠 在生物和环境研究中 不仅能准确定量测量 而且可以用放射性自显影技术确定其在组织器官中的分布情况 与病理组织的切片技术结合 可进行细胞水平的定位 与电子显微镜技术结合 可进行亚细胞水平的定位观察 2020 2 23 C L Liu 放射性示踪技术中应注意的问题 同位素效应 同位素质量的不同引起的物理 化学性质的差别 一般很小 轻元素较明显 氚水水解格氏试剂制备氚标记的烷烃 RMgX HTO RT RH MgXOH MgXOTRT的活度偏小 约为RH的一半 因为格氏试剂与氚水反应的速率小 与普通水反应的速率大 2020 2 23 C L Liu 放射性示踪技术中应注意的问题 核衰变与辐射自分解 放射性核素衰变生成子体 以及标记化合物在电离辐射作用下自分解 使纯度受到影响 引起误差 辐射自分解与标记化合物吸收射线能量的效率及放射性比活度有关 采取措施可减缓自分解 适当降低放射性比活度 加入自由基清除剂 调节储存温度 将标记化合物稀释后分散保存 2020 2 23 C L Liu 放射性示踪法的分类 简单示踪法 在所研究的物质中加入放射性物质 二者简单地混合 根据放射性物质的运动情况 考察研究对象的运动规律 浮标测密封容器中的液面高度 46Sc加到流沙中 研究流沙的运动和沉降规律 131I跟踪白蚁的活动规律 2020 2 23 C L Liu 放射性示踪法的分类 物理混合法 示踪剂与研究对象均匀混合 使其比例保持不变 通过对示踪剂的测量 可定量地研究研究对象的性质和行为 32P标记测量人体的血液总体积 将一定量的32P注入人体 混合一定时间后 抽取一定量的血液 V V0 s0 s 1 2020 2 23 C L Liu 放射性示踪法的分类 同位素示踪法 根据同位素具有相同化学性质的特点 用放射性同位素 或其标记化合物 作为被研究元素或化合物的示踪剂 示踪剂能正确地反映研究对象在物理 化学和生物过程中的性质和行为 2020 2 23 C L Liu 放射性示踪剂的选择 根据实验目的和要求进行选择 半衰期 根据实验目的和实验周期 选择半衰期适当的放射性核素 在2500多种放射性核素中 t1 2 1h的约占50 1h 24h的约占20 1d的约占30 2020 2 23 C L Liu 放射性示踪剂的选择 目前常用的有200多种放射性核素 半衰期太短 要求操作简便省时 测量快速 半衰期太长 测量困难 难获得高比活度样品 一般选择数小时 t1 2 数百天体内使用的放射性核素 在能满足示踪要求的前提下 尽量选择短半衰期的核素 2020 2 23 C L Liu 放射性示踪剂的选择 辐射类型和能量 既要考虑便于测量 也要考虑辐射效应 一般不用 放射性核素 治疗用 常用 和 核素 射线核素 探测效率高 易于防护 32P E max 1 709MeV 3H E max 0 00186MeV 2020 2 23 C L Liu 放射性示踪剂的选择 射线核素 穿透性好 一般选用能量在100 600keV的 射线 在该能量范围内 既可穿透机体 被扫描仪或 照相机的探头所记录 又不至于穿透扫描仪或 照相机的准直器而影响空间分辨率 用于脏器扫描的 射线核素最好不发射 射线 内转换电子和Auger电子 这些射线只增加病人的吸收剂量 而不能提供有用信息 2020 2 23 C L Liu 放射性示踪剂的选择 放射性活度 使用过程中往往被稀释 要求原始比活度高 但由于安全因素 比活度不宜过高 一般根据稀释倍数 最后测量的量和测量效率来确定适当的比活度 2020 2 23 C L Liu 放射性示踪剂的选择 放射性核素的纯度 生产中 由于副反应 靶物中存在杂质 使放射性不纯 影响实验结果 医学应用中 放射性杂质会增加病人的吸收剂量 影响诊断和病人健康 使用之前 要进行纯度检验 2020 2 23 C L Liu 放射性示踪剂的选择 放射性核素的毒性 尽量使用低毒性核素 若有毒 要尽量控制用量 生物半衰期 选用生物半衰期短的核素 2020 2 23 C L Liu TheEnd 2020 2 23 C L Liu 