导语:提起核辐射,人们想到的往往是原子弹、氢弹爆炸、是广岛、切尔诺贝利,这些恐怖的事件似乎离我们很遥远。直到日本福岛核电站核泄漏,才让许多人意识到,这种看不见、摸不着、闻不到的可怕东西原来有可能来到我们身边,核安全、究竟核辐射会对健康造成什么影响,又怎么样防护核辐射,我们是否可以衡量辐射照射后短期与长期的健康影响?等等都成为人们关注的焦点。只有了解核辐射,知道核辐射带来的症状,正确掌握一定的防护措施,才能在突发的灾难面前无所畏惧。
辐射存在于所有的物质之中,存在于各处,这是亿万年来存在的客观事实,是正常现象,换而言之就是核辐射无孔不入,没有时间,没有空间限制地存在于我们的生活的世界。
第一节 什么是核辐射?
在日本发生了核泄漏事故以后,是不是引起了你对核辐射的注意,那你知道什么是核辐射吗?
一、什么是核辐射?
核辐射,或通常称之为放射性,存在于所有的物质之中,这是亿万年来存在的客观事实,是正常现象。核辐射是原子核从一种结构或一种能量状态转变为另一种结构或另一种能量状态过程中所释放出来的微观粒子流。对于人体而言,放射性物种通过呼吸吸入,皮肤伤口及消化道吸收进入体内,引起内辐射,γ辐射可穿透一定距离被机体吸收,使人员受到外照射伤害。身体接受的辐射能量越多,其放射病症状越严重,致癌、致畸风险越大。核辐射可以使物质引起电离或激发,故称为电离辐射。电离辐射又分直接致电离辐射和间接致电离辐射。直接致电离辐射包括质子等带电粒子。间接致电离辐射包括光子、中子等不带电粒子。放射性物质的衰变中产生电离辐射。它能破坏人体组织里分子和原子之间的化学键,可能对人体重要的生化结构与功能产生严重影响。我们的身体会尝试修复这些损伤,但是有时损伤过于严重或涉及太多组织与脏器,以至于不可能修复。而且,身体在自然修复过程中,也很可能产生错误。最容易为辐射所伤的身体部分包括肠胃上皮细胞以及生成血细胞的那些骨髓细胞。
人体有躯体细胞和生殖细胞两类细胞,它们对电离辐射的敏感性和受损后的效应是不同的。电离辐射对机体的损伤其本质是对细胞的灭活作用,当被灭活的细胞达到一定数量时,躯体细胞的损伤会导致人体器官组织发生疾病,最终可能导致人体死亡。躯体细胞一旦死亡,损伤细胞也随之消失了,不会转移到下一代。在电离辐射或其他外界因素的影响下,可导致遗传基因发生突变,当生殖细胞中的DNA受到损伤时,后代继承母体改变了的基因,导致有缺陷的后代。因此,人体一定要避免大剂量照射。
核电站核辐射主要是α、β、γ三种射线:α射线是氦核,β射线是电子,这两种射线由于穿透力小,影响距离比较近,只要辐射源不进入体内,影响不会太大。γ射线的穿透力很强,是一种波长很短的电磁波。电磁波是很常见的辐射,对人体的影响主要由功率(与场强有关)和频率决定。通讯用的无线电波是频率较低的电磁波,如果按照频率从低到高(波长从长到短)按次序排列,电磁波可以分为:长波、中波、短波、超短波、微波、远红外线、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。以可见光为界,频率低于(波长长于)可见光的电磁波对人体产生的主要是热效应,频率高于可见光的射线对人体主要产生化学效应。机体受辐射作用时,根据照射剂量、照射方式以及效应表现的情况,在实际工作中常将生物效应分类表述。
二、核辐射的来源有哪些?
核辐射一般有两种来源:天然辐射来源和人工核辐射来源。
(一)天然辐射来源。包括3种:
1、宇宙射线。宇宙射线通常是高能质子、重离子等。它又可以分为银河宇宙射线和太阳宇宙射线两种。银河宇宙射线来源于银河系或其他外星系,起源未知;太阳宇宙射线来源于太阳,主要产生于太阳内部发生的聚变核反应,以质子为主。不管是银河宇宙射线还是太阳宇宙射线,入射到地球以后都被称之为“宇宙射线”。不过通常银河宇宙射线粒子能量比太阳宇宙射线粒子能量高的多,因此,也可以认为“宇宙射线”就是指“银河宇宙射线”。另外,地球周围还存在一个被地球磁场捕获的电子和质子形成的捕获带,叫做地球捕获带或者Van Allen带(美国人,第一个发现这个辐射带的人)。至于捕获带的电子和质子,主要来源于银河宇宙射线和太阳宇宙射线。
2、宇生放射性核素。宇宙射线入射到地球后,会和大气层中的气体原子发生核反应,从而产生一些放射性核素,比如C-14,Be-7,H-3等。这些放射性核素被叫做宇生放射性核素。
3、原生放射性核素。主要是地球岩石或土壤所包含的U-238、Th-232放射衰变系和K-40.
