王玉嬋綜述,嚴清波,袁耿彪審校

(重慶醫(yī)科大學附屬第二醫(yī)院核醫(yī)學科 400010)

核能應用中核輻射與核安全的探討

王玉嬋綜述,嚴清波,袁耿彪△審校

(重慶醫(yī)科大學附屬第二醫(yī)院核醫(yī)學科 400010)

核能;核輻射;核安全

核能以環(huán)保、節(jié)能、高效等優(yōu)勢被多個國家采用。全球人口膨脹、城市化效應和經(jīng)濟快速發(fā)展對電能的需求越來越大,特別是經(jīng)濟增長迅速的亞洲地區(qū),核能被廣泛地應用于核電站以提供電力。但目前全球的核反應堆仍沒有完全安全的設(shè)計方案[1]。日本地震、海嘯引發(fā)的福島核電站事故引起了人們對核能安全使用的擔憂[2]?，F(xiàn)將核能應用、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)應用

1.1 核材料 核材料是指核工業(yè)及核科學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。核工程材料是指反應堆及核燃料循環(huán)和核技術(shù)中用的各種特殊材料,如核反應堆結(jié)構(gòu)、元件包殼、反應堆控制、慢化劑、冷卻劑、屏蔽材料等[3],均是放射性核素,使用時必須注意防護。對Pu、233U、濃縮度大于20%的235U實行嚴格控制與管理。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加速器、反應堆、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,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)利用核反應堆強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,有實際提取價值和應用于臨床的僅10余種,如99Mo、131I、133Xe等[4]。

1.3 核能和醫(yī)用放射性核素的應用 1942年美國芝加哥大學建成了世界上第1座自持式鏈式反應裝置,從此開辟了核能利用的新紀元。核燃料引發(fā)的核裂變反應能夠產(chǎn)生足夠的熱量,與煤炭、風能、太陽能、潮汐等相比,具有高效、節(jié)能、低碳、低污染、長期有效使用、安全的優(yōu)勢,利用核反應堆維持和控制核裂變鏈式反應,從而實現(xiàn)核能-熱能轉(zhuǎn)換的裝置。1 kg鈾的發(fā)電量相當于煤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、風力均小于 20 g Co2eq/kwh,太陽能40～60 g Co2eq/kwh。1座核反應堆從開始使用到最后因為放射性廢物被廢棄,最少可以運行100～150年[5]。

放射性核素被廣泛應用于醫(yī)療以解決腫瘤的診斷和治療。由國際原子能機構(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,各國原子能機構(gòu)旨在用于腫瘤的預防、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)督及對各參加締約國的約束性文件。易裂變材料的設(shè)施(包括其場地、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,反應堆、核動力廠、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)計最為復雜的系統(tǒng),不論如何設(shè)計和運行,均不可避免地要面臨失敗[5,7]。1979年美國三里島核電站,因為簡單的操作失誤而引起反應堆堆芯融化,從而導致整個系統(tǒng)的癱瘓,此后30年,美國停止了核電站工程建設(shè)[8]。

核反應堆的核心為堆芯,核裂變會產(chǎn)生大量的熱,熱力學定律說明熱能轉(zhuǎn)換成電能的轉(zhuǎn)換效率不可能是100%。現(xiàn)代煤或油電站的效率可達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,降低反應堆的溫度。例如,1999年法國Blayais核電站由于潮水導致Ⅱ級核事故的發(fā)生;2011年日本Tōh(huán)oku地震引發(fā)的海嘯導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)閉核反應堆。在反應堆運行和關(guān)機狀態(tài)下,均需要輔助動力系統(tǒng)驅(qū)動冷卻裝置,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)電機的破壞,而導致嚴重的核事故。一旦發(fā)生核事故,就會產(chǎn)生堆芯的融化,溫度升高,引起爆炸,導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,嚴重導致人類輻射損傷、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4 000萬臺成像設(shè)備,放射性藥物99mTc用在80%的核素掃描中,但近來放射性藥物的供應嚴重不足和中斷,導致世界各地核醫(yī)學中心的患者服務(wù)受到延誤。截止2008年12月31日,全球共有在運行反應堆438個,在建反應堆44個,共有54個反應堆在生產(chǎn)核素,其中僅有6個反應堆生產(chǎn)99mTc及其他醫(yī)用核素(加拿大、比利時、荷蘭、法國、南非和澳大利亞)加工則由4個工業(yè)設(shè)施進行。生產(chǎn)99mTc的反應堆數(shù)量有限并且已全部老化,已到了進行維護性關(guān)閉的時候。2009年5月15日加拿大喬克里弗的國家通用研究反應堆發(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)問題,荷蘭佩滕(Petten)高通量反應堆維護后被迫推遲了重啟時間,該反應堆提供了歐洲60%和全球30%用于診斷、治療和鎮(zhèn)痛的醫(yī)用放射源。兩座核反應堆占據(jù)了全球80%以上的99mTc市場,而中國原子能研究院101堆停堆,492堆通量低,產(chǎn)量低;成都核動力院反應堆處于半停堆狀態(tài),中國工程物理研究院的20 MW新堆和中國原子能研究院60 MW新堆至今未能運行。

