■文 /喬瑋 袁光鈺

核能、放射性與環(huán)境

Nuclear power, radioactivity and environment

■文 /喬瑋1袁光鈺2

核科學(xué)是環(huán)境工作者的必需

眾所周知，從核能為人類首次加以利用的那一刻開始，它就已經(jīng)和人類的安全問題緊密聯(lián)系起來。從 20 世紀(jì) 60 年代以后，由于放射性排放物和沉降物數(shù)量的增加，促使人們提高了對(duì)于放射性污染的警惕，核能的利用所形成的環(huán)境污染也逐漸成為公眾關(guān)注和懷疑的焦點(diǎn)。但是大多數(shù)人們沒有注意到的一個(gè)很重要的事實(shí)是，核工業(yè)與其它工業(yè)相比，它最先重視安全問題和環(huán)境問題、最早著手將危害降低到可以合理達(dá)到的、盡量低的水平。所有核設(shè)施從設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行直到退役的全過程中的每個(gè)環(huán)節(jié)都制訂了極其嚴(yán)格的控制標(biāo)準(zhǔn)和具體的防護(hù)措施。因而在核科學(xué)技術(shù)發(fā)展的半個(gè)多世紀(jì)里，有效地控制了放射性對(duì)環(huán)境的污染，并且積累了大量對(duì)于環(huán)境保護(hù)工作極有價(jià)值的理論和經(jīng)驗(yàn)。

人們?cè)诔跗趯?duì)于放射性污染的控制，僅停留在對(duì)于放射性污染的監(jiān)測(cè)以及廢物的治理兩個(gè)方面。但很快就發(fā)現(xiàn)，必須要深入探索放射性污染的化學(xué)形態(tài)以及它們?cè)诃h(huán)境中所進(jìn)行的物理、化學(xué)以及生物學(xué)的行為，以及它們?cè)诃h(huán)境中的運(yùn)動(dòng)過程和規(guī)律，才能更徹底地消除放射性排放物的污染后果。正是由于這種觀念上的進(jìn)展，大大促進(jìn)了核科技界在微量放射性物質(zhì)的化學(xué)行為、核素在環(huán)境中的遷移和積累、各種生物群落以及人體對(duì)于放射性物質(zhì)的攝取和累積等重要領(lǐng)域上取得顯赫的研究成果。這些成果同時(shí)促進(jìn)了諸如生物學(xué)、環(huán)境化學(xué)、環(huán)境毒理學(xué)、氣象學(xué)、海洋學(xué)等傳統(tǒng)學(xué)科的發(fā)展。作為跨越上述各個(gè)學(xué)科的一個(gè)邊界學(xué)科，環(huán)境科學(xué)也大量借鑒了核科學(xué)知識(shí)寶庫中的財(cái)富。

經(jīng)濟(jì)發(fā)展使得環(huán)境污染的壓力與日俱增，這在全世界都是一個(gè)必然的規(guī)律。在過去的數(shù)十年中，我國(guó)核設(shè)施導(dǎo)致的環(huán)境問題一直由核科技人員完成，由于主要著眼于生產(chǎn)與應(yīng)用的需要，在環(huán)境保護(hù)效果上仍然存在一定的疏漏。例如，我國(guó)各類核企業(yè)的平均污染水平較為嚴(yán)重、放射性廢水貯存和排放的安全性較低、由于不合理運(yùn)行，可回取的放射性廢物貯存設(shè)施事實(shí)上成為無法回取的永久性處置庫等。近年環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)向核工業(yè)領(lǐng)域的滲透，明顯改善了我國(guó)核環(huán)境的面貌。

同樣重要的是，環(huán)境工作者也逐漸發(fā)現(xiàn)，為保護(hù)高質(zhì)量的生存環(huán)境，他們也必須涉足核領(lǐng)域之中。例如，地下建筑中的氡氣濃度早已是對(duì)于通風(fēng)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)；建筑材料中的放射性水平已經(jīng)是產(chǎn)品能否投產(chǎn)的重要判據(jù)；對(duì)于電子工業(yè)、冶金工業(yè)和礦山排放的廢物和廢水，放射性比度的水平也經(jīng)常是需要考察的指標(biāo)。總之，環(huán)境放射性已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不僅是專業(yè)核技術(shù)人員需要考慮的因素。在很多情況下，對(duì)于環(huán)境放射性缺乏理解，已經(jīng)成為環(huán)境保護(hù)者工作中的障礙。隨著更多核電站、核設(shè)施的建設(shè)與投入運(yùn)行，經(jīng)濟(jì)發(fā)展所導(dǎo)致的對(duì)于核環(huán)境要求的提高，環(huán)境人員將進(jìn)一步感到掌握核科技知識(shí)的必要性與迫切性。

