核輻射與核安全

■文/吳鐵民

一、核輻射

1、化學(xué)元素、同位素、核素

地球上有92種天然的化學(xué)元素，它們組成了地球上的所有物質(zhì)。在化學(xué)元素周期表中，原子質(zhì)量最輕的是氫，其相對(duì)質(zhì)量值為1，排在第一位；最重的是鈾，原子相對(duì)質(zhì)量為238，排在第92位；原子相對(duì)質(zhì)量大于鈾的是超鈾元素，它們是人工核反應(yīng)的產(chǎn)物。元素在周期表中的排序，稱原子序數(shù)。

原子由質(zhì)子、中子和電子組成，質(zhì)子和中子構(gòu)成原子核，原子的質(zhì)量集中在原子核，核外電子的質(zhì)量小至可以忽略不計(jì)；而質(zhì)子和中子的質(zhì)量相等。原子序數(shù)代表原子核中的質(zhì)子數(shù)。但是，同一原子序數(shù)的原子，其質(zhì)量不完全相同。質(zhì)量數(shù)大于原子序數(shù)的原子，表明核中的中子數(shù)多于質(zhì)子數(shù)。原子序數(shù)相同，質(zhì)量數(shù)不同(即核中的中子數(shù)不同)的一類原子，它們之間互稱同位素、某種元素有幾種同位素，就有幾種核素。對(duì)某種元素，只是書(shū)寫(xiě)其名詞，如“碘”，表明該元素是碘；如果元素名稱后或它的符號(hào)的左上角標(biāo)出了它的原子相對(duì)質(zhì)量，如“碘-1311”、或1311,既表明它是碘的同位素，是核素，天然元素只有92種，而所有天然元素(除鋰外)都有3種或3種以上的同位素，所以天然核素有300多種。

天然核素中大多數(shù)不發(fā)生核輻射，稱非放(射性)核素；而有一部分在不斷地發(fā)生核裂變而發(fā)生核輻射，稱放射性核素。如氫有3個(gè)同位素，即有3個(gè)核素：氫—1、氫—2(氘)是非放核素，氫—3(氚)是放射性核素；而天然鈾的3個(gè)同位素鈾-234、鈾-235和鈾-238．都是放射性核素。

2．放射性、電離輻射、枉輻射

放射性(線)和電離輻射是同類物質(zhì)狀態(tài)的不同稱謂，它包括x射線(光)、α射線、β射線、γ射線以及中子射線，核輻射不包括x射線。因?yàn)閤射線是電子“躍遷”時(shí)釋放的多余能量，而不是核裂變所釋出的能量。

放射性(線)是電磁波系列中波長(zhǎng)最短的一組電磁波。電磁波從長(zhǎng)波到短波，依次是：無(wú)線電波(長(zhǎng)波、中波、短波、超短波)．微波、遠(yuǎn)紅外線、紅外線、可見(jiàn)光線、紫外線、x射線、β射線。電磁波波長(zhǎng)范圍從幾百千米到幾百萬(wàn)億分之一米。從無(wú)線電波到紫外線的電磁波，不會(huì)使物質(zhì)的分子或原子電離，它們的輻射稱電磁輻射；x射線和核輻射，它們可以把受輻射物質(zhì)的分子或原子電離，所以，這一組電磁波的輻射，稱電離輻射；x射線只要停機(jī)，即刻消失；而核輻射是由放射性核素自發(fā)的核裂變產(chǎn)生的，即使是中子激活后的核輻射，也無(wú)法使其停止核輻射。

3、天然核輻射和人工核輻射

現(xiàn)代社會(huì)環(huán)境中的核輻射，由天然核輻射和人工核輻射構(gòu)成。

(1)天然核輻射

天然核輻射來(lái)自于太空和地球本身。來(lái)自于太空的宇宙射線，其主要形式是γ射線，由太陽(yáng)的核聚變和宇生放射性核素產(chǎn)出，所以，地勢(shì)高的地區(qū)(如青藏高原)核輻射“本底”高于海拔高度低的地區(qū)；地勢(shì)每升高1500米，太空核輻射強(qiáng)度增加l倍。

地球上存在三大放射系：鈾系、錒系和釷系，它們的母體分別是鈾-238、鈾-235和釷-232。三大系共有45種放射性核素。此外，還有鉀-40和碳-14。這些核素分布在巖石、土壤、水、大氣和動(dòng)植物體內(nèi)，同時(shí)在不停地向周圍照射。

天然核輻射構(gòu)成了某一地區(qū)的核輻射“本底”，我國(guó)的平均值為每年2．4毫希伏，但因地而異，有的地區(qū)“本底”每年達(dá)4毫希伏左右，甚至更高。

