核科普：达摩克利斯之剑

关于日本 2023.08.24 日起向海洋分批次排放核污水的新闻铺天盖地，我的朋友圈也被刷爆了，这类国际安全性大事件，我等这些小人物，并不具有发言权。但趁此机会我了解和学习了一些核相关知识。我本人非物理化学专业，本着学习的态度，参考大量资料（如：WIKI，新闻资讯，互联网资料等）写下这篇科普文。图片素材也均源自网络，还请大家适度阅读。

达摩克利斯之剑^[1]源自古希腊的一个故事，故事中达摩克利斯坐在王座上，头顶上悬挂着一把用马的鬃毛系起的锋利的剑，象征着即使在权力和财富之中，也总有潜在的危险威胁。而核就像是这达摩克利斯之剑，它既有巨大的潜力为人类提供能源和其他好处，但同时也有极大的破坏性和危害，如核武器、核事故和放射性污染。

理查德·韦斯托尔绘制的《达摩克利斯之剑》（Sword of Damocles），1812 年

核事故

切尔诺贝利事故

切尔诺贝利核事故^[2]（英语：Chernobyl nuclear disaster, Chernobyl disaster，俄语：Авария на Чернобыльской АЭС，乌克兰语：Чорнобильська катастрофа）是 20 世纪最严重的核事故，发生于 1986 年 4 月 26 日在苏联乌克兰共和国的切尔诺贝利核电站。这次灾难对环境、人类健康和政治均产生了深远的影响，进而影响了全球核电产业和核安全的发展。

事故发生时，电厂工作人员正在对 RBMK 型反应堆进行一项安全测试。测试的目的是确定在外部电源中断的情况下，反应堆是否能够维持足够的冷却。

[素材来自网络] 压力管式石墨慢化沸水反应炉 (RBMK) 反应堆结构示意

由于设计缺陷，当工作人员试图恢复功率时，犯了一系列严重的错误，反应堆内发生了一系列的化学和物理反应，导致爆炸和火灾。这次爆炸释放了大量放射性物质，对环境和生态造成了严重污染（恶魔被释放）。

[素材来自网络] 1986 年 5 月，灾难发生几周后，从空中俯瞰受损的切尔诺贝利核电站的景象。

[素材来自网络] 从 3 号反应堆的屋顶拍摄的 4 号反应堆的残骸。

[素材来自网络] 清洁工正在清理 3 号反应堆的屋顶。最初，工人们试图使用西德、日本和俄罗斯的机器人来清除屋顶上的放射性碎片，但由于这些机器无法承受极端的辐射水平，当局决定使用人工。在某些区域，工人在屋顶上停留的时间不能超过 40 秒，因为他们所受到的辐射量已经达到了一个人在其整个生命中应当接受的最大剂量。

灾难象脚

”象脚“可能是有史以来最令人震惊的照片之一，这个“怪物”是在切尔诺贝利灾难中诞生的，是整个核事故的震中，尽管看起来像是一个破旧仓库的老照片。

[素材来自网络] 灾难发生十年后（1986 年），由阿图尔·科尔涅耶夫（Artur Korneyev）在 1996 年拍下的象脚

“象脚”（英语：Elephant's Foot，俄语：Слоновья нога，乌克兰语：Слонова нога）是切尔诺贝利核事故形成的大质量高放射性堆芯熔融物的绰号（是一团黑色的多层堆芯熔融物，皱巴巴、像树皮和玻璃一样的表面容易让人联想大象的脚，因而得名）。曾经强大到足以杀死任何靠近它的人（一个人在其附近停留 300 秒就意味着必死无疑）。尽管经过几十年，它的放射性已经减弱，但它仍然发热并在电厂的废墟中释放危险的放射性，至今仍存在未被移除。

它的确切位置为在四号反应堆残骸附近的维修走廊内，构成象脚的物质烧穿了至少 2 米厚的钢筋混凝土，然后流过管道和裂缝，沿着走廊到达现在的位置。熔化的核燃料与大量的混凝土、沙子和核心密封材料共同作用形成了象脚，所以其主要成分为二氧化硅，还带有微量的铀、钛、锆、镁和石墨。

[素材来自网络] 切尔诺贝利灾难的象脚。照片拍摄于 1996 年，当时辐射水平减弱。

在象脚形成八个月后被发现时，其周边的放射性高达约 8,000–10,000 伦琴（每小时 80–100 戈瑞），任何接近它的人在不到一分钟内都会受到致命的剂量。仅暴露 30 秒，一周后你就会感到头晕和疲劳。暴露 2 分钟，体内的细胞很快就会出血；暴露 4 分钟，会出现呕吐、腹泻和发烧。暴露 300 秒，你将只有两天的生命。

