核辐射的应用与防护

房豪杰

（1.上海电气环保集团，上海201108；2.上海环保工程成套有限公司，上海201108）

2011年3月11 日14时46分左右，日本东北地区宫城县北部发生里氏9.0级特大地震，地震造成福岛核电站受损并发生核泄漏，核扩散引发当地居民以及临近国家民众的紧张。

在人类活动对自然环境造成的物理性污染中，核污染可以算是危害最大，最受重视的一项。所谓“核污染”是“放射性核同位素污染”的简称，指人工生成或天然放射性核同位素在环境中的扩散。因为其放射性发自于这些元素的原子核内部，最大的污染源自核武器的爆炸及核反应堆，人们习惯把放射性核同位素简称放射性核素，其污染简称为核辐射污染[1]。

1 核辐射的应用

1.1 核辐射技术在工业发展中的应用

核能迄今为止被认为是最新式、最干净、最方便、最安全、成本低的可持续能源。目前，核技术在工业发展方面有着广泛的应用。

（1）核辐射能谱型测井。核测井技术是随着当代科技的发展，以及它在铀矿、石油煤炭、煤气层等矿产勘探领域的应用而迅速发展起来的尖端技术之一。它主要研究天然产生或者人工激发（或活化）的核辐射沿井轴的分布规律，确定该地层中是否含有某些核素（或元素），以及确定它们的含量的一种无损检测方法，它能够实现地下资源的快速勘察与特殊元素（如铀、钾等）的定量评价。近年来，在油气勘探中新出现的核辐射测井技术：地层元素测井（或称地球化学测井），还能够确定主要的造岩矿化元素的含量，以研究油气生成和存储的沉积环境。核辐射能谱型测井具体内容如图1所示。

图1 核辐射能谱型测井图解

（2）双能成像物质识别。利用双能X射线成像技术检测行李货物时，可以测得被检物的等效原子序数，实现物质识别，其中双能X射线的能谱特性和差异对物质识别精度起决定性作用。高能X射线与物质发生相互作用产生的前向小角度散射的能量显著低于初始入射射线的能量，与初始射线束匹配，可实现双能成像物质识别。X射线检测系统如图2所示。

图2 X射线检测系统

（3）同位素井间示踪。对于注水开发油田，由于油藏平面上和纵向上非均质，油水黏度的差别和注采井组内部的不平衡，造成注入水在平面上向生产井方向的舌进现象和在纵向上沿高渗透层的突进现象，大大降低了驱油效率。为了提高驱油效率，井间示踪剂检测技术就是近年来发展起来的开展油藏评价工作用公认的、最直接有效地手段之一。井间示踪测试时，为了跟踪已注入的流体，向注水井中注入能够与已注入的流体相溶、且溶解了示踪剂的携带液体，然后再用流体躯体这个示踪剂段塞，从而标记已注入流体的运动轨迹，同时在生产井中监测示踪剂的开采动态。在注水井中注入同位素示踪剂，在周围生产井中取样、制样，并在特定实验室进行示踪剂分析，获取样品中的示踪剂含量。分析示踪解释结果与生产动态温和情况，为地质上的油藏描述提供了详尽的依据，定量化解释结果的应用，对油田注水调整，控水稳油发挥了较好的指导作用。

（4）核泄漏的检测技术。① 热释光测量：热释光探测器是利用热致发光原理测量核辐射的装置，具有晶体结构的某些固体，常含有多种晶格缺陷（如一些原子或离子缺位或加入某些外来杂质等），它们能吸引异性电荷形成“陷阱”。当射线照射时，在固体中产生的电子和正离子被其俘获。检测时加热固体，则释放的电子和正离子与固体其他部分的异性电荷复合并发光。其发光光线穿过并导至光电倍增管产生光电流，再经直流放大器放大，最后通过记录器记录。② 放射性核污染测量：应用反康普顿谱仪HPGeγspectrometry（HPGeY）进行测定。该仪器的主探测器为HPGeY半导体探测器，探测器置于壁厚为10 cm的铅室内，系统技术指标为相对效率40%，分辨率为1.9 ke V。在0.01～2 Me V能量范围内积分本底1.8计数／s。