放射性示踪法在化学中的应用 各种物理化学性质的测定 利用放射性测量的高灵敏性 通过对射线的测量来确定微量物质 应用 难溶化合物溶解度的测定 难挥发物蒸汽压的测定 慢扩散过程中扩散系数的测定 络合物稳定常数的测定 特点 方法简单 测量迅速 准确 2020 2 23 C L Liu 放射性示踪法在化学中的应用 过渡中间体的确定 分子结构研究 用同位素交换反应判别化合物中化学键和原子的异同性 反应动力学中中间产物的鉴别 产生和消失速率的测定 化学反应机理的研究 化学键的形成方式 反应中发生的分子重排 异构 裂解 水解过程 催化反应中的吸附催化机理 2020 2 23 C L Liu 放射性示踪法在化学中的应用 克莱森重排 苯丙烯醚重排成为邻丙烯基苯酚 表面上看 似乎是O CH2键断裂 2020 2 23 C L Liu 放射性示踪法在化学中的应用 将重排产物逐级氧化 确定示踪剂的位置为 说明克莱森重排是分子内重排 2020 2 23 C L Liu 放射性示踪法在化学中的应用 同位素稀释法 将放射性示踪剂与待测物均匀混合后 根据混合前后放射性比活度的变化来计算所测物质的含量 由于放射性示踪剂在分析过程中受到稳定同位素的稀释 其比活度减小 因此称作同位素稀释法 2020 2 23 C L Liu 放射性示踪法在化学中的应用 若无合适的放射性同位素 也可用富集的稳定同位素代替 通过质谱仪分析其稀释前后同位素丰度的变化进行分析 优点 勿需对所测物质进行定量分离 只需分离出一部分纯物质用于比活度测定 可用于各种复杂体系 诸如维生素 氨基酸 抗生素等 有极高的灵敏度 测In的灵敏度达10 11g 2020 2 23 C L Liu 放射性示踪法在化学中的应用 比活度同位素稀释法 在分析样品中加入待测物的放射性示踪剂 充分混匀后分离出一部分纯净待测物 测其比活度 由比活度的变化计算待测物的含量 2020 2 23 C L Liu 放射性示踪法在化学中的应用 2020 2 23 C L Liu 放射性示踪法在化学中的应用 反同位素稀释法 待测物是放射性物质 加入稳定同位素进行稀释 故称反同位素稀释法 2020 2 23 C L Liu 放射性在生物学中的应用 放射性自显影技术 与照相技术类似 利用放射性核素的电离辐射能使照相乳胶感光的原理 显示标本或样品中的放射性分布 实现定位 感光度的强弱与射线的强度 放射性的量 成正比 可进行相对量测量 2020 2 23 C L Liu 放射性核素在医学中的应用 发现放射性核素后不久 人们就将其应用于医学 1926年 Blumgart等首先以226RaC作为示踪剂 测定血液从一臂到另一臂的循环时间 1938年 131I治疗甲状腺机能亢进 1946 1981 全世界100万例 1950 1988 中国6万例 1946年 32P治疗白血病及红细胞增多症 25000例 1951年 自动扫描机研制成功 1956年 照相机研制成功 1960年 建立放射免疫分析方法 1974年 建立放射性核素计算机断层扫描 ECT SPECT PET 2020 2 23 C L Liu 放射性核素在医学中的应用 特点 简便 灵敏 准确 安全 轻松 能反映人体内生化及生理过程 能同时反映出组织和器官的形貌和功能 能提供快速动态变化的信息 并进行定量分析 突出优势 心脏 脑 肿瘤 2020 2 23 C L Liu 放射性核素在医学中的应用 疾病诊断 疾病治疗 核医学显像技术 同位素扫描机 结构简单 适用广泛 借助移动射线探测器在体外依次测量和记录 显示体内放射性核素的分布图像 缺点 分辨率差 扫描时间长 不适合快速动态显像 2020 2 23 C L Liu 放射性核素在医学中的应用 治疗 利用射线的能量进行治疗 体外 刀 将射线聚焦于肿瘤部位 将肿瘤细胞杀死 放射性核素贴敷治疗 在各种形状和大小的贴敷器上放置放射性核素 进行局部贴敷治疗体表癌症 90Sr 射线 穿透深度数毫米 用于治疗表皮毛细血管瘤 2020 2 23 C L Liu 放射性核素在医学中的应用 体内 