[素材来自网络]这张照片拍摄于灾难发生 10 年后，象脚释放的辐射仅为以前的十分之一。尽管如此，仅仅暴露 500 秒就足以致命。

📌 放射性度量单位

在放射性领域中，伦琴（R）和戈瑞（Gy）是两个关键的度量单位，它们分别衡量了不同的方面。

• 伦琴 (R)

• 定义：伦琴是放射性衡量单位，专门用来描述 γ 射线或 X 射线在空气中产生的离子量。它衡量的是每公斤干燥空气中产生的正、负电荷的总数。

• 重要性：伦琴是辐射测量的原始单位之一，它有助于我们了解放射性物质释放的辐射在空气中形成离子的能力。但是，它并不直接反映放射性辐射对生物组织的影响。

• 与生物影响的关系：尽管伦琴值可以给我们一个关于辐射的大概想法，但要确定这些辐射对生物体（如人类）的具体影响，我们需要进一步考虑其他放射性单位，例如“戈瑞”或“希沃特”。

• 戈瑞 (Gy)

• 定义：戈瑞是放射性剂量单位，用于描述放射性辐射在特定物质中所传递的能量。1 戈瑞相当于每公斤物质吸收 1 焦耳的辐射能量。

• 重要性：戈瑞是放射性的绝对剂量单位，它告诉我们一个物质吸收了多少辐射能量。这是评估辐射对物质，尤其是生物组织，可能造成的伤害的关键参数。

• 与生物影响的关系：虽然戈瑞衡量的是吸收的能量，但不同类型的放射性辐射（如 α、β、γ 射线）对生物体的影响各不相同。为了更精确地描述辐射对生物组织的影响，科学家引入了另一个单位——希沃特（Sv），它考虑了不同类型辐射的生物效应。

• 希沃特（Sv，Sievert）

• 定义：希沃特是放射性辐射剂量当量的单位。不同类型的放射性辐射（例如α、β、γ 射线）对生物组织的影响各不相同。希沃特考虑了这种差异，提供了一个统一的、与生物效应相关的放射性测量。

• 与戈瑞的关系：希沃特是基于戈瑞（Gy）的。1 Gy 表示每公斤物质吸收了 1 焦耳的辐射能量。然而，希沃特进一步乘以一个质因数，该因数考虑了不同类型辐射的生物效应。例如，α 射线在生物组织中的质因数比 γ 射线和 β 射线要大得多。

• 用途：希沃特用于评估放射性辐射对人体的潜在健康风险，包括诱发癌症的风险。医疗、核能和其他放射性领域的专家使用希沃特来确保人们不会受到危害的放射性剂量。

• 危险性：大约接受到 1 Sv（1,000 mSv）的辐射剂量在短时间内会引起轻度放射病；而 4-5 Sv 的暴露会导致 50% 的人在一个月内死亡。对比起来，一次胸部 X 光检查的辐射量约为 0.1 mSv，而一次 CT 扫描的辐射量可能为 10 mSv 或更高。

• 注意：尽管希沃特是一个非常有用的度量单位，但仍然需要小心解释和使用，因为个体对放射性辐射的敏感性可能因人而异。

结论：伦琴主要关心辐射在空气中产生的离子量，戈瑞关心的是放射性辐射在物质中传递的能量，而希沃特则主要用来评估放射性辐射对生物组织的潜在影响和危害。

封印恶魔

切尔诺贝利的 4 号机反应堆内有 180 至 190 吨的二氧化铀和核废料，估计 5%-30% 的物质泄露至外部。事故发生时，大火以及爆炸导致大量辐射物质进入大气层，向四面八方扩散。辐射云覆盖了整个欧洲，包括土耳其、希腊、摩尔多瓦、罗马尼亚、芬兰、瑞典、挪威等国。

[素材来自网络] 切尔诺贝利事件后的周遭辐射污染剂量分布图

切尔诺贝利核电厂石棺^[3]或防护结构（乌克兰语：Об'єкт "Укриття"）是一个覆盖在切尔诺贝利核电厂 4 号核反应堆上的巨大的钢筋混凝土结构（准确来说：它应被称为“防护结构”或“覆盖结构”，而不是“石棺”）。目的是通过覆盖来保护爆炸中受损最严重的堆芯部分，防止灾难产生的放射性污染继续向大气扩散。1996 年，由于内部辐射强度高达每小时 10000 伦琴（通常情况下城市中的背景辐射在每小时 20−50 微伦琴，暴露在超过 500 伦琴的辐射中超过 5 小时便会致命），这一结构被认为处于无法修复的状态。

