核輻射的應用與防護

房豪杰

（1.上海電氣環(huán)保集團，上海201108；2.上海環(huán)保工程成套有限公司，上海201108）

2011年3月11 日14時46分左右，日本東北地區(qū)宮城縣北部發(fā)生里氏9.0級特大地震，地震造成福島核電站受損并發(fā)生核泄漏，核擴散引發(fā)當?shù)鼐用褚约芭R近國家民眾的緊張。

在人類活動對自然環(huán)境造成的物理性污染中，核污染可以算是危害最大，最受重視的一項。所謂“核污染”是“放射性核同位素污染”的簡稱，指人工生成或天然放射性核同位素在環(huán)境中的擴散。因為其放射性發(fā)自于這些元素的原子核內(nèi)部，最大的污染源自核武器的爆炸及核反應堆，人們習慣把放射性核同位素簡稱放射性核素，其污染簡稱為核輻射污染[1]。

1 核輻射的應用

1.1 核輻射技術(shù)在工業(yè)發(fā)展中的應用

核能迄今為止被認為是最新式、最干凈、最方便、最安全、成本低的可持續(xù)能源。目前，核技術(shù)在工業(yè)發(fā)展方面有著廣泛的應用。

（1）核輻射能譜型測井。核測井技術(shù)是隨著當代科技的發(fā)展，以及它在鈾礦、石油煤炭、煤氣層等礦產(chǎn)勘探領(lǐng)域的應用而迅速發(fā)展起來的尖端技術(shù)之一。它主要研究天然產(chǎn)生或者人工激發(fā)（或活化）的核輻射沿井軸的分布規(guī)律，確定該地層中是否含有某些核素（或元素），以及確定它們的含量的一種無損檢測方法，它能夠?qū)崿F(xiàn)地下資源的快速勘察與特殊元素（如鈾、鉀等）的定量評價。近年來，在油氣勘探中新出現(xiàn)的核輻射測井技術(shù)：地層元素測井（或稱地球化學測井），還能夠確定主要的造巖礦化元素的含量，以研究油氣生成和存儲的沉積環(huán)境。核輻射能譜型測井具體內(nèi)容如圖1所示。

圖1 核輻射能譜型測井圖解

（2）雙能成像物質(zhì)識別。利用雙能X射線成像技術(shù)檢測行李貨物時，可以測得被檢物的等效原子序數(shù)，實現(xiàn)物質(zhì)識別，其中雙能X射線的能譜特性和差異對物質(zhì)識別精度起決定性作用。高能X射線與物質(zhì)發(fā)生相互作用產(chǎn)生的前向小角度散射的能量顯著低于初始入射射線的能量，與初始射線束匹配，可實現(xiàn)雙能成像物質(zhì)識別。X射線檢測系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 X射線檢測系統(tǒng)

（3）同位素井間示蹤。對于注水開發(fā)油田，由于油藏平面上和縱向上非均質(zhì)，油水黏度的差別和注采井組內(nèi)部的不平衡，造成注入水在平面上向生產(chǎn)井方向的舌進現(xiàn)象和在縱向上沿高滲透層的突進現(xiàn)象，大大降低了驅(qū)油效率。為了提高驅(qū)油效率，井間示蹤劑檢測技術(shù)就是近年來發(fā)展起來的開展油藏評價工作用公認的、最直接有效地手段之一。井間示蹤測試時，為了跟蹤已注入的流體，向注水井中注入能夠與已注入的流體相溶、且溶解了示蹤劑的攜帶液體，然后再用流體軀體這個示蹤劑段塞，從而標記已注入流體的運動軌跡，同時在生產(chǎn)井中監(jiān)測示蹤劑的開采動態(tài)。在注水井中注入同位素示蹤劑，在周圍生產(chǎn)井中取樣、制樣，并在特定實驗室進行示蹤劑分析，獲取樣品中的示蹤劑含量。分析示蹤解釋結(jié)果與生產(chǎn)動態(tài)溫和情況，為地質(zhì)上的油藏描述提供了詳盡的依據(jù)，定量化解釋結(jié)果的應用，對油田注水調(diào)整，控水穩(wěn)油發(fā)揮了較好的指導作用。