利用组织对放射性标记化合物的选择性吸收 131I治疗甲状腺癌 32P 进入体内后主要集聚在骨骼 骨髓 肝 脾和淋巴结内 32P用于治疗红细胞增多症 慢性白血病 淋巴瘤 骨髓转移性癌 2020 2 23 C L Liu 放射性废物处置 放射性废物概念放射性废物标准及分类放射性废物处置放射性废物处置库安全评价核素迁移研究 2020 2 23 C L Liu 放射性废物概念 2020 2 23 C L Liu 放射性废物概念 放射性废物 含有放射性核素或被其污染 没有或暂时没有重复利用价值 其放射性浓度 比活度或污染水平超过规定下限值的废弃物 2020 2 23 C L Liu 放射性废物的分级 2020 2 23 C L Liu 放射性固体废物的分级 放射性比活度小于或等于7 4 104Bq kg的固体废物为非放射性固体废物 大于7 4 104Bq kg的或仅含天然辐射体 比活度大于3 7 105Bq kg的为放射性固体废物 放射性固体废物中 超铀核素 原子序数大于92 半衰期大于20a的放射性核素 的放射性比活度大于或等于3 7 106Bq kg的为超铀废物 2020 2 23 C L Liu 放射性固体废物的分级 表面放射性污染水平超过国家关于放射性物质表面污染控制水平规定值 而比活度小于或等于7 4 104Bq kg的固体废物称为放射性污染废物 除超铀废物外 放射性固体废物按其所含寿命最长的放射性核素的半衰 t1 2 长短分为四种 2020 2 23 C L Liu 放射性固体废物的分级 含有半衰期小于或等于60d的放射性核素的废物 按其放射性比活度水平分为三级 第I级 低放废物 7 4 104Bq kg3 7 1011Bq kg 2020 2 23 C L Liu 放射性固体废物的分级 含有半衰期大于60d 小于或等于5a 包括核素钴 60 的放射性核素的废物 按其放射性比活度水平分为三级 第I级 低放废物 7 4 104Bq kg3 7 1011Bq kg 2020 2 23 C L Liu 放射性固体废物的分级 含有半衰期大于5a 小于或等于30a包括核素铯 137 的放射性核素的废物 按其放射性比活度水平分为三级 第I级 低放废物 7 4 104Bq kg3 7 1010Bq kg 2020 2 23 C L Liu 放射性固体废物的分级 含有半衰期大于30a的放射性核素的废物 按其放射性比活度水平分为三级 第I级 低放废物 7 4 104Bq kg3 7 109Bq kg 2020 2 23 C L Liu 放射性废物处理 处置 2020 2 23 C L Liu 放射性废物处理 处置 放射性废物的特点 不能用任何物理的 化学的或生物的方法进行处理来改变其放射性本质 而只能靠其自然衰变 因此 它们与一般的工业废物有着根本的区别 放射性废物治理的目的 保护人类健康和环境 使放射性废物的体积 重量以及废物中所含的放射性核素合理地达到最少化和安全化 不给后代带来不适当的负担或潜在影响 2020 2 23 C L Liu 放射性废物处理 处置 放射性废物处理 处置的基本原则 根据各类废物的放射水平 给予恰当的处理 除低放液体和气载废物可有控制地向环境排放外 其余废物必须转化为不同类型的固化物 经过最优化分析 在保证安全地与生物圈隔离的条件下 以固体废物的形式在环境中处置 并做好长期的管理和监测工作 不得影响工作人员和公众的健康安全 2020 2 23 C L Liu 放射性废物处理 处置 放射性废物处理 处置的基本途径 稀释排放 当放射性废物的量 主要是液态或气态 相对较少 其排放不至于对环境构成潜在危害时 可以采取稀释的方法使废物的放射性水平降低到容许水平以下 排入环境而得以消纳 暂存 在不对周边环境及人群构成危害及潜在危害的情况下 将放射性废物以适当方式放置在暂存场所 使其自然衰变 处置 以适当方式将放射性废物放置在废物库中 使废物与环境隔绝起来 2020 2 23 C L Liu 放射性废物处理 处置 放射性废物处理指标 2020 2 23 C L Liu 放射性废物处理 处置 