第六章 放射性物質的釋放及其危害分析

第六章放射性物質的釋放及其危害分析

對反應堆釋放出的放射性物質的輻射后果作出安全評價一般包括兩個方面，即反應堆正常運行條件下和事故條件下能否確保放射性物質的釋放量及其輻射后果在有關防護規(guī)定的允許水平以下。在這一章中將按放射性物質從堆內向外逸出的路徑，分析放射性物質的釋放規(guī)律和輻射后果。首先論述堆內放射性物質的來源和產(chǎn)生的數(shù)量，隨后研究這些放射性物質在事故條件下穿透三道屏障的機理和遷移釋放的規(guī)律，分析放射性釋出物在大氣中的擴散規(guī)律以及對環(huán)境和居民的輻射后果，最后介紹應遵守的輻射防護原則。6.1基本概念放射性

放射性是指不穩(wěn)定核素(放射性核素)經(jīng)過自發(fā)地發(fā)射射線而蛻變?yōu)槠渌怂氐默F(xiàn)象。

放射性衰變主要有α(發(fā)射氦原子核)、β(發(fā)射電子)和γ(發(fā)射光子)三種類型。發(fā)生α或β衰變時，放射性原子核蛻變?yōu)榱硪环N核素，稱為子核。子核也可能是不穩(wěn)定的，于是形成衰變鏈，直到形成穩(wěn)定核素為止。自然界存在238U、235U和232Th三條衰變鏈，最終形成206Pb、209Pb和208Pb。半衰期半衰期是放射性核素的特征量，它是放射性強度衰變一半所需的時間。放射性核素活度放射性核素的活度是衰變的比率，即每秒鐘原子核衰變的數(shù)目。活度和半衰期之間的關系為：電離輻射放射性核衰變產(chǎn)生的α粒子、β粒子以及中子在穿過物質時，其能量被材料所吸收，結果造成材料的損傷。輻射損傷有三種類型：·將穩(wěn)定的核素轉化為具有放射性的其它核；·從材料結構的正常位置置換原子；·電離，即從物質的原子中分離電子，并在帶電離

子軌道中形成離子對。

γ射線是電中性的，不能引起直接電離。然而，當同正在運動的帶電粒子發(fā)生碰撞時，能產(chǎn)生非直接的電離，而直接電離主要是α粒子和β粒子引起的。大多數(shù)離子對均以這種方式形成，在離子對重新組臺時釋放熱量。燃料元件的發(fā)熱就是裂變產(chǎn)物經(jīng)由這一過程實現(xiàn)的。α粒子和β粒子的穿透能力很低，容易被相對薄的物質阻擋。α粒子在空氣中的傳播范圍僅幾厘米，β粒子在空氣中的傳播范圍也大約只有幾米。而丫射線的穿透力很強，只有用很厚的屏蔽層才雛阻擋。輻射劑量單位質量的物質所吸收的輻射能稱為輻射劑量或吸收劑量。其單位為戈瑞(Gy)，1Gy等于每千克的物質吸收1焦耳的能量。早期使用的單位是拉德(Rad)，1Rad=O.01Gy。輻射生物學效應

當生物體受到電離輻射時，細胞組織會受到嚴重損傷。這種生物學效應可以分為急性(早期)和潛伏(晚期)兩種類型。早期效應是生物組織或器官因大量細胞受損而不能發(fā)揮正常的功能。對于這類損傷，輻射劑量的最低限值應控制在不導致傷害的水平。當劑量水平低于此最低限值時。細胞的恢復機能能使受損細胞再生。損傷的程度將隨輻射劑量的增強而提高。晚期效應通過改變遺傳密碼使細胞的行為異常。這種細胞損傷是隨機的，但發(fā)生的概率隨輻射劑量的增大而提高。損傷程度則與輻射劑量無關。輻射的晚期效應包括白血病、其它癌癥和各種遺傳效應等。6.2放射性物質的產(chǎn)生6.2.1裂變產(chǎn)物

