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天然铀没有多大危害,但人造的就很可怕了(多图)

The Simpsons

天然铀的放射性类型是什么?近距离接触对人有危害吗?

孙晓博,重度网瘾需电击,晚期懒癌无药医

射线的实际能量要小于表中对应的衰变能

此表中真正值得关注只有 U-235 和 U-238,所谓天然铀就是 0.72% 左右的 U-235 加上 99.28% 左右的 U-238。天然铀衰变对人体造成的放射性损伤完全可以忽略不计,这是因为:

  1. 天然铀中两种铀同位素半衰期都在十亿年左右(10^9)的数量级,跟地球年龄差不多,所以衰变极其缓慢,几乎可认为是稳定核素。
  2. 天然铀中两种铀同位素都是都是\alpha衰变,同等情况下三种射线粒子中\alpha粒子的穿透能力最弱4\sim5\,\mathrm{MeV}\alpha粒子在人体组织中的射程仅为几十到一百个微米,连表皮都不一定能穿透,再考虑人所穿衣物的屏蔽作用,这种能量的\alpha粒子在体外不可能对人体造成任何实质影响。所以在实际工作中都不会考虑\alpha射线的外照射(意思是可以随意进行近距离观察和零距离触摸,只是考虑到部分\alpha衰变核素有化学毒性以及要保持元件表面光洁,一般都还是要戴手套或者用镊子等工具夹取),只需避免内照射就行(意思是不要让\alpha放射源通过口鼻或体表伤口等进入体内)。
严格来说,U-235 和 U-238 在衰变的过程中除了\alpha 射线外还会放出\gamma射线,但实际工作中不必考虑其影响,个中缘由见补充说明

评估射线影响需要明确种类\alpha射线穿透能力最弱)、能量(能量越低穿透能力越弱)、强度(衰变越快,单位时间内产生的射线粒子越多,射线就越剧烈)

评估辐射防护需要明确时间(接触时间越短越安全)、距离(距离越远越安全)、屏蔽(屏蔽材料质量厚度越大越安全)

核反应堆内放射性之所以高,是因为在堆内中子的参与下,铀核发生了包括裂变在内的核反应,这些核反应会产生大量高放射性的核素。在进入堆内接受中子辐照前,铀(包括高浓铀)本身衰变放射性对人体造成的影响完全可以忽略不计。

有图为证:
伊朗时任总统内贾德视察伊朗首枚首枚燃料棒装填作业。从图中可以看出完全不需要任何防护,左边小哥戴的手套以及右边大叔戴的口罩与其说是在保护他们自己,不如说是在保护燃料棒束,避免其沾染汗渍和唾液。图片来源:内贾德向德黑兰反应堆装载首枚国产核燃料棒

哈萨克斯坦 Ulba 冶金厂的铀矿工人手捧加工好的核燃料芯块。图片来源:哈萨克斯坦国家原子能公司欲将年度铀产能提升 29%_加铀

哈萨克斯坦铀矿工人在测试“黄饼”(重铀酸铵)的辐射情况。图片来源:找铀去哪儿? 非洲尼日尔!

美国 Y-12 国家安全综合体生产的高浓铀金属块(表面有氧化层故呈灰黑色)。图片来源:Wikipedia - File: HEUraniumC.jpg

补充说明:

核素衰变其实是很复杂的,仅\beta衰变就可以分为\beta^+衰变、\beta^-衰变和电子俘获(记作 EC 或\varepsilon);其中电子俘获又可能导致俄歇电子发射和特征 X 射线发射。另外,同一种核素可能会有不只一种的衰变方式,比如既可以\alpha衰变又可以电子俘获的 Po-208。

分隔线上面的原回答有点不太全面,可能会让一些同学认为“\alpha衰变的核素只能放出\alpha射线,\beta衰变的核素只能放出\beta射线”,这是不正确的:实际的衰变过程可能会同时放出多种能量、多种类型的射线,比如一些核素衰变后处于激发态,退激的过程又会放出\gamma射线;上面提到的电子俘获之后可能发射俄歇电子或特征 X 射线;\beta^+衰变放出的正电子与负电子湮灭放出\gamma射线……

