第五章放射性污染.ppt

放射性污染及其控制,第五章,本章内容,5.1放射性污染概述5.2辐射的剂量学基础5.3放射性废物与防护标准5.4放射性废物处理技术5.5放射性污染去污技术,5.1.1核辐射,在一些元素中，原子核是不稳定的，能够自发地改变核结构而转变成为另一种核（核衰变）。由于在发生核衰变的同时，总是伴随不稳定的核放出带电的或不带电的粒子，所以这种核衰变称为放射性衰变，将不稳定的核称为放射性原子核，这种放射出来的各种粒子称为核辐射。,5.1放射性污染概述,核辐射-能量+微观粒子流,核辐射是原子核从一种结构或一种能量状态转变为另一种结构或另一种能量状态过程中所释放出来的能量和微观粒子流。,一、辐射源,人们所受到的辐射主要来源于以下两个方面。（一）天然辐射源（二）人工辐射源,（一）天然辐照源,天然辐照源是自然界中天然存在的辐射源，人类从诞生起一直就生活在这种天然的辐射之中，并已适应了这种辐射。天然辐射源所产生的总辐射水平称为天然放射性本底，它是判断环境是否受到放射性污染的基本基准。,（二）人工辐射源,20世纪40年代核军事工业逐渐建立和发展起来（核试验-核爆炸的沉降物）；50年代后核能逐渐被利用到动力工业中（发电站-核工业过程的排放物）；近几十年来随着科学技术的发展，放射性物质被更广泛地应用于各行各业和人们的日常生活中，因而构成了放射污染的人工污染源（医疗照射的射线、放射性同位素）。,严重的污染往往都是由事故造成,对整个核工业来说，在放射性废物的处理设施不断完善的情况下，处理设施正常运行时，对环境不会造成严重污染。严重的污染往往都是由事故造成的。如1986年前苏联的切尔诺贝利核电站的爆炸泄漏事故。因此减少事故排放对减少环境的放射性污染将是十分重要的。,人性迷失,美军在广岛投下的原子弹爆炸后形成的蘑菇云,贫铀弹-科索沃战争、伊拉克,贫铀弹以贫化铀为主要原料制成，贫化铀是天然铀矿经富集、提取核反应堆和核武器用的放射性铀235后剩余的副产品，具有重金属的化学毒性，可发出、和射线。贫化铀粉尘形成的烟雾弥散在空气中，容易进入人体呼吸系统。破碎的贫铀弹片散布在土壤和水体中。吸入含有贫化铀的粉尘或摄入生长在污染区的农作物可引发包括白血病在内的各种癌症、畸形病变等。放射性微粒也可给水源和土壤造成二次污染，而且持续时间会长达数百年以上。,“海湾战争综合征”,伊拉克卫生部发布的报告中说，伊拉克的癌症患者在海湾战争后大量增加，由1991年的4341人增加到1997年的100931人，其中南部地区癌症发病率增加了6倍，受害最严重的是儿童和青少年，癌症死亡率由战前的2.3增加到战后的16.6。在伊拉克南部遭受贫铀弹打击地区，白血病、恶性肿瘤和其他疑难病症发病率比全国高3.6倍，孕妇流产的比例是过去的10倍。有关专家分析认为，贫化铀和油井大火燃烧释放有毒污染物引起的环境污染是导致“海湾战争综合征”的主要因素。,切尔诺贝利核电站泄漏事故,1986年4月26日，前苏联切尔诺贝利核电站发生了核电发展史上最严重的核泄漏事故。这次事故造成了大量的放射性物质泄漏，直接死亡31人，核尘埃遍布欧洲。10年来，乌克兰已有16.7万人被核辐射夺取了生命，320万人受核辐射侵害，其中有95万儿童。,核事故时放射性碘污染,人类环境中共有26种碘的同位素，由质量数为115140的碘核素组成，其中绝大多数均具放射性，仅碘-127为稳定性。