在重核的裂變過程中，原子核分裂成為兩個不同質量、不同電荷數(shù)的子核，而且，對于每一次裂變，裂變產(chǎn)物都是不同的。反應堆中的裂變產(chǎn)物包括近40種不同元素中的約200種不同的核素。質量數(shù)為85～105和130～150左右的核素具有較高的份額。多數(shù)裂變產(chǎn)物帶有放射性，并通過發(fā)射β粒子和γ射線而衰變，衰變子核往往也是放射性的。目前有專門的計算機程序用以確定反應堆燃料在運行期間和運行后任意時刻的裂變產(chǎn)物的產(chǎn)量和成分。比鈾重的元素(超鈾元素或錒系元素)的產(chǎn)生和轉化，在程序中也有描述。

對反應堆安全來說，所關心的是裂變產(chǎn)物向環(huán)境的釋放。對此，裂變產(chǎn)物必須穿透燃料包殼、一回路系統(tǒng)壓力邊界和反應堆安全殼系統(tǒng)。

釋放到環(huán)境中的核紊主要是具有高裂變產(chǎn)額、中等半衰期和相應放射性物質特性的氣態(tài)或易揮發(fā)性的物質。其中主要有：惰性氣體的同位素，如氪(Kr)和氙(Xe)；易揮發(fā)性元素，如碘(I)、銫(Cs)和碲(Te)等。惰性氣體由于惰性氣體的化學性質是惰性的并呈氣態(tài)，要限制它們特別困難。它們不黏附表面，也不被過濾器所吸附。另一方面，它們既不與生物細胞發(fā)生反應。也不在人體內積累。

所以，惰性氣體對健康的危害主要是由于氣載放射性的外照射引起的。較重要的核素是具有長半衰期的85Kr（氪）和133Xe（氙）。碘

碘的同位素發(fā)射出高能β和γ射線，這些同位素對浮塵中的放射性物質釋放出來而形成的外部劑量貢獻很大。同時，碘易于積累在甲狀腺內造成該器官的內照射。關鍵的碘同位素是131I．其釋放量一直被用作度量事故嚴重程度的標準。銫(Cs)

銫的化學性質與鉀相似。銫與碘產(chǎn)生化學反應，將影響釋放量和化學成分。通過身體的肌內組織將銫吸收于體內，而在幾個月內再分離，這個時間比137Cs的半衰期短。所以體內的137Cs含量很快會與食物中的含量達到平衡。肉和牛奶是137Cs進人人體內的重要途徑惰性氣體

99Sr（鍶）和106Ru（釕）只發(fā)射β射線，不易測量。元素鍶具有揮發(fā)性．但其氧化物不揮發(fā)。釕的情形剛好相反。所以堆內氧化狀態(tài)對裂變產(chǎn)物釋放形態(tài)影響很大。Sr進人人體的途徑是奶，敏感器官是骨骼，而且排除很慢。兒童受Sr的影響比成人嚴重。6.2.2錒族元素

錒系元素無裂變產(chǎn)物，但可以從238U開始，通過連續(xù)不斷的中子俘獲形成。錒系元素發(fā)射出α粒子和低能γ射線，通常它們不產(chǎn)生任何外部輻照劑量，由于其溶解度低，也不積累于食物中。對健康的主要危害是由于吸入了地而沉積的非懸浮物而引起。由于錒系元素的半衰期較長，如果在嚴重的反應堆事故情況下釋放到環(huán)境，能對長期群體劑量產(chǎn)生影響。當裂變產(chǎn)物已經(jīng)衰變?yōu)榉€(wěn)定的核素時。長壽命的錒系元素占據(jù)了乏燃料放射性活度的主要部分。

