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环境中放射性的来源与分布

【摘要】:(一)环境中放射性的来源环境中放射性的来源主要是天然的和人为的放射性核素。工农业、医学、科研等部门使用放射性核素日益广泛,其排放的废物也是主要的人为源之一。(二)放射性核素在环境中的分布1.在土壤和岩石中的分布土壤和岩石中天然放射性核素的含量变化很大,主要取决于岩石层的性质及土壤的类型。淡水中天然放射性核素的含量与所接触的岩石、水文地质、大气交换及自身理化性质等因素有关。

(一)环境中放射性的来源

环境中放射性的来源主要是天然的和人为的放射性核素。下面简单作一介绍。

1.天然放射性的来源

(1)宇宙射线及其产生的放射性核素。

宇宙射线是一种从宇宙空间射到地面的射线,由初级宇宙射线和次级宇宙射线组成。初级宇宙射线指从宇宙空间射到地球大气层的高能辐射,主要成分为质子(83%~89%)、α粒子(10%~15%)及原子序数Z≥3的轻核和高能电子(1%~2%),这种射线能量很高,可达1020MeV以上。次级宇宙射线是初级宇宙射线进入大气层后与空气中的原子核相互碰撞,引起核反应并产生一系列其他粒子,通过这些粒子自身转变或进一步与周围物质发生作用,就形成次级宇宙射线。在海平面上所观察到的次级宇宙射线由介子(约70%)、核子和电子(约30%)组成,其强度在不同纬度和海拔高度有所不同。

由宇宙射线与大气层、土壤、水中的核素发生反应产生的放射性核素有20余种,其中具有代表性的有14N(n,T.)和12C反应产生的氚,14N(n,P.)和14C反应产生的14C。天然存在的,有1/4是由宇宙射线中的中子与14N作用产生的,其余的是大气中原子核被宇宙射线中的高能粒子击碎后形成的。天然存在的14C是宇宙射线中的中子和天然存在的14N作用得到的核反应产物。

(2)天然放射性核素系列。

多数天然放射性核素在地球起源时就存在于地壳之中,经过漫长的地质年代,母体和子体之间已达到放射性平衡,从而建立了天然放射性核素系列。这种系列有三个(见图7-9),即铀系,其母体是238U锕;系,其母体是235U;钍系,其母体是232Th。这些母体具有极长的半衰期,每个系列中都含有放射性气体Rn核素,且末端都是稳定的Pb核素。

图7-9 天然放射性核素系列

(3)自然界中单独存在的核素。

这类核素约有20种,如存在于人体中的40K(T1/2=1.26×109a)。它们的特点是具有极长的半衰期,其中最长者为209Bi,T1/2>2×1018a,而40K是其中半衰期最短的。它们的另一个特点是强度极弱,只有采用极灵敏的检测技术才能发现它们。

2.人为放射性污染的来源

引起环境放射性污染的主要来源是生产和应用放射性物质的单位所排出的放射性废物,以及核武器爆炸、核事故等产生的放射性物质。

(1)核试验及航天事故。

核试验及航天事故包括大气层核试验、地下核爆炸冒顶事故及外层空间核动力航天事故等。其核裂变产物包括200多种放射性核素,如89Sr、90Sr、137Cs、131I、14C、239Pu等,还有核爆炸过程中产生的中子与大气、土壤、建筑材料中的核素发生核反应形成的中子活化产物,如3H、14C、32p、42K、55Fe、59Fe、56Mn等,以及剩余未起反应的核素如235U、239p。等。

核爆炸,尤其大气层中的核爆炸后形成高温(几百万摄氏度)火球,使其中的裂变碎片及卷进火球的尘埃等变为蒸气,在随火球膨胀和上升过程中,因与大气混合和热辐射损失,温度逐渐降低,便凝结成颗粒或附着在其他尘粒上而形成放射性沉降物(气溶胶)。粒径>0.1mm的沉降颗粒物在核爆炸后一天内即可在当地降落;粒径<25μm的气溶胶颗粒物,可长期飘浮在大气中,称为放射性尘埃。放射性尘埃在大气平流层的滞留时间一般认为是0.3~3年,主要放射性核素是长寿命的90Sr、137Cs和14C等。对流层中的气溶胶颗粒物沉降时间由几天到几个月,并可被雨、雪、雾从大气中除去,污染水体和土壤。对流层中的裂变产物含大量半衰期为数日至数十日的核素,如89Sr、95Zr、131I、 40Ba等。

(2)核工业。

核工业包括原子能反应堆、原子能电站、核动力舰艇等,它们在运行过程中排放含各种核裂变产物的“三废”;特别是发生事故时,将会有大量放射性物质泄漏到环境中,造成严重污染事故。如英国温茨凯制钚厂反应堆事故、美国三哩岛和苏联切尔诺贝利核电站事故等。

