Første direkte billeddannelse af radioaktive cæsiumatomer i miljøprøver

Tretten år efter atomkatastrofen ved Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant (FDNPP) har et gennembrud i analyse muliggjort en verdensnyhed:direkte billeddannelse af radioaktive cæsium (Cs)-atomer i miljøprøver.

Analysen, afsluttet af et team af forskere i Japan, Finland, Amerika og Frankrig, der analyserer materialer, der udsendes fra de beskadigede FDNPP-reaktorer, afslører vigtig indsigt i de vedvarende miljømæssige og radioaktive affaldshåndteringsudfordringer, som Japan står over for.

Undersøgelsen, med titlen "'Usynlige' radioaktive cæsiumatomer afslørede:Pollucite inklusion i cæsiumrige mikropartikler (CsMP'er) fra Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant" er netop blevet offentliggjort i Journal of Hazardous Materials .

I 2011, efter det store Tōhoku-jordskælv og tsunami, gennemgik 3 atomreaktorer ved FDNPP nedsmeltning på grund af tab af reservekraft og afkøling. Siden da har en omfattende forskningsindsats fokuseret på at forstå egenskaberne af brændstofrester (blandingen af ​​smeltet nukleart brændsel og strukturelle materialer), der findes i de beskadigede reaktorer. Det affald skal omhyggeligt fjernes og bortskaffes.

Der er dog stadig mange usikkerhedsmomenter med hensyn til den fysiske og kemiske tilstand af brændstofrester, og dette komplicerer i høj grad indsamlingsarbejdet.

Forsøg på at forstå radioaktivt cæsiums kemi resulterer i en verdensnyhed

En betydelig mængde radioaktivt Cs blev frigivet fra de beskadigede Fukushima Daiichi-reaktorer i partikelform. Partiklerne, kaldet Cs-rige mikropartikler (CsMP'er), er dårligt opløselige, små (<5 µm) og har en glaslignende sammensætning.

Prof. Satoshi Utsunomiya fra Kyushu University, Japan, ledede den aktuelle undersøgelse. Han forklarede, at CsMP'erne "dannes i bunden af ​​de beskadigede reaktorer under nedsmeltningerne, da smeltet nukleart brændsel ramte beton."

Efter dannelsen gik mange CsMP'er tabt fra reaktorindeslutningen til det omgivende miljø.

Hvordan blev billedet oprettet?

Detaljeret karakterisering af CsMP'er har afsløret vigtige spor om mekanismerne og omfanget af nedsmeltningerne. På trods af rigelige mængder C'er i mikropartiklerne, har direkte billeddannelse af radioaktivt C'er i partiklerne i atomskala vist sig umulig.

Prof. Gareth Law, en studiesamarbejdspartner fra Helsinki Universitet, forklarede, at "det betyder, at vi mangler fuld information om den kemiske form af Cs i partiklerne og brændstofrester."

Utsunomiya sagde:"Mens Cs i partiklerne er til stede i rimeligt høje koncentrationer, er det ofte stadig for lavt til vellykket billeddannelse på atomare skala ved brug af avancerede elektronmikroskopiteknikker. Når Cs findes i en høj nok koncentration, har vi fundet ud af, at elektronstrålen beskadiger prøven, hvilket gør resulterende data ubrugelige."

I holdets tidligere arbejde med et avanceret højopløsnings-højvinklet ringformet mørkfelt-scanningstransmissionselektronmikroskop (HR-HAADF-STEM) fandt de imidlertid indeslutninger af et mineral kaldet pollucite (en zeolit) inden for CsMP'er.

Law forklarede, at "i tidligere analyser viste vi, at de jernrige forurenende indeslutninger i CsMP'erne indeholdt>20 vægt% C'er. I naturen er pollucit generelt rig på aluminium. Pollucitten i CsMP'erne var klart anderledes end den i naturen, hvilket indikerer det dannede sig i reaktorerne.

"Fordi vi vidste, at det meste af Cs i CsMP'er er afledt af fission, troede vi, at analyse af forurening kunne give de første direkte billeder nogensinde af radioaktive Cs-atomer."

Zeolitter kan blive amorfe, når de udsættes for elektronstrålebestråling, men den skade er relateret til zeolittens sammensætning, og holdet fandt ud af, at nogle forurenede indeslutninger var stabile i elektronstrålen.

Efter at have lært dette og informeret ved modellering gik holdet i gang med omhyggelig analyse, der så Utsunomiya, kandidatstuderende Kanako Miyazaki og holdet endelig afbilde radioaktive Cs-atomer.

Utsunomiya forklarede:"Det var utroligt spændende at se det smukke mønster af Cs-atomer i den forurenede struktur, hvor omkring halvdelen af ​​atomerne på billedet svarer til radioaktive Cs. Det er første gang, mennesker direkte har afbildet radioaktive Cs-atomer i et miljø. prøve.

"At finde koncentrationer af radioaktive C'er høje nok i miljøprøver til at tillade direkte billeddannelse er usædvanligt og byder på sikkerhedsproblemer. Selvom det var spændende at lave et videnskabeligt verdensførste billede, er det samtidig trist, at dette kun var muligt på grund af en atomkraft. ulykke."

Mere end et billeddannelsesgennembrud

Utsunomiya understregede, at undersøgelsens resultater er bredere end blot billeddannelse af radioaktive Cs-atomer. "Vores arbejde kaster lys over forurenende dannelse og den sandsynlige heterogenitet af Cs-fordeling inden for FDNPP-reaktorerne og miljøet."

Law sagde:"Vi påviser utvetydigt en ny Cs-forekomst forbundet med materialer, der udsendes fra FDNPP-reaktorerne. At finde Cs, der indeholder pollucit i CsMP'er, betyder sandsynligvis, at det også forbliver i de beskadigede reaktorer; som sådan kan dets egenskaber nu overvejes ved reaktornedlukning og affaldshåndteringsstrategier."

Samarbejdspartner emeritus prof. Bernd Grambow fra Subatech, IMT Atlantique Nantes University, tilføjede:"Vi bør nu også begynde at overveje miljøadfærden eller Cs-pollucite og dens mulige påvirkninger. Den opfører sig sandsynligvis anderledes end andre former for Cs-nedfald, der er dokumenteret indtil videre.

"Det kan også være nødvendigt at overveje virkningen på menneskers sundhed. Den kemiske reaktivitet af pollucit i miljøet og i kropsvæsker er bestemt anderledes end andre former for aflejret radioaktivt Cs."

Til slut understregede prof. Rod Ewing fra Stanford University, da han reflekterede over undersøgelsens betydning, det presserende behov for fortsat forskning for at informere om strategier for fjernelse af affald og miljøsanering. "Igen ser vi, at internationale videnskabsmænds smertefulde analytiske indsats virkelig kan låse op for mysterierne om atomulykker og hjælpe med langsigtede genopretningsbestræbelser."

Flere oplysninger: Kanako Miyazaki et al, "Usynlige" radioaktive cæsiumatomer afslørede:Pollucite inklusion i cæsiumrige mikropartikler (CsMP'er) fra Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant, Journal of Hazardous Materials (2024). DOI:10.1016/j.jhazmat.2024.134104

Journaloplysninger: Journal of Hazardous Materials

Leveret af University of Helsinki