核辐射与核安全

■文/吴铁民

一、核辐射

1、化学元素、同位素、核素

地球上有92种天然的化学元素，它们组成了地球上的所有物质。在化学元素周期表中，原子质量最轻的是氢，其相对质量值为1，排在第一位；最重的是铀，原子相对质量为238，排在第92位；原子相对质量大于铀的是超铀元素，它们是人工核反应的产物。元素在周期表中的排序，称原子序数。

原子由质子、中子和电子组成，质子和中子构成原子核，原子的质量集中在原子核，核外电子的质量小至可以忽略不计；而质子和中子的质量相等。原子序数代表原子核中的质子数。但是，同一原子序数的原子，其质量不完全相同。质量数大于原子序数的原子，表明核中的中子数多于质子数。原子序数相同，质量数不同(即核中的中子数不同)的一类原子，它们之间互称同位素、某种元素有几种同位素，就有几种核素。对某种元素，只是书写其名词，如“碘”，表明该元素是碘；如果元素名称后或它的符号的左上角标出了它的原子相对质量，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种，而所有天然元素(除锂外)都有3种或3种以上的同位素，所以天然核素有300多种。

天然核素中大多数不发生核辐射，称非放(射性)核素；而有一部分在不断地发生核裂变而发生核辐射，称放射性核素。如氢有3个同位素，即有3个核素：氢—1、氢—2(氘)是非放核素，氢—3(氚)是放射性核素；而天然铀的3个同位素铀-234、铀-235和铀-238．都是放射性核素。

2．放射性、电离辐射、枉辐射

放射性(线)和电离辐射是同类物质状态的不同称谓，它包括x射线(光)、α射线、β射线、γ射线以及中子射线，核辐射不包括x射线。因为x射线是电子“跃迁”时释放的多余能量，而不是核裂变所释出的能量。

放射性(线)是电磁波系列中波长最短的一组电磁波。电磁波从长波到短波，依次是：无线电波(长波、中波、短波、超短波)．微波、远红外线、红外线、可见光线、紫外线、x射线、β射线。电磁波波长范围从几百千米到几百万亿分之一米。从无线电波到紫外线的电磁波，不会使物质的分子或原子电离，它们的辐射称电磁辐射；x射线和核辐射，它们可以把受辐射物质的分子或原子电离，所以，这一组电磁波的辐射，称电离辐射；x射线只要停机，即刻消失；而核辐射是由放射性核素自发的核裂变产生的，即使是中子激活后的核辐射，也无法使其停止核辐射。

3、天然核辐射和人工核辐射

现代社会环境中的核辐射，由天然核辐射和人工核辐射构成。

(1)天然核辐射

天然核辐射来自于太空和地球本身。来自于太空的宇宙射线，其主要形式是γ射线，由太阳的核聚变和宇生放射性核素产出，所以，地势高的地区(如青藏高原)核辐射“本底”高于海拔高度低的地区；地势每升高1500米，太空核辐射强度增加l倍。

地球上存在三大放射系：铀系、锕系和钍系，它们的母体分别是铀-238、铀-235和钍-232。三大系共有45种放射性核素。此外，还有钾-40和碳-14。这些核素分布在岩石、土壤、水、大气和动植物体内，同时在不停地向周围照射。

天然核辐射构成了某一地区的核辐射“本底”，我国的平均值为每年2．4毫希伏，但因地而异，有的地区“本底”每年达4毫希伏左右，甚至更高。

(2)人工核辐射

自1919年卢瑟福实现了人工核反应后，地球上的放射性核素开始大量涌现；如今，地球上不仅有近50种天然放射性核素，更有2000多种人工放射性核素，从而增加了环境中的核辐射剂量。

军用核设施和核电，是人工核辐射的主要来源。核电站的“乏燃料中包含了所有放射性核素”（《核工业报》)2011年3月2日第3版)。日本福岛第一核电站的七级(最高级)

核泄漏事故，史无前例使公众知晓了核辐射，碘-131、铯-137成为人们耳熟能详的名词。事实上，来自核电乏燃料中的放射性核素，又何止这两种，其它的如氢—3(氚)，氪-85、86、88．氙—133、135、139，铷-106，铯-134，锶-89、90、93、95，锆-95．碲-132，碘-133，钡-140，镧-140、141、142、143、144，铈-144等等，都或多或少地存在，只是其量极微囿于仪器的灵敏度，未能检出而已。

放射性核素在工业、农业、医疗等领域中的普遍应用，以及开矿、冶炼、燃煤等生产活动，推波助澜地增加了环境中的核辐射剂量。

二、核辐射剂量与计量

1．核辐射剂量

剂量是指药物、毒物或射线所施加给生物的分量，核辐射剂量就是核辐射施加给动植物的分量(能量)。d

2．核辐射计量

计量，是测量的近义词；它属于测量，源于测量，又严于测量。其内涵是：用持有已知量的物质(标准物)与同类物质相比较的测量，要求单位统一和量值准确可靠。同一种计量操作，有时是检测，有时是监测，对核地质样品的核辐射测量是检测——目的在于确定样品中放射性元素或放射性核素的含量；而监管部门对产品品质和环境质量的测量，是监测(监视、监督测量)。环保部门对环境中核辐射的测量，称核辐射监测。