1.2 核辐射技术在农业发展的应用

核农技术作为核科学技术与农业科学技术相结合的应用科学，集中了近代物理、核化学、辐射化学、放射生物学、辐射遗传学、核电子学以及现代生物学和基础农学等的最新成就。它在农业科学和农业生产中的广泛应用，对农业生产和农业科学技术的发展产生了深刻的影响，为改造、革新传统农业，加速农业技术的创新进程发挥了重要作用。主要领域包括农业新种质的创造和品种改良，农业资源高效利用，农产品辐照加工，刺激动、植物生长及环境生态改良，重要经济作物害虫防治等研究领域[2]。

（1）辐射育种。以辐射育种为基础，结合航天育种、生物技术和传统育种进行新品种选育、遗传材料及诱变方法的研究。辐射诱变育种是核技术农业应用的主要领域。我国从20世纪70年代开始进行了较大规模的植物辐射育种研究，大批农作物新品种被育成，并在农业生产中得到了大面积推广，育成新品种的推广面积在3.3×1012m2以上，有40多个新品种获得国家级成果奖励[3－4]。

（2）害虫辐射不育技术。害虫防治是农业生产中的又一项重要任务。人们用一定剂量的电离射线照射害虫的某一个虫态，破坏它们生殖细胞的遗传物质，使受辐照害虫与正常害虫交配后形成的合子致死，使得害虫能够“自灭”，这就是辐射不育防治害虫技术[5]。路大光等[6]就开展了昆虫辐射不育技术防治光肩星天牛的研究，祝增荣等[7]开展了应用核不育技术根治桑给巴尔采采蝇的研究[7]。

（3）食品的辐照储藏和保鲜。核辐照技术在食品加工中的应用主要是利用电离辐射的能量作用于被辐照物质，产生特定的辐射化学或辐射生物学效应，抑制生物中酶的活动，破坏生物体中细胞结构，起到杀虫和杀灭病原微生物的作用，达到保存和保鲜目的的一种加工技术。它被证明是一种有效地提高食品安全性和延长食品货架期的食品贮藏保鲜方法[2]。Duan等[8]利用辐照技术对蘑菇进行了保鲜，效果良好。

1.3 核辐射技术在材料科学的应用

利用辐射技术对无机材料、高分子材料进行改性和加工已成为一支新兴的高技术产业。金属机械的腐蚀和磨损对经济造成严重损伤。据统计，全球每年由于腐蚀而报废的金属设备和金属材料相当于金属年产量的30%以上。1970年，美国因金属设备磨损造成200亿美元的损失。为了减少这种损失，人们采用了各种技术对设备的表面进行保护。1978年，英国哈威尔实验室开发了粒子注入法处理金属表面的技术，即利用加速器或粒子注入器将一种杂质元素以高速注入金属材料的基体中。这种注入的带电粒子，其能量一般为104～106e V，它们能进入材料表层几十至数百纳米深处，形成一个离子注入层。由于注入离子能量沉积，形成Frenkel缺陷和次级效应，发展成金属原子排列扰乱，从而形成种种不平衡的组织状态，最终导致金属材料表面的物理和化学性能变化，使其具有抗腐蚀、耐磨损及其他优良性能[9]。

1.4 核辐射技术在中药材加工中的应用

（1）中药材的辐射诱变育种。由于过量采挖，野生药材资源日益减少，全国常用的400余种中药材每年约有20%的短缺。在中药材的人工栽培上，目前普遍存在出苗不一致、生长缓慢、病虫害发生严重，有效成分降低等问题。辐射诱变育种具有突变频率高、突变谱广、能够打破基因连锁等优点，可以用来改良作物某些不良性状，获得常规育种难以获得的优良性状。

（2）中药材的辐射灭菌。中药材在储藏、加工的过程中容易滋生虫子和细菌，不仅影响药物的质量，还会直接导致药源性疾病的发生；因此中药材的杀虫灭菌是必不可缺的环节。辐射灭菌技术是指利用γ射线、加速器产生的高能电子束或转换成的X射线杀灭微生物的过程，可以避免传统灭菌的很多弊端[10]。