核技術(shù)的應(yīng)用

核技術(shù)作為一個(gè)相對(duì)新興的技術(shù)，其應(yīng)用將使環(huán)境工作者的視野進(jìn)一步得到擴(kuò)展，并且從宏觀推向更為深入的微觀，從而使人們有可能在分子、原子，甚至原子核的層次上動(dòng)態(tài)地觀察自然現(xiàn)象。事實(shí)上 , 核科學(xué)技術(shù)在過去的歷史中已經(jīng)為社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和科學(xué)的發(fā)展起到重要的作用。它所具有的價(jià)值以及在現(xiàn)代社會(huì)中應(yīng)具有的地位是不言而喻的。核技術(shù)理所當(dāng)然地也應(yīng)該對(duì)于環(huán)境保護(hù)的戰(zhàn)略目標(biāo)作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

核應(yīng)用技術(shù)的內(nèi)容十分廣泛，它的主要部分可以劃分為核武器研究及制造、核能的和平利用、核素與核輻射監(jiān)測(cè)、核示蹤技術(shù)與輻照技術(shù)應(yīng)用等四個(gè)方面。目前全世界有80多個(gè)國(guó)家在進(jìn)行核技術(shù)的研究，核技術(shù)在很多領(lǐng)域已經(jīng)成為創(chuàng)造物質(zhì)財(cái)富的手段。

可以說，除核武器制造之外的一切核技術(shù)均可以對(duì)于人類環(huán)境的改善有所貢獻(xiàn)。核能的和平利用，尤其是核能發(fā)電對(duì)于環(huán)境的改善，具有極大的潛力。迄今為止，核電是可以提供超大規(guī)模生產(chǎn)能量的唯一清潔能源。其規(guī)模不但遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他清潔能源，甚至也超過了目前應(yīng)用最廣泛的燃煤電站，其單機(jī)容量可以達(dá)到 1000 兆瓦以上。

無論與燃煤電站還是水電站相比，核能均不但屬于清潔的能源，而且也是十分安全的能源。在表1和表2中，列出了燃煤電站與核電站的電離輻射排放對(duì)人類健康危害風(fēng)險(xiǎn)的比較以及世界各主要核電國(guó)家的運(yùn)行情況。

表1 燃煤電站與核能源系統(tǒng)所致公眾電離輻射健康風(fēng)險(xiǎn)

表2 世界主要核電國(guó)家運(yùn)行概況

紅沿河核電基地

僅在核能應(yīng)用的初期，即 1960-1985 年間，全世界同位素和輻射技術(shù)工業(yè)應(yīng)用的累積經(jīng)濟(jì)效益已達(dá)到 800 億美元左右。應(yīng)該說，核能的和平利用對(duì)于人類賴以生存的環(huán)境以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展都具有明顯的影響。

核能與環(huán)境之間的關(guān)系

自從核能作為一種能源被大規(guī)模開發(fā)以來，“核能開發(fā)必然引起環(huán)境污染”逐漸形成了人類的一個(gè)固有觀念。但實(shí)際上，長(zhǎng)期的核監(jiān)測(cè)證明，人類所接收的放射性劑量卻并非主要來自核能的開發(fā)，即使在核設(shè)施的周邊地區(qū)，也仍然主要來自天然輻射源。

在歷史上發(fā)生的核污染事故中，美國(guó)所發(fā)生的“三哩島事件”，并未對(duì)居民形成任何照射后果。而前蘇聯(lián)發(fā)生的切爾諾貝利核電站事故則是由于連續(xù)的、幾乎是難以想象的誤操作所導(dǎo)致，其發(fā)生概率極低。而且，人們已經(jīng)通過這些歷史教訓(xùn)取得了可貴的經(jīng)驗(yàn)?？梢哉f，現(xiàn)在人類已經(jīng)充分掌握了安全使用核能的技術(shù)。

