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重要礦產資源調查計劃——談鈾不必色變

編著:天津地質調查中心 李效廣    

眾所周知,中國是全球核電站在建規模最大的國家,到2020年中國核電裝機容量將達到5800萬千瓦,在建3000萬千瓦。與此相應的鈾資源需求將急劇上升,據測算,到2020年,中國核電天然鈾需求將超過1萬噸,消耗鈾資源儲量超過1.5萬噸。

然而,原子彈的威力以及切爾諾貝利和福島核事故,不免使不少人對鈾的放射性產生恐懼心理,擔心核電站會影響自己的生命安全。但實際上,人們不必談鈾色變,核電站不會像原子彈那樣爆炸。

在鈾的家族成員中,只有鈾235能發生核裂變放出巨大能量而爆炸,因此成為核彈的主要能源,而核電站所用的核燃料主要是一般不會裂變的鈾238,鈾235的含量僅為3%左右。這就像白酒和啤酒一樣,二者都含有酒精,白酒可點燃而啤酒卻不能,因為其中酒精濃度不同。曾經淪為“死亡之城”的日本廣島、福島如今人來熙往,而切爾諾貝利事故區現已成為瀕危物種的天堂。

如果深入了解鈾的放射性,就會免于對它的恐懼。

圖片引于網易新聞

戴橡膠手套的雙手捧著鈾金屬塊圖片引于wiki百科

                                                                     1、輻射真的很可怕嗎?

萬物皆有輻射,只是強度不同。自然界中的一切物體,只要溫度在絕對零度以上,都會以電磁波和粒子的形式時刻不停地向外傳送能量,這種傳送能量的方式被稱為輻射。

事實上,我們每個人自身也是輻射源,人類時時處處被輻射包裹著。

來自生活各方面的輻射

一般稱謂中,普遍將輻射專指電離輻射,或放射性,這種輻射包括α、β及γ輻射(或稱射線),它們具有足夠的能量可以將原子或分子電離化,不過人的肉眼看不見它們。我們熟知的鉆石、水晶、翡翠及其它各類寶石都是礦物晶體,他們都有輻射,但絕大部分礦物晶體都沒有放射性。

有些元素能夠自發地從不穩定的原子核內部放出粒子或射線(如α、β、γ射線等),同時釋放出能量,最終變成穩定元素,元素的這種變化稱為衰變,這種性質稱為放射性,這類元素稱為放射性元素。

          

α射線   

     

β射

γ射線

(圖示引于en.wikipedia.com)

天然存在的放射性元素只有八種,其中最為常見。其中,鈾在地殼中的平均含量約為百萬分之2.5,即平均每噸地殼物質中約含2.5克鈾,比鎢、汞、金、銀等元素的含量還高,這就是說,地球的成份中本來就始終存在著天然的放射性物質,人類和一切生命已經適應了這些天然輻射。

產于砂巖中的鈾礦巖心及γ測量儀

                                                        2、“半衰期”與“放射性”

不妨用水庫的放水來類比理解鈾核素的放射性。一個10萬立方米的蓄水庫開閘放水,放到只剩5萬立方米,即原來蓄水量的一半時,用時5萬小時,那么可稱這個5萬小時為其半衰期,即衰變減少到它原有一半數量時所用的時間;再假設它的半衰期是5小時,也就是說水庫放水放了一半,用時5小時。同時,我們也可以想見,1小時放1立方米水,這時的水流是細水長流,人立于排放水中而平安無事;后者1小時排1萬立方米,這時的水流肯定是洪水急流,人必然會被沖擊淹沒。

        

                                                                                       水庫的大量放水與緩慢放水圖示(圖片引于網絡)

核素的放射性與此類似,其半衰期越長,其瞬時的放射性危害性相對越小;反之,如果其半衰期很短,則其瞬時的放射性危害性就大。天然鈾中兩種鈾同位素半衰期都在十億年左右的數量級,由此可以想見鈾核素這座水庫發射的“水柱”射線的頻率有多稀疏緩慢,衰變極其緩慢,幾乎可認為是穩定核素所以鈾的瞬時放射性危害其實不大。