在运行的反应堆中有产额数据的碘同位素占16种，分别为碘-123、碘-125、碘-127140、其中碘-136140的半衰期很短（以秒计），在从反应堆释放出过程中几乎全部衰变，碘-129半衰期（1.6102年）很长，裂变产额和粒子的能量又低，对公众基本不构成危害;,碘-125的辐射能量低，射程短，对甲状腺滤泡上皮细胞核的作用不大；而主要的碘核素为碘-131135，尤以碘-131为主，因为它是核电站事故早期环境中放射性碘的主要成份。环境中放射性碘可以气态、液态或固态存在，主要呈气态或碘蒸气，约占核反应堆释放量的1090。,日本等国家探测到切尔诺贝利核电站事故释放到大气中放射性碘的组成为：粒子状态1030，有机或无机碘化物6080，元素碘小于10。放射性碘在环境中存在化学形式主要是I-和I2，大约1/21/3呈IO-3和IO-4存在。前苏联切尔诺贝利核电站事故第二天，释放到环境中的放射性碘的活度构成：碘-131占（8020），碘-132为（1510），碘-123、124、126、130在2以下。,稳定碘的防护作用及其机制,核事故时作为防护所用的稳定性碘化物一般是碘化钾（其中的碘为碘-127，以下简称KI）,1.防护作用。,碘是维持人体正常新陈代谢所不可缺少的物质。成人体内含碘2050mg，其中约20存在于甲状腺（总量约为8mg），存在形式是两种具有生理活性的甲状腺素与三碘甲腺原氨酸。成人每日摄入100200g的碘即能满足生理需要。口服稳定性碘化物，可以阻断吸收入血的放射性碘在甲状腺的蓄积，提高其排出体外的速率，减低甲状腺摄入放射性碘所致的吸收剂量，如服用KI的剂量和时机得当，可使甲状腺吸收剂量降低70倍。,切尔诺贝利核电站事故后，原苏联及时对电站附近及其他地方540万居民发放KI口服，使公众甲状腺剂量降低520倍。显然，KI的合理使用对于核事故出现放射性碘污染时公众防护具有良好效果。,二、辐射生物效应的发生机理,辐射将能量传递给有机体引起的任何改变，统称为辐射生物学效应。人类的放射损伤是一种严重的病理性辐射生物效应。,电离辐射对生物大分子作用的基本原理,生物分子损伤是一切辐射生物效应的物质的基础。生物分子损伤与自由基生成密切相关。自由基是指一些独立存在的、带有一个或多个不成对电子的原子、分子、基团或离子。自由基是最大特性是化学不稳定性和高反应性，寿命很短，OH（氢氧自由基）的平均寿命为10-910-8s，生物分子自由基也多在10-610-4s之间。,生物分子损伤,损伤：生物分子自由基生成后迅速起化学反应，两个自由基不配对电子相互配对，或是不配对电子转移给另一个分子，造成分子化学键的变化，引起生物分子破坏。自由基反应能不断地生成新自由基，继续与原反应物起反应，形成连锁反应，使生物分子损伤的数量不断扩大，直到出现歧化反应，生成两个稳定分子。,电离辐射对DNA的作用,DNA是细胞增殖、遗传的物质基础，是引起细胞生化、生理改变的关键性物质。DNA是电离辐射作用的靶分子，在细胞辐射损伤中起重要作用。,电离辐射对细胞的作用,影响细胞分裂染色体畸变-数量和结构发生变化细胞死亡-间期死亡和增殖死亡,组织器官的辐射效应,电离辐射对组织器官的作用是很广泛的，可以影响到全身所有组织系统。但在一定剂量水平上，由于组织细胞的辐射敏感性不同，各器官的反应程度也不一致。比如，造血器官是辐射敏感组织，电离辐射主要是破坏或抑制造血细胞的增殖能力，所以损伤主要发生在有增殖能力的造血干细胞、祖细胞和幼稚血细胞。对成熟血细胞的直接杀伤效应并不十分明显。