核輻射對(duì)環(huán)境的影響及安全防護(hù)策略探究

李 娟

（河北省廊坊市生態(tài)環(huán)境局輻射科，河北 廊坊 065000）

引言

近年來(lái)，核技術(shù)在醫(yī)療、電力、工業(yè)等諸多行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，對(duì)改善能源結(jié)構(gòu)、提高生產(chǎn)效率有重要的意義，并取得了顯著的應(yīng)用成果。與此同時(shí)，核電站等核項(xiàng)目在運(yùn)行期間，會(huì)產(chǎn)生一定程度的核輻射，通過(guò)多種形態(tài)、途徑影響到外部生態(tài)環(huán)境，由此引發(fā)一系列環(huán)境污染問(wèn)題出現(xiàn)，不利于我國(guó)建設(shè)環(huán)境友好型社會(huì)。因此，應(yīng)對(duì)核輻射對(duì)環(huán)境的影響進(jìn)行深入研究，采取合理的處理措施，解決污染問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)核技術(shù)安全、高效應(yīng)用目標(biāo)。

1 核輻射對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的影響

1.1 銫-137的影響

銫-137作為一類常見(jiàn)的裂變產(chǎn)物，具有含量豐富、可遷移性的特征，裂變產(chǎn)額約為5.9%，半衰期為30年，當(dāng)前已經(jīng)在生物圈廣泛分布，主要分布在土壤環(huán)境和動(dòng)植物體當(dāng)中。一方面，銫-137經(jīng)過(guò)沉降后進(jìn)入地表，與土壤環(huán)境中的有機(jī)質(zhì)及粘土礦物保持緊密吸附狀態(tài)，受到土壤顆粒遷移、顆粒沉積等外部因素影響，核輻射持續(xù)向四周地表空間運(yùn)移，從而出現(xiàn)大范圍土壤污染問(wèn)題。根據(jù)相關(guān)調(diào)查結(jié)果顯示，絕大多數(shù)銫-137長(zhǎng)期循環(huán)在富含有機(jī)質(zhì)與粘土礦物的土壤系統(tǒng)內(nèi)，以4～12 cm深度的土壤層作為分布層。

另一方面，銫-137還將通過(guò)大氣沉積、表面吸附等途徑，逐漸進(jìn)入動(dòng)物體和植物體內(nèi)部。以切爾諾貝利核泄漏事故為例，根據(jù)后續(xù)調(diào)查結(jié)果顯示，在1987-1994年間，一定含量的銫-137逐漸從土壤中轉(zhuǎn)移到茶樹(shù)莖稈、新生葉片，茶樹(shù)中的銫-137凈化有效半衰期為1 750 d。

1.2 帶電粒子射線的影響

α射線是以氦-4原子核為核心形成的α發(fā)射體，發(fā)射體按照特定不連續(xù)能量與獨(dú)特半衰期持續(xù)向外發(fā)射，此類輻射有著粒子質(zhì)量大、物質(zhì)體內(nèi)有效射程短、電離作用強(qiáng)的特征，僅對(duì)核項(xiàng)目周邊環(huán)境造成一定程度的影響，推薦采取輻射屏蔽措施，在核輻射形成場(chǎng)所設(shè)置屏蔽層，隔離α射線向外傳播[1]。

β射線是在放射性核衰變期間形成的帶電粒子，進(jìn)行衰變反應(yīng)時(shí)放出中微子并帶走少量能量，從而形成具備連續(xù)譜的正/負(fù)電子流，此類電子流也被稱為β粒子。根據(jù)環(huán)境污染情況來(lái)看，β射線有著電荷數(shù)量少、容易被物質(zhì)吸收、有害性低的特征，設(shè)置3 mm厚鋁板作為外部屏蔽層，即可隔離絕大多數(shù)β射線，剩余少量β射線基本不會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、動(dòng)植物健康狀況造成明顯影響。

中微子主要來(lái)源于核反應(yīng)堆能量，除去具備微弱純核力外，具有不帶電荷、沒(méi)有質(zhì)量的特征，無(wú)法和物質(zhì)產(chǎn)生相互作用，工作人員無(wú)需單獨(dú)采取面向中微子的安全防護(hù)措施。