放射性核素衰變圖示

                                                                3、鈾生三子,各不相同

天然鈾有鈾238、鈾235和鈾234三種同位素,好比是一家三兄弟,這三兄弟家產不同、能力不同,壽命也不同。地球中,平均每噸地殼物質中約含2.5克天然鈾,這三兄弟各自家產是2.482克,0.018克和0.000125克,分別占99.275%、0.720%和0.005%。鈾234不會發生核裂變,鈾238在通常情況下也不會發生核裂變,而鈾235這種同位素原子能夠輕易發生核裂變,所以說,做核燃料的實際上只是鈾235這個老二兄弟,它最有能量,同時也看出,實際開采出來的鈾里面,這個老二兄弟鈾235的含量也很少。所以采出的鈾就好像啤酒中大部分是水一樣,無法點燃。研究表明,鈾235的含量要達到3%以上才能制成核電站發電所用的燃燒棒。因此,開采出來的鈾礦石需要經過許多道加工、提純、濃縮的手續,把鈾235含量比例提高。此外,鈾238比老二兄弟鈾235要長壽,因為鈾238的半衰期是45 億年,而鈾235的半衰期是 7 億年。而氡222的半衰期則僅為3.82天。

部分核素放射性半衰期圖示


                                                                4、鈾礦輻射到底有多大?

天然鈾礦石礦物和普通鈾金屬不可怕。據研究,一個人揣個1斤左右的鈾礦石,每天所受輻射量就跟戴一塊夜光手表差不多。事實上,短時間用手拿起鈾也不會造成嚴重后果。一般情況下,用普通的橡皮手套就可足以有效地防護鈾礦石及其加工后的初級產品——“黃餅”(重鈾酸銨)的輻射危害。

地質專家在野外研究鈾礦石。裸手指持礦石為砂巖鈾礦石(圖中右側);

橙色儀器為放射性檢測儀(圖中左側);地面為砂巖型鈾礦巖心及砂巖巖心

實際上,在國外的自然博物館和礦石展上經常可以看到天然鈾礦石和鈾礦物,這些展出的放射性礦物標本并不會有里三層外三層的特殊保護。事實上,在鈾冶金廠,生產的富鈾產品“黃餅”(重鈾酸銨),就存放于普通鐵桶內,和其他普通產品存放幾乎沒有區別,工人也不穿防護服;生產出的核燃料芯塊,戴副手套即用手捧而無礙。當然,如果長時間直接接觸鈾,也會損傷人的皮膚。此外,鈾本身是重金屬,和鉛一樣,它本身還有化學毒性。

哈薩克斯坦鈾礦工人在測試“黃餅”(重鈾酸銨)的輻射情況(圖片引自加鈾新浪博客)

2012年2月15日,伊朗總統內賈德親自操作,將第一個伊朗國產的20%的核燃料棒填充入德黑蘭研究性核反應堆內。可以看出,無任何防護措施。(圖片引自鳳凰網)

天然放射性物質對人體的危害性類似大頭針。一根大頭針體外扎你一下,你并不會受多大傷害,但如果它落入你的口內,入胃入腸,它就會一直在你的體內游走,可想其危險性之大。天然放射性物質對人體的危害與此很類似。它們在人體外部的輻射,其危害相當有限;但如果進入人體,危害就極大。

一般放射性物質同時產生α、β、γ三種射線。α射線的電離能力最強,對人體傷害最大,但它的最大弱點,也是人類的最大福音,其穿透力相當弱,幾厘米的空氣或薄薄的一張紙張就能完全擋住,更不用說穿透皮膚了,所以只要不把放射性物質吃進到肚子里,就不用怕α射線。β射線和γ射線雖然具有較強的穿透力,但電離能力較弱,對人體細胞的殺傷是瞬間局部而且隔三差五的,很容易恢復,只要不是長期超劑量接觸,一般對人體造成的傷害極小。α射線的內照射是各種放射性危害中最大的。所以,面對色彩鮮艷而美麗的鈾礦物,可以用手直接接觸,但不要時間過長;接觸后,要用肥皂洗手;勿將放射性礦物放入口袋,絕不要在其周圍吃喝東西、抽煙或睡覺。