不管是宇生放射性核素还是原生放射性核素,都可以通过衰变放出各种各样的粒子或射线,也就是核辐射。天然的核辐射来源就是以上3种。
(二)人工核辐射来源。主要有:燃料循环体系;核武器生产体系;核武器试验。这些核辐射主要来源于生产过程或试验过程。
辐射发射出来的高能粒子,例如α射线、γ射线和X射线,都对人的机体有所损害,主要是进入体内后影响细胞内的DNA(脱氧核糖核酸),打断DNA链,或者改变DNA分子的结构,使DNA变异(或者叫突变),受损的DNA可以经体内酶系统修复,但也可能发生错误修复,这是电离辐射可能诱发癌症的原因之一。分子电离、自由基产生、化学键断裂使得亚细胞结构破坏,表现为细胞代谢、结构、功能的改变。相同辐射剂量作用下,不同细胞出现的损伤程度不同。一般来说,淋巴组织、骨髓、小肠上皮和性腺对辐射最为敏感;其次是角膜、晶状体、内皮细胞等;肌肉、骨骼、软骨和结缔组织对辐射最不敏感。同时DNA的变异可以是长期的,所以也会影响生殖细胞,结果使后代也产生相应的症状,例如切尔诺贝利事故之后出生的许多婴儿都严重畸形。人工核辐射又有几种不同的形式:
1、按照射方式分
(1)外照射与内照射(external and internal irradiation):辐射源由体外照射人体称外照射。γ线、中子、X线等穿透力强的射线,外照射的生物学效应强。放射性物质通过各种途径进入机体,以其辐射能产生生物学效应者称内照射。内照射的作用主要发生在放射性物质通过途径和沉积部位的组织器官,但其效应可波及全身。内照射的效应以射程短、电离强的α、β射线作用为主。
(2)局部照射和全身照射(local and total body irradiation)
当外照射的射线照射身体某一部位,引起局部细胞的反应者称局部照射。局部照射时身体各部位的辐射敏感性依次为腹部>胸部>头部>四肢。
当全身均匀地或非均匀地受到照射而产生全身效应时称全身照射。如照射剂量较小者为小剂量效应,如照射剂量较大者(>1Gy)则发展为急性放射病。大面积的胸腹部局部照射也可发生全身效应,甚至急性放射病。根据照射剂量大小和不同敏感组织的反应程度,辐射所致全身损伤分为骨髓型(bone marrow type)、肠型(gastro-intestinal type)和脑型(central nervous system type)三种类型。
2、按照射剂量率分
(1)急性效应(acute radiation effect):高剂量率照射,短时间内达到较大剂量,效应迅速表现。
(2)慢性效应(chronic radiation effect):低剂量率长期照射,随着照射剂量增加,效应逐渐积累,经历较长时间表现出来。
3、按效应出现时间分
(1)早期效应(early effect):照射后立即或数小时后出现的变化。
(2)远期效应(late effect):亦称远后效应。照射后经历一段时间间隔(一般6个月以上)表现出的变化。
4、按效应表现的个体分
(1)躯体效应(somatic effect):受照射个体本身所发生的各种效应。
(2)遗传效应(genetic effect):受照射个体生殖细胞突变,而在子代表现出的效应。
5、按效应的发生和照射剂量的关系分
(1)确定性效应(deterministic effect):旧称非随机性效应(nonstochastic effect)。指效应的严重程度(不是发生率)与照射剂量的大小有关,效应的严重程度取决于细胞群中受损细胞的数量或百分率。此种效应存在阈剂量。照射后的白细胞减少、白内障、皮肤红斑脱毛等均属于确定性效应。
(2)随机性效应(stochastic effect):指效应的发生率(不是严重程度)与照射剂量的大小有关,这种效应在个别细胞损伤(主要是突变)时即可出现。不存在阈剂量。遗传效应和辐射诱发癌变等属于随机性效应。
三、核辐射的分级
国际核事故分级(INES)共有7级,最低级别为1级核事故,最高级别为7级核事故。所有的7个核事故等级又被划分为2个不同的阶段。最低影响的3个等级被称为核事件,最高的4个等级被称为核事故。
(一)核事件
第1级
这一级别对外部没有任何影响,仅为内部操作违反安全准则。
第2级
这一级别对外部没有影响,但是内部可能有核物质污染扩散,或者直接过量辐射了员工,或者操作严重违反安全规则。
第3级
很小的内部事件,外部放射剂量在允许的范围之内,或者严重的内部核污染影响至少1个工作人员。这一级别事件包括1989年西班牙Vandellos核事件,当时核电站发生大火造成控制失灵,但最终反应堆被成功控制并停机。