石棺设计工作开始于灾难发生 24 天后（1986.05.20），建设一直持续了 206 天，从同年六月到十一月下旬（20-30 年寿命）。

[素材来自网络] 2006 年时石棺的样子，高烟囱是原反应堆建筑结构的一部分

新石棺预计在 2015 年代替旧石棺。然而，工期延长和 100 万欧元左右的资金缺口造成了总共长达一年的拖延，2016 年新的结构才被安装到位。2019 年 4 月，这个新的建筑物开始对其上安装的各项系统进行检查和测试（设计使用寿命 100 年）。

福岛第一核电站事故

福岛第一核电站事故^[4]（日语：福島第一原子力発電所事故）是 2011 年 3 月 11 日在日本福岛发生的核事故。由日本东北地方太平洋近海地震和伴随而来的海啸所引发。

[素材来自网络] 地震与核电站位置图

[素材来自网络] 摄于 2011 年 3 月 16 日，从左到右分别为 4、3、2、1 号机

• 影响：

• 在国际核事件分级表（INES）中被分类为最严重的 7 级。

• 堆芯内所有核燃料都已熔毁。

• 受灾区域面积约为 337km²。

• 事故进展：

• 1-3 号机正在运作时发生地震，随后所有反应堆自动停止。

• 地震引发电源故障，机组失去外部供电，启动应急柴油发电机。

• 大约 50 分钟后，14-15 米高的海啸袭击了核电站，导致大量设备损坏。

• 核电站陷入全厂停电状态，不能继续冷却，导致核燃料熔化。

• 1-3 号机发生堆芯熔毁，1、3、4号机发生氢气爆炸。

• 向大气中泄漏了大量放射性物质。

• 环境影响：

• 根据东京电力的估算，约有 90 万亿贝克勒尔（Bq）的铀元素和碘-131、镉-137 和钚-134 大规模释放的放射性物质（相当于切尔诺贝利事故 520 万亿 Bq 的六分之一）。

• 1800km² 的地区年辐射量超过 5 毫希沃特，其中500km² 的地区年辐射量超过 20 毫希沃特。

• 应对措施：

• 2012 年，福岛第一核电站 20km 范围内被指定为警戒区域，高辐射地区为“计划中的避难区域”，约 10 万居民撤离。

• 2014 年和 2020 年，部分地区解除避难指示。

• 2021 年，废炉工作进行中，预计将在 2041 年到 2051 年完成。

• 2021 年 4 月，日本政府决定将经过稀释的核处理水排入大海。

• 2023 年 8 月 24 日，日本政府开始排放核污染水。

📌 贝克勒尔

贝克勒尔（Becquerel，缩写：Bq）是放射性衰变活动的单位。具体来说，1 贝克勒尔代表的是每秒有一个核衰变事件。贝克勒尔的命名是为了纪念放射性现象的发现者、法国物理学家亨利·贝克勒尔。

• 天然背景辐射：我们每天都会受到一定的放射性辐射，这主要来自宇宙射线、土壤和其他天然来源。例如，正常的土壤每公斤约有 20 Bq 的活度。但由于这些辐射通常是非常低剂量的，所以对健康影响微乎其微。

• 家用烟雾探测器：某些家用烟雾探测器中含有小量的放射性物质（如铯-137），其放射活性可能达到几千 Bq。然而，由于其放射能量较小并被固定在装置内，对人体没有实际风险。

• 医疗检查：例如，一个胸部 X 光检查可能会产生大约 0.1 mSv 的辐射剂量，但这是瞬间的一次曝露。而摄取一次放射性碘治疗可能产生几十亿到几万亿 Bq 的活性，但这通常在短时间内迅速从体内排出。

• 核事故：如文中的福岛核事故，核事故中释放的放射性物质量达到了大约 900万亿 Bq。这样的大量放射性物质释放会对环境和生物造成长期危害。可能导致 DNA损伤、癌症、地区的放射性污染等。

核反应

核反应是指原子核中的粒子发生重新排列、合并（核聚变）或分裂（核裂变）等过程，导致原子核状态发生变化的现象。与化学反应不同，化学反应涉及的是原子的外壳电子的重新排列，而核反应涉及的是原子核内部的变化。核反应主要有以下应用：

