王玉嬋綜述,嚴(yán)清波,袁耿彪審校

(重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科 400010)

核能應(yīng)用中核輻射與核安全的探討

王玉嬋綜述,嚴(yán)清波,袁耿彪△審校

(重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科 400010)

核能;核輻射;核安全

核能以環(huán)保、節(jié)能、高效等優(yōu)勢(shì)被多個(gè)國(guó)家采用。全球人口膨脹、城市化效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展對(duì)電能的需求越來(lái)越大,特別是經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)迅速的亞洲地區(qū),核能被廣泛地應(yīng)用于核電站以提供電力。但目前全球的核反應(yīng)堆仍沒(méi)有完全安全的設(shè)計(jì)方案[1]。日本地震、海嘯引發(fā)的福島核電站事故引起了人們對(duì)核能安全使用的擔(dān)憂[2]?，F(xiàn)將核能應(yīng)用、核輻射與核安全的現(xiàn)狀綜述如下。

1 核材料(醫(yī)用放射性核素)應(yīng)用

1.1 核材料 核材料是指核工業(yè)及核科學(xué)研究中所專用的材料。包括核燃料及核工程材料(即非核燃料材料)。核燃料是指能產(chǎn)生裂變或聚變核反應(yīng)并釋放出巨大核能的物質(zhì)。核燃料可分為裂變?nèi)剂虾途圩內(nèi)剂?或稱熱核燃料)兩大類。裂變?nèi)剂现饕敢琢炎兒怂厝玮?235(235U)、钚-239(239Pu)和鈾-233(233U)等。此外,由于鈾-238(238U)和釷-232(232Th)也可轉(zhuǎn)換成易裂變核素,也稱其為核燃料。聚變?nèi)剂习瑲涞暮怂仉?、氚化合物等。核工程材料是指反?yīng)堆及核燃料循環(huán)和核技術(shù)中用的各種特殊材料,如核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)、元件包殼、反應(yīng)堆控制、慢化劑、冷卻劑、屏蔽材料等[3],均是放射性核素,使用時(shí)必須注意防護(hù)。對(duì)Pu、233U、濃縮度大于20%的235U實(shí)行嚴(yán)格控制與管理。安全保障規(guī)程適用于燃料循環(huán)的全部環(huán)節(jié),包括燃料制造、發(fā)電、燃料后處理、貯存和運(yùn)輸。

1.2 醫(yī)用放射性核素 臨床診斷和治療使用的放射性核素均需通過(guò)加速器、反應(yīng)堆、裂變產(chǎn)物中提取和放射性核素發(fā)生器淋洗獲得,獲得途徑包括:(1)加速器通過(guò)加速質(zhì)子、氘核、α粒子等帶電粒子轟擊各種靶核,引起不同核反應(yīng),生成多種放射性核素。該途徑產(chǎn)生的放射性核素有:碳-11(11C)、氮-13(13N)、氧-15(15O)、氟-18(18F)、碘-123(123I)、鉈-201(201Tl)、鎵-67(67Ga)、銦-111(111In)等,目前正電子藥物常常采用此種方式。(2)利用核反應(yīng)堆強(qiáng)大的中子流轟擊各種靶核,所生產(chǎn)的放射性核素有:锝-99m(99mTc)、鉬(99Mo)、錫-113(113Sn)、碘-125(125I)、碘-131(131I)、磷-32(32P)、碳-14(14C)、氚-3(3H)、鍶-89(89Sr)、氙-133(133Xe)、錸-186(186Re)、釤-153(153Sm)等,常用于核素診斷和體外示蹤技術(shù);(3)核燃料輻照后產(chǎn)生400多種裂變產(chǎn)物,有實(shí)際提取價(jià)值和應(yīng)用于臨床的僅10余種,如99Mo、131I、133Xe等[4]。

1.3 核能和醫(yī)用放射性核素的應(yīng)用 1942年美國(guó)芝加哥大學(xué)建成了世界上第1座自持式鏈?zhǔn)椒磻?yīng)裝置,從此開(kāi)辟了核能利用的新紀(jì)元。核燃料引發(fā)的核裂變反應(yīng)能夠產(chǎn)生足夠的熱量,與煤炭、風(fēng)能、太陽(yáng)能、潮汐等相比,具有高效、節(jié)能、低碳、低污染、長(zhǎng)期有效使用、安全的優(yōu)勢(shì),利用核反應(yīng)堆維持和控制核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng),從而實(shí)現(xiàn)核能-熱能轉(zhuǎn)換的裝置。1 kg鈾的發(fā)電量相當(dāng)于煤1 170 000 kg。從煤、油、氣發(fā)電方式看,碳排放量分別是:1 000～1 200 g Co2eq/kwh、800～100 g Co2eq/kwh、500～600 g Co2eq/kwh,而水電、核能、風(fēng)力均小于 20 g Co2eq/kwh,太陽(yáng)能40～60 g Co2eq/kwh。1座核反應(yīng)堆從開(kāi)始使用到最后因?yàn)榉派湫詮U物被廢棄,最少可以運(yùn)行100～150年[5]。