(二)核事故
第4级
反应堆严重受损或者工厂内部人员遭受严重辐射。最近的一次第4级核事故为1999年日本东海村核事故,事故当时反应堆达到临界状态,并导致3名工作人员遭受严重辐射,其中2人随即死亡。
第5级
有限的核污染泄漏到工厂外,需要采取一定措施来挽救损失。目前共计有4起核事故被评为此级别,其中包括1979年美国三里岛核事故。其余3起分别发生在加拿大、英国和巴西。
第6级
一部分核污染泄漏到工厂外,需要立即采取措施来挽救各种损失。
第7级(最高级)
大量核污染泄漏到工厂以外,造成巨大健康和环境影响。
四、核辐射标志简史
核辐射标志你可能在电视里见到过,但是你知道它刚刚设计出来的样子吗?你知道现在已经有一个最新的标志正在取代它吗?和它类似的还有哪些奇奇怪怪的标志?来了解一下核辐射标志(准确来说叫电离辐射标志)的发展史吧。
日本地震引起福岛核电站事故后,引起很多恐慌,担心受到污染。其实,按照国际规定,凡是可能形成和污染的物品与场所,都必须印制、悬挂核辐射标志(准确地说,应该叫电离辐射标志),以提醒大家注意防护。这就是我们在很多影视剧中看到过的三叶形核辐射标志(见题图)。2007年之前,他是国际通用的核辐射标志。这个标志一出世的时候就已经和现在大同小异了。它于1946年由美国加利福尼亚大学伯克利分校的辐射实验室设计出来,最开始的图案底部颜色为蓝色,辐射标记为洋红色。如下:
辐射实验室的生化健康组负责人Nels Garden解释道:采用蓝色做背景是因为在使用放射性物质的房间墙壁或工作台很少是蓝色的,在这种场合下蓝色比较容易识别;采用洋红色是它不同于常见颜色,并且当时这种颜色的颜料价格昂贵,其他标志很少会采用这种颜色,不易混淆。
由于蓝色比较黯淡,容易褪色,很快人们进行了改进。1948年美国橡树岭国家实验室的Bill Ray和George Warlick 与伯克利大学的学者们共同设计出新的黄黑两种颜色的标准电离辐射标志,这也就是我们平常最常见到的核辐射标志。
这个标志中扇形和圆形的相对大小关系也有明确规定:图案正中心是一个直径为D的实心圆形,在其周围有三个对称放置的大小相等的扇叶,其中一个扇叶位于正下方,中心轴在竖直方向。扇叶展开的角度为60度,靠近实心圆的扇叶到实心圆圆心的距离为0.75D,远离实心圆的扇叶到实心圆圆心的距离为2.5D。三个扇叶和实心圆是黑色的,背景则是亮黄色的。这种新的设计很快被采纳,并成为国际标准。
但是,这个标志已经不是目前最新的了。由于核工业的发展,普通人接触到核辐射的可能性逐渐增多,其中大多数人对上述电离辐射标志不熟悉,为此,国际标准组织(ISO)和国际原子能机构(IAEA)于2007年推出新标志:
该标志采用了表示危险的红色背景,在传统的三扇叶电离图案下方画出五条标识电离辐射的含箭头波纹线,并在波纹线下方标出骷髅和交叉腿骨图案,逃离图案,该方案通俗易懂,正在逐步取代传统标志。
其他相关标记
美国核安全屏蔽室标记
非电离辐射标志
受过辐射处理的食物标志(食物收到适量辐射后能够除虫,延长保鲜时间,且不影响人体健康)
激光危险标志
光学辐射标志
高压标志
强磁场标志
生物危险标志
化学武器标志
第二节 西弗到底是什么?
日本地震引起福岛核电站泄漏,新闻里充斥着“核辐射多少多少西弗”的语句。“西弗”到底是一个什么单位?1 西弗到底有多大?从头开始为你介绍这个物理单位。(希沃特是Sievert按照中华人民共和国国家标准《量和单位》(GB 3100-93及GB 3102.10-93)中规定的中文名,单位项号为10-52.a,香港亦采用此名称,非官方描述常翻译为西弗,本节为方便记忆,选用西弗)。
一、西弗到底是什么?
这个大千世界是由声、光、电、热、力等各种基本现象组成的,它们都是物理世界中的研究对象。但从更深的物理视角来看,它们都是能量的表现形式。光能、电能、热能等各种形式的能量,都是用焦耳这个统一的单位来表示的。这些能量既不会凭空出现,也不会凭空消失,它们只能从一个物体转移到另一个物体上,或者从一种形式转化为另一种形式。一个1 千克的物体从1 米高的地方落下,释放的能量就是9.8 焦耳;让一个40W 灯泡发光一分钟,需要的电能就是2400 焦耳;一个苹果所含能量约为90 卡路里,换算成焦耳就是300 多千焦耳。同样地,放射性元素放出的射线也是一种传递能量的方式,它的单位也是焦耳。
19 世纪末,科学界正在为物质放射性的发现欢欣鼓舞,却没有人注意到它可能带来的巨大危害。直到1896 年,传奇发明家特斯拉(Nikola Tesla)故意把手指放在X 光下,才发现X 光竟能产生灼伤。放射性物质对基因的影响,则更是到了1927 年才被发现。