低放射性废液的处理凝聚沉淀法离子交换法电渗析和反渗透法蒸发法生物化学处理法贮存衰变 2020 2 23 C L Liu 放射性废物处理 处置 贮存衰变有些放射性核素的半衰期较短 如核医学中常用的32P 131I 125I 198Au 99Mo 99mTc等 含这类核素的废液在贮存放置一段时间后 由于不断地衰变而失去放射性 该法的放置时间通常相当于放射性核素的10个半衰期 这一方法简便可靠易行 在医学研究中应用较广泛 1996年我国卫生部文件 GB16360 1996 又进一步明确规定 医用短半衰期放射性废物 其比活度降低到7 4 104Bq kg 可按医用垃圾处理 使得医用放射性废物的处置更趋合理化 低放射性废液经上述净化处理后可向水体排放 经城市下水道排放或直接向江 河 湖 海排放 2020 2 23 C L Liu 放射性废物处理 处置 排放时必须满足3个基本要求 工程设计应保证废水能迅速 均匀 完全地与地面水混合 不会在排放管道内或排放口附近淤积 要根据水体的受纳容量确定废水的许可排放量 要有相应的排放监测及污染调查计划与措施 一般不得采用边排放边稀释方法 将超过排放管理限值的废液排入环境 含有长寿命放射性核素 放射性半衰期大于30年 的废液 严禁向封闭式湖泊排放 低放射性废水向江河的排放必须避开经济鱼类产卵区 水生生物养殖场 盐场 海滨游泳和娱乐场所等 排放口应设在集中取水区的下游 2020 2 23 C L Liu 放射性废物处理 处置 中 高放射性废液的处理 中 高放废液 一般采用固化后永久处置方法进行处置 常用的固化方法有 水泥固化 沥青固化 罐内蒸发固化 煅烧固化和玻璃固化等 2020 2 23 C L Liu 放射性废物处理 处置 气载放射性废物的治理 气载放射性废物 指那些呈气态或蒸气状态的放射性污染物和均匀分布在空气中的放射性悬浮物 如放射性气溶胶和粉尘等 放射性气溶胶 指放射性物质的微粒在1nm 100nm之间 并较均匀地分散在气相中的气载放射性废物 2020 2 23 C L Liu 放射性废物处理 处置 气载放射性废物的特点 可造成更大范围的污染 对周围环境的影响难以控制和预测 气载放射性废物的处理原则 采用除尘设备将放射性废气进行分离或过滤采用化学吸附 吸收等方法将废气中放射性部分转化为液体或固体废物 然后再进一步处理 减少大气中的放射性污染 使排出的放射性物质得到充分的稀释和扩散 防止超过容许浓度的空气污染 保障人类的健康 2020 2 23 C L Liu 放射性废物处理 处置 固体放射性废物的处理 处置 固体放射性废物指那些放射性废渣 报废了的污染设备 污染的劳保用品 含放射性的维修废物 废纸和实验用动物尸体等 对半衰期较短的固体废物 一般采用放置一段时间 待放射性衰变至容许水平后按一般废物处理 而半衰期长的固体废物一般在处置前须进行预处理 如焚烧 2020 2 23 C L Liu 放射性废物处理 处置 低放射性固体废物的处置 半衰期较长的低放射性废物最终都需用埋藏法处置 可燃性废物经焚烧后 体积可缩小到原来的十分之一 对不可燃的固体废物 凡能压缩体积的 埋藏前尽量压缩其体积 目前认为 这类废物直接埋在地下 可以确保安全 埋藏地点应设在偏远地区 以减小对居民的辐射危害 有的地区限于条件 亦可建立地面或地下式仓库 临时贮存固体废物 2020 2 23 C L Liu 低 中放废物近地表处置 2020 2 23 C L Liu 低 中放废物近地表处置 低 中水平放射性废物的处置 低 中放废物是废物中体积最大的一类废物 其体积可达废物总体积的95 除采矿及选矿之外 核活动的每个阶段都产生一定量的低 中放废物 在拥有核武器的国家 低 中放废物主要来自与防御有关的核活动 其次是反应堆运行和核技术应用 而其它国家的低 中放废物则主要来自反应堆运行和核技术应用 目前世界上普遍接受的中低水平放射性废物的处置方法是近地表处置 处置深度一般为几十米 2020 2 23 C L Liu 低 中放废物近地表处置 核电站运行产生的低 中放废物的组成成分3H 