放射性核素被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療以解決腫瘤的診斷和治療。由國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(international atomic energy agency,IAEA)提供放射性核素及診斷技術(shù)、放射性核素治療和放射性治療,各國(guó)原子能機(jī)構(gòu)旨在用于腫瘤的預(yù)防、早期診斷和治療。

1.4 核設(shè)施 核設(shè)施是規(guī)模生產(chǎn)、加工或操作放射性物質(zhì)和管理、監(jiān)督及對(duì)各參加締約國(guó)的約束性文件。易裂變材料的設(shè)施(包括其場(chǎng)地、建筑物和設(shè)備)。如鈾富集設(shè)施,鈾、钚加工與燃料生產(chǎn)、貯存及后處理設(shè)施,反應(yīng)堆、核動(dòng)力廠、放射性廢物管理設(shè)施等[6]。核電站是目前設(shè)備組成和設(shè)計(jì)最為復(fù)雜的系統(tǒng),不論如何設(shè)計(jì)和運(yùn)行,均不可避免地要面臨失敗[5,7]。1979年美國(guó)三里島核電站,因?yàn)楹?jiǎn)單的操作失誤而引起反應(yīng)堆堆芯融化,從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓,此后30年,美國(guó)停止了核電站工程建設(shè)[8]。

核反應(yīng)堆的核心為堆芯,核裂變會(huì)產(chǎn)生大量的熱,熱力學(xué)定律說(shuō)明熱能轉(zhuǎn)換成電能的轉(zhuǎn)換效率不可能是100%?，F(xiàn)代煤或油電站的效率可達(dá)40%,而核電站的效率目前只有33%。煤電站有15%的余熱從煙囪排出,45%余熱從冷卻水排出。但是核電站67%的余熱是從冷卻水排入河水或海水中[9]。因此,核電站要求:(1)核電站要建立在河岸和海岸邊,以便有大量的水用于帶走熱量,降低反應(yīng)堆的溫度。例如,1999年法國(guó)Blayais核電站由于潮水導(dǎo)致Ⅱ級(jí)核事故的發(fā)生;2011年日本Tōh(huán)oku地震引發(fā)的海嘯導(dǎo)致了福島核事故的發(fā)生。(2)一旦有核事故發(fā)生的可能,常規(guī)情況下,只需5 S就可以關(guān)閉核反應(yīng)堆。在反應(yīng)堆運(yùn)行和關(guān)機(jī)狀態(tài)下,均需要輔助動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)冷卻裝置,如,電力或者柴油發(fā)電。福島核事故正是由于電力中斷和柴油發(fā)電機(jī)的破壞,而導(dǎo)致嚴(yán)重的核事故。一旦發(fā)生核事故,就會(huì)產(chǎn)生堆芯的融化,溫度升高,引起爆炸,導(dǎo)致核燃料不可控制的泄露,使土壤、農(nóng)作物、蔬菜、空氣、水源等都受到不同程度的污染,嚴(yán)重導(dǎo)致人類輻射損傷、遺傳疾病和腫瘤等發(fā)生。

1.5 醫(yī)用放射性核素 在醫(yī)院里,通常由核醫(yī)學(xué)科和放射性同位素科制備放射性藥物用于放射性核素的診斷,全球約4 000萬(wàn)臺(tái)成像設(shè)備,放射性藥物99mTc用在80%的核素掃描中,但近來(lái)放射性藥物的供應(yīng)嚴(yán)重不足和中斷,導(dǎo)致世界各地核醫(yī)學(xué)中心的患者服務(wù)受到延誤。截止2008年12月31日,全球共有在運(yùn)行反應(yīng)堆438個(gè),在建反應(yīng)堆44個(gè),共有54個(gè)反應(yīng)堆在生產(chǎn)核素,其中僅有6個(gè)反應(yīng)堆生產(chǎn)99mTc及其他醫(yī)用核素(加拿大、比利時(shí)、荷蘭、法國(guó)、南非和澳大利亞)加工則由4個(gè)工業(yè)設(shè)施進(jìn)行。生產(chǎn)99mTc的反應(yīng)堆數(shù)量有限并且已全部老化,已到了進(jìn)行維護(hù)性關(guān)閉的時(shí)候。2009年5月15日加拿大喬克里弗的國(guó)家通用研究反應(yīng)堆發(fā)現(xiàn)[10],少量的重水泄漏而停堆,它是世界上最大的醫(yī)療、癌癥和心臟病診斷檢測(cè)用放射性核素的生產(chǎn)商,生產(chǎn)了世界上40%的99mTc和75%的鈷-60(60Co);2008年8月,由于冷卻系統(tǒng)問(wèn)題,荷蘭佩滕(Petten)高通量反應(yīng)堆維護(hù)后被迫推遲了重啟時(shí)間,該反應(yīng)堆提供了歐洲60%和全球30%用于診斷、治療和鎮(zhèn)痛的醫(yī)用放射源。兩座核反應(yīng)堆占據(jù)了全球80%以上的99mTc市場(chǎng),而中國(guó)原子能研究院101堆停堆,492堆通量低,產(chǎn)量低;成都核動(dòng)力院反應(yīng)堆處于半停堆狀態(tài),中國(guó)工程物理研究院的20 MW新堆和中國(guó)原子能研究院60 MW新堆至今未能運(yùn)行。

