核辐射对环境的影响及安全防护策略探究

李 娟

（河北省廊坊市生态环境局辐射科，河北 廊坊 065000）

引言

近年来，核技术在医疗、电力、工业等诸多行业得到广泛应用，对改善能源结构、提高生产效率有重要的意义，并取得了显著的应用成果。与此同时，核电站等核项目在运行期间，会产生一定程度的核辐射，通过多种形态、途径影响到外部生态环境，由此引发一系列环境污染问题出现，不利于我国建设环境友好型社会。因此，应对核辐射对环境的影响进行深入研究，采取合理的处理措施，解决污染问题，实现核技术安全、高效应用目标。

1 核辐射对生态环境造成的影响

1.1 铯-137的影响

铯-137作为一类常见的裂变产物，具有含量丰富、可迁移性的特征，裂变产额约为5.9%，半衰期为30年，当前已经在生物圈广泛分布，主要分布在土壤环境和动植物体当中。一方面，铯-137经过沉降后进入地表，与土壤环境中的有机质及粘土矿物保持紧密吸附状态，受到土壤颗粒迁移、颗粒沉积等外部因素影响，核辐射持续向四周地表空间运移，从而出现大范围土壤污染问题。根据相关调查结果显示，绝大多数铯-137长期循环在富含有机质与粘土矿物的土壤系统内，以4～12 cm深度的土壤层作为分布层。

另一方面，铯-137还将通过大气沉积、表面吸附等途径，逐渐进入动物体和植物体内部。以切尔诺贝利核泄漏事故为例，根据后续调查结果显示，在1987-1994年间，一定含量的铯-137逐渐从土壤中转移到茶树茎秆、新生叶片，茶树中的铯-137净化有效半衰期为1 750 d。

1.2 带电粒子射线的影响

α射线是以氦-4原子核为核心形成的α发射体，发射体按照特定不连续能量与独特半衰期持续向外发射，此类辐射有着粒子质量大、物质体内有效射程短、电离作用强的特征，仅对核项目周边环境造成一定程度的影响，推荐采取辐射屏蔽措施，在核辐射形成场所设置屏蔽层，隔离α射线向外传播[1]。

β射线是在放射性核衰变期间形成的带电粒子，进行衰变反应时放出中微子并带走少量能量，从而形成具备连续谱的正/负电子流，此类电子流也被称为β粒子。根据环境污染情况来看，β射线有着电荷数量少、容易被物质吸收、有害性低的特征，设置3 mm厚铝板作为外部屏蔽层，即可隔离绝大多数β射线，剩余少量β射线基本不会对生态环境质量、动植物健康状况造成明显影响。

中微子主要来源于核反应堆能量，除去具备微弱纯核力外，具有不带电荷、没有质量的特征，无法和物质产生相互作用，工作人员无需单独采取面向中微子的安全防护措施。

1.3 中性粒子射线的影响

中子质量数为1，在核反应期间持续形成，有着不带电荷的特点，包括高能中子、慢中子、快中子、热中子等诸多种类。在核项目运作期间，中子和周边分布的多类原子核共同形成中性粒子射线，保持弹性散射状态，且具备一定程度的杀伤力，如果出现中子泄漏问题，会对周边环境的动植物健康造成威胁。例如，在工作人员受到中性粒子射线冲击时，容易出现造血器官衰竭、中枢神经损伤、消化系统损伤的短期问题，后续可能出现白血病、白内障、恶性肿瘤等疾病。同时，中性粒子射线以热中子、快中子为主，两类中子所占份额较高，工作人员在制定安全防护技术方案时，需重点考虑热中子、快中子防护问题。

1.4 电磁波射线的影响

电磁波射线包括X射线、y射线，两种射线的产生机理较为相似，X射线是在原子碰撞及能量传递期间持续产生，y射线是在核衰变期间持续形成，两类射线都具备极高危害程度。以y射线为例，普遍伴随α射线或是β射线形成，本质上属于一种高能量、高频率的电磁波，有着波长短、穿透性强的特征，在y射线影响下，电子设备出现烧毁情况，诱发人体出现恶性肿瘤和染色体畸变等疾病，反应堆容器在长期照射下还会出现超温故障与缩短使用寿命[2]。

2 核辐射安全防护策略

2.1 核辐射的屏蔽

2.1.1 屏蔽混凝土

此类材料有着原料充足、成本低廉、结构性能好的优势，多用于核电站项目。正常情况下，选用密度在3 600 g/cm3以内、抗压强度与抗拉强度分别不超过40 MPa和3.2 MPa的混凝土材料，屏蔽层主要拦截中子与y射线。如果对屏蔽性能提出严格要求，则需要把混凝土密度提高值4 600 g/cm3或5 700 g/cm3以上，混凝土制备期间掺加适量金属矿物集料，但这会提高材料成本与改变结构状态。例如，南华大学近年来研制一款新型屏蔽混凝土材料，选用磁铁矿石、钢珠作为骨料，屏蔽混凝土的y射线屏蔽性能得到显著提升。同时，也可选择在混凝土配合比方案中额外增加纤维材料，包括碳纤维、钢纤维等，这不但可以改善混凝土力学性能，还可以在中子屏蔽期间预防二次y射线出现。