• 核电能：核反应在核反应堆中产生热能，这些热能被转化为蒸汽，进而驱动发电机产生电能。

• 医学：放射性同位素在医学诊断和治疗中有广泛应用。例如，放射性碘用于治疗甲状腺问题。

• 科学研究：研究原子核的结构和性质，例如在粒子加速器中。

• 军事：核武器，如原子弹和氢弹，是基于核反应的原理制造的。

• 辐射杀菌：用于消毒食品或医疗器械。

• 考古年代测定：例如碳-14 测年法，用于确定古代文物和化石的年龄。

核聚变

核聚变^[5]（英语：Nuclear fusion），是指将两个较轻的原子核结合而形成一个较重的核和一个极轻的核（或粒子）的一种核反应形式。在此过程中，物质并并不守恒，会有一部分正在聚变的原子核的物质被转化为光子（能量）。例如，太阳的能量主要来源于氢核聚变成氦核。

太阳是一颗主序恒星，通过氢核核聚变成氦来释放能量。在其核心每秒融合 5 亿吨氢。

核裂变

核裂变^[6]（英语：nuclear fission）是原子核分裂成两个或更多个较小原子核的反应。裂变过程经常产生伽马光子，并释放出大量的能量。核裂变为我们提供了一种强大的能量来源，但同时也带来了安全和环境的重大挑战。例如，在原子弹和核电站中使用的铀-235 和钚-239 的核裂变。

核裂变的一些关键点：

• 释放能量：核裂变反应释放出的能量主要以放射性衰变的形式，以及伴随产生的中子、伽马射线和其他粒子的动能形式。

• 中子：核裂变通常由中子引起。例如，当一个中子撞击一个 ²³⁵U 原子核时，可以产生裂变。结果是两个或更多的新的原子核、两到三个新的中子和大量的能量。

• 链反应：释放的中子可能会继续与其他的 ²³⁵U 原子核发生反应，导致更多的裂变，形成一个链反应。这是原子弹和核电反应堆中核裂变的基本机制。

• 裂变产物：产生的较轻的原子核被称为裂变产物。这些裂变产物通常是不稳定的，会进行放射性衰变。

• 应用：核裂变的主要应用是在核电站和核武器中。核电站中的控制裂变反应用于产生电力；而核武器中的裂变反应则用于产生大规模的爆炸。

• 危险性：由于裂变产生的放射性裂变产物和释放的辐射，这个过程可能是有害的。

半衰期

元素的半衰期表示该元素的一半放射性原子在一定时间内衰变的时间。以下是一些常见放射性元素及其半衰期：

• 铀-238 (U-238)：4.468 亿年

• 铀-235 (U-235)：7.04 亿年

• 钍-232 (Th-232)：1.41 万亿年

• 钋-210 (Po-210)：138.4 天

• 镭-226 (Ra-226)：1,600 年

• 氡-222 (Rn-222)：3.8 天

• 碘-131 (I-131)：8.02 天

• 锶-90 (Sr-90)：28.9 年

• 铯-137 (Cs-137)：30.17 年

• 钚-239 (Pu-239)：24,100 年

• 碳-14 (C-14)：5,730 年

• 三氚 (T or H-3)：12.32 年

• 镅-60 (Co-60)：5.27 年

以上只是一些常见的放射性元素及其半衰期。实际上，存在着许多放射性同位素，每个都有其特定的半衰期。此外，需要注意的是，某一放射性同位素的半衰期与其放射性强度或其对生物的危害性并不总是直接相关。例如，尽管某些元素的半衰期可能非常短，但它们的放射性强度可能非常高，因此即使在较短的时间内也可能对生物造成严重的危害。

核危害

核能在给我们提供大量清洁能源的同时，也在产生大量的核废料。由于其放射性特性，对环境、人类和其他生物都会带来一系列的危害。

• 生物体辐射暴露：如果生物体直接或间接接触到放射性核废料，它们可能会吸收放射性物质（如 α、β、γ 射线），导致组织和器官受到放射性辐射。这种辐射暴露可以增加癌症（白血病及其他）和其他疾病的风险（如疲劳、恶心、脱发、皮肤烧伤等），对 DNA 造成损伤，影响生殖健康，并可能导致生物体早死。

• 环境污染：某些核废料的半衰期可能长达数十万年，放射性物质泄漏到环境中也可能会持续数十年到数千年。这将对土壤、水和食物造成长期污染。

• 生态影响：放射性污染也可能对植物和动物产生负面影响，导致生态失衡。

References