,躯体效应与遗传效应,躯体效应：受照射个体本身所发生的各种效应。遗传效应：受照射个体生殖细胞突变，而在子代表现出的效应。,近期效应与远期效应,近期效应：照射后立即或数小时后出现的变化。远期效应：亦称远后效应。照射后经历一段时间间隔（一般6个月以上）表现出的变化。,机体因素,1种系差异：一般说，生物进化程度愈高，辐射敏感性愈高。2性别：育龄雌性个体的辐射耐受性稍大于雄性。3年龄：幼年和老年的辐射敏感性高于壮年。4生理状态：机体处于过热、过冷、过劳和饥饿等状态时，对辐射的耐受性亦降低。5健康状况：身体虚弱和慢性病患者，或合并外伤时对辐射的耐受性亦降低。,辐射生物效应的主要影响因素,（一）辐射因素1剂量和剂量率：照射剂量大小是决定辐射生物效应强弱的首要因素，剂量越大，效应越强。但有些生物学效应当剂量增大到一定程度后，效应不再增强。另外，在一定剂量范围内，同等剂量照射时，剂量率高者效应强。2照射方式：同等剂量照射，一次照射比分次照射效应强；全身照射比局部照射效应强。,核辐射的射线-射线,核辐射主要是、三种射线:射线是带两个正电荷、质量为4的氦离子。在室温的空气中的行程不超过10cm。一张普通的纸就能挡住。,核辐射的射线-射线,射线是电子。运动速度是光速的3090%；在空气中能飞行上百米，几毫米的铝箔可以挡住射线；由于质量轻，电离能比射线弱。,核辐射的射线-射线,射线是光子。穿透力很强，是一种波长比X射线更短的电磁波。需要几厘米厚的铅或者1米厚的混凝土作为屏蔽层。,X射线,X射线于1895年为W.K.伦琴发现，开始不知其本质，故称为X射线。现已知X射线为波长大约为10-310nm的电磁辐射：X射线的长波端与紫外线谱的短波端重叠，短波端与射线谱重叠。X射线有强穿透力，波长愈短，穿透力愈强。,半衰期,放射性元素的原子核半数发生衰变时所需要的时间。放射性元素的半衰期长短差别很大，短的远小于一秒，长的可达数万年。,补充：铀238的放射性子体,5.2辐射剂量学,本节介绍放射性活度单位及辐射防护常用量。1.放射性活度A2.照射量X3.吸收剂量D4.剂量当量H5.有效剂量当量HE6.集体剂量当量ST与集体有效剂量S7.待积剂量当量H50.T,一、辐射剂量学的基本量和单位1.放射性活度A,定义：单位时间内，放射性原子核发生的核转变数。国际单位：Bq(贝可)-每秒钟发生1次衰变。曾用单位-Ci(居里);1Ci=3.71010Bq(核衰变/秒),2.照射量X,定义：x或r辐射在单位质量空气中产生一种符号离子总电荷的绝对值。国际单位：Ckg-1;曾用单位：R(伦琴)；1R=2.5810-4Ckg-1。照射量率：单位时间内照射量的增量。,3.吸收剂量D,定义：单位质量的受照射物质所吸收的平均辐射能量。国际单位：Gy(戈瑞)=1Jkg-1;曾用单位：rad(拉德)，1rad=0.01Gy吸收剂量率：单位时间内吸收剂量,4.剂量当量与有效剂量当量HE,剂量当量：人体组织内某点吸收剂量的修正值。有效剂量当量：用器官相对危险系数加权的平均器官剂量当量之和HE=WTHT,相对危险度系数WT,6.集体剂量当量ST与集体有效剂量S,集体剂量当量：辐射给予某一群体产生的效应是各个单一组分所受的剂量当量之总和。剂量当量与集体剂量当量的区别在于，前者用于单个生物体，后者则用于群体。集体有效剂量：受到相同照射的亚组人数与其相应的有效剂量当量相乘积的总和。,7.待积剂量当量H50.T,人体某一器官或组织由于单次摄入某种放射性核素，其后50年内将要累积的剂量当量。