α、β和γ三種射線的穿透力圖示(引自wiki百科)

                                                            5、需要警惕鈾的“孫女”——氡

鈾衰變產生鐳、釷這兩女兒,鐳、釷繼續衰變又生育出她們的女兒氡元素。氡也會發生衰變,發出α粒子。氡的半衰期還不到 4 天,不用多久它就可以大部分衰變成穩定元素,而不再具有放射性,但危險之處也在此,短的半衰期意味著它的放射性更強。

氡是氣體,無色、無嗅又無味,不易被人察覺,它很容易通過呼吸道進入人體,會形成內照射。氡放出的α粒子可在人的呼吸系統會造成輻射損傷,引發肺癌。所以,氡的放射性性危害遠大于鈾、釷等。

人們日常生活中更應警惕氡。在許多國家中,氡是肺癌的第二大病因,是放射性監測的重點對象。對多數人而言,接觸的大部分氡來自家中,而建筑材料是室內氡的最主要來源,特別是含放射性元素的天然石材如花崗巖、磚砂,最容易釋出氡。而做好室內的通風換氣,是降低氡濃度的有效方法,據專家試驗,一間氡濃度在151貝克/立方米的房間,開窗通風1小時后,室內氡濃度就降為48貝克/立方米,另外有條件的可配備有效的室內空氣凈化器。

氡氣進入室內圖示(圖片引自廣東正明檢測_新浪博客)

因此,可以確定的是,普通的鈾礦經由常規的、短時間接觸非常安全,幾乎不會造成傷害,實現生活中,也沒有鈾礦石造成對人的放射性傷害事例。(我國發生過的若干起放射性傷害案例,都是由鈷60引起的,天然鈷元素不具放射性,但人造鈷60具有極強放射性,管理失控就容易引起輻射危害,因此國家對其有嚴格的管控辦法。)

在接觸鈾礦等放射性礦石時,防止粉塵入口就能保證安全。鈾等放射性物質粉塵一旦積累于人體內,便很難排出,長期的內照射會有極大的危害。

還要高度重視放射性衰變而產生的氡氣,除了居室之內,郊游、工作時要特別小心山洞、礦洞,這些地方通風性差,其圍巖釋放出的氡氣容易積聚不散,含氡量可能較高。此外,要盡可能遠離有電離輻射標識的場所,或在這種場所時要嚴格遵守相關規定。

電離輻射危害標識(全球通用)

過量的、具有強烈的放射性物質,在普通民眾的正常生活中極難遇到,偉大的居里夫人也是在潛心研究放射性元素38年后,患白血病而去世。而像福島、切爾諾貝利核電站等畢竟屬于極端事例。

當初曾經震驚世界的“切爾諾貝利核電站事故”發生地,現在也已變成了動植物的天堂,據“切爾諾貝利國際放射生態學實驗室”目前的記錄,在切爾諾貝利地區現在生活著400多種動物,包括280多種鳥類和50多個瀕危物種。在鳥類中,有180種是留鳥,有罕見的灰鶴、黑鸛、白尾海鷗和魚鷹,它們一直生活在那里,其余的是候鳥,只是短暫地停留。另外,還發現淡水魚的數量大增,如鯉魚、梭魚、斜齒鳊和河鱸等。由于動植物迅速增加,切爾諾貝利成為了天然的大公園,旅游業開始發展起來。

切爾諾貝利事故區居住的麋(圖片引自中國國家地理)

相信,隨著科技的進步,鈾礦輻射和核爆炸產生的廢料會得到妥善處理,只要做好防護,以鈾為燃料的核能也可能成為干凈清潔的能源之一。

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