近百年來，發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)能源的消耗幾乎是呈指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)，對(duì)于獲得大量能源的要求也更加迫切。世界的燃料經(jīng)濟(jì)已經(jīng)在20世紀(jì)中完成了從使用傳統(tǒng)的、地方性的燃料到使用石油與煤氣的轉(zhuǎn)換。但礦物燃料不能無限期供應(yīng)的現(xiàn)實(shí)，正在逼迫人類加速尋找更為可靠的新能源。而按照大多數(shù)學(xué)者的判斷，未來能源的短缺將首先由增加核能的利用來彌補(bǔ)。無可懷疑，核能的大規(guī)模利用將要求人類進(jìn)一步提高對(duì)于核能環(huán)境影響的控制能力。

核技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用

人們?cè)谧⒁夂四艿陌l(fā)展有可能威脅環(huán)境質(zhì)量的同時(shí)，也逐漸發(fā)現(xiàn)了在過去被長(zhǎng)期忽略的一個(gè)事實(shí)：核技術(shù)可以有效地在拯救地球、改善環(huán)境的過程中起到廣泛的積極作用。我國(guó)從 20 世紀(jì) 50 年代后期開始，已經(jīng)建立了相當(dāng)完整的核工業(yè)體系。在核技術(shù)領(lǐng)域的研究，也已達(dá)到了相當(dāng)高的水平。核技術(shù)在環(huán)境科學(xué)中占有相當(dāng)重要的地位。盡管它目前在我國(guó)還處于開發(fā)及逐步向?qū)嵱眠^渡的階段，卻已顯示出巨大的生命力與潛力。

（一）輻照技術(shù)的應(yīng)用

輻照技術(shù)是利用高能射線與物質(zhì)間的作用，利用分子或原子的電離和激發(fā)，使物質(zhì)發(fā)生一系列物理、化學(xué)與生物化學(xué)變化，導(dǎo)致物質(zhì)降解、聚合、交聯(lián)，并發(fā)生改性。它為處理用普通方法難以解決的某些污染物提供了新的途徑。

1.生活污水和工業(yè)廢水的處理：廢水的輻照處理是利用放射線的照射，使水產(chǎn)生一系列具有很強(qiáng)活性的輻解產(chǎn)物，如 OH、H、H2O2等。這些產(chǎn)物與廢水中的有機(jī)物發(fā)生反應(yīng)，可以使它們分解或改性。該方法可去除城市污水中的 TOC、BOD、COD，并殺滅污水中的病原體。據(jù)研究報(bào)道，輻照技術(shù)也可有效地處理洗滌劑、有機(jī)汞有機(jī)農(nóng)藥、增塑劑、亞硝胺類氯酚類等有害有機(jī)物質(zhì)。將輻照技術(shù)與普通廢水處理技術(shù)（如絮凝共沉淀法、活性炭吸附、臭氧活性污泥法等）聯(lián)用，具有協(xié)同效應(yīng)，提高處理效果。

2.固體廢物的輻照處理：在固體廢物的處理處置中，廢塑料的處理是一個(gè)棘手的問題。而且越是穩(wěn)定的塑料，對(duì)于環(huán)境的影響越大。例如，纖維素是城市廢物與農(nóng)業(yè)廢物的主要成分，日本曾用輻照法處理木屑、廢紙、稻草等，經(jīng)過糖化與發(fā)酵而得到酒精；美國(guó)則用加酸后輻照的方法得到葡萄糖，其回收率高達(dá) 56%。腐敗的食物在經(jīng)輻照后即可作為動(dòng)物的飼料。污泥中含有大量的能量與生物價(jià)值，是優(yōu)良的農(nóng)田肥料和土壤改良劑。但由于含有大量病原體而不能直接利用。堆肥、熱消毒或化學(xué)處理等方法的消毒效果均不十分徹底與穩(wěn)定。用γ射線或電子束輻照，解決了上述問題，是一種很有前途的方法。

