氚的輻射危害與防護(hù)管理

劉強(qiáng) 柴之芳

1 中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院放射醫(yī)學(xué)研究所，天津市放射醫(yī)學(xué)與分子核醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300192；2 蘇州大學(xué)蘇州醫(yī)學(xué)院放射醫(yī)學(xué)與防護(hù)學(xué)院，放射醫(yī)學(xué)與輻射防護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘇州 215123

核能是通過核衰變、核裂變、核聚變之一的方式釋放能量。核裂變?cè)谀茉窗l(fā)展中已做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)，但存在著資源利用率低、剩余的廢液中含有大量高濃度的放射性核素，成為危害生物圈的潛在因素；核聚變能源已成為人類未來最理想的能源，氚是核聚變反應(yīng)堆中的重要燃料，在核能系統(tǒng)的研究及應(yīng)用中氚占有重要地位。因此，隨著核能的發(fā)展，氚生物效應(yīng)的研究與核聚變反應(yīng)堆的開發(fā)這一重大課題有著密切關(guān)系，也是當(dāng)今其能在放射醫(yī)學(xué)、核醫(yī)學(xué)及輻射防護(hù)研究領(lǐng)域中占有重要位置的主要原因。

1 核聚變運(yùn)轉(zhuǎn)中放射性核素氚的重要性

核能是21 世紀(jì)世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展中最具有決定力的五大技術(shù)領(lǐng)域之一，也是一種最高效、最經(jīng)濟(jì)、最清潔的新能源。在21 世紀(jì)，各國政府都將核能資源的利用作為國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。從1967 年6 日17 日的氫彈爆炸試驗(yàn)至2020 年12 月4 日的新一代“人造太陽”實(shí)現(xiàn)首次放電，我國經(jīng)歷了50 余年的核能發(fā)展，從艱難起步到積極快速崛起，期間結(jié)出了豐碩的成果，取得了輝煌成就。中國自主研發(fā)的高溫氣冷堆核電站，將成為世界上首個(gè)擁有商業(yè)化高溫氣冷堆核電站的國家[1]。但是，在我國核能發(fā)展實(shí)施“熱堆-快堆-聚變堆”三步走的戰(zhàn)略中，核聚變能源的開發(fā)對(duì)我國未來能源與國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展將具有重大戰(zhàn)略意義，這必將助力我國政府提出的“碳達(dá)峰”和“ 碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)可控核聚變所需的反應(yīng)原料是氘（deuterium ）和氚（tritium）[2]，只要將氫的同位素氘與氚的原子核無限接近，使其發(fā)生聚變反應(yīng)，就能釋放出巨大能量，可見氚在核聚變運(yùn)轉(zhuǎn)中極為重要。隨著民用核聚變能源技術(shù)的發(fā)展，中國必須加大氚在化學(xué)、物理學(xué)、工藝學(xué)以及工程技術(shù)等方面的研究[3-7]，同時(shí)必須抓住機(jī)遇加大氚對(duì)生命體的危害評(píng)價(jià)及氚輻射防護(hù)系列的研究。本期氚?？^為系統(tǒng)地介紹了氚的監(jiān)測(cè)、輻射危害與評(píng)價(jià)、醫(yī)學(xué)救治與防護(hù)等領(lǐng)域研究的科研成果。

此外，核裂變反應(yīng)堆也能通過中子俘獲反應(yīng)生成氚，尤其是重水堆的產(chǎn)氚率相當(dāng)高。切爾諾貝利核電站和福島核電站的災(zāi)難性事故都有大量的氚釋放到環(huán)境中，并且難以排除。

2 國內(nèi)氚研究的進(jìn)展

本期氚?？榻B了從核裂變的運(yùn)轉(zhuǎn)和核聚變?nèi)剂想搬尫藕?，其在大氣圈、水圈、土壤圈、生物圈的轉(zhuǎn)移及監(jiān)測(cè)，這是當(dāng)前輻射防護(hù)領(lǐng)域的一個(gè)開拓性的重要課題。研究者從氚的來源與轉(zhuǎn)移，從空氣、水、土壤、食品、生物樣品以及環(huán)境中氚水平的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)和闡述。