完整地描述一个核素的衰变需要用到衰变纲图Decay scheme),此图可以表述该核素所有的衰变路径及其对应的发生概率和衰变能:

U-235 的衰变纲图:http://www.nucleide.org/DDEP_WG/Nuclides/U-235_tables.pdf
U-238 的衰变纲图:http://www.nucleide.org/DDEP_WG/Nuclides/U-238_tables.pdf

具体的衰变纲图在 PDF 的最后几页,前面是各种数据和实验索引。衰变纲图中左侧若干水平线代表衰变产物的能级,水平线之间竖直向下的箭头就是退激时发射的\gamma射线;每条竖直箭头上方的数字代表光子产额,即每 100 次衰变中放出该\gamma光子的个数

从衰变纲图可以看出 U-235 和 U-238 在\alpha衰变的过程中会连带地发射\gamma射线,其中产额最高的一组为185.720\,\mathrm{MeV},由 U-235 衰变放出,产额达到 57.0(其它组的产额大都低于 0.1)。不过考虑到 U-235 和 U-238 本身衰变就很慢,再加上人体接触铀同位的时间不长,所以一般认为这点\gamma射线的剂量可以略去不计,不需要专门屏蔽。但在特定环境下比如在一些品位较高的铀矿中,铀及其子体放出的\gamma射线再加上氡气的内照射可能导致工人的受照剂量超过 GB 18871 规定的单年 50 mSv 的职业人员剂量限值,因此需要采取一系列有关措施保护工人健康。

其它放射性核素的衰变纲图:http://www.nucleide.org/DDEP_WG/DDEPdata_by_Z.htm

评 论 区 问 题 解 答

@罗大 同学在评论区中提问:“居里夫人被镭照射导致癌症是不是真的?按照我对答主回答的理解,从外部照射不会损害人体,那居里夫人的病是另有原因咯?”

答:

“从外部照射不会损害人体”这一论断仅限于能量在10^{0}\sim10^{1}\,\mathrm{MeV}(数量级)以下的\alpha射线;对于\beta射线及\gamma射线,即便它们的能量更低,也要考虑外照射的辐射损伤。

居里夫人最为人所知的工作是发现两种放射性元素——镭(Ra,88 号元素)和钋(Po,84 号元素)

  • 先说镭(Radium)
大家知道,,居里夫人通过极端艰苦的工作成功提炼分离出了镭单质,其中以半衰期最长的同位素Ra-226(半衰期 1600 年)为主。Ra-226 发生\alpha衰变生成 Rn-222(氡气),因为这种衰变,Ra-226 又被称为氡射气。Rn-222 是一种很要命的气体,它本身会发生\alpha衰变(半衰期 3.8 天);并且因为它是气体,易于扩散,很容易被吸入人体造成内照射。据美国当局统计(http://www.epa.gov/radon/pubs/citguide.html),氡是第二位肺癌成因(仅次于吸烟)及第一位环境致癌因素。

时至今日,氡仍是对普通公众健康威胁最大的放射性元素,因为很多建筑物别是地下建筑环境容易累积高剂量的氡气,世界各国都有相应的标准严格监测氡水平,比如我朝的 GB 16356(地下建筑物氡水平控制)、GB 50325(民用建筑物室内污染控制)和 GB/T 17785(新建低层住宅降低氡影响及氡控制导则)等。

另外从衰变纲图可以看出 Ra-226 在\alpha衰变时还会连带地放出186.211\,\mathrm{keV}\gamma射线,\gamma光子产额为 3.2,即 Ra-226 每 100 次衰变就会产生 3.2 个这样的光子,这个已经属于比较可观的光子产额了,所以实际工作需要考虑这部分\gamma射线的屏蔽。
  • 然后是钋(Polonium)
钋同位素的半衰期比 Ra-226 短很多,正是这个原因导致居里夫人数次提炼钋单质的尝试均以失败告终。钋最重要的同位素有 Po-208 和 Po-210,其中 Po-208 半衰期 2.9 年,以\alpha衰变为主(99.997%),也可以\beta衰变(电子俘获 EC,0.003%);Po-210 半衰期 138.4 天,\alpha衰变。所幸两种同位素衰变的\gamma光子产额较低。