,H(t)为t时间T组织所接受的剂量当量率,t0为摄入时刻，50表示终身工作年限。待积剂量当量的单位为Sv或rem。,二、辐射防护有关的量与概念（一）与辐射防护有关的概念,危险度：某个组织或器官接收单位剂量照射后引起的有害效应的概率。危害：有害效应的发生频数与效应的严重程度的乘积。关键人群组：在某一给定实践所涉及的各受照人群组中，预期将受到最大辐射照射的人群组关键照射途径、关键核素(P183),（二）剂量与效应的关系,1确定性效应：指效应的严重程度（不是发生率）与照射剂量的大小有关，效应的严重程度取决于细胞群中受损细胞的数量或百分率。此种效应存在阈剂量。照射后的白细胞减少、白内障、皮肤红斑脱毛等均属于确定性效应。2随机性效应：指效应的发生率（不是严重程度）与照射剂量的大小有关，这种效应在个别细胞损伤（主要是突变）时即可出现。不存在阈剂量。遗传效应和辐射诱发癌变等属于随机性效应。,（三）剂量限制体系,辐射防护原则：辐射实践正当性；辐射防护最优化；个人剂量当量的限制基本限值：职业照射；公众照射导出限值：管理限值：,5.3放射性废物与防护标准一、放射性废物及处理途径,放射性废物为含有放射性核素或被放射性核素污染，其浓度或活度大于国家审管部门规定的清洁解控水平，并且预计不再利用的物质。放射性废物按其物理性状分为气载废物、液体废物和固体废物三类。,二、放射性废物的来源和分类,（一）放射性废物来源与特点1.来源核设施放射性废物伴生矿放射性废物核技术应用放射性废物,2.特点,长期危害性处理难度大处理技术复杂,（二）放射性废物的分类,1.国家分类标准GB9133-1995(五类）2.其他分类方法长半衰期（大于100天）中半衰期（10-100天）短半衰期（小于100天）,（三）放射性废物的处理原则,1.IAEA九条基本原则P1882.我国40字方针P188,三、环境放射性防护标准,50多种,四、辐射防护的一般措施,外照射：体外辐射源对人体的照射称外照射。内照射：进入人体内的放射性核素作为辐射源对人体的照射称内照射。,外照射的防护方法(P189),时间防护：尽量缩短放射时间距离防护：尽量远离放射源屏蔽防护：放射防护的主要方法，依射线的穿透性采取相应的屏蔽措施,内照射的安全防护,控制内照射的基本原则是防止或减少放射性物质进入体内，对于放射性核素可能进入体内的途径要予以防范。,核素在人体内的滞留,进入体内的核素除自然衰变和生物排泄外，部分核素可滞留在体内或滞留在某一器官内。自然衰变从体内向体外排出（呼出、尿出、汗出粪出）,内照射的特征,核素进入体内每时刻都在减少，所以每天的剂量都不相同；随时间延长，剂量每天都按一定规律减少。永远都不为零，但最后可看成剂量为零。半衰期长的核素危害大，而半衰期短的后期剂量小、危害小，但前期危害大。,五、放射性废物处理技术,放射性固体废物处理技术放射性废液处理技术放射性废气处理技术,放射性废物特征,放射性废物为含有放射性核素或被放射性核素污染，其浓度或活度大于国家审管部门规定的清洁解控水平，并且预计不再利用的物质。放射性废物尽管有各种各样，但却具有一些共同特征：,共同特征,含有放射性物质。它们的放射性不能用一般的物理、化学和生物方法消除，只能靠放射性核素自身的衰变而减少。射线危害。放射性核素释放出的射线通过物质时发生电离和激发作用，对生物体会引起辐射损伤。热能释放。放射性核素通过衰变放出能量，当废液中放射性核素含量较高时，这种能量的释放会导致废液的温度不断上升甚至自行沸腾。