第六章 放射性物质的释放及其危害分析

3.放射性物质沉降 反应堆排出的放射性气载物，除裂变气体以外，碘和 其它裂变产物都可能由下各种原因沉降到地面上，造成地 面污染并通过种种途径对居民产生辐射。由于存在沉降， 大气中的放射性物质浓度减弱得更快。 放射性物质的沉降有两种：干沉降和湿沉降。
干沉降 是由于重力作用引起颗粒物下沉或是因漏流扩散、分 子扩散、静电引力等原因引起粒子与地面接触碰撞所 造成的放射性物质向地面的沉积。当粒子直径小于 15μm时。重力机降的速度远比精流垂直位移速度小， 因此这时重力下沉不是主要的。 湿沉降 是由于大气的降水过程将粒子洗涤冲至地面造成的地 面放射性沉积。
早期效应是生物组织或器官因大量细胞受损而不能发挥 正常的功能。对于这类损伤，辐射剂量的最低限值应控 制在不导致伤害的水平。当剂量水平低于此最低限值时。 细胞的恢复机能能使受损细胞再生。损伤的程度将随辐 射剂量的增强而提高。 晚期效应通过改变遗传密码使细胞的行为异常。这种细 胞损伤是随机的，但发生的概率随辐射剂量的增大而提 高。损伤程度则与辐射剂量无关。辐射的晚期效应包括 白血病、其它癌症和各种遗传效应等。
建筑对扩散的影响
烟气抬升
放射性物质沉降
1.建筑对扩散的影响 气流在通过建筑物时会受到扰动，在建筑物背风面会 出现大量旋涡，它将显著增加气流变混能力。这种现象在 气象学上称之为建筑物的“尾流效应”。 反应堆正常运行时，气态放射性物质主要通过烟囱比 丰厂房并不高很多，排出的气流会受到建筑物尾流效应的 影响。事故情况下，气载物由安全壳各种可能通道直接向 外泄漏，尾流效应影响更为显著。
γ射线是电中性的，不能引起直接电离。然而，当 同正在运动的带电粒子发生碰撞时，能产生非直接的电 离，而直接电离主要是α粒子和β粒子引起的。大多数 离子对均以这种方式形成，在离子对重新组台时释放热 量。燃料元件的发热就是裂变产物经由这一过程实现的。 α粒子和β粒子的穿透能力很低，容易被相对薄的 物质阻挡。α粒子在空气中的传播范围仅几厘米，β粒 子在空气中的传播范围也大约只有几米。而丫射线的穿 透力很强，只有用很厚的屏蔽层才雏阻挡。
数学模型
6.4 放射性物质在大气中的扩散
6.4.1 气载物在大气中的稀释扩散
气载物
气体是放射性物质蒸发、升华形成的单分子态。 “气溶胶”一般指固态或液态多分子凝聚物颗粒 的气体中的弥散系。我们统称这两种形态为气载 物。
放射性物质从安全壳释出后。呈气体和气溶胶形态。 这些气载物进入大气后，在被风朝下风向输送的同时，将 受大气湍流影响，于水平方向和垂直方向迅速地稀释扩散。 因此为了估算放射性释出物对居民的辐射后果，首先必须 研究气载物在大气中的稀释扩散规律，以计算居民所在处 地面空气中的放射性浓度和放射性物质在地而的沉积浓度。
半衰期
半衰期是放射性核素的特征量，它是放射性强度衰变一 半所需的时间。
放射性核素活度
放射性核素的活度是衰变的比率，即每秒钟原子核衰变 的数目。
活度和半衰期之间的关系为：
电离辐射
放射性核衰变产生的α粒子、β粒子以及中子在穿过物 质时，其能量被材料所吸收，结果造成材料的损伤。辐 射损伤有三种类型： ·将稳定的核素转化为具有放射性的其它核； ·从材料结构的正常位置置换原子； ·电离，即从物质的原子中分离电子，并在带电离 子轨道中形成离子对。
惰性气体
99Sr（锶）和106Ru（钌）只发射β射线，不易测量。
元素锶具有挥发性．但其氧化物不挥发。钌的情形刚好 相反。所以堆内氧化状态对裂变产物释放形态影响很大。 Sr进人人体的途径是奶，敏感器官是骨骼，而且排除很 慢。儿童受Sr的影响比成人严重。
6.2.2 锕族元素
锕系元素无裂变产物，但可以从238U开始，通过连续 不断的中子俘获形成。锕系元素发射出α粒子和低能γ射 线，通常它们不产生任何外部辐照剂量，由于其溶解度低， 也不积累于食物中。对健康的主要危害是由于吸入了地而 沉积的非悬浮物而引起。由于锕系元素的半衰期较长，如 果在严重的反应堆事故情况下释放到环境，能对长期群体 剂量产生影响。当裂变产物已经衰变为稳定的核素时。长 寿命的锕系元素占据了乏燃料放射性活度的主要部分。