（4）核泄漏的檢測技術(shù)。① 熱釋光測量：熱釋光探測器是利用熱致發(fā)光原理測量核輻射的裝置，具有晶體結(jié)構(gòu)的某些固體，常含有多種晶格缺陷（如一些原子或離子缺位或加入某些外來雜質(zhì)等），它們能吸引異性電荷形成“陷阱”。當射線照射時，在固體中產(chǎn)生的電子和正離子被其俘獲。檢測時加熱固體，則釋放的電子和正離子與固體其他部分的異性電荷復合并發(fā)光。其發(fā)光光線穿過并導至光電倍增管產(chǎn)生光電流，再經(jīng)直流放大器放大，最后通過記錄器記錄。② 放射性核污染測量：應用反康普頓譜儀HPGeγspectrometry（HPGeY）進行測定。該儀器的主探測器為HPGeY半導體探測器，探測器置于壁厚為10 cm的鉛室內(nèi)，系統(tǒng)技術(shù)指標為相對效率40%，分辨率為1.9 ke V。在0.01～2 Me V能量范圍內(nèi)積分本底1.8計數(shù)／s。

1.2 核輻射技術(shù)在農(nóng)業(yè)發(fā)展的應用

核農(nóng)技術(shù)作為核科學技術(shù)與農(nóng)業(yè)科學技術(shù)相結(jié)合的應用科學，集中了近代物理、核化學、輻射化學、放射生物學、輻射遺傳學、核電子學以及現(xiàn)代生物學和基礎(chǔ)農(nóng)學等的最新成就。它在農(nóng)業(yè)科學和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應用，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)科學技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了深刻的影響，為改造、革新傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，加速農(nóng)業(yè)技術(shù)的創(chuàng)新進程發(fā)揮了重要作用。主要領(lǐng)域包括農(nóng)業(yè)新種質(zhì)的創(chuàng)造和品種改良，農(nóng)業(yè)資源高效利用，農(nóng)產(chǎn)品輻照加工，刺激動、植物生長及環(huán)境生態(tài)改良，重要經(jīng)濟作物害蟲防治等研究領(lǐng)域[2]。

（1）輻射育種。以輻射育種為基礎(chǔ)，結(jié)合航天育種、生物技術(shù)和傳統(tǒng)育種進行新品種選育、遺傳材料及誘變方法的研究。輻射誘變育種是核技術(shù)農(nóng)業(yè)應用的主要領(lǐng)域。我國從20世紀70年代開始進行了較大規(guī)模的植物輻射育種研究，大批農(nóng)作物新品種被育成，并在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了大面積推廣，育成新品種的推廣面積在3.3×1012m2以上，有40多個新品種獲得國家級成果獎勵[3－4]。

（2）害蟲輻射不育技術(shù)。害蟲防治是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的又一項重要任務。人們用一定劑量的電離射線照射害蟲的某一個蟲態(tài)，破壞它們生殖細胞的遺傳物質(zhì)，使受輻照害蟲與正常害蟲交配后形成的合子致死，使得害蟲能夠“自滅”，這就是輻射不育防治害蟲技術(shù)[5]。路大光等[6]就開展了昆蟲輻射不育技術(shù)防治光肩星天牛的研究，祝增榮等[7]開展了應用核不育技術(shù)根治桑給巴爾采采蠅的研究[7]。

（3）食品的輻照儲藏和保鮮。核輻照技術(shù)在食品加工中的應用主要是利用電離輻射的能量作用于被輻照物質(zhì)，產(chǎn)生特定的輻射化學或輻射生物學效應，抑制生物中酶的活動，破壞生物體中細胞結(jié)構(gòu)，起到殺蟲和殺滅病原微生物的作用，達到保存和保鮮目的的一種加工技術(shù)。它被證明是一種有效地提高食品安全性和延長食品貨架期的食品貯藏保鮮方法[2]。Duan等[8]利用輻照技術(shù)對蘑菇進行了保鮮，效果良好。

1.3 核輻射技術(shù)在材料科學的應用

利用輻射技術(shù)對無機材料、高分子材料進行改性和加工已成為一支新興的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。金屬機械的腐蝕和磨損對經(jīng)濟造成嚴重損傷。據(jù)統(tǒng)計，全球每年由于腐蝕而報廢的金屬設備和金屬材料相當于金屬年產(chǎn)量的30%以上。1970年，美國因金屬設備磨損造成200億美元的損失。為了減少這種損失，人們采用了各種技術(shù)對設備的表面進行保護。1978年，英國哈威爾實驗室開發(fā)了粒子注入法處理金屬表面的技術(shù)，即利用加速器或粒子注入器將一種雜質(zhì)元素以高速注入金屬材料的基體中。這種注入的帶電粒子，其能量一般為104～106e V，它們能進入材料表層幾十至數(shù)百納米深處，形成一個離子注入層。由于注入離子能量沉積，形成Frenkel缺陷和次級效應，發(fā)展成金屬原子排列擾亂，從而形成種種不平衡的組織狀態(tài)，最終導致金屬材料表面的物理和化學性能變化，使其具有抗腐蝕、耐磨損及其他優(yōu)良性能[9]。