自20 世紀(jì)80 年代以來，國內(nèi)周湘艷氚研究團(tuán)隊(duì)[8]從輻射防護(hù)的角度研究核聚變?nèi)剂想暗蛣┝空丈湎?，以多?xiàng)生物終點(diǎn)進(jìn)行了相對(duì)生物效能（relative biological effectiveness，RBE）的研究。這些研究結(jié)果突顯了中國在該研究領(lǐng)域系統(tǒng)性的長期研究特點(diǎn)，如選擇以指數(shù)遞減規(guī)律的劑量率和恒定劑量率氚β 粒子照射、以60Co γ 射線作為參考射線、以卵母細(xì)胞顯性致死突變率、精細(xì)胞顯性致死突變率、精原細(xì)胞顯性骨骼突變率、精原細(xì)胞存活率、胎肝嗜多染紅細(xì)胞微核細(xì)胞率、黑色素細(xì)胞分化異常率和淋巴細(xì)胞染色體畸變率等指標(biāo)作為生物終點(diǎn)，計(jì)算了兩種氚照射方式下的RBE 值：在累積劑量為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 Gy/10 d 的條件下，指數(shù)遞減和恒定劑量氚照射下獲得相應(yīng)氚的RBE 值為2.9～4.2。由此提出：從輻射防護(hù)目的出發(fā)，建議將低傳能線密度（LET）輻射對(duì)生物群的RBE 值設(shè)定為3.0～3.5。如果估計(jì)暴露于氚β 粒子或其他低LET 輻射或接近導(dǎo)出考慮參考水平（DCRL）下，則可能需要較高RBE 值進(jìn)行評(píng)估，以更為準(zhǔn)確地估計(jì)輻射的危險(xiǎn)度更為合適。該項(xiàng)研究曾被2021 年公布的國際放射防護(hù)委員會(huì)（International Commission on Radiological Protection，ICRP）148 出版物[9]、聯(lián)合國原子輻射效應(yīng)科學(xué)委員會(huì)（United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation，UNSCEAR）2016 年報(bào)告[10]、加拿大[11]、英國[12]等重要學(xué)術(shù)組織報(bào)道和引用。

王冰等氚研究者[13-15]對(duì)低劑量氚致發(fā)育中的中樞神經(jīng)系統(tǒng)的影響及其機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)性研究并取得了重要的研究成果。他們采用向孕鼠腹腔內(nèi)單次注射氚水的方法來模擬事故時(shí)所導(dǎo)致的母體體內(nèi)氚水污染，對(duì)子代動(dòng)物的生長發(fā)育、神經(jīng)行為學(xué)、腦組織病理學(xué)、腦組織神經(jīng)生物化學(xué)、初代培養(yǎng)大鼠大腦組織細(xì)胞電生理學(xué)和初代培養(yǎng)小鼠中腦細(xì)胞形態(tài)學(xué)與生物化學(xué)的變化等方面，使用了總計(jì)56 項(xiàng)生物學(xué)終點(diǎn)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，從多層次綜合地探討了低劑量氚子宮內(nèi)照射對(duì)發(fā)育中的中樞神經(jīng)系統(tǒng)的影響及其機(jī)理。該研究在世界上是第1 次在同一系列實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，從分子、細(xì)胞、器官到整體；從組織結(jié)構(gòu)、神經(jīng)生化、行為到學(xué)習(xí)記憶功能；從動(dòng)物的個(gè)體到細(xì)胞離體培養(yǎng)綜合評(píng)價(jià)了低劑量氚β 粒子射線連續(xù)照射對(duì)發(fā)育中的中樞神經(jīng)系統(tǒng)的危險(xiǎn)度。這些重要的研究成果為全面系統(tǒng)地評(píng)價(jià)氚輻射的危險(xiǎn)度，提供了最具有可信度和權(quán)威性的科學(xué)依據(jù)。在國內(nèi)外中、英文雜志共發(fā)表30 余篇文章，并被ICRP和UNSCEAR 等權(quán)威國際組織引用和報(bào)道[9-11]。

劉芬菊研究團(tuán)隊(duì)[16-17]多年來開展氚標(biāo)記化合物的基礎(chǔ)研究及臨床相關(guān)指標(biāo)的檢測(cè)。他們將氚標(biāo)記化合物廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、生物分子的代謝、生物體內(nèi)的擴(kuò)散和交換等領(lǐng)域，并進(jìn)行了深入探討，提供了藥物在生物體內(nèi)的物料平衡、測(cè)量生物吸收利用度、器官與組織分布，計(jì)算排泄的速度與途徑等重要數(shù)據(jù)與資料。該研究團(tuán)隊(duì)采用經(jīng)典的放射性同位素標(biāo)記方法，研究生物大分子及臨床藥物的篩選，觀察放療前后的效果及藥代動(dòng)力學(xué)改變。這些研究結(jié)果有利于更加全面、深入地了解氚標(biāo)記化合物在放射醫(yī)學(xué)及核醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用；探究氚在 DNA 分子、細(xì)胞、組織及體內(nèi)的分布、合成及輻射生物學(xué)作用；在國內(nèi)，為臨床用藥的篩選及療效觀察提供極為重要的理論依據(jù)。