1.3 中性粒子射線的影響

中子質(zhì)量數(shù)為1，在核反應(yīng)期間持續(xù)形成，有著不帶電荷的特點(diǎn)，包括高能中子、慢中子、快中子、熱中子等諸多種類。在核項(xiàng)目運(yùn)作期間，中子和周邊分布的多類原子核共同形成中性粒子射線，保持彈性散射狀態(tài)，且具備一定程度的殺傷力，如果出現(xiàn)中子泄漏問(wèn)題，會(huì)對(duì)周邊環(huán)境的動(dòng)植物健康造成威脅。例如，在工作人員受到中性粒子射線沖擊時(shí)，容易出現(xiàn)造血器官衰竭、中樞神經(jīng)損傷、消化系統(tǒng)損傷的短期問(wèn)題，后續(xù)可能出現(xiàn)白血病、白內(nèi)障、惡性腫瘤等疾病。同時(shí)，中性粒子射線以熱中子、快中子為主，兩類中子所占份額較高，工作人員在制定安全防護(hù)技術(shù)方案時(shí)，需重點(diǎn)考慮熱中子、快中子防護(hù)問(wèn)題。

1.4 電磁波射線的影響

電磁波射線包括X射線、y射線，兩種射線的產(chǎn)生機(jī)理較為相似，X射線是在原子碰撞及能量傳遞期間持續(xù)產(chǎn)生，y射線是在核衰變期間持續(xù)形成，兩類射線都具備極高危害程度。以y射線為例，普遍伴隨α射線或是β射線形成，本質(zhì)上屬于一種高能量、高頻率的電磁波，有著波長(zhǎng)短、穿透性強(qiáng)的特征，在y射線影響下，電子設(shè)備出現(xiàn)燒毀情況，誘發(fā)人體出現(xiàn)惡性腫瘤和染色體畸變等疾病，反應(yīng)堆容器在長(zhǎng)期照射下還會(huì)出現(xiàn)超溫故障與縮短使用壽命[2]。

2 核輻射安全防護(hù)策略

2.1 核輻射的屏蔽

2.1.1 屏蔽混凝土

此類材料有著原料充足、成本低廉、結(jié)構(gòu)性能好的優(yōu)勢(shì)，多用于核電站項(xiàng)目。正常情況下，選用密度在3 600 g/cm3以內(nèi)、抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度分別不超過(guò)40 MPa和3.2 MPa的混凝土材料，屏蔽層主要攔截中子與y射線。如果對(duì)屏蔽性能提出嚴(yán)格要求，則需要把混凝土密度提高值4 600 g/cm3或5 700 g/cm3以上，混凝土制備期間摻加適量金屬礦物集料，但這會(huì)提高材料成本與改變結(jié)構(gòu)狀態(tài)。例如，南華大學(xué)近年來(lái)研制一款新型屏蔽混凝土材料，選用磁鐵礦石、鋼珠作為骨料，屏蔽混凝土的y射線屏蔽性能得到顯著提升。同時(shí)，也可選擇在混凝土配合比方案中額外增加纖維材料，包括碳纖維、鋼纖維等，這不但可以改善混凝土力學(xué)性能，還可以在中子屏蔽期間預(yù)防二次y射線出現(xiàn)。

2.1.2 高硼鋼

此類材料多用于移動(dòng)式核反應(yīng)堆項(xiàng)目，早期高硼鋼的硼含量控制在0.5%，根據(jù)使用情況來(lái)看，有著沖擊韌性離散的局限性，實(shí)際屏蔽效果有限，后續(xù)采取添加Ni元素、Mo元素等改進(jìn)措施，沖擊韌性提升至90 J/cm2以上，已初步滿足核輻射屏蔽需求。

為進(jìn)一步改善屏蔽效果，可選擇采取快速凝固、熱處理、改變?nèi)垠w結(jié)晶順序等多項(xiàng)措施，以強(qiáng)化高硼鋼力學(xué)性能作為改善思路[3]。以快速凝固技術(shù)為例，在原材中添加鈦粉、硼粉的混合物，把熔體直接注入模具內(nèi)快速凝固，所制備高硼鋼的強(qiáng)度普遍在1 800～2 500 MPa，且具備十分優(yōu)異的耐磨性能，在核項(xiàng)目投運(yùn)使用期間，基本不會(huì)出現(xiàn)屏蔽層失效、屏蔽層更換問(wèn)題。