2.1.2 高硼钢

此类材料多用于移动式核反应堆项目，早期高硼钢的硼含量控制在0.5%，根据使用情况来看，有着冲击韧性离散的局限性，实际屏蔽效果有限，后续采取添加Ni元素、Mo元素等改进措施，冲击韧性提升至90 J/cm2以上，已初步满足核辐射屏蔽需求。

为进一步改善屏蔽效果，可选择采取快速凝固、热处理、改变熔体结晶顺序等多项措施，以强化高硼钢力学性能作为改善思路[3]。以快速凝固技术为例，在原材中添加钛粉、硼粉的混合物，把熔体直接注入模具内快速凝固，所制备高硼钢的强度普遍在1 800～2 500 MPa，且具备十分优异的耐磨性能，在核项目投运使用期间，基本不会出现屏蔽层失效、屏蔽层更换问题。

2.1.3 铅硼聚乙烯

此类材料同时具备慢化快中子、吸收热中子、减弱y射线的使用功能，综合屏蔽效果最为显著，有着适用范围广、工艺技术成熟的优势，可以调节硼含量来满足不同核辐射场景下的屏蔽需求。

为进一步强化核辐射屏蔽效果，需要推广复合型铅硼聚乙烯板材，例如，北京射线应用研究中心研发一款高密度铅硼聚乙烯作板材，密度控制在5.8～6.2 g/cm3，通过提高密度来强化热中子与y射线屏蔽性能，却会削弱快中子屏蔽性能。也可选择增加B4C含量，增强中子屏蔽性能，但却会削弱y射线屏蔽性能。B4C含量控制在2%时，铅硼聚乙烯材料的综合屏蔽性能最佳。

2.2 放射性场所分区管控

核项目由废物贮存区、库房控制室、人员通道、监测区等诸多工作场所组成，各处区域的核辐射量存在明显差异，如果完全采取相同规格的防护措施，无疑会抬高项目总体使用成本。因此，工作人员需要采取分区管控措施，根据项目情况与参考同类核项目案例，准确掌握各处工作场所的核辐射水平、环境污染程度，根据已知信息把核项目现场划分为控制区、监督区和非辐射区，再根据防护需求编制面向各类区域的专项核辐射安全防护技术方案。

2.2.1 控制区

包括废物贮存区、排风机房、监测区、核燃料补给室等，也被称为高辐射区，对外侧屏蔽层进行加厚改造处理，检测改造完毕后的核辐射剂量限值是否超标。

2.2.2 监督区

包括人员通道等靠近控制区的工作场所，屏蔽层厚度略低于控制区，要求监督区域的核辐射剂量水平不超过2.5 μSv/h。

2.2.3 非辐射区

包括休息区等原理高辐射区的工作场所，可以酌情减少屏蔽层厚度来控制项目造价成本，要求非辐射区的剂量率水平不超过0.5 μSv/h[4]。

2.3 人流物流控制

2.3.1 通道隔离

在项目现场分散布置人员通道和物流通道，如果违规并用通道，放射性物质所形成核辐射不但会侵害人体健康，还会附着在人体上逐渐迁移至外部生态系统。同时，尽量缩短物流通道距离，在通道沿途密集安装屏蔽材料，避免放射性物质在运送期间产生过量辐射、核辐射穿透屏蔽层。

2.3.2 污染监测

在废物装卸大厅、危险品库房等区域内安装探测计，在各类放射性物质进出装卸大厅等特殊工作场所时，对核辐射剂量率和包装材料表面污染程度进行检测，对比检测结果与标准值，确定无误后，再行办理放射性物质出入库手续。如果现场检测数值超标，则表明有可能出现放射性物质直接暴露空气等问题，及时采取应急处置措施，避免核辐射污染源失控。

2.3.3 污染清理

在工作人员进入控制区时更换特种工作服，离开控制区时在密闭更衣间内脱去工作服、清洗表面附着的微量核辐射，并对工作服进行去污处理，选用饱和Na2CO3溶液、饱和H2C2O4溶液作为去污剂。

2.4 通风改造

为有效控制核项目工作场所内的核辐射水平，阻断核辐射通过空气向外部环境传播的途径。在项目建造期间，需要采取通风过滤技术，工作场所内部安装空调风机，持续向室内引入新鲜冷空气和向外排出辐射水平较高的浑浊空气，确保各处工作场所的换气频率、次数达到相应标准。以放射性废物贮存区为例，把实际换气次数控制在2～3次/小时。随后，对常规通风系统进行屏蔽改造，具体可采取负压类动态屏蔽、正压类动态屏蔽方法，使得通风系统具备屏蔽功能，拦截核辐射向外扩散[5]。

