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核燃料及核放射性主要术语解析
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2011-05-05 来源: 国家能源局能源节约和科技装备司
    一、核燃料
    核燃料是指在核反应堆中通过裂变放出大量热量的材料,1千克铀235完全裂变时产生的能量约相当于2500吨煤。铀、钚、钍、MOX等都可以作为核燃料。
    铀在自然界中有三种同位素存在,分别是铀238、铀235和铀234,这三种同位素占天然铀的比例分别99.284%、0.711%和0.0054%,此外,铀还有12种人工同位素(铀226-铀240)。从全球范围来看,现阶段正在运行的核反应堆主要以铀235为燃料,一般核燃料中铀的纯度为3%。铀的半衰期较长,例如铀238的半衰期为45亿年,因此,许多放射物质与铀伴生。铀能放射出α、β和γ三种射线,对人体有严重危害。
    钚是一种具放射性的锕系金属,具有高度易裂变性。易裂变性是指同位素的原子核受到中子撞击后,能够产生核分裂,并释放出足以支持核连锁反应、进一步促使原子核分裂的中子。目前快堆即是以钚239为燃料。钚239产生裂变反应时放出来的快中子,被铀238吸收,再变成钚239,而且再生速度高于消耗速度,核燃料会越烧越多,快速增殖。国际原子能机构提供的数据显示,发展快堆可以将铀资源利用率提高到60%~70%,但这一技术目前还处于研究阶段。
    钍吸收中子后可以转换为易裂变的铀,它在地壳中的储量很丰富,所能提供的能量相当于铀、煤和石油全部储量的总和。钍的熔点较高,直至1400℃才发生相变,且相变前后均为各向同性结构,所以辐照稳定性较好。在热中子反应堆中利用钍-铀循环可得到接近1:1转换比,但这种循环技术复杂,乏燃料后处理困难。
    MOX(铀钚混合氧化物燃料)是通过“燃烧”乏燃料中存留的钚以提供能源和发电的一种途径,是氧化钚与氧化铀的混合燃料。钚在自然界不存在,反应堆乏燃料中存留有约1%的钚。乏燃料中的钚分离出来与贫化铀混合就可形成新的MOX燃料。MOX优势是增加少量钚,就可提高燃料中易裂变物质浓度,而将铀浓缩至高水平的铀235则相对昂贵。但从乏燃料中提取钚239的技术可用来制造核武器,增加了核扩散风险。当前各国所用核燃料的20%为MOX,主要集中在欧洲、日本。
    二、放射性元素
    放射性元素是指这些元素的原子核不稳定,在自然状态下不断进行衰变,同时放射出α、β、γ三种射线。放射性元素按一定的衰变方式进行衰变,且衰变速率也是一定的。某种放射性同位素衰变掉一半所需要的时间,称为半衰期。对人类影响来看,带正电荷的α射线是造成对人体内照射危害的主要射线;带负电荷的β射线能引起细胞化学平衡的改变,造成癌变等;不带电荷的γ射线是造成人体外照射伤害的主要射线。核电乏燃料中具有较长寿命的放射性元素主要有铀、锶、铯、碘、锕系核素等(铀的放射性见第一部分)。
    锶是铀235的裂变产物,锶89半衰期约为50天,锶90半衰期约29年,一般来自核爆炸或核燃料产物,扩散性不强,一般只停留在核电站50公里内,一些微小的放射性灰尘能悬浮在大气中。锶的属性类似于钙,容易被人体骨髓吸收,会持续释放出比γ射线更危险的β射线,造成内部过量辐射,诱发骨癌、白血病等疾病。
    铯是核爆料和反应堆运行产生的主要裂变产物。铯137的半衰期大约30年左右,可能会引起急性放射病症,例如:恶心、疲倦、呕吐及毛发脱落等,甚至可以引致死亡,进入人体后会积聚在肌肉组织中,并有可能增加患癌症的风险。人体摄入量小于0.25戈瑞(Gy)属于安全范围;超过此值会导致造血系统、神经系统损伤,非正常生育乃至绝育;人体摄入量超过6戈瑞能够致人死亡。
    碘131是元素碘的一种放射性同位素,为人工放射性核素(核裂变产物),半衰期为8.3天。碘131在放射性工作场所的空气和水源中的最大容许浓度分别为0.33和22贝克勒尔/升,可用于治疗甲状腺功能亢进症,摄入过量可能引起乏力、食欲减退、恶心等反应。在放射性碘污染事故时,立即服用稳定性碘制剂,含稳定性碘的化合物可阻止吸入血液的放射性碘进入甲状腺,减少放射性碘在甲状腺的吸收与蓄积,提高其排出速率,减少甲状腺吸收剂量。
    锕系核素的毒性和辐射(特别是吸入人体内的α射线)危害较大。对核电站废物的潜在生物危害性分析表明,核电站废物的远期风险主要决定于237Np,241Am,242mAm,243Am,243Cm,244Cm及245Cm等少数锕系核素,如何妥善处置具有很强放射性毒性和很长放射性半衰期的少数锕系核素将是一个关系到核能能否大规模发展的紧要问题。目前含锕系核素的乏燃料处理方式一是封存,二是后处理。
    三、辐射剂量单位
    射线与物质发生作用的程度常用剂量表达,称辐射剂量。目前使用比较广泛的辐射剂量单位主要有放射性活度(贝克勒尔)、吸收剂量(戈瑞)、剂量当量(西弗)和照射剂量(库仑)等。
    放射性活度是放射性物质的固有属性,指放射性元素或同位素每秒衰变的原子数,用来描述放射源的放射强度。放射性活度用符号A表示,单位为贝克勒尔,符号为Bq。常用到的放射性比活度表示单位质量某种物质的放射性活度,单位是Bq/L(贝克勒尔/升)或Bq/Kg(贝克勒尔/千克)。
    吸收剂量是单位质量物质受辐射后吸收辐射的能量,用符号D表示,其国际单位是戈瑞,符号为Gy,1Gy=1J/Kg。吸收剂量曾用单位是拉德(rad),1rad=0.01Gy。
    剂量当量是指组织中某点处吸收剂量、辐射品质因子和其他一切修正因子的乘积,用符号H表示,其单位是西弗(Sv)。1Sv=1J/kg,1mSv(毫希)=0.001Sv,1μSv(微希)=0.001mS。剂量当量曾用单位是雷姆(rem),1rem=0.01Sv。人体每年可接受天然辐射的有效剂量全球平均约为2.4毫希。当辐射剂量低于100毫希时,医学上观察不到明显组织损伤;当剂量超过4000毫希,有50%的死亡率;当剂量超过6000毫希,则可能致命。
    照射剂量指射线对人体的照射能量值,用来度量X射线或γ射线在空气中电离能力。照射剂量的国际单位是c/kg(库仑/千克),曾用单位R(伦琴),1R=2.58×10-4c/kg。照射剂量率是指单位时间内的照射量,单位是c/(kg.s)或R/h。 (国家能源局能源节约和科技装备司)
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