(2)锥形 中性大气条件。扩散情况比链形差，烟散开的时候象 一个圆锥，烟云的轴基本上保持在同一水平，只有小的上 下摆动。这多出现在阴天或多云天(白天或晚上)风力较大 的条件下。这是因为天空有云，白天太阳的短波辐射部份 被云吸收和反射，减少了地面增温；而夜间，云层又反射 地面的长波辐射使地面的降温减弱。大风意味着上下混合 交换强烈。所发生的空气在垂直方向的运行不是由浮力引 起，而是由动力不稳定引起，因而大气温度的垂直分布接 近于干绝热递减率。
6.3 事故情况下放射性物质的释放
6.3.1 放射性物质向主回路系统的释放
放射性物质的释放机理
气 隙 释 放
熔 化 释 放
汽 化 释 放
蒸 汽 爆 炸
裂变产物特性
放射性物质主系统内的迁移 在所有事故释放情况下，惰性气体将全部进人安全壳。 在533K以上的温度下，卤素也很少沉积在一回路中，一般按 保守估计假定这些元素全部进入安全壳。 对于挥发性的碱金属和碲，情况要复杂些，在气隙释放和熔 化释放的开始阶段，壁温小于813K时有部分沉积发生．当温 度高于813K时，这些凝结元素会再次释放被汽流带出主回路。 碱土金属在熔化释放时的沉积行为与碱金属相似，只是在再 挥发时要求壁温更高。
辐射剂量
单位质量的物质所吸收的辐射能称为辐射剂量或吸收 剂量。 其单位为戈瑞(Gy)，1Gy等于每千克的物质吸收1焦耳 的能量。
早期使用的单位是拉德(Rad)，1Rad=O.01Gy。
Hale Waihona Puke Baidu
辐射生物学效应
当生物体受到电离辐射时，细胞组织会受到严重 损伤。这种生物学效应可以分为急性(早期)和潜伏(晚 期)两种类型。
对反应堆安全来说，所关心的是裂变产物向环境的 释放。对此，裂变产物必须穿透燃料包壳、一回路系统 压力边界和反应堆安全壳系统。 释放到环境中的核紊主要是具有高裂变产额、中等 半衰期和相应放射性物质特性的气态或易挥发性的物质。 其中主要有：惰性气体的同位素，如氪(Kr)和氙(Xe)； 易挥发性元素，如碘(I)、铯(Cs)和碲(Te)等。
如果发生堆芯熔化的严重事故时，大部分裂变产物将 从熔融的燃料中释放出来。严重事故下若压力容器破裂， 堆芯碎片和放射性就会进人安全壳。从放射性分析来说， 比较重要的是气溶胶。气溶胶可因堆芯碎片材料的物理破 碎而形成，也可因堆芯裂变产物蒸汽的凝结而形成。 根据形成时的机理不同，气溶胶释放可以分成两类。 一类是压力容器失效之 前在壳内形成而随压力 容器失效释出的气溶胶 另一类是压力容器失效 以后在安全壳内生成的 气溶胶
6.1 基本概念
放射性
放射性是指不稳定核素(放射性核素)经过自发 地发射射线而蜕变为其它核素的现象。 放射性衰变主要有α(发射氦原子核)、β(发射 电子)和γ(发射光子)三种类型。发生α或β衰变时， 放射性原子核蜕变为另一种核素，称为子核。子核 也可能是不稳定的，于是形成衰变链，直到形成稳 定核素为止。自然界存在238U、235U和232Th三条衰 变链，最终形成206Pb、209Pb和208Pb。
定量描述低层大气中各种尺度的旋涡构成的湍流运动 规律是很复杂的，目前大气湍流扩散问题仍未很好地模化， 在计算反应堆释出物浓度时，通常采用半经验的高斯烟云 扩散模型(也就是正态分布模型)来描写气载物在大气中的 稀释扩散规律。
气载物在大气中的浓度分布正态模型
在实际计算气载物在大气中的扩散时，还有以下因素是需 要考虑的
6.4.2 大气扩散能力与气象条件的关系
(1)链形 不稳定大气条件。污染物扩散得很快，烟云不规则地向 地面垂直及水平方向剧烈散开，在下风向不远的地方就消散 了。这多出现在中午前后日射程强和风速较小的时间里，这 是因为在这种条件下，地面接受太阳的直接照射，温度升高， 暖而轻的空气在下面，空气温度随高度而降低——超绝热递 减。
2．烟气抬升
在反应堆事故工况下，在放射性物质释放的同时往往 伴随着能量的释放，因此释放出的气体温度要比周围大气 温度高。这时释放气体会浮升，这相当于在释放源真实高 度h上附加一个高度△h，一般称之为烟气抬升。目前采用 较多的是柏里格(Briggs)修正公式，它给出了不同能量释 放，不同气象条件下的△h。
