碘-129在环境介质中的化学形态与迁移特性研究

Iodine-129 is the only long-lived isotopes of iodine with a half-life of 1.57×10^(-10) year. Its chemical speciation and migration in environmental media related to nuclear fuel reprocessing and high-level radioactive waste disposal is investigated by highly sensitive accelerator mass spectrometry. Through research on the absorption of iodine on anion exchange resin, absorption of iodine molecule on silver powder, AgCl-AgI coprecipitation, and sequential extraction technology, the influence of concentration and flow velocity of eluent, diameter of silver powder, concentration of Cl anion, and time needed for dissolution on recovery of iodine or separation efficiency of various iodine-129 speciation is analyzed quantitively by using iodine-125 as a tracer. The method used to prepare sample or to separate various speciation of iodine-129 in environmental sample is established without adding any iodine-127 carrier. Furthermore, the diffusion and sorption behavior of iodine-129 in bentonite, granite or other medium is studied by a through-diffusion experiment. Several key parameters for iodine-129 migration are determined, such as effective diffusion coefficient, rock capacity factor and distribution coefficient. Meanwhile, combined with the need for practical application, the migration of iodine-129 in lake water and soil from real environment is investigated, and the potential speciation transformation of odine-129 during migration is discussed. Compared the diffusion and sorption behavior of iodine-129 with that of iodine-125, which has been reported widely in the world, the similarity or difference between two isotope migrations is discussed. The work attempts to provide reliable data and theoretical guidance for the safety of nuclear fuel reprocessing and radioactive waste disposal in our country.

本项目基于超灵敏的加速器质谱技术，开展核燃料后处理和高放废物地质处置等核活动释放的长寿命放射性核素碘-129在相关环境介质中的化学形态与迁移特性研究。通过碘-125示踪技术，定量分析阴离子树脂交换吸附、银粉吸附、共沉淀和逐级浸取等方法中洗脱液浓度和过柱速度、银粉颗粒大小、氯离子浓度和浸取温度等参数对碘回收率和分离效率的影响，建立起环境样品中不添加任何载体的碘-129提取制样方法和化学形态分离方法。在此基础上，通过贯穿扩散实验，研究碘-129在膨润土、花岗岩等环境介质中的吸附、扩散行为，获得表征碘-129迁移属性的有效扩散系数、容量因子和分配系数等关键参数。同时结合实际应用需求，开展碘-129在真实环境湖水、土壤等中的迁移扩散研究。对比获得的碘-129的迁移扩散数据和国际上已有的碘-125的数据，分析其迁移规律的异同。研究可为我国核燃料乏燃料科学安全地处理与处置提供重要的基础数据和理论指导。

本项目开展了环境样品中不同形态I-129的分离提取方法、无载体的加速器质谱（AMS）制样方法以及I-129的迁移特性等研究。.在不同形态I-129的分离提取方面，重点研究了选择性共沉淀方法。优化了NaHSO3和AgNO3用量以及pH值等参数，建立了海水中I-和IO3-的分离提取流程，并通过AMS测量与离子树脂交换吸附方法的分离效果进行了对比。结果显示NaHSO3浓度在0.3～0.5mmol/L之间，pH值在4.2～5.6之间，Ag+的浓度为100 mg/L左右，可有效分离海水中I-和IO3-，交叉污染小于5%。.在I-129的无载体制样方法方面，重点研究了银粉吸附方法。系统优化了银粉粒径、搅拌速率、阴离子种类、pH值、制样温度、反应时间和水样体积等参数。结果显示，对于小体积水样，银粉吸附方法的碘回收率可以达到90%以上。相比共沉淀和萃取方法，银粉吸附方法具有制样周期短、碘回收率高和操作量化程度高等优点。扫描电镜和X射线光电子能谱（XPS）的表征分析揭示该方法的主要机理是：银粉颗粒在硝酸和亚硝酸的作用下部分溶解，溶解产生的银离子会与氯、溴、碘离子发生反应形成卤化银，离心时随银粉颗粒一起被分离。利用I-129标准样品和海水样品，通过AMS测量验证了银粉吸附方法制样的可行性和可靠性，给出了相应的AMS检出限。.在I-129的迁移特性方面，重点研究了I-125（代替I-129）在高庙子（GMZ）膨润土中的迁移行为。采用穿透扩散方法的研究表明，降低溶液的pH值、延长腐殖酸与I-125的相互作用时间和添加碳酸根离子等均会不同程度的减小I-125有效扩散系数，即增强GMZ膨润土的阻滞能力。在GMZ膨润土中添加铁氧化物、铁矿物、氧化亚铜和黄铜矿等物质也会起增强作用，其中以添加氧化亚铜和黄铜矿的作用最为明显， 有效扩散系数减小了近一个量级。采用第一性原理计算方法进一步研究了不同形态碘在氧化亚铜（Cu2O）和黄铜矿（CuFeS2）表面的相互作用。研究表明：Cu2O(100) 表面氧原子位和(111)表面配位未饱和铜原子位是I2的最优吸附位；CuFeS2(001)表面的金属原子位均具有良好的碘阴离子吸附能力，其中表面铜原子位和铁原子位分别是I-和IO3-的优势吸附位；吸附原子与表面原子价电子之间的轨道杂化是吸附作用的本质原因。批式吸附实验产物的XPS表征分析结果与理论计算相相符合。