14C 54Mn 55Fe 59Fe 58Co 60Co 59N 63N 65Zn 89Sr 90Sr 91Y 95Zr 99Tc 103Ru 106Ru 110mAg 124Sb 125mTe 127mTe 129I 134Cs 135Cs 137Cs 144Ce 234U 235U 238U 237Np 238Pu 239Pu 240Pu 241Pu 241Am 242Cm 244Cm 2020 2 23 C L Liu 低 中放废物近地表处置 低 中水平放射性核素中的主要核素3H 14C 55Fe 60Co 59Ni 63Ni 90Sr 99Tc 129I 134Cs 137Cs 210Pb 226Ra 232Th 234U 235U 238U 237Np 238Pu 239Pu 241Am 2020 2 23 C L Liu 低 中放废物近地表处置 处置方式 依国家的政策和条件 近地表处置方法有不同的形式 主要有简单浅埋 带工程屏障的浅埋和岩洞处置 具体处置方式有地沟处置 土丘处置 隧道处置 混凝土沟槽处置和防水箱处置 地沟处置又包括有构筑物的工程地沟处置和无构筑物的简易地沟处置两类 近地表处置库的具体形式 取决于被处置的废物的类型 物化性质以及基岩的地质和水文地质特性等因素 2020 2 23 C L Liu 低 中放废物近地表处置 简易地沟处置示意图 美国INEL场址 2020 2 23 C L Liu 低 中放废物近地表处置 位于法国LaManche的工程地沟刨面图 2020 2 23 C L Liu 低 中放废物近地表处置 一全地上土丘式处置库实例 2020 2 23 C L Liu 低 中放废物近地表处置 一半地下土丘式处置库实例 2020 2 23 C L Liu 低 中放废物近地表处置 隧道式处置库示意图 2020 2 23 C L Liu 低 中放废物近地表处置 一典型多层顶盖方案图 2020 2 23 C L Liu 近地表处置安全评价 放射性废物被处置之后 人们最关心的是其安全问题 尽管在废物库的设计和建造阶段已经考虑了这个问题 由于事物发展的不可完全预见性 放射性废物被处置之后主要受到两个重要方面的挑战 气候的变化和地质构造的变化 气候的变化将使处置区域的气象条件发生变化 如降雨量增大 温度升高等 地质构造的变化将有可能改变处置区域的地貌 2020 2 23 C L Liu 近地表处置安全评价 安全评价的总的要求是定量回答整个处置库的效能 一个完整的处置库安全评价包括三个基本组成部分 确定导致放射性核素释放的景象及影响因素 估计这些景象的发生概率及其对处置库性能的影响 计算放射性核素释放后对环境和人群造成的后果安全评价最终将给出处置库在一定的时间范围内对特定人群造成的吸受剂量 2020 2 23 C L Liu 高水平放射性废物地质处置 2020 2 23 C L Liu 高水平放射性废物地质处置 目前普遍接受的 较为可行的处置方法为地质处置 处置深度一般为500 1000米 处置岩体依国家和地区的不同而不同 瑞典 法国 加拿大和瑞士选用花岗岩 德国选用岩盐 美国选用凝灰岩 比利时则选用粘土岩 研究的侧重点也因此不尽相同 根据我国的具体情况 经区域筛选和地段筛选后 目前普遍认为甘肃北山地区是一个较适宜最终处置高放废物的地区 处置库围岩为岩性单一的花岗岩 2020 2 23 C L Liu 高放废物地质处置库模型 StorageFacility WIPP inNM 2020 2 23 C L Liu 高放废物地质处置库模型 WasteCanistersintheStorageFacility 2020 2 23 C L Liu 高放废物地质处置库模型 ContainersforTransuranicWaste 2020 2 23 C L Liu 高放废物地质处置库模型 2020 2 23 C L Liu 高放废物地质处置库模型 Waste DisposalSiteatYuccaMt 2020 2 23 C L Liu 目前美国废物暂存状况 Tempo