核电站的辐射防护和废物处理

第八章 核电站的辐射防护和废物处理

8.1 核辐射及其效应

8.1.1 核辐射的物质效应

在核电站范围内，参加核辐射的粒子主要是带正电的α粒子，带负电的β粒子，γ射线(光子)以及不带电的中子，被辐照的物质，我们仅局限于生物形式(包括人体)和用于辐射防护的惰性物质，粒子或射线与物质的作用，主要表现出下列几种效应：

(1)由电子引起的激发和电离

当物质受到β粒子(电子)的照射时，产生的效应与它入射时能量E 有很大关系，如果进入物质的电子能量非常低，它仅仅在物质中移动，而对物质的分子没多大的影响，如果入射的电子能量较大，它就将能量传递给原子中的电子，使电子激发到较高能态，或产生电离，接着发生光的发射。例如，当重元素中的内部轨道上的电子置换时，所产生的高能射线就是X 射线。

核反应堆中的β粒子具有0.01~1.0MeV 范围的能量，它穿越物质时能产生大量的电离。粗略的近似计算认为，产生一个离子对约需32eV 的能量。随着物质的每次电离，β粒子损失其能量并最终停止。β粒子所走的路程被称为射程。实验发现：射程正比于β粒子的能量，反比于所穿越物质的密度。如果β粒子得能量E>0.8Mev 时，射程计算的近似为:

30.55(0.16()/)

E Mev R cm g cm -=）ρ（ (8-1) 式中，ρ是被照射物质的密度，由此可见，β粒子在液体和固体中的射程仅为几个毫米，在空气中也仅为几米。

(2)被重原子慢化的带电重粒子

由于带电粒子(如质子，α粒子)或离子(如裂变碎片)比电子重的多，所以把它们归入重粒子。如果入射的能量相同，它们的运动速度比电子小得多，因为质子与电子的质量比为1836，在相同能量下它们的速度比为0.0233，其动量比为42.85，所以在运动中重粒子不易发生偏转。

带电重粒子在物质中由于同原子中电子的静电相互作用会慢化下来，重粒子在损失其能量的同时，电子获得能量被跃迁。因此，重粒子通过物质时就会有大量的电离产生，随着重粒子能量的衰减，最后它在射程内停止，这一射程比电子的射程短得多，例如，一个能量为2MeV 的α粒子在空气中的射程为1cm 。若假定纸的密度是空气的1000倍，则2MeV 的α粒子就可被0.001cm 厚的纸挡住，或被人的皮肤挡住。因此，α粒子的防护并无多大困难。

(3)被核散射的带电重粒子

高速带电粒子遇到非常重的带点原子核时，由于两个粒子的排斥，迫使入射粒子改变运动方向，沿着双曲线方向继续运动，这就是入射粒子被散射。除非入射粒子的能量非常高，且能进入核力的范围之内，否则它能引起核反应的概率非常小。当然并不排除它被散射后又遇到另一原子的电子，并引起电离的可能性。

(4)γ射线与物质的作用

γ射线(光子)与物质的作用有三种主要过程：

①光子一一电子散射 光子与电子碰撞之后，电子被迁移产生电离；光子改变运动方向并成为低能光子。

②光电效应 光子从原子中击出一个电子，留下带正电的离子，但光子本身被吸收而消失。

③生成电子——电子对 当光子撞击在原子核上时，光子消失，却出现两个粒子——即一个电子和一个正电子。但是，生成电子对的相互作用，要求γ射线有较高的能量

( 1.02E MeV >)。

γ射线不同于α粒子和β粒子，对某些入射能量的γ射线能穿越任一厚度的物质。由于γ射线没有确定的射程，故通常用γ射线在物质中的衰减程度来描述它的特性，用半衰程(即γ射线的强度衰减一半所走过的距离)来表示。即

0.693/H S =∑ (8-2) 式中，∑是材料对γ射线的宏观吸收截面。

(5)中子的辐射损伤

当高能中子撞击到水分子中的氢原子时，发射出一个质子，引起水的化学离解。类似这种效应也发生在任何生物组织的细胞分子中。将这种效应称之为初级辐射损伤。

经过多次碰撞后，中子能量变得非常低，这时它很容易地被吸收。如果它被水分子或碳氢化合物中的质子所俘获，就会释放出γ射线，于是化合物再一次发生离解，这种离解被认为是一种次级辐射损伤。