早期人们用“伦琴”(r?ntgen)这个单位来衡量放射性物质的照射量大小,这个单位通常简记作R。这是为了纪念发现X 射线的德国物理学家伦琴(Wilhelm R?ntgen)而设立的单位。1 伦琴就是在一个标准大气压下,在0 摄氏度1 立方厘米的空气中造成1 静电单位的正负离子所需要的照射量。
不过,伦琴这个单位只能表示辐射量的大小,并不能反映生物组织吸收辐射的情况。为了更准确地量化人体遭受有害辐射的严重程度,人们提出了“吸收剂量”(absorbed dose)的概念,即每千克人体组织吸收辐射的能量大小。
但是,不同的辐射源对人体的伤害效果是不一样的。对于每一千克的人体组织来说,吸收1 焦耳的 α 射线,其杀伤力远远高于吸收1 焦耳的X 光辐射。为此,科学家们又专门定义了一种叫做“当量剂量”(equivalent dose)的物理量,让不同类辐射的杀伤力之间可以进行公平的比较。
和吸收剂量一样,当量剂量的单位也是焦耳每千克,区别在于当量剂量要在吸收剂量的基础上乘上辐射权重因数。不同性质的辐射,辐射权重因数是不一样的。X 射线、伽马射线的辐射权重因数都是1;对人体破坏力极强的 α 射线,辐射权重因数则高达20.核泄漏将会引发多种类型的辐射,没有一个确定的辐射权重因数,我们通常也就取1 了。
为了区别吸收剂量和当量剂量两种单位相同但意义不同的物理量,科学界给这两种单位安上了不同的名字。为了纪念英国物理学家戈瑞(Louis Harold Gray),我们把吸收剂量的单位记作“戈瑞”(gray),简称“戈”,用符号Gy 来表示。每小时1 戈瑞的辐射,就表示暴露在此辐射下每千克人体组织每小时吸收1 焦耳的能量。为了纪念瑞典物理学家西弗(Rolf Sievert),我们把当量剂量的单位记作“西弗”(sievert),用符号Sv 来表示。两位物理学家都曾系统研究过辐射对生物的影响,对放射生物学都作出了杰出的贡献。
或许这些事实可以直观地告诉你,西弗到底是一个什么概念:吸收1 西弗的辐射会让人感到恶心欲吐,2 到5 西弗会引起脱发、出血,超过6 西弗的剂量下人类就很难存活了,超过8 西弗后死亡率就达到100%了。可见,西弗是一个很大的单位,因此在实际使用时,我们通常用“毫西弗”这个单位,用m Sv 表示。两者的换算关系是,1 毫西弗等于0.001 西弗。有时“毫西弗”也太大了,接受一次X 光检查也才零点几个毫西弗。因此,我们偶尔也会用到“微西弗”这个单位,用 μSv 来表示。1 微西弗等于0.001 毫西弗。正常人一年里接受的电视辐射大约就是几个微西弗。
戈瑞和西弗都是国际单位制的导出单位,属于国际标准单位。吸收剂量和当量剂量还有一些非国际标准的单位。吸收剂量有时也用“拉德”(rad)这一单位,1 拉德表示每千克人体组织吸收0.01 焦耳的能量,也就是说1 拉德等于0.01 戈瑞。在数值上,1 伦琴大致就等于1 拉德。在拉德的基础上乘以辐射权重因数,就能得到一个对应的当量剂量单位,通常被称作“人体伦琴当量”(R?ntgen equivalent man),英文里简称“雷姆”(rem)。自然地,1 雷姆也就等于0.01 西弗了。
二、辐射值,正常数字是多少?
不论你相信新闻里公布的数字还是想自己测量,各种环境辐射强度值怎么看懂?本地正常数字又该是多少呢?其实各地本底辐射量天然高低不一,普通手持设备精度不够,专业仪又器太贵,或许还是应该看看权威机构发布的数据。
有人自己购买了X-γ辐射剂量巡检仪,并对所在地的辐射环境进行了监测,首先,这种科研精神是值得表扬的,但是这台辐射剂量巡检仪真的能测出日本的辐射对我们有没有影响吗?
“图中可以看出,这次监测的数值为0.25μSv/h,使用的仪器为DH8000智能化X-γ辐射仪。”
DH8000智能化X-γ辐射仪制造商为上海仁机仪器仪表有限公司,是一家专门做辐射类监测仪器的企业。图中监测所用到的这台仪器,根据厂家提供的资料,使用的是Ф30 mm×25 mm的Na I(TL)探测器,剂量率的测量范围为0.01~500.00?Sv/h,所响应的能量范围为40 kev~3 Mev。Na I(TL)是一般的γ谱仪分析仪器所采用的,计数效率高,但是能量分辨率较差,一般这样的仪器会用于监测已知能量的射线,比如,医院的加速器机房外的辐射,工业用的X射线探伤室外的辐射剂量。而这台设备的检测下限为0.01?Sv/h,这个下限和我们日常生活中的环境辐射相较又如何呢?