雖然目前全球和國內(nèi)均有理想的99mTc生產(chǎn)供應計劃,但由于99mTc的半衰期很短,無法儲存;世界各國對核武器的敏感,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,供應受限,導致價格不斷上漲。

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)過程中所釋放出來的微觀粒子流,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)療等方面廣泛應用。核輻射是一把“雙刃劍”,在對人類做出巨大貢獻的同時也帶來很多的災難。

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)過衰變,稀釋到無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)過衰變或用活性炭吸附,達到允許標準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公眾和環(huán)境的影響較輕微。但是一旦發(fā)生核事故。就會引起輻射效應,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)計并沒有考慮到地震會產(chǎn)生7 m高的海嘯,后者導致該核電站電力中斷和柴油發(fā)動機的損壞[12-13],電力中斷后冷卻系統(tǒng)無法將冷卻水泵入原子爐中,導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對DNA分子的作用使細胞受到損傷,導致各種健康危害。危害的性質(zhì)和程度因輻射的物理學特性和機體的生物學背景而有所不同。它可以是發(fā)生在受照者本人的軀體性效應,也可以是因生殖細胞受到照射引起的受照者后裔的遺傳性效應?？梢允浅^一定水平照射后必然出現(xiàn)的必然性效應,也可以是受照水平雖低也不能完全避免的隨機性效應[14]。

常用希沃特或希弗(Sievert,Sv)作為國際單位,用來衡量輻射對生物組織的傷害。通常使用毫希、微希(mSv、μSv)表示。國際輻射防護委員會(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]。對于日常工作中不常接觸輻射的人來說,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)。當短時輻射物質(zhì)攝取量低于100 mSv時,對人體沒有危害;100～500 mSv時,沒有疾病感覺,但血液白細胞數(shù)減少;1 000～2 000 mSv時,輻射會導致輕微的射線疾病,如疲勞、嘔吐、食欲減退、暫時性脫發(fā)、紅細胞減少等;2 000～4 000 mSv時,人的骨髓和骨密度遭到破壞,紅細胞和白細胞數(shù)量極度減少,有內(nèi)出血、嘔吐等癥狀;大于4 000 mSv時,將會直接導致死亡[17]。

2.2 醫(yī)用輻射效應 在放射性診斷和放射性治療過程中,輻射源、放射性藥物等被廣泛應用,說明這些核輻射也有積極的醫(yī)療價值和作用。常用的99mTc、131I、89Sr、18F衰變時,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射線對多種腫瘤進行輔助放療。挽救了部分患者的生命,延長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 歐洲原子能機構(gòu)、國際原子能機構(gòu)、聯(lián)合國糧農(nóng)組織、經(jīng)濟合作與發(fā)展組織核能機構(gòu)、聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署、WHO等多個國際性機構(gòu)共同制定了國際原子能機構(gòu)安全標準的保護人類與環(huán)境的基本安全準則[18]?！秶H原子能機構(gòu)規(guī)約》要求原子能機構(gòu)促進國際合作,通過交流經(jīng)驗和提高控制危險、預防事故、應對緊急情況和減緩任何有害后果的能力來促進和加強全球安全。國際安全相關(guān)公約、行為準則和安全標準為開展國際合作提供了便利[19]。

相關(guān)公約和準則包括《及早通報核事故公約》、《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》都對締約國規(guī)定了具體義務(wù)[20]。安全標準還對《放射源安全和保安行為準則》和《研究堆安全行為準則》的適用提供支持。安全標準包括《安全基本法則》、《安全要求》和《安全導則》,這些安全標準由原子能機構(gòu)和共同倡議組織適用于其各自的業(yè)務(wù),并被推薦給各國和國家當局以及其他國際組織在其各自的活動中采用。國際公約和原子能機構(gòu)安全標準為有效保護人類和環(huán)境免于輻射危險奠定了堅實而全面的基礎(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)利用的每一個環(huán)節(jié)都可能導致核事故、核損害的發(fā)生。因此,在開發(fā)利用核能的同時,也有公眾反對核能的開發(fā)利用。但毋庸置疑的是,人類必將越來越多地依賴核能,因此,核的安全性越來越受到重視。