(2)人工核輻射

自1919年盧瑟福實(shí)現(xiàn)了人工核反應(yīng)后，地球上的放射性核素開(kāi)始大量涌現(xiàn)；如今，地球上不僅有近50種天然放射性核素，更有2000多種人工放射性核素，從而增加了環(huán)境中的核輻射劑量。

軍用核設(shè)施和核電，是人工核輻射的主要來(lái)源。核電站的“乏燃料中包含了所有放射性核素”（《核工業(yè)報(bào)》)2011年3月2日第3版)。日本福島第一核電站的七級(jí)(最高級(jí))

核泄漏事故，史無(wú)前例使公眾知曉了核輻射，碘-131、銫-137成為人們耳熟能詳?shù)拿~。事實(shí)上，來(lái)自核電乏燃料中的放射性核素，又何止這兩種，其它的如氫—3(氚)，氪-85、86、88．氙—133、135、139，銣-106，銫-134，鍶-89、90、93、95，鋯-95．碲-132，碘-133，鋇-140，鑭-140、141、142、143、144，鈰-144等等，都或多或少地存在，只是其量極微囿于儀器的靈敏度，未能檢出而已。

放射性核素在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域中的普遍應(yīng)用，以及開(kāi)礦、冶煉、燃煤等生產(chǎn)活動(dòng)，推波助瀾地增加了環(huán)境中的核輻射劑量。

二、核輻射劑量與計(jì)量

1．核輻射劑量

劑量是指藥物、毒物或射線所施加給生物的分量，核輻射劑量就是核輻射施加給動(dòng)植物的分量(能量)。d

2．核輻射計(jì)量

計(jì)量，是測(cè)量的近義詞；它屬于測(cè)量，源于測(cè)量，又嚴(yán)于測(cè)量。其內(nèi)涵是：用持有已知量的物質(zhì)(標(biāo)準(zhǔn)物)與同類物質(zhì)相比較的測(cè)量，要求單位統(tǒng)一和量值準(zhǔn)確可靠。同一種計(jì)量操作，有時(shí)是檢測(cè)，有時(shí)是監(jiān)測(cè)，對(duì)核地質(zhì)樣品的核輻射測(cè)量是檢測(cè)——目的在于確定樣品中放射性元素或放射性核素的含量；而監(jiān)管部門對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)和環(huán)境質(zhì)量的測(cè)量，是監(jiān)測(cè)(監(jiān)視、監(jiān)督測(cè)量)。環(huán)保部門對(duì)環(huán)境中核輻射的測(cè)量，稱核輻射監(jiān)測(cè)。

電離輻射計(jì)量是十大技術(shù)計(jì)量之一，它涉及很多計(jì)量單位。2011年3-4月在媒體上頻頻出現(xiàn)的核輻射劑量的計(jì)量單位，主要有3個(gè)：貝可（勒爾）、戈瑞和希沃（特）。

貝可是某物質(zhì)的放射性活度單位，如該物質(zhì)每秒鐘衰變1次，即是1貝可。已不再使用的放射性活度的最大計(jì)量單位是居里，1居里是1克鐳-226的放射性活度，等于370億貝可，它相當(dāng)于2．97噸鈾—238的活度。對(duì)于具體物質(zhì)的活度，須依據(jù)監(jiān)測(cè)對(duì)象，用質(zhì)量活度(比活度)一貝可/公斤、表面活度一貝可/平方米或活度濃度——貝可／立方米或升表示。

戈瑞是核輻射的吸收劑量的計(jì)量單位。每公斤物體吸收了1焦耳的輻射能為1戈瑞，在一般的測(cè)量中，常用納(十億分之一)戈瑞，微(百萬(wàn)分之一)戈瑞和毫(干分之一)戈瑞表示。

希沃是核輻射當(dāng)量劑量的計(jì)量單位，僅適用于輻射防護(hù)劑量限值范圍，不適用于大劑量放射性的情況。通常把γ劑量率儀所測(cè)得的每小時(shí)納戈瑞數(shù)換算成每年毫希伏值報(bào) 出。事實(shí)上，所測(cè)得的吸收劑量須乘以“品質(zhì)因子” (對(duì)人體損傷有效性的倍數(shù))和“修正因子”后才是當(dāng)量劑量；同時(shí)，在數(shù)值上會(huì)大于吸收劑量。因?yàn)?，中子、質(zhì)子射線的品質(zhì)因子是γ、β射線的10倍。α射線的品質(zhì)因子是20。一般情況下，戈瑞和希沃在數(shù)值上相等。

輻射防護(hù)規(guī)定：公眾所容許的電離輻射的當(dāng)量劑量限值是每年1毫希沃(扣除本底后，下同)，職業(yè)照射當(dāng)量劑量限值為1年內(nèi)的均值是每年20毫希伏，但其中一年不得超過(guò)50毫希沃。