雖然目前全球和國(guó)內(nèi)均有理想的99mTc生產(chǎn)供應(yīng)計(jì)劃,但由于99mTc的半衰期很短,無(wú)法儲(chǔ)存;世界各國(guó)對(duì)核武器的敏感,使得高能鈾受到了高度的關(guān)注,高通量堆的使用受到限制;另外,需求的不斷增加,供應(yīng)受限,導(dǎo)致價(jià)格不斷上漲。

2 核輻射

核輻射,或通常稱之為放射性,是原子核從一種結(jié)構(gòu)或一種能量狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N結(jié)構(gòu)或另一種能量狀態(tài)過(guò)程中所釋放出來(lái)的微觀粒子流,引起物質(zhì)的電離或激發(fā),又稱為電離輻射[11]。正是電離輻射的特性,才使放射性核素在核電站、工業(yè)、醫(yī)療等方面廣泛應(yīng)用。核輻射是一把“雙刃劍”,在對(duì)人類做出巨大貢獻(xiàn)的同時(shí)也帶來(lái)很多的災(zāi)難。

2.1 核事故引發(fā)的核輻射 核電站產(chǎn)生的放射性液體在排放前經(jīng)過(guò)衰變,稀釋到無(wú)害水平才允許排放到湖泊、河流或海洋中。核電站產(chǎn)生的放射性氣體排放前先經(jīng)過(guò)衰變或用活性炭吸附,達(dá)到允許標(biāo)準(zhǔn)后才由高空煙囪排至大氣。核電站正常的氣體排出物或廢水的放射性對(duì)公眾和環(huán)境的影響較輕微。但是一旦發(fā)生核事故。就會(huì)引起輻射效應(yīng),例如福島核事故,福島核電站建于1970年,是一座具有40年歷史的核電站,核電站的設(shè)計(jì)并沒(méi)有考慮到地震會(huì)產(chǎn)生7 m高的海嘯,后者導(dǎo)致該核電站電力中斷和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的損壞[12-13],電力中斷后冷卻系統(tǒng)無(wú)法將冷卻水泵入原子爐中,導(dǎo)致熱能以蒸汽的形式釋放,引起一系列的爆炸和輻射,福島20萬(wàn)人口需要撤離。在核事故的污染區(qū),釋放到空氣、水源、土壤、農(nóng)作物中的放射性核素通過(guò)對(duì)DNA分子的作用使細(xì)胞受到損傷,導(dǎo)致各種健康危害。危害的性質(zhì)和程度因輻射的物理學(xué)特性和機(jī)體的生物學(xué)背景而有所不同。它可以是發(fā)生在受照者本人的軀體性效應(yīng),也可以是因生殖細(xì)胞受到照射引起的受照者后裔的遺傳性效應(yīng)?？梢允浅^(guò)一定水平照射后必然出現(xiàn)的必然性效應(yīng),也可以是受照水平雖低也不能完全避免的隨機(jī)性效應(yīng)[14]。

常用希沃特或希弗(Sievert,Sv)作為國(guó)際單位,用來(lái)衡量輻射對(duì)生物組織的傷害。通常使用毫希、微希(mSv、μSv)表示。國(guó)際輻射防護(hù)委員會(huì)(international commission on radiological protection,ICRP)推薦非職業(yè)性人員的年有效劑量為1 mSv[15],職業(yè)性人員照射劑量限值為年平均20 mSv[16]。對(duì)于日常工作中不常接觸輻射的人來(lái)說(shuō),每年正常的天然輻射(主要是空氣中的氡輻射)為1 000～2 000μSv(也就是1～2 mSv)。當(dāng)短時(shí)輻射物質(zhì)攝取量低于100 mSv時(shí),對(duì)人體沒(méi)有危害;100～500 mSv時(shí),沒(méi)有疾病感覺(jué),但血液白細(xì)胞數(shù)減少;1 000～2 000 mSv時(shí),輻射會(huì)導(dǎo)致輕微的射線疾病,如疲勞、嘔吐、食欲減退、暫時(shí)性脫發(fā)、紅細(xì)胞減少等;2 000～4 000 mSv時(shí),人的骨髓和骨密度遭到破壞,紅細(xì)胞和白細(xì)胞數(shù)量極度減少,有內(nèi)出血、嘔吐等癥狀;大于4 000 mSv時(shí),將會(huì)直接導(dǎo)致死亡[17]。