(3)工农业、医学、科研等部门排放的废物。

工农业、医学、科研等部门使用放射性核素日益广泛,其排放的废物也是主要的人为源之一。例如:医学上使用60Co、131I等放射性核素已达几十种,发光钟表工业应用放射性核素作长期的光激发源,科研部门利用放射性核素进行示踪试验等。

(4)放射性矿的开采和利用。

稀土金属和其他共生金属矿开采、提炼过程中,其“三废”中含有铀、钍、氡等放射性核素,将造成所在局部地区的污染。(www.chuimin.cn)

(二)放射性核素在环境中的分布

1.在土壤和岩石中的分布

土壤和岩石中天然放射性核素的含量变化很大,主要取决于岩石层的性质及土壤的类型。某些天然放射性核素在土壤和岩石中放射性比活度的估计值列于表7-20。

表7-20 某些天然放射性核素在土壤和岩石中放射性比活度的估计值 单位:Bq/g

注:本表摘自:俞誉福.环境污染与人体保健.上海:复旦大学出版社,1985。

2.在水体中的分布

海水中的天然放射性核素主要是40K、87Rb和铀系元素,其含量与所处地理区域、水体流动状态、淡水和淤泥入海情况等因素有关。淡水中天然放射性核素的含量与所接触的岩石、水文地质、大气交换及自身理化性质等因素有关。一般地下水所含放射性核素高于地表水,且铀、镭的含量变化较大。表7-21列出各类淡水中226Ra及其子体产物的放射性比活度。

表7-21 各类淡水中226Ra及其子体产物的放射性比活度单位:Bq/L

注:本表摘自:胡名操.环境保护实用数据手册.北京:机械工业出版社,1990。

3.在大气中的分布

大多数放射性核素均可出现在大气中,但主要是氡的同位素(特别是222Rn),它是镭的衰变产物,能从含镭的岩石、土壤、水体和建筑材料中逸散到大气中,其衰变产物是金属元素,极易附着于气溶胶颗粒物上。

大气中氡的含量与气象条件有关,日出前最高,日中较低,二者可相差10倍以上。一般情况下,陆地和海洋上的近地面大气中氡的放射性比活度分别为1.11×10﹣3~9.6×10﹣3Bq/L和1.9×10﹣5~2.2×10﹣3Bq/L。

4.在动、植物组织中的分布

任何动、植物组织中都含有一些天然放射性核素,主要有40K、226Ra、14C、210Pb和210p。等,其含量与这些核素参与的环境和生物体之间的物质交换过程有关,如植物与土壤、水、肥料中的核素含量有关,动物与饲料、水中的核素含量有关。

(三)人体中的放射性核素及其危害

放射性核素可通过呼吸道吸入、消化管摄入、皮肤或黏膜侵入三种途径进入人体并在体内积累。通常,每人每年从环境中受到的放射性辐射总剂量当量不超过2mSv,其中,天然放射性本底辐射占50%以上,其余是人为放射性污染引起的辐射。人体受环境放射性辐射途径示于图7-10。

图7-10 人体受环境放射性辐射途径

α、β、γ射线照射入体后,常引起细胞分子、原子电离(称电离辐射),使组织的某些大分子结构被破坏,如使蛋白质核糖核酸或脱氧核糖核酸分子链断裂等而造成组织破坏。

人体一次或短期内受到大剂量照射,将引起急性辐射损伤。如核爆炸、核反应堆事故等造成的损伤。

全身大剂量外照射会严重伤害人体的各组织、器官和系统,轻者出现发病症状,重者造成死亡。例如:全身吸收剂量达5Gy时,1~2h即出现恶心、呕吐、腹泻等症状,一周后出现咽炎、体温上升、迅速消瘦等症状,第二周就会死亡,且死亡率为100%,此为致死剂量。当吸收剂量为4Gy时,数小时后出现呕吐,两周内毛发脱落、体温上升,三周内出现紫斑、咽喉感染,四周后有50%受照射者死亡,存活者六个月后才能恢复健康,此为半数致死量。如吸收剂量为2Gy时,经过大约一周的潜伏期,出现毛发脱落、厌食等症状。吸收剂量为1Gy时,将有20%~25%的受照射者发生呕吐等轻度急性放射病症状。0.5Gy的吸收剂量可使人体血象发生轻度变化。

辐射损伤还会产生远期效应、躯体效应和遗传效应。远期效应系指急性照射后若干时间或较低剂量照射后数月或数年才发生病变的损伤效应。躯体效应指导致受照射者发生白血病、白内障、癌症及寿命缩短等的损伤效应。遗传效应指在下一代或几代后才显示出症状的损伤效应。