1.4 核輻射技術(shù)在中藥材加工中的應用

（1）中藥材的輻射誘變育種。由于過量采挖，野生藥材資源日益減少，全國常用的400余種中藥材每年約有20%的短缺。在中藥材的人工栽培上，目前普遍存在出苗不一致、生長緩慢、病蟲害發(fā)生嚴重，有效成分降低等問題。輻射誘變育種具有突變頻率高、突變譜廣、能夠打破基因連鎖等優(yōu)點，可以用來改良作物某些不良性狀，獲得常規(guī)育種難以獲得的優(yōu)良性狀。

（2）中藥材的輻射滅菌。中藥材在儲藏、加工的過程中容易滋生蟲子和細菌，不僅影響藥物的質(zhì)量，還會直接導致藥源性疾病的發(fā)生；因此中藥材的殺蟲滅菌是必不可缺的環(huán)節(jié)。輻射滅菌技術(shù)是指利用γ射線、加速器產(chǎn)生的高能電子束或轉(zhuǎn)換成的X射線殺滅微生物的過程，可以避免傳統(tǒng)滅菌的很多弊端[10]。

（3）核輻射在中藥材提取中的應用。核物理用于藥物有效成分提取的輻射源主要是微波和超聲波。微波提取是由于微波具有很強的穿透力，可以在物料內(nèi)外同時均勻、迅速地加熱，故微波提取藥物有效成分具有簡便、快速、高效的優(yōu)點。超聲提取又稱超聲波萃取，是利用超聲波輻射產(chǎn)生強烈的空化效應、機械振動、擾動效應、乳化、擴散、擊碎和攪拌等多種作用，增加物質(zhì)分子運動頻率和速度、溶劑的穿透力，從而加速目標成分進入溶劑，促進提取的進行。

1.5 核輻射技術(shù)在環(huán)境治理的應用

污染物的輻射處理方法是利用γ射線及快速電子對環(huán)境污染物進行輻照。輻照時體系可產(chǎn)生物理化學效應、化學效應及生物學效應等。核輻射技術(shù)在處理環(huán)境污染物應用面廣，可用高能射線對燃燒廢氣、生活污水和工業(yè)廢水消化污水及固體廢物等進行處理都已取得良好效果。輻射能有效地降解三廢中的有機物，殺死廢物中的有害病毒、有害微生物，提高污泥的降解和過濾性能，節(jié)省大量能源。輻射不會帶來二次污染，安全可靠，特別對于那些常規(guī)方法難以處理的污染物具有重要意義[11]。

2 核輻射的危害和防治

2.1 核輻射的污染

（1）特點。核輻射有以下3個特點。① 核污染發(fā)出放射線卻不會同核爆結(jié)束反應堆停堆而停止，它一旦產(chǎn)生和擴散到環(huán)境中，就不斷對周圍發(fā)出放射線，永不停止，只是遵循各種放射性核素內(nèi)在固定速率不斷減少其活性，其半衰期即活度減少到一半所需的時間從幾分鐘到幾千年不等。② 核污染具有完全的化學物理穩(wěn)定性。核污染不同于化學污染可以被自然環(huán)境條件所降解，或被相應的化學物質(zhì)中和破壞而消除，自然環(huán)境的陽光、溫度無法改變放射性核素的放射性活度，人們也無法用任何化學或物理手段處理使放射性核素失去放射性。③核污染在對人類及生物作用上還是有一般物理因素和化學毒素危害所不具有的作用效果劑量累積性[1]。

（2）來源。核污染的最大來源是核武器爆炸核爆時核裂變產(chǎn)生大量放射性核素，而核裂變或核聚變產(chǎn)生極強的中子輻射又會使周圍物質(zhì)活化變?yōu)榉派湫院怂兀@些放射性核素被核爆沖擊波迅速擴散到四周環(huán)境，盡管多數(shù)放射性核素半衰期較短、能在幾天內(nèi)迅速減少活度，但仍留下半衰期長達十幾年或更長時間的相當數(shù)量的核污染。核爆污染并不局限于周圍幾十千米環(huán)境，因為放射性核素微粒能大量飛向高空進入大氣環(huán)流。核反應堆的放射性核產(chǎn)物及其報廢燃料是核污染第二大來源。專門生產(chǎn)人工放射性產(chǎn)品的工廠是利用反應堆強中子流活化非放射元素制品使其轉(zhuǎn)變?yōu)榉派湫院怂刂破?，然后發(fā)運至各處科研、醫(yī)學及工業(yè)應用部門核電站及其他反應堆中大量裂變核廢物，原則上是完全密封的，只在停堆換裝核燃料時才取出轉(zhuǎn)送到專門核廢料處理廠進行處理。工業(yè)生產(chǎn)活動造成天然放射性物質(zhì)富集在工業(yè)廢料中是一個尚未引起人們足夠重視的核污染來源。