3.用 電 子 束 處 理 廢 氣： 大 氣 中 的 SOX與 NOX是主要的污染物。對(duì)于前者，目前治理的方法與總體效果較好；但對(duì)于后者，用通常方法尚難以奏效。日本原子力研究所曾用兩臺(tái)電子加速器作為照射源，在 80℃下，加氨照射，輔以靜電除塵來去除生成的硫酸銨與硝酸銨，可同時(shí)去除 SOX與 NOX。該法已經(jīng)在進(jìn)行商業(yè)化運(yùn)轉(zhuǎn)。

（二）核示蹤技術(shù)的應(yīng)用

近年來，核示蹤技術(shù)被更直接應(yīng)用于環(huán)境工程的事例很多。對(duì)滲濾液污染地下水規(guī)律的研究是其中很典型的一個(gè)。由于雨水中氧同位素的組成與地下水有明顯的區(qū)別，所以當(dāng)下過一場(chǎng)大雨以后，就會(huì)在地下水中出現(xiàn)氧同位素豐度的變化。在各種位置產(chǎn)生的這種變化的大小，就反映了每個(gè)地點(diǎn)雨水向地下水系統(tǒng)中滲透的速率。如果豐度的變化越小，就說明通過地表徑流直接進(jìn)入河流中的水所占的比例越大。因此，比值18O/16O 就可以作為天然示蹤劑的一個(gè)代表，利用這類天然示蹤劑可以容易地估算雨水和污染物通過填埋場(chǎng)底部進(jìn)入地下水的程度。對(duì)于雨水和地下水中同位素組成的研究結(jié)果說明，雨水進(jìn)入地下水和通過地表徑流排放的比例對(duì)于不同地點(diǎn)變化很大。對(duì)于特定場(chǎng)合，可以對(duì)于該比例進(jìn)行精確測(cè)定。

（三）放射化分析技術(shù)的應(yīng)用

放射化分析技術(shù)是利用物質(zhì)的放射性達(dá)到成分分析目的的一系列方法。其中的活化分析法是一項(xiàng)具有十分廣泛用途的分析方法。把原來沒有放射性或其放射性不易被測(cè)量的樣品經(jīng)過核反應(yīng)，使樣品中被測(cè)元素變成具有特征放射性的產(chǎn)物，然后對(duì)其放射性進(jìn)行鑒定和測(cè)量以測(cè)定元素的含量，這種分析方法稱為檢索活化分析?；罨治鲈诃h(huán)境研究中很重要。例如，對(duì)于長(zhǎng)距離大氣輸送問題，極區(qū)大氣顆粒的化學(xué)，以及有些情況下的環(huán)境背景值測(cè)定，都要求具有十分高的靈敏度與準(zhǔn)確度，使用其他方法是難以滿足要求的。該方法對(duì)于固體環(huán)境樣品，如大氣塵埃、氣溶膠、植物樣品、土壤懸浮物等的痕量元素分析也具有明顯的優(yōu)越性。

（四）放射性監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

除去在上述應(yīng)用范圍內(nèi)必然需要放射性測(cè)量技術(shù)之外，20 世紀(jì) 80 年代以后，在環(huán)境管理、環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)、污染趨勢(shì)預(yù)測(cè)等方面的研究都需要能真實(shí)地反應(yīng)客觀事實(shí)的數(shù)學(xué)模型。而在提出模型之后，對(duì)其可靠性必需經(jīng)過驗(yàn)證。核測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，在這方面發(fā)揮了重要的作用。另外，應(yīng)用同位素分析技術(shù)也可以在復(fù)雜的條件下準(zhǔn)確地判斷污染源。例如，在歷史上曾有人利用在潛水含水層水、泉水和輸水管道中水中的13C 同位素的豐度值不同，將對(duì)某地區(qū)地下構(gòu)筑物形成威脅的水中13C 同位素的豐度進(jìn)行比對(duì)，成功地判斷出輸水管道的滲漏是造成事故的原因。經(jīng)過檢查，在輸水管道上果然發(fā)現(xiàn)了嚴(yán)重的滲漏。上述實(shí)例說明，由于同位素的技術(shù)特征，它的應(yīng)用可以明顯拓寬環(huán)境科學(xué)研究與環(huán)境監(jiān)測(cè)的手段。

作者單位：1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院；2.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院（退休）