所以，對錒系元素來說，重要的是評價核燃料循環(huán)中與廢物最終處理有關的長期環(huán)境效應。6.2.3活化產(chǎn)物

當反應堆一回路系統(tǒng)中的反應堆冷卻劑或結構材料吸收中子時，便形成了活性產(chǎn)物。腐蝕產(chǎn)物能以溶解或懸浮的形式進入到反應堆的冷卻劑中，并且當冷卻劑流過堆芯時被活化。象裂變產(chǎn)物一樣，活化產(chǎn)物的種類較多，其性質差異也較大。一般來說，它們是相對輕的元素．不產(chǎn)生放射性子核，其輻射危害比一般裂變產(chǎn)物輕些。6.3事故情況下放射性物質的釋放6.3.1放射性物質向主回路系統(tǒng)的釋放放射性物質的釋放機理氣隙釋放熔化釋放汽化釋放蒸汽爆炸裂變產(chǎn)物特性放射性物質主系統(tǒng)內的遷移在所有事故釋放情況下，惰性氣體將全部進人安全殼。在533K以上的溫度下，鹵素也很少沉積在一回路中，一般按保守估計假定這些元素全部進入安全殼。對于揮發(fā)性的堿金屬和碲，情況要復雜些，在氣隙釋放和熔化釋放的開始階段，壁溫小于813K時有部分沉積發(fā)生．當溫度高于813K時，這些凝結元素會再次釋放被汽流帶出主回路。堿土金屬在熔化釋放時的沉積行為與堿金屬相似，只是在再揮發(fā)時要求壁溫更高。貴金屬和稀土元素的揮發(fā)性很低．在燃料熔化期間它們就會凝結在主回路內表面，但同時又會形成氣溶膠。特別是當有其它元素的蒸汽凝結核存在時，這類裂變產(chǎn)物將附著其上而被蒸發(fā)帶出?？傊?，如果堆芯熔化，大部分裂變產(chǎn)物從熔融燃料中釋放出來，而且無論其揮發(fā)性大小，多數(shù)裂變產(chǎn)物將從主回路釋放到安全殼內。6.3.2放射性物質向安全殼的釋放

如果發(fā)生堆芯熔化的嚴重事故時，大部分裂變產(chǎn)物將從熔融的燃料中釋放出來。嚴重事故下若壓力容器破裂，堆芯碎片和放射性就會進人安全殼。從放射性分析來說，比較重要的是氣溶膠。氣溶膠可因堆芯碎片材料的物理破碎而形成，也可因堆芯裂變產(chǎn)物蒸汽的凝結而形成。根據(jù)形成時的機理不同，氣溶膠釋放可以分成兩類。一類是壓力容器失效之前在殼內形成而隨壓力容器失效釋出的氣溶膠另一類是壓力容器失效以后在安全殼內生成的氣溶膠氣溶膠氣溶膠也是一種變形的堆芯材料，它和堆芯碎片的主要區(qū)別在于粒徑的不同，因而表現(xiàn)出不同氣動力學特性。氣溶膠在穿越氣體時受氣流速度的影響明顯，可以在氣流中懸浮相當長的時間，堆芯碎片的運動則幾乎不受氣流影響。通常取氣動力學當量直徑30μm作為碎片與氣溶膠的分界，這一界值隨氣流速度而變化較小。

放射性物質由主回路進入安全殼以后，一般是以氣體或懸浮的氣溶膠形態(tài)存在于安全殼空間中。放射性物質從安全殼向環(huán)境的釋放率取決于安全殼的泄漏率和放射性物質在安全殼大氣中的濃度。放射性物質在安全殼內的遷移

安全殼內的放射性物質一方面由于自然衰減、氣溶膠聚合及沉降、安全殼及設備壁面吸附而減少，另一方面靠采取積極的去除措施——例如安全殼內氣體循環(huán)過濾系統(tǒng)和噴淋系統(tǒng)，進一步降低放射性濃度。為了減步向環(huán)境排放的放射性，還往往采用多層或多倉室安全殼。數(shù)學模型6.4放射性物質在大氣中的擴散6.4.1氣載物在大氣中的稀釋擴散氣載物氣體是放射性物質蒸發(fā)、升華形成的單分子態(tài)。“氣