（3）核辐射在中药材提取中的应用。核物理用于药物有效成分提取的辐射源主要是微波和超声波。微波提取是由于微波具有很强的穿透力，可以在物料内外同时均匀、迅速地加热，故微波提取药物有效成分具有简便、快速、高效的优点。超声提取又称超声波萃取，是利用超声波辐射产生强烈的空化效应、机械振动、扰动效应、乳化、扩散、击碎和搅拌等多种作用，增加物质分子运动频率和速度、溶剂的穿透力，从而加速目标成分进入溶剂，促进提取的进行。

1.5 核辐射技术在环境治理的应用

污染物的辐射处理方法是利用γ射线及快速电子对环境污染物进行辐照。辐照时体系可产生物理化学效应、化学效应及生物学效应等。核辐射技术在处理环境污染物应用面广，可用高能射线对燃烧废气、生活污水和工业废水消化污水及固体废物等进行处理都已取得良好效果。辐射能有效地降解三废中的有机物，杀死废物中的有害病毒、有害微生物，提高污泥的降解和过滤性能，节省大量能源。辐射不会带来二次污染，安全可靠，特别对于那些常规方法难以处理的污染物具有重要意义[11]。

2 核辐射的危害和防治

2.1 核辐射的污染

（1）特点。核辐射有以下3个特点。① 核污染发出放射线却不会同核爆结束反应堆停堆而停止，它一旦产生和扩散到环境中，就不断对周围发出放射线，永不停止，只是遵循各种放射性核素内在固定速率不断减少其活性，其半衰期即活度减少到一半所需的时间从几分钟到几千年不等。② 核污染具有完全的化学物理稳定性。核污染不同于化学污染可以被自然环境条件所降解，或被相应的化学物质中和破坏而消除，自然环境的阳光、温度无法改变放射性核素的放射性活度，人们也无法用任何化学或物理手段处理使放射性核素失去放射性。③核污染在对人类及生物作用上还是有一般物理因素和化学毒素危害所不具有的作用效果剂量累积性[1]。

（2）来源。核污染的最大来源是核武器爆炸核爆时核裂变产生大量放射性核素，而核裂变或核聚变产生极强的中子辐射又会使周围物质活化变为放射性核素，这些放射性核素被核爆冲击波迅速扩散到四周环境，尽管多数放射性核素半衰期较短、能在几天内迅速减少活度，但仍留下半衰期长达十几年或更长时间的相当数量的核污染。核爆污染并不局限于周围几十千米环境，因为放射性核素微粒能大量飞向高空进入大气环流。核反应堆的放射性核产物及其报废燃料是核污染第二大来源。专门生产人工放射性产品的工厂是利用反应堆强中子流活化非放射元素制品使其转变为放射性核素制品，然后发运至各处科研、医学及工业应用部门核电站及其他反应堆中大量裂变核废物，原则上是完全密封的，只在停堆换装核燃料时才取出转送到专门核废料处理厂进行处理。工业生产活动造成天然放射性物质富集在工业废料中是一个尚未引起人们足够重视的核污染来源。

2.2 核辐射的防治

对于核辐射污染，即放射性污染，常人往往只注意到现代科学研究中的核辐射核工厂里某些特殊车间产生的放射性物质造成的危害，或者医院的X射线治疗所产生的放射性造成的影响及损害，而未考虑生活中还会有放射性污染源。实际上，生活中的放射性物质能通过多种途径进入人体，造成对机体的慢性损害。要防止生活中的放射性污染源对人体健康的危害，有关执法部门要增强环境保护意识的宣传。另外，政府及执法部门要加强对放射性物质的管理，对容易受放射性物质污染的商品要进行定期监测。

可通过3种途径来减少外照射剂量。① 远离放射源。在处理一个废弃、闲置或无主的放射源时，应尽可能利用长柄操作工具。有条件时，利用机器人遥控处理放射源。除非有必要，无执勤任务的人员应远离放射源和不进入放射性污染区。② 缩短与放射源接触时间；因此，应加强对从事核辐射突发事件应急处理人员的训练，提高工作熟练程度，缩短作业时间。③ 有效利用屏蔽物削弱射线作用于人体的强度。在处理单个放射源时，也应利用具有良好屏蔽性能的物体（如铅砖、铁 板、混凝土板）来减少人体的受照剂量。也可利用建（构）筑物和大型车船体对贯穿辐射的屏蔽性能。在房屋内，里间的屏蔽性能优于外间，墙角处优于屋正中，更优于门后。