三、核安全

核安全因素來(lái)自于兩大領(lǐng)域：以核電為代表的各種核設(shè)施和遍及各地、廣泛應(yīng)用的各種核輻射源。

我國(guó)的核電起步較晚，自1986年4月26日烏克蘭切爾諾貝利核電站4號(hào)堆爆炸而造成極其重大(七級(jí))核事故后，此后核電站設(shè)計(jì)的安全目標(biāo)，在原有的基礎(chǔ)上提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)：堆芯融化概率為10-5/堆?年，大量釋放放射性(相當(dāng)七級(jí))概率為10-6/堆?年。我國(guó)的在役，在建、擬建的核電站，均按照新的安全標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計(jì)和建造，它們各有幾乎確保萬(wàn)無(wú)一失的縱深防御體系和科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)、有效的應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制。

在核安全的縱深防御方面，首先是建立了安全體系：在反應(yīng)堆與外部環(huán)境之間，第—道屏障是將燃料氧化鈾燒結(jié)在陶瓷芯塊中；第二道屏障是燃料包殼，把燃料芯塊密封在高強(qiáng)度的鋯合金包殼中；第三道屏障是壓力容器和管道所構(gòu)成的反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)，將核燃料封閉在厚度為20多厘米的鋼質(zhì)耐高壓的系統(tǒng)中；第四道屏障是反應(yīng)堆安全殼，100萬(wàn)千瓦壓水堆的安全殼高達(dá)60-70米，直徑30-40米，外壁用1米厚的鋼筋混凝土砌成，內(nèi)壁襯以6—7毫米厚的鋼板。安全殼內(nèi)壁與壓力容器之間的空間是日本福島核電站反應(yīng)堆的2倍。四道屏障確保能抗擊外來(lái)的各種打擊和內(nèi)部放射性物質(zhì)不會(huì)外泄。

此外，核島外還設(shè)了隔離系統(tǒng)、自動(dòng)注(硼)水系統(tǒng)、通風(fēng)和噴淋系統(tǒng)、消氫系統(tǒng)，抗震、防海嘯設(shè)計(jì)都基于最嚴(yán)重的情況。

在應(yīng)急響應(yīng)方面．各核電站有嚴(yán)密的組織系統(tǒng)和運(yùn)行機(jī)制，備有數(shù)量足夠的、經(jīng)嚴(yán)格培訓(xùn)后能管理嚴(yán)重事故的人員，備有按國(guó)家核安全法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)制定的核安全應(yīng)急預(yù)案；廠區(qū)內(nèi)設(shè)有多個(gè)核安全監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在廠外設(shè)有總監(jiān)測(cè)站，實(shí)施全天候核安全監(jiān)測(cè)；每年，還舉行幾次核安全事故的應(yīng)急響應(yīng)的演習(xí)。居安思危，防患于未然，核電的安全處于國(guó)際和國(guó)家的安全管理體系之中，它發(fā)生5級(jí)以上的核安全事故的概率很小。而藏有隱憂的是數(shù)萬(wàn)個(gè)在役核輻射源。盡管大多數(shù)單位持有“放射性同位素應(yīng)用許可證”，但往往缺乏嚴(yán)管，對(duì)《放射性污染防治法》和G B l8871-2002(電離輻射防護(hù)和輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn))等法律法規(guī)，也不甚熟知，小規(guī)模的核安全事故時(shí)有發(fā)生：如建筑工地上輻射源丟失使人致傷，管理上—源多號(hào)；河南杞縣的鈷-60源因無(wú)法回井而造成全縣恐慌。在廣州輻射技術(shù)研究中心因鉆源無(wú)法回井而引發(fā)大火等等。所以，加強(qiáng)普遍應(yīng)用的核輻射源的統(tǒng)一有效監(jiān)管，是核安全的重要任務(wù)之一。

為確保核安全，必須加強(qiáng)核輻射監(jiān)測(cè)。設(shè)立固定的和流動(dòng)的監(jiān)測(cè)站。前者主要監(jiān)測(cè)大型核設(shè)施的核安全狀態(tài)，后者主要對(duì)核輻射源應(yīng)用單位核安全狀態(tài)的監(jiān)視。只有做到事先預(yù)防，才能使核安全事故的概率降至最小。例行監(jiān)測(cè)可以只測(cè)γ輻射劑量率，只要儀器顯示值每小時(shí)小于114納戈瑞，就可以公告公眾：本地核輻射環(huán)境安好。γ輻射劑量率是各種放射性核素貢獻(xiàn)的放射性的總和。如果需了解哪些具體的放射性核素，為碘-131、-137等，則應(yīng)配備適宜的大氣取樣器、測(cè)量前的預(yù)處理設(shè)備和數(shù)倍于1024道的多道能譜儀以及相應(yīng)的人員。