8.1.2 辐射的生物效应

众所周知：生物包括各种各样的植物和动物；而植物和动物又都是由细胞构成的。运动粒子和射线与生物物质相互作用的各种方式，也体现在生物效应方面，粒子的能量转移给活细胞的原子和分子而破坏活细胞的正常功能。由于有机体是由许多细胞、组织和器官组成的，所以一个原子的扰动似乎是微不足道的，但是许多粒子或射线的辐照可以改变细胞群，因而影响整个系统。虽然机体系统有调节和恢复能力，但通常认为辐射损伤是一种累积效应。

射线对人体的伤害是通过内、外照射两种途径引起的。环境辐射是外辐射，当放射性物质通过呼吸、饮食及皮肤破损处进入人体内部时则造成内照射。辐射对人体的危害可分为躯体效应和遗传效应两种，前者表现在本人身上，后者则出现在后裔身上。躯体效应又可分为急性效应和远期效应，急性效应是在短时间内受大剂量照射时发生的；远期效应是受到低剂量照射后经过一段时间的潜伏才出现。

急性全身照射下的辐射生理效应如表8.1所示。由表中的数据可知，照射剂量在25雷姆一下时，无明显的临床表现；即使到100雷姆时对人体的损伤也是很轻微的。只有在高剂量的情况下才会出现明显的生理效应。

从生物学的观点来看，人是由许多特殊器官和组织构成的复杂生物系统。这些器官和组织，例如神经、肌肉、血液、骨骼、皮肤等都是由大量细胞组成，细胞核是细胞的控制中心。在细胞核中有染色体，她是由DNA(即脱氧核糖核酸)的分子组成，DNA 与生物的遗传和变异有极密切的关系。如前所述，辐射会产生电离，细胞中的水可能转变为自由基，如H 、O 、HO 、2H O 、和22H O 。由于体内含有大量的水，大部分辐射效应起源于这些产物的化学反应。除此之外，还会发生直接的辐射损伤，也就是伤害控制生长和生殖的DNA 。

表8-1 急性全身照射时人体可能的损伤效应

受辐射的组织不同，生理效应差别很大，穿透能力低的α粒子，仅使皮肤接受一些辐射剂量，但并不造成严重危害；然而，容易穿透组织的辐射(如β射、γ射线和中子)能危害身体的许多要害部位，例如造血组织的骨髓、生殖器官和眼球晶状体，消化道和肺部对吃进或吸入的放射性物质的辐射很敏感。

8.1.3 辐射的常用计量单位

(1)辐射源强度 辐射源放射性强度的专用单位是居里(Curie ，简写成Ci)。将任何放射性同位素在单位时间内衰变103.710⨯个原子核(即衰变10

3.710⨯次)定义为一个居里。由此可见，居里代表着衰变的次数，表示了放射源的强度。

(2)照射量 放射性的照射量是用于描述X 射线或γ射线产生的辐射效应，是它们对产生电离的大小的一种度量，其专用单位是伦琴(Roentgen ，简写为r)，将标准状态下一立方厘米干燥空气的质量(即0.00129克)在X 或γ射线作用下产生总电荷为一个静电单位(即103.33310-⨯库仑)定义为一伦琴，即:

411 2.5810C/kg 0.00129-=⨯静电单位电荷伦琴=克

(8-3) (3)辐射吸收剂量 它是描述单位物质吸收任何电离辐射的能量，单位是拉德(rad ——radiation absorbed dose)，其定义是每克物质接受100尔格的能量，即

1拉德=100尔格/克

(4)剂量当量 生物在不同射线或粒子作用下，即使吸收能量相同，但所产生的生物效应有较大的差别。例如快中子或α粒子产生1拉德的辐射损伤，远大于由X 或γ射线同样剂量产生的损伤，这时因为重粒子在单位距离内能量损失大、产生的电离密度高。所以通常