2.4.1 负压类动态屏蔽

要求工作场所内的边界抽风量略高于进风量，长时间在工作场所维持负压空气环境，并配备吸附器回路。在生产期间产生核辐射时，核辐射将通过唯一吸附器回路进行排放。同时，加装核辐射监测仪表和报警连锁装置，通风系统运行期间持续检测所排放空气的辐射水平，发现辐射值超过安全值后，自动发送报警信号与停止排风。

2.4.2 正压类动态屏蔽

要求工作场所边界进风量略大于出风量，系统结构和与负压通风屏蔽系统较为相似。考虑到核项目在生产期间有可能出现安全事故，为保护工作人员安全，需要额外在主控室等重要区域内搭建独立的小型通风系统。

2.5 流出物处理

2.5.1 硼回收系统

布置管路与定期注入硼酸溶液，硼回收系统持续向反应堆硼和水补给系统提供硼酸溶液，把除盐水进行脱氧处理后补充至补给系统，自动检测水箱内临时贮存堆补给水品质是否达标，最终通过排放蒸馏液方法来取得堆冷却剂排放效果[6]。

2.5.2 废液处理系统

通过管路持续从疏水系统、硼回收系统、废水回收系统内收集核辐射水平较高、缺乏使用价值的废液，依次对废液进行过滤、除盐处理，检测处理后废液辐射程度是否达标，确定无误后即可向外排放。也可选择由蒸发方法来取代除盐方法，把废液蒸发形成浓缩液，再把浓缩液输送至固体废物处理系统。

2.5.3 废气处理系统

此系统以放射性含氢废气、放射性含氧废气作为处理内容，提前把待处理废气进行压缩处理后放置在特种容器内密闭贮存一段时间，随着时间推移，裂变气体持续衰变。最终在废气放射性水平达到可排放标准后，进行过滤、除碘以及稀释处理，即可经由通风系统向外排放。

2.5.4 固体废物处理系统

以工作服、放射性物质、核电设备与核工业设备磨损不见、浓缩废液作为处理内容，把固体废物收集整理后贮存一段时间进行放射性衰变过程，后续再把废物密闭放置在混凝土容器或金属容器内部，遵循相关安全管理要求加以妥善处理。

2.6 辐射监测

为验证所采取各项安全防护措施是否有效，帮助工作人员及时发现核辐射泄漏、超标问题并采取处置措施，避免生态环境和人体健康受到严重危害。在核项目投运使用期间，必须同步进行核辐射监测工作，在工作场所、周边生态环境内布置若干具备代表性的观测站点，要求有效监测范围完全覆盖核辐射影响范围，并遵循安全管理规定来确定电磁波射线、带电粒子射线等种类核辐射的安全值。如果发现核辐射水平超出规定要求，立即把问题反馈给现场工作人员与消防等部门进行协同处理。正常情况下，以空气吸收剂量率、大气环境、陈建武、陆地生物或海洋生物、土壤环境、地表水与地下水、岸边沉积物作为监测对象，以y辐射累积剂量、y核素等作为监测内容。

2.7 人体防护

2.7.1 外照射防护

采取距离防护或是屏蔽防护方法。距离防护是在放射源周边间隔一定距离布置控制室等工作区域，核辐射传播至工作区域时，本身出现衰减情况，工作服足以隔离衰减后的核辐射。屏蔽防护是在各处功能用房维护结构上铺设屏蔽层，核辐射穿过屏蔽层时出现电离碰撞或吸收现象，仅剩少量核辐射完全穿透屏蔽层。

2.7.2 内照射防护

以阻断核辐射进入人体途径作为安全防护思路，搭配采取包容、隔离、净化、稀释等多项措施。以包容措施为例，在项目运作期间，使用特种容器对放射性物质进行密闭处理，保持放射源和工作场所空气环境相互隔绝，具体可选择在工作场所配备手套箱、通风橱等装备。

此外，定期组织职业健康检查，对工作人员的身体健康程度进行诊断，如果出现神经中枢受损、消化系统损伤等异常，表明工作人员长期受到过量核辐射照射，需要深入分析问题形成原因，找出现有核辐射安全防护体系的漏洞，后续采取相应处理措施，预防核辐射过量问题再次发生。

3 结语

综上所述，为实现安全生产目标，推动我国核事业迈入全新的阶段。工作人员必须提高对核辐射环境污染问题的重视程度，全面了解各类核辐射对外部环境造成的影响情况，落实核辐射屏蔽、分区管控、人流物流控制、通风改造等多项安全防护策略，降低核辐射污染问题出现概率，保护生态环境不受破坏。