總之,隨著全球資源需求的增長,特別是發(fā)展中國家和亞洲新興經(jīng)濟發(fā)展地區(qū),對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)特別是中國核能的發(fā)展受到世界的矚目。但通過日本福島核事故,全球應該更加謹慎地對待核能的發(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用將對人類的發(fā)展起到更大的推動作用。

[1]Jacobson,Mark Z,Delucchi,Mark A.Providing all Global Energy with Wind,Water,and Solar Power,Part I:Technologies,Energy Resources,Quantities and Areas of Infrastructure,and Materials[J].Energy Policy,2011,39(3):1154-1169.

[2]Sovacool BK.Second Thoughts About Nuclear Power[M].Singapore:National University of Singapore,2011:1-9.

[3]陳竹舟,葉常青.如何應對核與輻射恐怖[M].北京:科學出版社,2006:59.

[4]北京大學醫(yī)學部.核醫(yī)學網(wǎng)絡(luò)課程[DB/OL].(2008)[2010-03-19].http://www.med126.com/education/Nuclear-Medicine/Web/Kechengneirong/1_2.htm

[5]Jan Willem Storm van Leeuwen.Nuclear power-the energy balance[EB/OL].(2008)[2011-03-21].http://www.stormsmith.nl/report20071013/part G.pdf.

[6]中華人民共和國國家原子能機構(gòu).什么是核設(shè)施[EB/OL].(2009-11-10)[2010-03-21].http://www.caea.gov.cn/n16/n1253/n1448/92310.html.

[7]Francois Diaz Maurin.Fukushima:Consequences of Systemic Problems in Nuclear Plant Design[J].Econ Polit Wkly,2011,46(13):10-12.

[8]Stephanie Cooke.In Mortal Hands:A Cautionary History of the Nuclear Age[M].New York:Bloomsbury USA,2009:280.

[9]中華人民共和國國家原子能機構(gòu).核廢物與核污染[EB/OL].(2005-12-22)[2011-03-20].http://www.caea.gov.cn/n16/n1253/n1418/46684.html.

[10]鄧啟民,李茂良,程作用,等.醫(yī)用核素生產(chǎn)堆(MIPR)生產(chǎn)99Mo的應用前景[J].核科學與工程,2006,26(2):3.

[11]匡安仁,李林.核醫(yī)學[M].北京:高等教育出版社,2008:9.

[12]Jason Clenfield.Japan Nuclear Disaster Caps Decades of Faked Reports,Accidents[EB/OL].(2011-03-17)[2011-03-29].http://www.bloomberg.com/news/2011-03-17/japan-s-nuclear-disaster-caps-decades-of-faked-safetyreports-accidents.html.

[13]Gusterson H.The lessons of Fukushima-Bulletin of the Atomic Scientists[EB/OL].(2011-04-18)[2011-04-29].http://www.thebulletin.org/web-edition/columnists/hugh-gusterson/the-lessons-of-fukushima.

[14]邵建章.核輻射對機體的損傷作用及其防護技術(shù)[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息,2004(7):42-47.

[15]International Commission on Radiological Protection.Recommendations of the International Commission on Radiological Protection[M].New York:Pergamon Press,1971:1-25.

[16]International commission on radiological protection.Protection against Ionizing Radiation from External Sources Used in Medicine[M].New York:Pergamon Press,1979:1-17.

[17]中華人民共和國衛(wèi)生部.核與輻射事故醫(yī)學應急問與答[EB/OL].(2011-03-17)[2011-04-30].http://www.moh.gov.cn/publicfiles//business/htmlfiles/wsb/index

[18]陳紹亮.核醫(yī)學[M].2版.北京:科學出版社,2009:20.

[19]International Atomic Energy Agency.Nuclear Security Guidelines[R].Vienna:IAEA,2011.

[20]International Atomic Energy Agency.No.SF-1 Foudamental Safety Principles[S].Vienna:IAEA,2007:2.

10.3969/j.issn.1671-8348.2011.27.042

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2011-04-26

2011-05-27)