2.1.3 鉛硼聚乙烯

此類材料同時(shí)具備慢化快中子、吸收熱中子、減弱y射線的使用功能，綜合屏蔽效果最為顯著，有著適用范圍廣、工藝技術(shù)成熟的優(yōu)勢(shì)，可以調(diào)節(jié)硼含量來(lái)滿足不同核輻射場(chǎng)景下的屏蔽需求。

為進(jìn)一步強(qiáng)化核輻射屏蔽效果，需要推廣復(fù)合型鉛硼聚乙烯板材，例如，北京射線應(yīng)用研究中心研發(fā)一款高密度鉛硼聚乙烯作板材，密度控制在5.8～6.2 g/cm3，通過(guò)提高密度來(lái)強(qiáng)化熱中子與y射線屏蔽性能，卻會(huì)削弱快中子屏蔽性能。也可選擇增加B4C含量，增強(qiáng)中子屏蔽性能，但卻會(huì)削弱y射線屏蔽性能。B4C含量控制在2%時(shí)，鉛硼聚乙烯材料的綜合屏蔽性能最佳。

2.2 放射性場(chǎng)所分區(qū)管控

核項(xiàng)目由廢物貯存區(qū)、庫(kù)房控制室、人員通道、監(jiān)測(cè)區(qū)等諸多工作場(chǎng)所組成，各處區(qū)域的核輻射量存在明顯差異，如果完全采取相同規(guī)格的防護(hù)措施，無(wú)疑會(huì)抬高項(xiàng)目總體使用成本。因此，工作人員需要采取分區(qū)管控措施，根據(jù)項(xiàng)目情況與參考同類核項(xiàng)目案例，準(zhǔn)確掌握各處工作場(chǎng)所的核輻射水平、環(huán)境污染程度，根據(jù)已知信息把核項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)劃分為控制區(qū)、監(jiān)督區(qū)和非輻射區(qū)，再根據(jù)防護(hù)需求編制面向各類區(qū)域的專項(xiàng)核輻射安全防護(hù)技術(shù)方案。

2.2.1 控制區(qū)

包括廢物貯存區(qū)、排風(fēng)機(jī)房、監(jiān)測(cè)區(qū)、核燃料補(bǔ)給室等，也被稱為高輻射區(qū)，對(duì)外側(cè)屏蔽層進(jìn)行加厚改造處理，檢測(cè)改造完畢后的核輻射劑量限值是否超標(biāo)。

2.2.2 監(jiān)督區(qū)

包括人員通道等靠近控制區(qū)的工作場(chǎng)所，屏蔽層厚度略低于控制區(qū)，要求監(jiān)督區(qū)域的核輻射劑量水平不超過(guò)2.5 μSv/h。

2.2.3 非輻射區(qū)

包括休息區(qū)等原理高輻射區(qū)的工作場(chǎng)所，可以酌情減少屏蔽層厚度來(lái)控制項(xiàng)目造價(jià)成本，要求非輻射區(qū)的劑量率水平不超過(guò)0.5 μSv/h[4]。

2.3 人流物流控制

2.3.1 通道隔離

在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)分散布置人員通道和物流通道，如果違規(guī)并用通道，放射性物質(zhì)所形成核輻射不但會(huì)侵害人體健康，還會(huì)附著在人體上逐漸遷移至外部生態(tài)系統(tǒng)。同時(shí)，盡量縮短物流通道距離，在通道沿途密集安裝屏蔽材料，避免放射性物質(zhì)在運(yùn)送期間產(chǎn)生過(guò)量輻射、核輻射穿透屏蔽層。

2.3.2 污染監(jiān)測(cè)

在廢物裝卸大廳、危險(xiǎn)品庫(kù)房等區(qū)域內(nèi)安裝探測(cè)計(jì)，在各類放射性物質(zhì)進(jìn)出裝卸大廳等特殊工作場(chǎng)所時(shí)，對(duì)核輻射劑量率和包裝材料表面污染程度進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)比檢測(cè)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值，確定無(wú)誤后，再行辦理放射性物質(zhì)出入庫(kù)手續(xù)。如果現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)值超標(biāo)，則表明有可能出現(xiàn)放射性物質(zhì)直接暴露空氣等問(wèn)題，及時(shí)采取應(yīng)急處置措施，避免核輻射污染源失控。