一、天然环境的辐射本底值约多少
自从日本核事件后,在新闻中大家估计已经多次听说希沃特(Sv)、毫希沃特(m Sv)、微希沃特(?Sv)等一堆辐射当量剂量单位,它们的具体含义和换算请看这里。辐射环境监测站发布的数据的单位通常会用另一个单位:戈瑞(Gy)。Gy和Sv的关系如何呢?简单来说,如果不考虑人体对剂量的吸收需要考虑的权重因子,Gy(比释动能)到Sv(当量剂量)可以简化考虑成:1 Gy=1 Sv
而要讨论平常环境中的辐射本底,它又有一个更小的常用单位——纳戈瑞(n Gy),即1GY=10^9 n GY。所以,1“微希”相当于:1?Sv=1?Gy=1000 n Gy
回到上面仪器测量结果,对这个测出的数据,我们撇开数据的有效性准确性不说,单说这个数据,0.25 μGy/h,它相当于250 n Gy/h,这个数值是个什么水平呢?笔者找了一些有出处的数据作为例子,供对比:
上述的那台仪器,并不适合进行辐射本底的测量,它能较好的响应较高能量的X射线和γ射线。但对于较小的本底辐射,它并不能准确的测量,图中所示的监测数据与实际情况相比应该是偏高的。不过就算真的测到250 n Gy/h,也是属于正常的数值。
二、有些地方确实辐射本底偏高
人生活在地球上,无时无刻不在接受辐射的照射,宇宙射线、宇生放射性核素、原生放射性核素等等天然辐射对人类每一年的平均的年有效剂量是2.4 m Sv/年,主要以吸入建筑物内常见的放射性气体氡222Rn为主(1.6 m Sv/年),这个数值是联合国原子辐射效应科学委员会(UNSCEAR)统计出来的平均数值。此外坐飞机也会受到辐射照射,一般北京飞广州,2个半小时,受到的剂量约在7 μSv/次。如果是烟瘾大的人,一天抽一包烟,一年下来受到的剂量在0.5~1 m Sv/a。
在世界上有很多高本底地区,根据UNSCEAR数据,巴西沿海地区的海滩的本底水平在90~90000 n Gy/h之间,法国西南产铀矿,本底水平在10~10000 n Gy/h之间,中国阳江产独居石矿,平均本底水平在370 n Gy/h,埃及产独居石矿的地区的本底水平最高可达到20400 n Gy/h,意大利有个地方叫奥维多,平均本底在560 n Gy/h。还有福建的山区,某些地方本底也很高。四川有个降扎温泉,室外本底最高能测到6900 n Gy/h。芬兰、瑞士、瑞典等也是高本底地区,这些地区的人收到的辐射的年有效剂量就比2.4 m Sv/年高很多,比如芬兰,接近8 m Sv/年(全部都以氡引起的辐射为主),还有印度,因为也产独居石矿,某些地区的年受照剂量会达到28 m Sv/年。
“日本某一天公布的监测数据值,大家注意单位是μGy/h(1 μGy/h=1000 n Gy/h)。”
东京、崎玉不是高本底地区,这个监测值明显偏高,这是由于福岛核电事故影响造成的。曾经在网上盛传的一个福岛核电400 m Sv的监测值,IAEA(国际原子能机构)指出,这个值的监测点位于福岛第一核电3、4号机组之间,是一个“特定时间特定点”的值,准确的说,这个值应该表述为400 m Gy/h,这是一个瞬间值,并不是说一直都是这个剂量,也不是说所有的人都会受到这个辐射的影响,就算不考虑建筑物的屏蔽,这个值要算成人的受照剂量(就是人吸收多少剂量,对人影响多少量),是要乘以人在这个剂量下暴露的时间,还要除以距离的平方。
三、可靠的辐射监测数据从哪里来
日本核电事故之后,我国环保部、各地环保局均有公布空气吸收剂量率、气溶胶等等的本底监测数据,在国家环保部的网站上都可以查询到,如果对环保部门公布出来的数据存疑,觉得要自己测才放心,可以去购买专门用于测量本底空气吸收剂量率的仪器来进行监测,然后再和官方公布出来的数据对比一下。
第三节 核电站事故有多可怕?
人们对核辐射通常谈之色变,对遭受辐射的后果忧心忡忡,甚至产生恐慌。不过,有关辐射的危害细节,很多人可能了解得并不多。到底核电站所造成的辐射有多可怕?
一、核电站辐射要人命?
核电站事故有那么可怕吗?福岛事故后,可以看到很多消息称,泄漏量达到每小时“1015毫希”。其实这里的“1015毫希”完全是由于误译造成的误会。根据相关信息,2011年3月12日下午,福岛核电站1号机组氢气爆炸前后曾经出现过比较强的辐射(当时为了缓解机组内部的水蒸气压力而进行了水蒸气排放)。当时的辐射值就是流言中“1015”数字的来源。不过,某记者在编译相关报道时却弄错了这个数字的单位。原文中的数值是每小时1015μSv,也就是“1015微希”,记者将这个值放大了整整1000倍。值得注意的是,根据日本内阁官防长官在新闻发布会上提供的数据,该数据在仅仅半个小时后就降低到了70.5 μSv。
核电站发电时所做的事情其实跟火力发电站差不了多少:通过控制铀235的链式反应,将能量以恒定的速率释放出来,将水加热,产生蒸汽;蒸汽驱动汽轮机,汽轮机驱动发电机,产生电能。福岛核电站便是这种“沸水反应堆”(Boiling Water Reactors)。虽然链式反应的原理与核弹一样,但是核反应堆是不可能像原子弹那样爆炸的。原因很简单:核反应堆的燃料铀不纯,它没有能力产生原子弹式的爆炸。换句话说,在反应堆中只有持续的链式反应,而没有倍增过程,所以反应不会加速,更不会爆炸。
现代的压水堆核电厂的反应堆中,有很完善的措施保证放射性物质不会外泄。核反应发生在一个锆合金的包壳内,锆合金外面流动着冷却水。这些冷却水与外界完全隔离,其外还有钢筋混凝土的安全壳。在这些安全屏障的保护下,发生严重核事故的可能性极低。一旦核电站发生事故,安全保护系统会立即被触发,几秒钟后链式反应便会被关闭。此时冷却系统就会对核燃料衰变所产生的热量进行散热,大约需要数星期的时间。如果冷却系统出了问题,核电站的堆芯就会面临熔毁的危险。
三、关注中国核产业安全
中国是目前全球在建核电站规模最大的国家,对于这次的日本核泄漏事故,我们不得不问:中国的核产业安全吗?