少量的辐射照射不会危及人类的健康，过量的放射性射线照射对人体会产生伤害，使人致病、致死。剂量越大，危害越大。目前，国际上接受的一个正常成年人日常接受辐射的量为0.003 mSv，而短时间受到大于5 Sv辐射的话，半数人60 d内就会死亡。乘10 h飞机所受的辐射量约为0.03 mSv，照1次X光的辐射累积量为0.1～0.2 mSv，平均每人每年受辐射的累积量为1～5 mSv，核电站工作人员1年所受的最高辐射量约为50 mSv。核辐射的剂量与对人体的危害如图3所示。

我国的国家标准中也有对于核照射剂量的估算以及各个职业的核辐射控制标准。国家标准《GBZ／T 151—2002放射事故个人外照射剂量估算原则》规定了放射事故中个人外照射剂量估计的一般原则和基本要求。标准中详细规定了事故照射、外照射、一次急性照射、分次照射、延时照射以及相对均匀和非均匀照射等不同情况下的剂量估算情况，事故调查要求，事故剂量的表示方式，事故剂量的测量方法，事故剂量的估算方法以及剂量估算结果评价。以空勤人员辐射控制标准为例，在国家标准《GBZ 140—2002空勤人员宇宙辐射控制标准》中详细规定了空勤人员职业照射有效剂量不得超过20 mSv，女性空勤人员从发现妊娠之日起，在孕期余下的时间内应采取补充的控制措施，使其腹部表面（下躯干）累积接受的剂量不超过1 mSv。

图3 核辐射对人体的危害

近年来，随着对辐射危害长期效应研究的深入，发现辐射剂量和相应致癌几率相关曲线在低剂量端没有阈值。有人在防护辐射的理念上提出了“在可以合理做到的条件下使辐照剂量尽可能降低”的原则，已得到广大辐射防护工作者的认同。对辐射水平的控制并不是达到有关防护规定的数值以下就行了，而是要求在可合理做到的情况下使其尽可能降低，这种原则用到对核污染控制上，很自然就发展为“在可以用其他技术手段替代情况下尽量不要使用放射性核素”。

[1] 谭大刚.环境核辐射污染及防治对策[J].沈阳师范学院学报：自然科学版，1999（1）：68－73.

[2] 程 薇.核农技术在农业研发中的作用及发展展望[J].湖北农业科学，2007，46（5）：660－663.

[3] 王志东，胡瑞法.中国粮食作物辐射诱变育种及其影响因素分析[J].核农学报，2002，16（6）：403－410.

[4] 王志东.对我国核农学发展规律的探讨[J].核农学报，2003，17（5）：328－331.

[5] 刘 军，许甫荣，郑春开.核科学百年讲座 第八讲 核科学技术在农业领域的应用[J].讲座，2003，32（8）：553－557.

[6] 路大光，康 文，李咏军，等.利用昆虫辐射不育技术防治光肩星天牛的可行性[J].核农学报，2001，15（5）：301－307.

[7] 祝增荣，杜永均，陈 灿，等.应用核不育技术根治桑给巴尔采采蝇[J].核农学报，2001，15（3）：149－156.

[8] Duan Z F，Xing Z T，Shao Y，et al.Effect of electron beam lrradiation on postharvest quality and selected enzyme activities of the white button mushroom，agaricus bisporus[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry，2010，58（17）：9617－9621.

[9] 傅依备，许书云，黄 玮，等.核辐射技术及其在材料科学领域的应用[J].中国工程科学，2008，10（1）：12－22.

[10] 孙秀峰，熊俊芬，何忠俊.辐射在中药材上的应用[J].云南农业大学学报，2008，23（2）：245－249.

[11] 吴明红，包伯荣.辐射技术在环境保护中的应用[M].北京：化学工业出版社，2002.