长期危害性、处理难度大、处理技术复杂等,一、放射性固体废物处理技术,放射性固体废物来源:从含铀矿石提取铀的过程中产生的废矿渣。铀精制厂、核燃料元件加工厂、反应堆、核燃料后处理厂以及使用放射性同位素研究、医疗等单位排出的沾有人工或天然放射性物质的各种器物。放射性废液经浓缩、固化处理形成的固体废弃物,（一）固化技术,放射性固体废物固化：在放射性废物中添加固化剂，使其转变为不易向环境扩散的固体的过程固化的目标：废物转变成宜于最终处置的稳定的废物体,1.废物固化体的特性指标,低浸出率-降低放射性污染的扩散高热导率-减少热能释放的对固化体的破坏高耐辐射性-保证不致由于放射性废物产生的辐射而破坏固化体高生化稳定性和耐腐蚀性-不致由于物质的腐蚀而破坏固化体高机械强度-保证固化体在装卸、运输、处置期间的结构完整性，不至于放射性物质泄漏高减容比-减少体积、减少处理成本,（1）水泥固化,原理:基于水泥的水合和水硬性胶凝作用适用：中、低放废水浓缩物的固化优点：投资少、工艺简单、即可连续操作、又可直接在储存容器中固化缺点：增容大、浸出率较高,水泥固化方法,筒内混合法：搅拌器搅拌；滚翻或振动架在线混合法：废物+水泥-混合送料机（混合）-装料桶水力压裂地下水泥固化法：废液+水泥+添加剂（高压注入页岩层压出的裂缝）大体积浇注水泥固化：就地水泥固化（处置场附近有大量废物）移动式水泥固化：废物点多，量少,水泥固化技术指标,浸出率：具有较高的浸出率盐灰比：盐量与水泥的重量之比，一般0.15-0.3机械强度:不低于7MPa水灰比:水和水泥用量比,0.4左右最佳,（2）沥青固化,沥青固化：在一定的碱度、配料比、温度和搅拌速度下，放射性废液与沥青发生皂化反应，冷却后得到固体均匀混合物。适用范围：适用于低、中放射性蒸发残液、化学沉淀物、焚烧炉灰分等优点：低渗透、低溶解度、与环境条件兼容、减容大、代价小。缺点：不能加入硝酸盐等强氧化剂、易燃,（3）塑料固化,塑料固化：将放射性废物掺入有机聚合物而固化的方法。优点：处理过程在室温下进行；对硝酸盐等可溶性盐有很高的可溶效率；浸出率低；体积小、密度小、不可燃。缺点：某些有机聚合物能被生物降解；固化物老化破碎后可能造成二次污染；价格昂贵。,（4）玻璃固化,玻璃固化：以玻璃原料为固化剂与高放废物以一定配料比混合，在高温下蒸发、煅烧、熔融、烧结废液中所有固体组分都在高温下结合入硼硅酸盐玻璃基质中，退火处理后成为稳定的玻璃固化体。适用：处理高放废液缺点：技术难度大，处理成本高,（二）减容技术,压缩：依靠机械力的作用，使废物密实化，减少废物体积。常规压缩；超级压缩（压力大于100MPa）。焚烧：将可燃性废物氧化处理成灰烬的过程,灰渣做固化处理。,二、放射性废液处理技术,放射性同位素产生的放射性废水（比活度低、半衰期短）-衰变储存低中废液-多级净化处理，絮凝沉淀、蒸发、离子交换、膜技术高放废液蒸发浓缩储存在双壁不锈钢贮槽中,1、絮凝沉淀,絮凝沉淀-利用絮凝剂使水中悬浮颗粒发生凝聚沉淀的处理过程。优点：简单、成本低；缺点:放射性去处效率低，且有大量含放射性的污泥需要处理。,2、蒸发,蒸发-将放射性废物浓缩，减少体积，以便降低储存和处理成本。适用高、中水平放射水平的处理优点：净化效率高缺点：不适合处理易起泡物质和易挥发核素物质、蒸发耗能大、处理费用较高。,3、膜分离技术,膜分离-借助膜的选择性渗透作用，在外界能量或化学位差