自切尔诺贝利核电站发生核泄漏以来将近25年的时间内,全球核电运行还未发生过大规模的核电事故。但随着日本2011年3月11日遭遇9级地震,这一平静被彻底打破。
由于此次日本发生事故的核电站是二代核电机组,而目前中国乃至全球大部分的机组同样同属二代机组,在重大灾害以及次生灾难发生时中国核电是否安全引发了极大的关注。
尤其值得关注的是,中国是目前全球在建核电站规模最大的国家。相关数据表明,近年来,中国核电呈现快速发展的态势。于2010年底,国家已核准核电机组32台,装机容量3486万千瓦,已运营和核准的核电机组达4393万千瓦,超过国务院批准的2020年核电4000万千瓦的装机规模。国家核电技术公司最新数据表明,中国目前在建核电机组28台,总装机容量3087万千瓦。目前,全国已完成核电厂址初步可行性研究,准备新上的核电项目总规模高达2.26亿千瓦。这些新建的以及计划建设的核电站中有的采用的是三代非能动的AP1000技术,有的仍旧是二代改进型。
在福岛核电站发生危机之后,国家发展和改革委员等相关人员在不同的场合都表达了对核电安全的关注,同时强调中国发展核电的决心和安排不会改变。
相关人员称核电安全事关重大,有关方面一定要认真分析和总结日本核电事故经验教训,确保中国核电事业安全发展。专家称:“安全高效地发展核电,是实现未来清洁能源发展目标的重要途径之一”。
2011年的全国能源工作会议上的相关资料包含如下内容:“核安全是核电发展的生命线。推进核电建设,必须坚持安全第一的原则。一是研发更为安全高效的核电技术。做好三代核电技术的引进、消化、吸收和再创新,加快研发固有安全性高的新堆型,以及能适应不同规模电网的系列化核电堆型,尽快形成具有自主知识产权的核电品牌。”
1、中国目前二代机组“安全”?
首先要明确的是不能把现在的二代技术跟以前的二代相比。因为现在的二代技术与1975年之前前的二代技术是相当大的进步的。泄漏事故的抗击能力以及PSA(安全事故分析)的技术的使用让二代技术整体上对抗击事故的能力提升了一个量级(10倍)。而且现在的核电厂都广泛的采用了数字化控制系统,所以对于核事故的发生、发生征兆的预计能力也比原来有很大的增强。所以从设计、标准、安全审评、制造等都对核安全技术的强化有很大的作用。
2、建核电站的时候,根据什么来选址?
专家指出一般首先考虑的是整体岩基,岩土的稳定、结构的稳定,一般的话远离地震断裂带,就不太容易发生地震。像汶川地震的时候,东汽在汉旺的厂址是在断裂带上。温家宝总理以前是搞地质的,他去看的时候,一看就知道那个地址在断裂带上,就对市政府说不能建在这里了,要换地方。但在汶川地震发生以前都不知道底下是断裂带。建核电站的时候,通过详细的探址、分析,选在比较稳定的岩基上面,发生地震的时候,最多是摇得厉害,不会说发生大的断裂。因此,每个核电站发生地震的时候,没有说主管道断掉了之类的事故,都是一些辅助的系统引起比较大的事故。但是抗震级别应该是与当地的地质条件相结合的。比如在中国的东部沿海地区,上海,有地震记录以来都是很低的,最高的发生在黄海上的也就是6度,那么建造电站时至少要按抗7度进行设计。一次地震只有一个震级,但是不同的地方有不同的地震烈度,6度等于地震烈度。
日本福岛的这个核电站说是按照最高抗7.9级来设计的,但是日本是地震活跃地区,而且震级高,7.9级显然是偏低了。地震多发地区的防震标准肯定是要不同的。举例说,北京地区民宅抗8级地震,上海地区是7级。
国内建设核电站都是在选址的基础上,根据当地的地质条件和历史状况,以千年一遇以上的的标准,提升其抗震能力。
在抗灾级别上,我国的AP1000目前建造的机组都在0.3g(g为重力加速度)以上,目前多次地震的结果表明,即使是早期设计两代的机组,在抗震设计上还是比较可靠的,此次福岛的核岛构筑物在地震后没有丧失完整性,安全壳也是完整的,大大缓解了放射性对环境的释放。
3、三代核电安全性“更佳”
在紧急事件发生时,三代非能动机组是不需要外部应急电源的。其靠的是重力、势能(高位水箱)、自然循环和蒸发等这些自然的现象,驱动冷却水冷却反应堆和安全壳,把热量带出去。AP1000 有着一整套完整的非能动安全的体系,对反应堆注水和带走衰变热。
具体的区别是:二代的能动核电站在应急情况下,需要通过泵和阀、电动机,通过电源的驱动,对堆芯进行冷却。对反应堆来说,最重要的就是发生事故后对堆芯进行冷却,这样放射性的燃料就不会烧毁。只要燃料不破损,产生出来的放射性气体就是非常有限的。另外正常运行时由于堆芯辐照产生的放射性物质进入冷却剂,但这个量级也是比较低的,同时主系统设有净化系统能够去除水中因辐照或设计容许的少量燃料元件破损产生的放射性物质。像切尔诺贝利,就是因为堆芯完全烧毁了,释放出了大量的放射性物质。三代在保障堆芯的冷却能力上,有极大的提高。在选取了良好的地基后,加上AP1000先进的非能动安全系统,安全保障应该是问题不大的。