钋的蛋疼之处在于其毒性,可以导致急性中毒和死亡,在 2006 年曾经轰动一时的利特維年科遇害案中,被害人利特维年科(前克格勃特工)就是被人用 Po-210 毒杀的。另外,阿拉法特之死也被认为与钋有关:http://www.bbc.co.uk/zhongwen/trad/world/2013/11/131106_middleeast_arafat_polonium.shtml

另外,除了接触上面这两种放射性元素之外,居里夫人在一战期间积极投身战场救护,利用购置的 X 射线装置、车辆和发电机组装了人类历史上第一台具有实用意义的移动式 X 射线机(如下图所示),并将其应用于救治受伤士兵。X 射线与\gamma射线类似,都是波长极短的电磁波,其穿透力远远强于\alpha射线和\beta射线。考虑当时的认知水平,不难想见居里夫人在救治伤兵的过程中经历了怎样恐怖的 X 射线辐照。
居里夫人和她的 X 射线车。图片来源:File:Marie Curie

简而言之,居里夫人就是一直生活在这些 X 射线、\gamma射线、\beta电子和化学毒物的影响下,不幸罹患白血病也不算特别意外。

@程诺博 同学在评论区中提问:”那几年前的新闻说小伙子捡了个金属棒放在裤兜里一下午腿就废了截肢,能是真的吗?“

答:

是真的,新闻报道:好奇捡到金属链 伽玛射线源毁了他男子捡到金属链竟为放射源 相继失去双腿和胳膊。与之类似的还有发生于 2014 年的南京放射源丢失事件:南京找到丢失放射源

上述新闻中男子捡到的是工业探伤用的放射源,一般是Ir-192(铱,就是铱星计划的铱)或Co-60(钴)。这两种同位素本身都是\beta衰变,衰变过程又会连带地放出若干\gamma射线:

Co-60 放出的\gamma射线主要有:1.173\,\mathrm{MeV}(产额 99.85)、1.332\,\mathrm{MeV}(产额 99.98)

Ir-192 放出的\gamma射线主要有:0.296\,\mathrm{MeV}(产额 28.72)、0.308\,\mathrm{MeV}(产额 29.68)、0.317\,\mathrm{MeV}(产额 82.75)、0.468\,\mathrm{MeV}(产额 47.81)、0.604\,\mathrm{MeV}(产额 8.20)

由于具有上述性质,这两种核素被人们当做工业探伤、医疗消毒、辐射育种的\gamma源。上面新闻中那位好奇的男子正是因为\gamma射线的辐照而失去了双腿和胳膊。

这两种同位素的半衰期很短(Ir-192 是 73.83 天,Co-60 是 5.275 年),因此天然环境中是不存在的,都是通过人工核反应制造的。用中子轰击 Co-59(稳定同位素)可得 Co-60,用中子轰击 Ir-191(稳定同位素)可得 Ir-192。

从上述新闻中那位男子的不幸遭遇可知,不明来历的金属链不要乱捡,真的可能出人命。当然,国家有关部门也需要加强放射源管理。

@陆畅 同学在评论区中提问:”插个问题哈,在战争中使用的贫铀炮弹会有辐射污染嘛?“

答:

所谓”贫铀“的”贫“是相对于高浓铀的”浓“而言的,贫铀中 U-235 浓度低于天然铀。我们知道天然铀 U-235 的浓度还不到 1%,而高浓铀中则可以将 U-235 的浓度提升到 90%以上,这个提升的过程就是铀浓缩。根据物质守恒可知,铀浓缩过程中必然会产生 U-235 浓度低于天然铀的”废料“,这些废料就是贫铀。

