什么放射性物质会泄暴光来,福岛败露了不怎么

2019-12-19 作者:奥门金沙手机娱乐网址   |   浏览(58)

福岛核危机观察(5)

福岛核危机观察(4)

4月11日日本政府宣布将福岛核事故的等级从开始的5级调高至最高级7级。报道称大约有3.7×10^17 Bq 的放射性物质已经从核反应堆泄漏。大家都比较关心的是这一数据到底可靠性如何?

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。

首先我们可以估计的是福岛核电站核燃料的总量。福岛四个机组的发电功率除1号机组为46万千瓦之外,其余均为78万千瓦。考虑到热能发电的效率一般有30%,那么这四个机组的总装机容量应有940万千瓦。前面提到每一次铀原子核裂变可产生200百万电子伏特的能量,经换算可得,每1000千瓦的装机容量发一天电需要消耗1.1克的铀-235。核电站的反应堆一般一次装入可供发电18个月的核燃料,那么这四个机组里面应至少有5.7吨左右的铀-235。商业用核燃料一般含有5%的铀-235,18个月之后铀-235的含量会下降到1%,所以福岛核电站这四个机组中核燃料的总量(铀-235和铀-238)应有140吨左右。

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。

核电站使用的燃料在成份上与核武器中的核材料有很大差别。核武器中铀-235的含量可占90%以上。一枚核武器根据其威力大小可以装入几十到几百千克的铀-235。从这方面看,福岛的一座核反应堆约相当于十到几十枚裂变核武器的含铀-235的量。

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。

那么,这是不是就意味着核电站的泄漏相当于在当地爆炸了几十颗原子弹呢?我们还应该考虑这两种情况里裂变反应速率以及放射性物质扩散机制的差别。

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”。

虽然说都是处于“超临界状态”,但核电站反应堆中裂变链式反应的速率远远小于核武器中反应速率。在反应堆中,我们可以通过多种手段将链式反应的速率限制在可控的范围内。而且一遇紧急情况,那么反应堆条件也会发生变化,不再满足超临界状态,链式反应停止,放射性裂变产物也就不会继续产生了。假设海啸发生时,福岛核电站的四个反应堆已经持续在940万千瓦的水平上运行了200天,燃料棒中积累的放射性物质应该在10^20 Bq左右。事故发生后,因为有燃料棒的外壳、反应堆压力外壳的保护,再加上一些放射性物质本身就有低扩散性,所以并不是所有的放射性物质都泄漏出来。事实上,这次核电站并没有像切尔诺贝利那样有持续燃烧的大火,放射性泄漏应该在一个比较低的水平。假设有1%的物质泄漏,那么总量应该在10^18 Bq。这与日本政府公布的数据比较吻合。

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。

而在原子弹中,原子核裂变的链式反应是瞬时的,不可控的,而且所产生的放射性物质在爆炸巨大的威力下,完全地释放出来。假设一颗原子弹装有100千克铀-235,其中的10%参与了链式反应,裂变产物的有效半衰期为40天,那么所产生的放射性物质将有10^19 Bq左右,而且这些物质都将散布在空气中。所以说,实际上历年来各国进行的核武器试验(尤其是空爆实验)所造成的环境问题要严重得多。

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。

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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】

【福岛核危机观察一】核污染,关键是放射量有多大

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。

【福岛核危机观察二】核辐射会造成多大的健康危害?

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。

【福岛核危机观察三】核物质是如何泄漏的?

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。

【福岛核危机观察四】哪些放射性物质会泄漏出来?

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。

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【引用1】

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。

【引用2】

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