2.3.3 污染清理

在工作人員進(jìn)入控制區(qū)時(shí)更換特種工作服，離開(kāi)控制區(qū)時(shí)在密閉更衣間內(nèi)脫去工作服、清洗表面附著的微量核輻射，并對(duì)工作服進(jìn)行去污處理，選用飽和Na2CO3溶液、飽和H2C2O4溶液作為去污劑。

2.4 通風(fēng)改造

為有效控制核項(xiàng)目工作場(chǎng)所內(nèi)的核輻射水平，阻斷核輻射通過(guò)空氣向外部環(huán)境傳播的途徑。在項(xiàng)目建造期間，需要采取通風(fēng)過(guò)濾技術(shù)，工作場(chǎng)所內(nèi)部安裝空調(diào)風(fēng)機(jī)，持續(xù)向室內(nèi)引入新鮮冷空氣和向外排出輻射水平較高的渾濁空氣，確保各處工作場(chǎng)所的換氣頻率、次數(shù)達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。以放射性廢物貯存區(qū)為例，把實(shí)際換氣次數(shù)控制在2～3次/小時(shí)。隨后，對(duì)常規(guī)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行屏蔽改造，具體可采取負(fù)壓類動(dòng)態(tài)屏蔽、正壓類動(dòng)態(tài)屏蔽方法，使得通風(fēng)系統(tǒng)具備屏蔽功能，攔截核輻射向外擴(kuò)散[5]。

2.4.1 負(fù)壓類動(dòng)態(tài)屏蔽

要求工作場(chǎng)所內(nèi)的邊界抽風(fēng)量略高于進(jìn)風(fēng)量，長(zhǎng)時(shí)間在工作場(chǎng)所維持負(fù)壓空氣環(huán)境，并配備吸附器回路。在生產(chǎn)期間產(chǎn)生核輻射時(shí)，核輻射將通過(guò)唯一吸附器回路進(jìn)行排放。同時(shí)，加裝核輻射監(jiān)測(cè)儀表和報(bào)警連鎖裝置，通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行期間持續(xù)檢測(cè)所排放空氣的輻射水平，發(fā)現(xiàn)輻射值超過(guò)安全值后，自動(dòng)發(fā)送報(bào)警信號(hào)與停止排風(fēng)。

2.4.2 正壓類動(dòng)態(tài)屏蔽

要求工作場(chǎng)所邊界進(jìn)風(fēng)量略大于出風(fēng)量，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和與負(fù)壓通風(fēng)屏蔽系統(tǒng)較為相似。考慮到核項(xiàng)目在生產(chǎn)期間有可能出現(xiàn)安全事故，為保護(hù)工作人員安全，需要額外在主控室等重要區(qū)域內(nèi)搭建獨(dú)立的小型通風(fēng)系統(tǒng)。

2.5 流出物處理

2.5.1 硼回收系統(tǒng)

布置管路與定期注入硼酸溶液，硼回收系統(tǒng)持續(xù)向反應(yīng)堆硼和水補(bǔ)給系統(tǒng)提供硼酸溶液，把除鹽水進(jìn)行脫氧處理后補(bǔ)充至補(bǔ)給系統(tǒng)，自動(dòng)檢測(cè)水箱內(nèi)臨時(shí)貯存堆補(bǔ)給水品質(zhì)是否達(dá)標(biāo)，最終通過(guò)排放蒸餾液方法來(lái)取得堆冷卻劑排放效果[6]。

2.5.2 廢液處理系統(tǒng)

通過(guò)管路持續(xù)從疏水系統(tǒng)、硼回收系統(tǒng)、廢水回收系統(tǒng)內(nèi)收集核輻射水平較高、缺乏使用價(jià)值的廢液，依次對(duì)廢液進(jìn)行過(guò)濾、除鹽處理，檢測(cè)處理后廢液輻射程度是否達(dá)標(biāo)，確定無(wú)誤后即可向外排放。也可選擇由蒸發(fā)方法來(lái)取代除鹽方法，把廢液蒸發(fā)形成濃縮液，再把濃縮液輸送至固體廢物處理系統(tǒng)。

2.5.3 廢氣處理系統(tǒng)

此系統(tǒng)以放射性含氫廢氣、放射性含氧廢氣作為處理內(nèi)容，提前把待處理廢氣進(jìn)行壓縮處理后放置在特種容器內(nèi)密閉貯存一段時(shí)間，隨著時(shí)間推移，裂變氣體持續(xù)衰變。最終在廢氣放射性水平達(dá)到可排放標(biāo)準(zhǔn)后，進(jìn)行過(guò)濾、除碘以及稀釋處理，即可經(jīng)由通風(fēng)系統(tǒng)向外排放。