2.2 核輻射的防治

對于核輻射污染，即放射性污染，常人往往只注意到現(xiàn)代科學研究中的核輻射核工廠里某些特殊車間產(chǎn)生的放射性物質(zhì)造成的危害，或者醫(yī)院的X射線治療所產(chǎn)生的放射性造成的影響及損害，而未考慮生活中還會有放射性污染源。實際上，生活中的放射性物質(zhì)能通過多種途徑進入人體，造成對機體的慢性損害。要防止生活中的放射性污染源對人體健康的危害，有關(guān)執(zhí)法部門要增強環(huán)境保護意識的宣傳。另外，政府及執(zhí)法部門要加強對放射性物質(zhì)的管理，對容易受放射性物質(zhì)污染的商品要進行定期監(jiān)測。

可通過3種途徑來減少外照射劑量。① 遠離放射源。在處理一個廢棄、閑置或無主的放射源時，應盡可能利用長柄操作工具。有條件時，利用機器人遙控處理放射源。除非有必要，無執(zhí)勤任務的人員應遠離放射源和不進入放射性污染區(qū)。② 縮短與放射源接觸時間；因此，應加強對從事核輻射突發(fā)事件應急處理人員的訓練，提高工作熟練程度，縮短作業(yè)時間。③ 有效利用屏蔽物削弱射線作用于人體的強度。在處理單個放射源時，也應利用具有良好屏蔽性能的物體（如鉛磚、鐵 板、混凝土板）來減少人體的受照劑量。也可利用建（構(gòu)）筑物和大型車船體對貫穿輻射的屏蔽性能。在房屋內(nèi)，里間的屏蔽性能優(yōu)于外間，墻角處優(yōu)于屋正中，更優(yōu)于門后。

少量的輻射照射不會危及人類的健康，過量的放射性射線照射對人體會產(chǎn)生傷害，使人致病、致死。劑量越大，危害越大。目前，國際上接受的一個正常成年人日常接受輻射的量為0.003 mSv，而短時間受到大于5 Sv輻射的話，半數(shù)人60 d內(nèi)就會死亡。乘10 h飛機所受的輻射量約為0.03 mSv，照1次X光的輻射累積量為0.1～0.2 mSv，平均每人每年受輻射的累積量為1～5 mSv，核電站工作人員1年所受的最高輻射量約為50 mSv。核輻射的劑量與對人體的危害如圖3所示。

我國的國家標準中也有對于核照射劑量的估算以及各個職業(yè)的核輻射控制標準。國家標準《GBZ／T 151—2002放射事故個人外照射劑量估算原則》規(guī)定了放射事故中個人外照射劑量估計的一般原則和基本要求。標準中詳細規(guī)定了事故照射、外照射、一次急性照射、分次照射、延時照射以及相對均勻和非均勻照射等不同情況下的劑量估算情況，事故調(diào)查要求，事故劑量的表示方式，事故劑量的測量方法，事故劑量的估算方法以及劑量估算結(jié)果評價。以空勤人員輻射控制標準為例，在國家標準《GBZ 140—2002空勤人員宇宙輻射控制標準》中詳細規(guī)定了空勤人員職業(yè)照射有效劑量不得超過20 mSv，女性空勤人員從發(fā)現(xiàn)妊娠之日起，在孕期余下的時間內(nèi)應采取補充的控制措施，使其腹部表面（下軀干）累積接受的劑量不超過1 mSv。

圖3 核輻射對人體的危害

近年來，隨著對輻射危害長期效應研究的深入，發(fā)現(xiàn)輻射劑量和相應致癌幾率相關(guān)曲線在低劑量端沒有閾值。有人在防護輻射的理念上提出了“在可以合理做到的條件下使輻照劑量盡可能降低”的原則，已得到廣大輻射防護工作者的認同。對輻射水平的控制并不是達到有關(guān)防護規(guī)定的數(shù)值以下就行了，而是要求在可合理做到的情況下使其盡可能降低，這種原則用到對核污染控制上，很自然就發(fā)展為“在可以用其他技術(shù)手段替代情況下盡量不要使用放射性核素”。

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