6.2 放射性物质的产生
6.2.1 裂变产物
在重核的裂变过程中，原子核分裂成为两个不同质量、 不同电荷数的子核，而且，对于每一次裂变，裂变产物都 是不同的。反应堆中的裂变产物包括近40种不同元素中的 约200种不同的核素。质量数为85～105和130～150左右的 核素具有较高的份额。多数裂变产物带有放射性，并通过 发射β粒子和γ射线而衰变，衰变子核往往也是放射性的。 目前有专门的计算机程序用以确定反应堆燃料在运行期间 和运行后任意时刻的裂变产物的产量和成分。比铀重的 元素(超铀元素或锕系元素)的产生和转化，在程序中也有 描述。
放射性物质在安全壳内的迁移 放射性物质由主回路进入安全壳以后，一般是以气 体或悬浮的气溶胶形态存在于安全壳空间中。放射性物 质从安全壳向环境的释放率取决于安全壳的泄漏率和放 射性物质在安全壳大气中的浓度。 安全壳内的放射性物质一方面由于自然衰减、气溶 胶聚合及沉降、安全壳及设备壁面吸附而减少，另一方 面靠采取积极的去除措施——例如安全壳内气体循环过 滤系统和喷淋系统，进一步降低放射性浓度。为了减步 向环境排放的放射性，还往往采用多层或多仓室安全壳。
所以，对锕系元素来说，重要的是评价核燃料循环中 与废物最终处理有关的长期环境效应。
6.2.3 活化产物
当反应堆一回路系统中的反应堆冷却剂或结构材料吸 收中子时，便形成了活性产物。腐蚀产物能以溶解或悬浮 的形式进入到反应堆的冷却剂中，并且当冷却剂流过堆芯 时被活化。象裂变产物一样，活化产物的种类较多，其性 质差异也较大。一般来说，它们是相对轻的元素．不产生 放射性子核，其辐射危害比一般裂变产物轻些。
惰性气体
由于惰性气体的化学性质是惰性的并呈气态，要限 制它们特别困难。它们不黏附表面，也不被过滤器所吸 附。另一方面，它们既不与生物细胞发生反应。也不在 人体内积累。 所以，惰性气体对健康的危害主要是由于气载放射 性的外照射引起的。较重要的核素是具有长半衰期的 85Kr（氪）和133Xe（氙）。
碘
贵金属和稀土元素的挥发性很低．在燃料熔化期间它们就 会凝结在主回路内表面，但同时又会形成气溶胶。特别是 当有其它元素的蒸汽凝结核存在时，这类裂变产物将附着 其上而被蒸发带出。 总之，如果堆芯熔化，大部分裂变产物从熔融燃料中释放 出来，而且无论其挥发性大小，多数裂变产物将从主回路 释放到安全壳内。
6.3.2 放射性物质向安全壳的释放
第六章 放射性物质的释放及其危害分析
对反应堆释放出的放射性物质的辐射后果作出安全评 价一般包括两个方面，即反应堆正常运行条件下和事故条 件下能否确保放射性物质的释放量及其辐射后果在有关防 护规定的允许水平以下。 在这一章中将按放射性物质从堆内向外逸出的路径， 分析放射性物质的释放规律和辐射后果。首先论述堆内放 射性物质的来源和产生的数量，随后研究这些放射性物质 在事故条件下穿透三道屏障的机理和迁移释放的规律，分 析放射性释出物在大气中的扩散规律以及对环境和居民的 辐射后果，最后介绍应遵守的辐射防护原则。
碘的同位素发射出高能β和γ射线，这些同位素 对浮尘中的放射性物质释放出来而形成的外部剂量贡 献很大。同时，碘易于积累在甲状腺内造成该器官的 内照射。关键的碘同位素是131I．其释放量一直被用作 度量事故严重程度的标准。
铯(Cs)
铯的化学性质与钾相似。铯与碘产生化学反应， 将影响释放量和化学成分。通过身体的肌内组织将铯 吸收于体内，而在几个月内再分离，这个时间比 137 Cs 的半衰期短。所以体内的 137 Cs含量很快会与食物中的 含量达到平衡。肉和牛奶是 137 Cs进人人体内的重要途 径
气溶胶
气溶胶也是一种变形的堆芯材料，它和堆芯碎片 的主要区别在于粒径的不同，因而表现出不同气 动力学特性。气溶胶在穿越气体时受气流速度的 影响明显，可以在气流中悬浮相当长的时间，堆 芯碎片的运动则几乎不受气流影响。通常取气动 力学当量直径30μm作为碎片与气溶胶的分界，这 一界值随气流速度而变化较小。