现在引进的非能动三代核电技术。发生事故时,仅需要利用安全级蓄电池打开少数阀门,即可完成非能动系统的投运,后续的安全系统运行不需要任何电源。在AP1000的核反应堆中,安全壳内部的冷却水是一个自然的循环。反应堆上的装有数千吨的水箱在冷却的过程中,把水自然放空了需要72个小时。过了这72个小时,再往水箱里补水就可以了。就内部来说,堆芯的冷却是可持续保持的。在72小时内不用采取任何人为的干预和外界的供水供电,AP1000 机组能够自动的完成停堆,冷却和去除衰变热,将反应堆维持在安全状态通常 目前的核电运营保障体系能够实现在24小时内采取其它厂外设施恢复应急供水供电了。故72小时可以为紧急事故处理赢得宝贵的时间。所以非能动优势是很大的。
非能动系统与二代核电站最大的区别就是安全系统是非能动的,其他主体结构比如压力容器什么的是一样的。以这次9.0级的地震来看,如果福岛核电站主体结构完整性能够保证,那么非能动的系统其安全功能也是能够保证的。现在二代核电站的问题就是在发生超设计基准事故时能动部分,应急电源的保障存在不确定性。今后,在役和在建的能动电厂,应该从日本此次事件中总结经验教训针对外部事件进行更高安全要求的评定,包括地震、海啸等等的严重程度,尤其是地震多发地带与沿海海啸易发地带。
根据国家能源局的要求,内陆上马核电站必须采用三代技术。三代技术从整个反应堆发生事故的量级来讲,比现在发生事故的至少低两个量级(低100倍),所以比二代技术安全性上更有保障。AP1000在这方面有独特的优势,因此更有利。
4、日本核事故的中国启示
日本的这次核事故对中国的核工业有很大的启示。经过一系列的分析,比如外部的事件,地震、海啸是怎么引起失效的?操作上是否有问题?环保部副部长说,不影响我们国家发展核电的计划,这是有道理的。说明建核电站,基本的安全还是有保障的。但是从里面我们是可以吸取教训的,加强薄弱环节。
按照中国未来的规划,中国将建造内陆核电站。如果内陆发生类似事件,日本在海边可以用海水浇灌,然后再流入大海中,但是中国的内陆的是大江大河,其自净能力与大海无法相比,而且下游人口稠密,是否危险性极大呢?
据了解,AP1000系统自成体系,自转冷却,实际上不用去做海水浇灌工作。内部的水箱保持足够的水,使反应堆里的热量能够通过自然循环达到安全壳的底部,外部的话它有水箱能在72小时内将余热释放出去。三天之后,还有空气的导热,内部温度升高,热导出去效果更好。因此,三天以后不一定需要水,如果需要水,上面的水箱还可以通过补水进行再次注水。而且整个过程不需要直接接触反应堆,就不会引起像此次日本那种放射气体或者液体大量释放。
切尔诺贝利核事故发生后,开始核电运营的国家仅有三个,中国是其中之一,介入时间比较短。而前能源局局长张国宝也曾说过,以往历次国际原子能机构检查中,中国的核电安全在全球不是第二,就是第一。但是中国大亚湾核电站也发生过一些小问题,提升核安全体系还是很有必要的。事实是核能安全方面不仅有国家核能部门的监管,还有国际原子能机构有纵深防御的监管要求,在设备生产过程中也有一系列的许可证制度。授权生产之前,还有一系列的考核,基础、能力、人员、经验上都要满足要求才能生产,这些都是独立的监管。
总体来说,我国的核电的安全有一套完整的标准体系,从设计、制造、建造等也都有一套完整的标准体系。核安局也有一套独立的监管体系,因此职能体系、标准要求、法规上也都是非常明确的。而且核安全水平是随着社会的不断发展提高的,现在的核电跟原来的有本质上的差别。随着我们国家的核安全文化的提升,核安全所需要的设备质量是有保证的,还有安全监管当局的严格监管,安全性都是有保证的。
5、保障核安全的公约法规有哪些?
《核安全公约》为实现核能利用安全,通过规定各缔约方义务和建立公约实施机制来确保核安全能得到良好监督管理的国际公约。1994年6月17日由国际原子能机构在其总部维也纳举行的外交会议通过。1994年9月20日起开放供签署。一般性义务主要是:各缔约方应在其本国法律上的框架内采取为履行本公约规定义务所必需的立法、监管和行政措施及其他步骤。
《中华人民共和国放射性污染防治法》、《中华人民共和国放射性污染防治法》由中华人民共和国第十届全国人民代表大会常务委员会第三次会议于2003年6月28日通过,自2003年10月1日起施行。《中华人民共和国放射性污染防治法》在总结中国放射性污染防治的实践经验、借鉴国外防治放射性污染成功经验的基础上,从实际出发,对放射性污染防治应当遵循的基本原则,放射性污染防治的监督管理,核设施的放射性污染防治,核技术利用的放射性污染防治,铀(钍)矿和伴生放射性矿开发利用的放射性污染防治,放射性废物的管理等具有强烈现实意义的问题,都做了明确的规定。
《中华人民共和国民用核设施安全监督管理条例》《中华人民共和国民用核设施安全监督管理条例》是1986年10月由国务院颁布的中国第一部针对民用核设施安全监督管理的法规。《条例》总则阐明了制定目的是为保证民用核设施的建造和营运中的安全,保障工作人员和公众的健康,保护环境,促进核能事业的顺利发展。《条例》中规定了以核电厂、反应堆、核燃料循环设施以及放射性废物的处理设施为监督对象,明确了在民用核设施的选址、设计、建造、运行和退役的过程中必须贯彻安全第一的方针。
四、下一代核电站能否让我们高枕无忧?