贫铀密度高,并且有自锐效应,因为是一种比较”理想“的穿甲弹材料。美国陆军和空军均装备有贫铀穿甲弹,就连海峡对岸的国军都拥有一批购自美国的贫铀弹。公开资料从未明确我军是否装备了贫铀穿甲弹,但国内公开发行的军事刊物在介绍坦克性能时往往会说”该型坦克使用钨合金穿甲弹时如何如何,使用特种合金穿甲弹时如何如何“,至于这个”特种合金穿甲弹“到底是什么就见仁见智了。不过中国掌握了全球 70%以上的钨资源,因此研发和装备贫铀穿甲弹的需求不如美军那么迫切。

贫铀弹的危害:

  • 贫铀弹最主要的危害是其化学毒性,铀同镉、铅一样属于重金属,会严重影响人体肾脏、神经系统等的正常工作,并可导致孕妇流产和胎儿畸形。
  • 关于贫铀弹的放射性危害,贫铀当然有放射性,但由于其中短半衰期的 U-235 等含量比天然铀还低,所以贫铀的放射性大概只有天然铀的一半左右。贫铀弹在命中目标后发生燃烧和爆炸会产生淡黄色的氧化铀烟尘,容易被人体吸入导致内照射。另外,贫铀弹的放射性往往会长期影响一片地域,而”贫铀弹的放射性和人体健康损伤之间是否存在明确的、显著的相关性“这一问题还有待进一步的学术研究,包括英国皇家学会在内的若干研究机构给出的意见是“现有证据无法证明二者存在相关性”。目前学术界的普遍认知是“贫铀弹化学毒性的危害远远强于(a million times greater)其放射性的危害”。关于这一部分请参见Wikipedia - Depleted uranium - Radiological hazards 章节所列出的若干参考文献。

就算最终的研究表明贫铀弹的放射性不足以造成健康损害,单就其化学毒性这一条来论,贫铀弹也是一种比较”脏“的武器,它不仅仅打击了战场上的敌军坦克和装甲车,也是在威胁战后这片土地上生活的人们的幸福与健康。希望有朝一日人类能像禁用毒气和达姆弹一样禁用贫铀弹。

@孟文轩 同学在评论区中提问:“听说有个科学家徒手分开挨得很近的两块高浓缩铀,避免了一次核爆,这个应该是谣言吧,肯定有人听过。那个科学家死了。说明一下这样会不会造成死亡?”

答:

“徒手掰开原子弹,科学家舍己救人”这个颇有点“读者意林心灵鸡汤”味道的正能量故事早已为人所知,随便找几篇相关的文章:双手掰开原子弹的人福州晚报读《用双手掰开原子弹的人》有感 -- 享受秋天的阳光双手掰开原子弹的人

这些故事的主人公,不管是叫“斯罗达”、“斯洛达”还是“斯罗廷”、“斯洛廷”,其实对应的都是同一个人——加拿大物理学家Louis Alexander Slotin,此人确实参加了曼哈顿计划,也确实如那个故事中一样经历了一次意外临界事故,但那个故事多少还是有点夸张不实之处,整个事件的真实情况应该是这样的:

1946 年 5 月 21 日(二战已经结束,原子弹也已经成为现实),斯洛廷与七位同事进行一项实验,实验中要把两块铍制半球壳套在钚核心的外面(核心是钚,不是铀;铍用于反射中子)。斯洛廷用左手拇指从上方勾住一个铍制半球壳,并用右手持螺丝刀顶住上半球壳以维持上下两个铍半球壳间的空隙(不是两块铀,而是两块铍制的半球壳;用螺丝刀维持空隙本身就是违规操作)。15 时 20 分左右,螺丝刀滑落,铍半球壳迅速下落套住钚核心,导致系统瞬发临界(铍能增强中子反射,令一部分从钚核心向外发射的中子被反射回钚核心内,可加剧核反应并导致临界)。在场的科学家感受到“一股热浪”,并看到钚核心周围的空气被电离而发出“蓝色荧光”。斯洛廷见势不妙,条件反射式地向上抽左手,将铍制半球壳拉起并摔落在地。当时在场的所有人都受到了强烈的辐射(主要是核反应产生的中子和硬\gamma射线,不是铀或钚本身的衰变放射性)。斯洛廷当天就被送入医院救治,还有志愿者为其献血,但由于受辐照剂量过大,斯洛廷最终还是于九天后的 5 月 30 日逝世。