2.5.4 固體廢物處理系統(tǒng)

以工作服、放射性物質(zhì)、核電設(shè)備與核工業(yè)設(shè)備磨損不見(jiàn)、濃縮廢液作為處理內(nèi)容，把固體廢物收集整理后貯存一段時(shí)間進(jìn)行放射性衰變過(guò)程，后續(xù)再把廢物密閉放置在混凝土容器或金屬容器內(nèi)部，遵循相關(guān)安全管理要求加以妥善處理。

2.6 輻射監(jiān)測(cè)

為驗(yàn)證所采取各項(xiàng)安全防護(hù)措施是否有效，幫助工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)核輻射泄漏、超標(biāo)問(wèn)題并采取處置措施，避免生態(tài)環(huán)境和人體健康受到嚴(yán)重危害。在核項(xiàng)目投運(yùn)使用期間，必須同步進(jìn)行核輻射監(jiān)測(cè)工作，在工作場(chǎng)所、周邊生態(tài)環(huán)境內(nèi)布置若干具備代表性的觀測(cè)站點(diǎn)，要求有效監(jiān)測(cè)范圍完全覆蓋核輻射影響范圍，并遵循安全管理規(guī)定來(lái)確定電磁波射線、帶電粒子射線等種類核輻射的安全值。如果發(fā)現(xiàn)核輻射水平超出規(guī)定要求，立即把問(wèn)題反饋給現(xiàn)場(chǎng)工作人員與消防等部門進(jìn)行協(xié)同處理。正常情況下，以空氣吸收劑量率、大氣環(huán)境、陳建武、陸地生物或海洋生物、土壤環(huán)境、地表水與地下水、岸邊沉積物作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，以y輻射累積劑量、y核素等作為監(jiān)測(cè)內(nèi)容。

2.7 人體防護(hù)

2.7.1 外照射防護(hù)

采取距離防護(hù)或是屏蔽防護(hù)方法。距離防護(hù)是在放射源周邊間隔一定距離布置控制室等工作區(qū)域，核輻射傳播至工作區(qū)域時(shí)，本身出現(xiàn)衰減情況，工作服足以隔離衰減后的核輻射。屏蔽防護(hù)是在各處功能用房維護(hù)結(jié)構(gòu)上鋪設(shè)屏蔽層，核輻射穿過(guò)屏蔽層時(shí)出現(xiàn)電離碰撞或吸收現(xiàn)象，僅剩少量核輻射完全穿透屏蔽層。

2.7.2 內(nèi)照射防護(hù)

以阻斷核輻射進(jìn)入人體途徑作為安全防護(hù)思路，搭配采取包容、隔離、凈化、稀釋等多項(xiàng)措施。以包容措施為例，在項(xiàng)目運(yùn)作期間，使用特種容器對(duì)放射性物質(zhì)進(jìn)行密閉處理，保持放射源和工作場(chǎng)所空氣環(huán)境相互隔絕，具體可選擇在工作場(chǎng)所配備手套箱、通風(fēng)櫥等裝備。

此外，定期組織職業(yè)健康檢查，對(duì)工作人員的身體健康程度進(jìn)行診斷，如果出現(xiàn)神經(jīng)中樞受損、消化系統(tǒng)損傷等異常，表明工作人員長(zhǎng)期受到過(guò)量核輻射照射，需要深入分析問(wèn)題形成原因，找出現(xiàn)有核輻射安全防護(hù)體系的漏洞，后續(xù)采取相應(yīng)處理措施，預(yù)防核輻射過(guò)量問(wèn)題再次發(fā)生。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，為實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)目標(biāo)，推動(dòng)我國(guó)核事業(yè)邁入全新的階段。工作人員必須提高對(duì)核輻射環(huán)境污染問(wèn)題的重視程度，全面了解各類核輻射對(duì)外部環(huán)境造成的影響情況，落實(shí)核輻射屏蔽、分區(qū)管控、人流物流控制、通風(fēng)改造等多項(xiàng)安全防護(hù)策略，降低核輻射污染問(wèn)題出現(xiàn)概率，保護(hù)生態(tài)環(huán)境不受破壞。