现在探讨日本福岛核电站对我们有何启发未免过早,但是就从技术方面上来讲,我们已经从这座70年代建成的福岛核电站中学到了不少,福岛核电站的问题可以作为前车之鉴为下一代核电技术做参考。
台山核电站EPR正在施工的场面
就在日本核电站发生泄漏之前不久,各国都在紧锣密鼓的进行他们的核能复兴计划。美国总统奥巴马在2012年的预算中就为新核反应堆的建设准备了360亿美元的贷款保证,中国在以平稳的速度开发核电,而欧洲各国也在为自己的核电站进行选址工作。但仅过了数天,各国对核能的大力鼓励和推动就戛然而止,主因就是日本地震后福岛核电站的崩溃,它把全世界推向了核能恐慌之中。
在日本福岛核电站情况日益恶化的那几天,世界范围掀起了一阵关于核电是否是未来能源的臆测。瑞士立刻暂停了3座已经经过批准的核电站的建设,德国总理宣称将放弃核能,就连核能的忠实拥护者和先驱者中国,都已经表态将不再审批新的核电站。虽然现在核电开发遭受了巨大的阻力,但是我们需要知道,下一代核电站在设计初始就考虑到了福岛现在所碰到的难题。而且专家也说了,总有一天化石燃料会耗尽,到时不管我们喜欢与否,核电都将是我们的不二之选。所以还是先来看看传说的下一代核电站是个什么模样吧。
要保证核电站的安全,首先要确保即使天灾人祸使常规冷却手段失效,核电站还有能力保持适宜温度。也就是说核电的前提是安全,第三代核电技术则是最新可行的核电站技术,它的亢余系统和安全系统能在无人甚至无电的情况下运行。第三代核电技术中包含许多高新顶尖的设计,但是它们中的大部分还在等待监管机构的批准。而已经使用第三代核电技术的核电站有法国阿海珐(Areva)的EPR(Evolutionary Power Reactor)和美国威斯汀豪斯(Westinghouse)的AP1000(这里指的是它们有第三代技术,我国引进了这两种技术,因此估计我国在2013年将拥有全球首座第三代核电站)。它们的设计目标就是在遭遇类似日本福岛的情况下,即便没有操作人员启动应急措施也能保持安全。
麻省理工学院核工程系的客座教授迈克尔(Michael Podowski)是位核电站安全系统的专家,他说:“新的核电站有许多设计是三、四十年前所没有的,这些先进的核电站会搭配有更多的非能动安全系统,这样即使没有操作员对其进行外部干预,它也能安全的运行。”
威斯汀豪斯的AP1000配有电池用来带动它的非能动安全系统,它使用物质的空气流动、重力和其他的自然特性来带动水泵和阀门。因此如果核电站开始过热,这些系统将会在无人操作的情况下自动冷却长达3天之久。
图为俄罗斯第一座浮动核电站“罗蒙诺索夫号”
这样看来新的核电站能够比福岛核电站更好的处理电源缺失的情况,但第三代核电站若遭受地震和海啸双重打击,他们的安全性依旧是难以预料的。忧思科学家联盟(Union of Concerned Scientists)的物理学家埃德,莱曼(Ed Lyman)是位核电站设计专家,他对EPR等核电站设计安全标准远超国际原子能机构所设定的最小值表示赞同。他谨慎的提到:“有些新设计的安全性确实比以往的高,但是我认为在某些没有考虑到的严重事故中,它们可能有着相同的漏洞。就像福岛核电站所面临的一样,所有的安全系统都不起作用了。”
事实上安全性高的核电站要求核芯是不能熔化的,这就意味着核电站需要往小型化发展。迈克尔认为未来的核电站将是小型分散式的,每个核电站含有少量的核燃料,虽然它所能提供的电力也会相应减小,但是它却受到更加智能的非能动安全系统的保护。而且小型的核电站是很安全的,因为假若核电站发生了事故他们就会自动停机,回到与外界没有物质交换的状态。
不管以后的能源分布是怎样的,核电绝对是其中的一大块。美国早就提出了第四代核电技术的概念,虽然这概念在20年内都是纸上谈兵,但美国已经联合各国在开发能使核电站更加安全的先进冷却系统和其他技术了。这些技术的进一步开发是否会受到福岛核电站的影响还尚未知晓,伦斯勒理工学院的核工程教授亚龙,达农(Yaron Danon)认为还需要看看日本福岛核电站对年轻人造成了怎样的影响,因为经历过了切尔诺贝利和三里岛的人们要不就是完全放弃核电站,要不就是尝试设计更加安全的核电站。
诚然,日本此次事件是人类史上的一个悲剧,但是我们也可以从中得到惨痛的经验教训,并为更加美好的未来做准备,若因此在青少年心中埋下不该发展核能的种子,这无疑是错误的。达农说到:“我找不出不发展核能的理由,难道因为有人丧生于车祸之中,我们就该停止使用汽车了吗?我们应该尽量将其变得更加安全才对。”