事后对斯洛廷临界事故的模型再现。图片来源:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/db/Tickling_the_Dragons_Tail.jpg

斯洛廷在洛斯阿拉莫斯的档案照片。图片来源:File:Slotin Los Alamos.jpg

斯洛廷在洛斯阿拉莫斯的主要任务是测定临界质量和组装原子弹核心,他曾经组装了三位一体实验(人类首次原子弹实验)的核心,并因此被称作“美国首席军械工”(chief armorer of the United States);但你要非说他是“最著名的核科学家”恐怕就有点过了,毕竟曼哈顿计划囊括了玻尔、费米、奥本海默、康普顿、劳伦斯、查德威克、费曼、汉斯·贝特、爱德华·泰勒、玛利亚·格佩特·梅耶、乌拉姆、西博格等当时世界上几乎所有非纳粹的物理学大神。

斯洛廷逝世后,洛斯阿拉莫斯当地的报纸刊发了一首纪念他的颂诗,表彰他在危难关头舍己救人的崇高品质。官方也采取了这样的宣传导向,称赞斯洛廷将自己的生死置之度外,用自己的牺牲换来了同事和厂房的安全。1955 年德斯达·马斯塔斯的小说《事故》(The Accident)用文学化的方式描绘了一位核科学家在受到致命辐照后逐渐逝去的日子,其原型就是斯洛廷。1989 年的电影《胖子与小男孩》(Fat Man and Little Boy)则将斯洛廷的故事搬上了大银幕。另外,一颗发现于 1995 年的小行星在 2002 年时被正式定名为“12423 斯洛廷星”。


@刁建洲 同学在评论区提问:“理论上多少 msv 左右的照射会对人体造成伤害?”

答:

严格来说这个问题的答案应该是无法确定,辐射的生物效应没有定量的理论描述,只能靠实验数据的积累总结。这些数据包括动物实验(人体实验违背伦理)、几次核事故(包括广岛长崎原子弹)受照人群的长期追踪、天然本底较高地区(比如广东阳江)的流行病学调查等。

目前的认知是辐照的生物效应按照剂量 - 效应关系可以分为确定性效应随机性效应

  • 确定性效应

辐射效应的严重程取决于所受剂量的大小。这种效应有一个明确的剂量阈值,在阈值以下不会见到有害效应。确定性效应包括放射性皮肤损伤、生育障碍、淋巴损伤、骨髓损伤、眼晶状体浑浊、白内障、急性放射病等。其中每种效应的阈值都不一样,可以查阅有关手册得到,比如下面的图

  • 随机性效应

辐射效应的发生概率(而非其严重程度)与剂量相关的效应,根据 LNT 模型(下面会介绍此模型),随机性效应不存在剂量的安全阈值。随机性效应包括致癌和遗传效应。目前已确认辐射可诱发的癌症有白血病、甲状腺癌、乳腺癌、肺癌、骨肿瘤、消化器官恶性肿瘤、肾及膀胱癌等十余种,还有若干目前无法明确地证实辐射可诱发的癌症(包括前列腺癌、睾丸癌、慢性淋巴细胞白血病等)。关于遗传效应,目前尚未观察到辐射可引发遗传缺陷(现有数据不足以支持二者之间建立足够显著的相关性)。

高剂量辐射可以引发健康损伤,这一点已为学界公认;但辐射防护学科中一直悬而未决的核心问题是低剂量辐射水平的健康效应问题,我们不知道这种健康效应到底是有阈还是无阈,我们甚至不知道这种健康效应到底有害还是有益

美国华盛顿州汉福德(Hanford)地区核工厂下风口下风向居民甲状腺癌未见增多而肺癌发生率显著低于对照组

数据来源:
  1. Boice J D Jr , Mumma M T, Blot W J. Cancer Mortality Among Populations Residing In Counties Near the Hanford Site, 1950~2000. Health Phys., 2006. 90:431
  2. US CDC. Summary of the Hanford Thyroid Disease Study Final Report.