2.2 醫(yī)用輻射效應(yīng) 在放射性診斷和放射性治療過(guò)程中,輻射源、放射性藥物等被廣泛應(yīng)用,說(shuō)明這些核輻射也有積極的醫(yī)療價(jià)值和作用。常用的99mTc、131I、89Sr、18F衰變時(shí),可以釋放各種放射性射線和帶電粒子[16],如:χ、γ射線,正電子等,主要用于腫瘤、冠狀動(dòng)脈粥樣硬化性心臟病、神經(jīng)性疾病等早期診斷、甲狀腺腫瘤、轉(zhuǎn)移性骨腫瘤等的治療,目前125I用于多種實(shí)體瘤的治療。其他還有外放射設(shè)備,如:60C0、直線加速器等,利用X、γ射線對(duì)多種腫瘤進(jìn)行輔助放療。挽救了部分患者的生命,延長(zhǎng)了部分患者的生存期,提高了患者的生活質(zhì)量。

2.3 核安全 歐洲原子能機(jī)構(gòu)、國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)、聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織、經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織核能機(jī)構(gòu)、聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署、WHO等多個(gè)國(guó)際性機(jī)構(gòu)共同制定了國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)安全標(biāo)準(zhǔn)的保護(hù)人類與環(huán)境的基本安全準(zhǔn)則[18]?！秶?guó)際原子能機(jī)構(gòu)規(guī)約》要求原子能機(jī)構(gòu)促進(jìn)國(guó)際合作,通過(guò)交流經(jīng)驗(yàn)和提高控制危險(xiǎn)、預(yù)防事故、應(yīng)對(duì)緊急情況和減緩任何有害后果的能力來(lái)促進(jìn)和加強(qiáng)全球安全。國(guó)際安全相關(guān)公約、行為準(zhǔn)則和安全標(biāo)準(zhǔn)為開(kāi)展國(guó)際合作提供了便利[19]。

相關(guān)公約和準(zhǔn)則包括《及早通報(bào)核事故公約》、《核事故或輻射緊急情況援助公約》、《核安全公約》和《乏燃料管理安全和放射性廢物管理安全聯(lián)合公約》都對(duì)締約國(guó)規(guī)定了具體義務(wù)[20]。安全標(biāo)準(zhǔn)還對(duì)《放射源安全和保安行為準(zhǔn)則》和《研究堆安全行為準(zhǔn)則》的適用提供支持。安全標(biāo)準(zhǔn)包括《安全基本法則》、《安全要求》和《安全導(dǎo)則》,這些安全標(biāo)準(zhǔn)由原子能機(jī)構(gòu)和共同倡議組織適用于其各自的業(yè)務(wù),并被推薦給各國(guó)和國(guó)家當(dāng)局以及其他國(guó)際組織在其各自的活動(dòng)中采用。國(guó)際公約和原子能機(jī)構(gòu)安全標(biāo)準(zhǔn)為有效保護(hù)人類和環(huán)境免于輻射危險(xiǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)而全面的基礎(chǔ)。

核能的研發(fā)和利用與人類的存在息息相關(guān),因此,人類更加依賴于核能,但是核能研發(fā)利用的每一個(gè)環(huán)節(jié)都可能導(dǎo)致核事故、核損害的發(fā)生。因此,在開(kāi)發(fā)利用核能的同時(shí),也有公眾反對(duì)核能的開(kāi)發(fā)利用。但毋庸置疑的是,人類必將越來(lái)越多地依賴核能,因此,核的安全性越來(lái)越受到重視。

總之,隨著全球資源需求的增長(zhǎng),特別是發(fā)展中國(guó)家和亞洲新興經(jīng)濟(jì)發(fā)展地區(qū),對(duì)核能的需求日益增加。全球核能以每年10%的速度發(fā)展,而亞洲地區(qū)特別是中國(guó)核能的發(fā)展受到世界的矚目。但通過(guò)日本福島核事故,全球應(yīng)該更加謹(jǐn)慎地對(duì)待核能的發(fā)展,低通量堆、Ⅲ、Ⅳ核電站技術(shù)以及更多涉及人類健康的核素應(yīng)用將對(duì)人類的發(fā)展起到更大的推動(dòng)作用。

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10.3969/j.issn.1671-8348.2011.27.042

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2011-04-26

2011-05-27)