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哪些放射性物质会泄漏出来?

福岛核危机观察(4)

在上一篇文章当中,我们已经谈到,福岛核电站反应堆中核物质的泄漏是不可避免的。那么,很多人接下来关心的问题就必定是,这些核物质会对我们产生多大的影响。要回答这个问题,先要看一看,哪些核物质会泄漏出来。

核电站利用核裂变及裂变产物衰变所产生的热量发电。当原子核大到一定程度之后,结构会变得不稳定,有一定的几率分裂形成两个(很少情况下是三个)较轻的原子核,并伴随有中子和γ射线的产生,这即是核裂变。这个过程释放的热量主要是来源于裂变产物的动能、中子和γ射线的能量,以及裂变产物原子核的衰变。据测算,每次铀裂变可产生200百万电子伏特左右的能量。

这两个裂变产物的原子核集中分布在以核序 数90以及130为中心的两个区段之中。较轻原子核的代表是锶-90(Sr-90)。重原子核的代表是铯系同位素和碘系同位素,其中含量很高的是铯-137(Cs-137)和碘-131(I-131)。它们都具有放射性。

通常情况下,核燃料和裂变产物都被封闭在核燃料棒中,不会泄漏。但像此次日本核事故中,反应堆冷却系统被摧毁,反应堆芯达到了非常高的温度,燃料棒的外壳被烧穿,其中的放射性物质随之散发出来。这也就是常说的“融堆”。

碘元素物理性质活泼,极易升华,遇热到处跑,而且在大气中传播很快。记得上学时,有位老师给我们讲他1960年代时在落基山中研究驼鹿甲状腺中碘-131的含量。研究发现每一次碘浓度的高峰都和核武器的实验时间相吻合,其中甚至包括中国进行的首次核武器试验。

碘-131在Health Physics中具有重要意义,因为它容易在人体的甲状腺内富集。生物学的研究表明,进入人体的碘会有30%富集在甲状腺。一个成人的甲状腺大约只有30克,前面提到过剂量是跟生物体组织的质量成反比,因而产生的剂量就很大。幼儿的甲状腺更小,更容易受到碘-131的损害。

碘-131进入人体主要途径为大气沉降→牧草→牛→牛奶→人。这个过程已经为切尔诺贝利事件所证实。当时的苏联政府没有及时地禁止牛奶的流通,造成大量儿童的甲状腺受到辐射。联合国原子放射科学委员会(United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation, UNSCEAR)的报告证实,从1986年到2005年的20年间,有6000多例儿童甲状腺肿瘤与切尔诺贝利核事故初期受到大剂量的碘-131辐射有关。【引用1】

自然界中的碘只有一种同位素,碘-127。它是没有放射性的。碘片与碘盐中的碘都是碘-127。如果事先服用适量碘-127,甲状腺全被碘-127充满,没有多余的位置留给有放射性的碘-131,使碘-131很快被人体排出,从而避免大剂量辐射。但碘片的服用一定要遵照医嘱进行。

铯放射性同位素(主要是铯-137和铯-134)的流动性也很大。它容易在土壤表面富集,再通过植物,动物进入体内。铯的化学性质和钾相似,会在人体均匀分布。所以有时可服用适量钾盐,就像碘片一样,进行预先占位。

其他的裂变产物或因挥发性不好、可溶性不佳或不被生物体吸收等原因,不起主要作用。比如锶-90,具有放射性但流动性不好。锶化学性质近似钙,可能被骨骼吸收。但是自然界的食物中钙的含量丰富,锶竞争不过大量的钙,很难被人体有效吸收。

因此在Health Physics中被关注的主要放射性裂变产物就是碘-131、铯-137、铯-134。其他产物如碲-132,衰变周期很短只有78小时,几种惰性气体同位素在前边也提到了,剂量很小,都不起主要作用。在日本核事件发生后,美国环境保护署在网站上发布了对日本核事故释放的放射性物质进行实时监控的数据。【引用2】这些数据证实了以上几种放射性同位素在扩散的放射性物质中是占主导地位的。

【引用1】

【引用2】

补充说明:

我在文章当中提到——

记得上学时,有位老师给我们讲他1960年代在落基山中研究驼鹿甲状腺中碘-131的含量。研究发现每一次碘浓度的高峰都和核武器的实验时间相吻合,其中甚至包括中国进行的首次核武器试验。

有读者对这段话提出了问题,碘-131的半衰期那么短,这个研究是如何做的呢?

放射性同位素的衰变的快慢的确是和半衰期相关的,大致上说,每经过10个半衰期,同位素的含量就会下降到原来的千分之一。另外一个要考虑的因素是开始时的量有多少。开始时的量如果很大的话,尽管半衰期很短,残留的同位素也是会很多的。

还有一个非常重要的因素是放射性的测量可以达到一个非常非常非常灵敏的程度。我们都经常看到在测量环境中的有害成分时,一个常用的单位是百万分之一(ppm)。这已经是一个很小的单位。那么放射性同位素的测量可以低到什么程度呢?

举一个例子,美国环保署发布碘-131的浓度在每立方米1皮居里左右。这大致是每立方米0.01Bq。有多少碘-131的原子能达到这样一个放射强度呢?用碘-131的特征放射强度4.6 x 10^18 Bq/kg换算,产生这种放射强度的碘-131的质量为10^-20千克,或者说是10^-19摩尔。这意味着碘-131的原子个数只有几万个。一立方米的空气在常温常压下约有40摩尔,分子个数的话是10^24个。这种浓度用ppm来表示的话是10^-14 ppm,也就是0.00000000000001 ppm!

在放射性的测量中不用ppm的一个原因就是不方便,小数点后面的零太多了。另一个原因是在Health Physics中关注的主要是能量的“浓度”,而不是个数的“浓度”。

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作者介绍: 董海涛,现在美国的一所大学司职核安全官(Radiation Safety Officer)。我所从事的行业叫做Health Physics,是一门结合了物理、化学、生物、工程、管理等多种学科知识,致力于人类能够安全地了解与利用核能的学科。在美国,核能利用的监管部门是美国核管理委员会(Nuclear Regulatory Commission, www.nrc.gov),行业协会是 Health Physics Society, www.hps.org,有兴趣的朋友可以上网了解。

The End

发布于2011-04-21, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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RSO,博士,核安全官员

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