虽然存在这样那样的迷惑甚至是矛盾,但学界还是基于保守和审慎的态度提出了“线性无阈模型”(LNT 模型),即认为“任何微小剂量的辐射都将增加癌症发生的几率,在致癌效应方面不存在阈值”,这一模型的提出深刻影响了数十年来的核辐射监管和核环保法规。但是,学术界关于 LNT 是否过于保守一直存在争论,反对 LNT 的学者们认为此模型滥用了“集体剂量”的概念,严重夸大了低剂量辐射水平的健康风险,甚至于阻碍了核学科和核工业的发展。关于这一问题可以参阅论文《低水平辐射致癌效应的阈值问题》,这篇论文总结了目前学界针对 LNT 的反对意见,并不涉及太多专业知识,可谓通俗易懂;该论文作者是我国放射生物学界的泰斗刘树铮老先生,他是我国辐射兴奋效应理论的奠基人,而该理论就认为低剂量辐射对生物体的刺激不仅无害反而有益。

当然,上面都是学者和专家的意见,具体到公众,还是要看当前执行的相关标准和法规,我国现行的 GB 18871-2002 规定如下:

工作人员的职业照射水平不超过下述限值:

1. 连续 5 年的年平均有效剂量(但不可作任何追溯性平均):20mSv

2. 任何一年中的有效剂量:50mSv

3. 眼晶体的年当量剂量:150mSv

4. 四肢(手和足)或皮肤的年当量剂量:500mSv

公众照射平均剂量估计值不应超过下述限值:

1. 年有效剂量:1mSv

2. 特殊情况下若 5 个连续年的年平均剂量不超过 1mSv,则其中某一单一年份有效剂量可提高到 5mSv

3. 眼晶体的年当量剂量:15mSv

4. 皮肤的年当量剂量:50mSv

这个国家标准的限值水平和其它国家及相关国际组织推荐标准基本都是一致的,正常情况下(包括高本底地区居民和空乘空勤等行业从业人员)都不会超过这一公众限值,所以普通公众无须担心受照剂量超限的问题。

特别地,关于大家所关心的辐射致癌效应,我朝有专门的标准 GBZ 97-2002 和 GB 16386-1996 用以判定肿瘤是否由放射性辐照引起,只有采用这些标准规定的方法并达到有关判据后才能断言某人的肿瘤确与放射性辐照有关。

最后有个小问题,关于辐射剂量的单位,上面确定性效应那张表里用的单位是”Gy“(戈瑞),而 GB 18871 规定中用的单位是”Sv“(希沃特,台湾称为”西弗“)。这牵扯到两个物理量:吸收剂量和当量剂量:

  • 吸收剂量D:特定的电离辐射在单位质量的物体中沉积的能量,单位是 Gy,1Gy=1J/kg。
  • 当量剂量H_T:各种射线在某一器官或组织T中造成的随机性效应之和,即H_{T}=\sum_{R}\omega_{R}D_{R,T},其中\omega_R是射线R(可能是\alpha\beta\gamma、X 射线或中子)的辐射权重因子(无量纲),D_{R,T}
是射线R在器官或组织T中的吸收剂量。当量剂量的单位是 Sv,1Sv=1J/kg。在 GB 18871 中提到的有效剂量就是对全身所有器官和组织的当量剂量进行求和,即E=\sum_{T}H_{T}

由于\omega_{R}无量纲,似乎可以认为 1Gy=1Sv=1J/kg;但不同种类的射线即便沉积能量相同(吸收剂量相同),其随机性效应也不同,辐射权重因子\omega_{R}和希沃特 Sv 的提出正是为了强调这一差别。光子、电子和\mu子的辐射权重因子都是 1,\alpha粒子的辐射权重因子是 20,中子的辐射权重因子与其能量有关,最高可达 20 以上。

当量剂量和有效剂量度量的都是随机性效应,而正常情况下公众和职业人员的受照水平都远低于确定性效应的阈值,所以相应的国家标准如 GB 18871 会用有效剂量和希沃特 Sv 来规定辐照剂量限值。