崔鳳梅氚研究團(tuán)隊(duì)[18]近20 年來利用細(xì)胞、小鼠和斑馬魚等為研究對(duì)象，圍繞氚的毒性機(jī)制開展了系列研究、獲得了豐厚的科研成果。該團(tuán)隊(duì)建立不同初始濃度和染毒時(shí)間的氚內(nèi)污染小鼠動(dòng)物模型，觀察了外周血白細(xì)胞和骨髓嗜多染紅細(xì)胞微核、血生化和自由基的改變，發(fā)現(xiàn)了它們?cè)诩毙噪皟?nèi)污染時(shí)的變化規(guī)律。檢測(cè)了染毒小鼠基因組甲基化譜和DNA 的變化規(guī)律；同時(shí)對(duì)染毒小鼠肝臟組織進(jìn)行miRNA 表達(dá)芯片檢測(cè)，篩選并分析與氚暴露相關(guān)的關(guān)鍵miRNAs；接著建立人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞（HUVEC）氚水急性染毒模型，探索了miR-34a 參與氚水誘發(fā)的DNA 損傷修復(fù)調(diào)控過程，并檢測(cè)了氚水誘發(fā)的差異LncRNAs 和mRNAs，聚焦在SQSTM1、CXCL8（IL-8）和ITPR1 等幾個(gè)關(guān)鍵基因的信號(hào)通路導(dǎo)致HUVEC 細(xì)胞的毒性效應(yīng)。成功建立HUVEC細(xì)胞氚水慢性染毒模型，證實(shí)長期氚水暴露可通過IL-8 介導(dǎo)，誘發(fā)血管內(nèi)皮細(xì)胞出現(xiàn)衰老、通透性下降和粘附性改變等，從而失去維持血管穩(wěn)態(tài)的功能。為了全面評(píng)估氚水的生態(tài)毒性，建立了斑馬魚氚水染毒模型，在構(gòu)建斑馬魚胚胎和成魚數(shù)字化模型基礎(chǔ)上，進(jìn)行劑量和劑量率的詳細(xì)估算；同時(shí)觀察了氚水對(duì)斑馬魚生長發(fā)育的影響，并篩選和驗(yàn)證了參與心臟毒性的關(guān)鍵分子TnC/TPM4 信號(hào)通路。在闡明氚水毒性機(jī)制的同時(shí)，還著手尋找物美價(jià)廉的氚促排和防護(hù)藥物，制備了1 種由黃芪提取物和茶葉提取物組成的組合物，可應(yīng)用于氚水內(nèi)污染促排和防護(hù)，從而獲得了1 項(xiàng)發(fā)明專利。

劉玉龍團(tuán)隊(duì)[19-20]近年來對(duì)氚內(nèi)污染病例的醫(yī)學(xué)處理在國內(nèi)做出了突出貢獻(xiàn)。在本?？兴麄冎攸c(diǎn)梳理了國內(nèi)外幾起涉氚事故所致氚內(nèi)污染人員的臨床醫(yī)學(xué)處理資料，提出了氚內(nèi)污染的救治要點(diǎn)，并介紹了近年來涉氚事故醫(yī)學(xué)應(yīng)急與管理方面的豐富經(jīng)驗(yàn)。強(qiáng)調(diào)我國對(duì)于核與輻射突發(fā)事件擁有較為完善的管理制度與救援方案，在涉氚事故發(fā)生后，可以針對(duì)涉氚事故發(fā)生的特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)有的法律法規(guī)相關(guān)規(guī)定，對(duì)涉氚事故實(shí)施三級(jí)醫(yī)學(xué)應(yīng)急救援體系、對(duì)受照人員開展醫(yī)學(xué)管理及心理援助等，為今后對(duì)涉氚事故醫(yī)學(xué)應(yīng)急與管理起到建設(shè)性作用。

中核核電運(yùn)行管理有限公司秦山第三核電廠王孔釗團(tuán)隊(duì)[21]根據(jù)國家相關(guān)法律法規(guī)，主要參考了國外重水堆的法規(guī)和經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合自身的管理特點(diǎn)，不斷完善和優(yōu)化氚內(nèi)照射監(jiān)測(cè)以及估算方法。從而使重水堆核電廠氚內(nèi)照射劑量的監(jiān)測(cè)管理工作持續(xù)得到改進(jìn)，形成了一整套系統(tǒng)規(guī)范且行之有效的管理模式，為我國重水堆電廠集體劑量管理、人員非計(jì)劃攝入氚的發(fā)現(xiàn)和處理，進(jìn)而保障涉氚放射工作人員的輻射安全，都發(fā)揮了決定性作用。

3 思考與展望

氚是核聚變反應(yīng)的重要核素之一，而聚變能是核能源發(fā)展中更為清潔和安全的能源形式?，F(xiàn)有的氚科技水平已無法滿足未來聚變堆開展大規(guī)模操作的應(yīng)用需求，氚的科學(xué)技術(shù)研究面臨新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。我國已經(jīng)向世界展現(xiàn)了核聚變研發(fā)中的中國力量，朝著核聚變發(fā)電的實(shí)施穩(wěn)步前行。為滿足我國核安全和核能可持續(xù)發(fā)展的重大需求，提高和加強(qiáng)氚科學(xué)技術(shù)研究，圍繞氚的防護(hù)展開充分的討論是迫切和必要。為此，今后隨著核能的快速發(fā)展，圍繞氚輻射危害評(píng)價(jià)和防護(hù)管理的前沿與熱點(diǎn)研究，將為國家核聚變能大發(fā)展的戰(zhàn)略進(jìn)一步提供支持與決策十分重要。

利益沖突 所有作者聲明無利益沖突

作者貢獻(xiàn)聲明 劉強(qiáng)負(fù)責(zé)文章的撰寫與修改；柴之芳負(fù)責(zé)文章的審閱與修訂