电离辐射计量是十大技术计量之一，它涉及很多计量单位。2011年3-4月在媒体上频频出现的核辐射剂量的计量单位，主要有3个：贝可（勒尔）、戈瑞和希沃（特）。

贝可是某物质的放射性活度单位，如该物质每秒钟衰变1次，即是1贝可。已不再使用的放射性活度的最大计量单位是居里，1居里是1克镭-226的放射性活度，等于370亿贝可，它相当于2．97吨铀—238的活度。对于具体物质的活度，须依据监测对象，用质量活度(比活度)一贝可/公斤、表面活度一贝可/平方米或活度浓度——贝可／立方米或升表示。

戈瑞是核辐射的吸收剂量的计量单位。每公斤物体吸收了1焦耳的辐射能为1戈瑞，在一般的测量中，常用纳(十亿分之一)戈瑞，微(百万分之一)戈瑞和毫(干分之一)戈瑞表示。

希沃是核辐射当量剂量的计量单位，仅适用于辐射防护剂量限值范围，不适用于大剂量放射性的情况。通常把γ剂量率仪所测得的每小时纳戈瑞数换算成每年毫希伏值报 出。事实上，所测得的吸收剂量须乘以“品质因子” (对人体损伤有效性的倍数)和“修正因子”后才是当量剂量；同时，在数值上会大于吸收剂量。因为，中子、质子射线的品质因子是γ、β射线的10倍。α射线的品质因子是20。一般情况下，戈瑞和希沃在数值上相等。

辐射防护规定：公众所容许的电离辐射的当量剂量限值是每年1毫希沃(扣除本底后，下同)，职业照射当量剂量限值为1年内的均值是每年20毫希伏，但其中一年不得超过50毫希沃。

三、核安全

核安全因素来自于两大领域：以核电为代表的各种核设施和遍及各地、广泛应用的各种核辐射源。

我国的核电起步较晚，自1986年4月26日乌克兰切尔诺贝利核电站4号堆爆炸而造成极其重大(七级)核事故后，此后核电站设计的安全目标，在原有的基础上提高了一个数量级：堆芯融化概率为10-5/堆•年，大量释放放射性(相当七级)概率为10-6/堆•年。我国的在役，在建、拟建的核电站，均按照新的安全标准要求设计和建造，它们各有几乎确保万无一失的纵深防御体系和科学、严谨、有效的应急响应机制。

在核安全的纵深防御方面，首先是建立了安全体系：在反应堆与外部环境之间，第—道屏障是将燃料氧化铀烧结在陶瓷芯块中；第二道屏障是燃料包壳，把燃料芯块密封在高强度的锆合金包壳中；第三道屏障是压力容器和管道所构成的反应堆冷却系统，将核燃料封闭在厚度为20多厘米的钢质耐高压的系统中；第四道屏障是反应堆安全壳，100万千瓦压水堆的安全壳高达60-70米，直径30-40米，外壁用1米厚的钢筋混凝土砌成，内壁衬以6—7毫米厚的钢板。安全壳内壁与压力容器之间的空间是日本福岛核电站反应堆的2倍。四道屏障确保能抗击外来的各种打击和内部放射性物质不会外泄。

此外，核岛外还设了隔离系统、自动注(硼)水系统、通风和喷淋系统、消氢系统，抗震、防海啸设计都基于最严重的情况。

在应急响应方面．各核电站有严密的组织系统和运行机制，备有数量足够的、经严格培训后能管理严重事故的人员，备有按国家核安全法规和标准制定的核安全应急预案；厂区内设有多个核安全监测点，在厂外设有总监测站，实施全天候核安全监测；每年，还举行几次核安全事故的应急响应的演习。居安思危，防患于未然，核电的安全处于国际和国家的安全管理体系之中，它发生5级以上的核安全事故的概率很小。而藏有隐忧的是数万个在役核辐射源。尽管大多数单位持有“放射性同位素应用许可证”，但往往缺乏严管，对《放射性污染防治法》和G B l8871-2002(电离辐射防护和辐射源安全基本标准)等法律法规，也不甚熟知，小规模的核安全事故时有发生：如建筑工地上辐射源丢失使人致伤，管理上—源多号；河南杞县的钴-60源因无法回井而造成全县恐慌。在广州辐射技术研究中心因钻源无法回井而引发大火等等。所以，加强普遍应用的核辐射源的统一有效监管，是核安全的重要任务之一。

为确保核安全，必须加强核辐射监测。设立固定的和流动的监测站。前者主要监测大型核设施的核安全状态，后者主要对核辐射源应用单位核安全状态的监视。只有做到事先预防，才能使核安全事故的概率降至最小。例行监测可以只测γ辐射剂量率，只要仪器显示值每小时小于114纳戈瑞，就可以公告公众：本地核辐射环境安好。γ辐射剂量率是各种放射性核素贡献的放射性的总和。如果需了解哪些具体的放射性核素，为碘-131、-137等，则应配备适宜的大气取样器、测量前的预处理设备和数倍于1024道的多道能谱仪以及相应的人员。