核輻射與核安全

■文/吳鐵民

一、核輻射

1、化學元素、同位素、核素

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

原子由質子、中子和電子組成，質子和中子構成原子核，原子的質量集中在原子核，核外電子的質量小至可以忽略不計；而質子和中子的質量相等。原子序數代表原子核中的質子數。但是，同一原子序數的原子，其質量不完全相同。質量數大于原子序數的原子，表明核中的中子數多于質子數。原子序數相同，質量數不同(即核中的中子數不同)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。對某種元素，只是書寫其名詞，如“碘”，表明該元素是碘；如果元素名稱后或它的符號的左上角標出了它的原子相對質量，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。

天然核素中大多數不發生核輻射，稱非放(射性)核素；而有一部分在不斷地發生核裂變而發生核輻射，稱放射性核素。如氫有3個同位素，即有3個核素：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狀態的不同稱謂，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。因為x射線是電子“躍遷”時釋放的多余能量，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最短的一組電磁波。電磁波從長波到短波，依次是：無線電波(長波、中波、短波、超短波)．微波、遠紅外線、紅外線、可見光線、紫外線、x射線、β射線。電磁波波長范圍從幾百千米到幾百萬億分之一米。從無線電波到紫外線的電磁波，不會使物質的分子或原子電離，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，即刻消失；而核輻射是由放射性核素自發的核裂變產生的，即使是中子激活后的核輻射，也無法使其停止核輻射。

3、天然核輻射和人工核輻射

現代社會環境中的核輻射，由天然核輻射和人工核輻射構成。

(1)天然核輻射

天然核輻射來自于太空和地球本身。來自于太空的宇宙射線，其主要形式是γ射線，由太陽的核聚變和宇生放射性核素產出，所以，地勢高的地區(如青藏高原)核輻射“本底”高于海拔高度低的地區；地勢每升高1500米，太空核輻射強度增加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、大氣和動植物體內，同時在不停地向周圍照射。

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

(2)人工核輻射

自1919年盧瑟福實現了人工核反應后，地球上的放射性核素開始大量涌現；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，從而增加了環境中的核輻射劑量。

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

核泄漏事故，史無前例使公眾知曉了核輻射，碘-131、銫-137成為人們耳熟能詳的名詞。事實上，來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、農業、醫療等領域中的普遍應用，以及開礦、冶煉、燃煤等生產活動，推波助瀾地增加了環境中的核輻射劑量。

二、核輻射劑量與計量

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植物的分量(能量)。d

2．核輻射計量

計量，是測量的近義詞；它屬于測量，源于測量，又嚴于測量。其內涵是：用持有已知量的物質(標準物)與同類物質相比較的測量，要求單位統一和量值準確可靠。同一種計量操作，有時是檢測，有時是監測，對核地質樣品的核輻射測量是檢測——目的在于確定樣品中放射性元素或放射性核素的含量；而監管部門對產品品質和環境質量的測量，是監測(監視、監督測量)。環保部門對環境中核輻射的測量，稱核輻射監測。

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

貝可是某物質的放射性活度單位，如該物質每秒鐘衰變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，它相當于2．97噸鈾—238的活度。對于具體物質的活度，須依據監測對象，用質量活度(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，在一般的測量中，常用納(十億分之一)戈瑞，微(百萬分之一)戈瑞和毫(干分之一)戈瑞表示。

希沃是核輻射當量劑量的計量單位，僅適用于輻射防護劑量限值范圍，不適用于大劑量放射性的情況。通常把γ劑量率儀所測得的每小時納戈瑞數換算成每年毫希伏值報 出。事實上，所測得的吸收劑量須乘以“品質因子” (對人體損傷有效性的倍數)和“修正因子”后才是當量劑量；同時，在數值上會大于吸收劑量。因為，中子、質子射線的品質因子是γ、β射線的10倍。α射線的品質因子是20。一般情況下，戈瑞和希沃在數值上相等。

輻射防護規定：公眾所容許的電離輻射的當量劑量限值是每年1毫希沃(扣除本底后，下同)，職業照射當量劑量限值為1年內的均值是每年20毫希伏，但其中一年不得超過50毫希沃。

三、核安全

核安全因素來自于兩大領域：以核電為代表的各種核設施和遍及各地、廣泛應用的各種核輻射源。

我國的核電起步較晚，自1986年4月26日烏克蘭切爾諾貝利核電站4號堆爆炸而造成極其重大(七級)核事故后，此后核電站設計的安全目標，在原有的基礎上提高了一個數量級：堆芯融化概率為10-5/堆?年，大量釋放放射性(相當七級)概率為10-6/堆?年。我國的在役，在建、擬建的核電站，均按照新的安全標準要求設計和建造，它們各有幾乎確保萬無一失的縱深防御體系和科學、嚴謹、有效的應急響應機制。

在核安全的縱深防御方面，首先是建立了安全體系：在反應堆與外部環境之間，第—道屏障是將燃料氧化鈾燒結在陶瓷芯塊中；第二道屏障是燃料包殼，把燃料芯塊密封在高強度的鋯合金包殼中；第三道屏障是壓力容器和管道所構成的反應堆冷卻系統，將核燃料封閉在厚度為20多厘米的鋼質耐高壓的系統中；第四道屏障是反應堆安全殼，100萬千瓦壓水堆的安全殼高達60-70米，直徑30-40米，外壁用1米厚的鋼筋混凝土砌成，內壁襯以6—7毫米厚的鋼板。安全殼內壁與壓力容器之間的空間是日本福島核電站反應堆的2倍。四道屏障確保能抗擊外來的各種打擊和內部放射性物質不會外泄。

此外，核島外還設了隔離系統、自動注(硼)水系統、通風和噴淋系統、消氫系統，抗震、防海嘯設計都基于最嚴重的情況。

在應急響應方面．各核電站有嚴密的組織系統和運行機制，備有數量足夠的、經嚴格培訓后能管理嚴重事故的人員，備有按國家核安全法規和標準制定的核安全應急預案；廠區內設有多個核安全監測點，在廠外設有總監測站，實施全天候核安全監測；每年，還舉行幾次核安全事故的應急響應的演習。居安思危，防患于未然，核電的安全處于國際和國家的安全管理體系之中，它發生5級以上的核安全事故的概率很小。而藏有隱憂的是數萬個在役核輻射源。盡管大多數單位持有“放射性同位素應用許可證”，但往往缺乏嚴管，對《放射性污染防治法》和G B l8871-2002(電離輻射防護和輻射源安全基本標準)等法律法規，也不甚熟知，小規模的核安全事故時有發生：如建筑工地上輻射源丟失使人致傷，管理上—源多號；河南杞縣的鈷-60源因無法回井而造成全縣恐慌。在廣州輻射技術研究中心因鉆源無法回井而引發大火等等。所以，加強普遍應用的核輻射源的統一有效監管，是核安全的重要任務之一。

為確保核安全，必須加強核輻射監測。設立固定的和流動的監測站。前者主要監測大型核設施的核安全狀態，后者主要對核輻射源應用單位核安全狀態的監視。只有做到事先預防，才能使核安全事故的概率降至最小。例行監測可以只測γ輻射劑量率，只要儀器顯示值每小時小于114納戈瑞，就可以公告公眾：本地核輻射環境安好。γ輻射劑量率是各種放射性核素貢獻的放射性的總和。如果需了解哪些具體的放射性核素，為碘-131、-137等，則應配備適宜的大氣取樣器、測量前的預處理設備和數倍于1024道的多道能譜儀以及相應的人員。