环境保护与综合利用：核污染及防护

1、核污染及其防治 核污染的起因辐射的生物效应及危害辐射防护技术方法放射性废物处理技术 核污染主要指核物质泄露后的遗留物对环境的破坏，包括核辐射、原子尘埃等本身引起的污染，还有这些物质对环境的污染后带来的次生污染，比如被核物质污染的水源对人畜的伤害。核污染的起因核武器的实验和使用1945年7月15日凌晨5点30分，世界上第一颗原子弹在美国新墨西哥沙漠试验成功。核武器的实验和使用1945年8月6日和9日，美国分别在日本的广岛和长崎投下了原子弹。 核武器的实验和使用中国于1964年10月16日在新疆罗布泊核试验场进行了首次原子弹试验，1966年12月28日进行了首次氢弹原理试验。核武器的实验和使用朝鲜

2、核试验，始于2006年10月9日，地点分别位于咸镜北道的三处核试验场。朝鲜核试验是对核不扩散制度的公然挑战，引起了国际社会的强烈谴责。2016年1月6日，朝鲜宣布第一枚氢弹成功试验 。核武器的实验和使用20世纪50年代，伊朗开始了核能源开发活动。伊朗核问题在2006年初成为美国和伊朗关系的核心问题，并成为美国伊朗战争的潜在导火线。核电站核物质的泄漏1986年4月26日凌晨1时30分，在苏联白俄罗斯乌克兰大森林地带东部的切尔诺贝利核电站第4号机组发生的一次反应堆堆心毁坏、部分厂房倒塌的灾难性事故。当场造成31人死亡，大量强辐射物质泄漏。俄罗斯大约4300个城镇和村庄坐落在切尔诺贝利核电站事故后遭

3、受放射污染的区域。苏联切尔诺贝利核电站事故苏联切尔诺贝利核电站事故美国三里岛核电站事故1979年3月28日凌晨4时，美国宾夕法尼亚州的三里岛核电站第2组反应堆的操作室里，红灯闪亮，汽笛报警，涡轮机停转，堆心压力和温度骤然升高， 2小时后，大量放射性物质溢出。 日本福岛核电站严重事故介绍日本核电概况：1966年，日本第一座核电站开始商运。日本有17个核电站、共55台机组，核电占发电比重30%，预计至2017年，将占到40%。一、日本核电现状及福岛核电站情况 日本核电站分布图福岛核电站：（目前世界最大核电站）由福岛一站和福岛二站组成，共10台机组（一站6台，二站4台），均为沸水堆福岛第一核电站厂区

4、布置图一、日本核电现状及福岛核电站情况 二、福岛核电站事故主要进程 2011 年3月11日14时46分（北京时间13时46分）发生在日本本州东海岸附近海域的里氏9级地震历史最大。 地震震中位于北纬38.1度，东经142.6度，震源深度约20公里； 地震引发约14米高海啸超过电站防波堤（约5.7米）。地震发生，控制棒插入堆芯，在运机组自动紧急停堆，厂外电失去，应急柴油发电机自动启动厂内柴油机正常启动对堆芯实施冷却，约一小时后，地震驱动的海啸淹没了厂房，导致应急柴油机、泵、阀门和其它设备不可用，最终导致超设计基准全厂断电事故使得堆芯余热不能及时导出，堆芯状况逐步恶化，冷却水蒸发导致燃料棒裸露燃料棒

5、高温情况下与水蒸气发生反应（鋯水反应），产生氢气氢气聚集，反应堆厂房发生氢气爆炸，建筑物受损衰变热无法导出（衰变能约占裂变能的7），也使得燃料棒不断升温，裸露部分开始融化后续3、4号机的乏燃料水池也因为失去冷却，引发燃料融化风险事故过程二、福岛核电站事故主要进程 放射性蒸汽外泄堆芯裸露，包壳快速升温锆水反应，产生氢气开阀泄压，部分放射性外泄压力容器严重超压燃料棒裸露锆水反应，产生大量氢气，这是后面发生爆炸的根本原因继续升温，冷却水大量蒸发放射性蒸汽外泄21氢气爆炸压力容器泄压，蒸汽通过泄压水池释放到反应堆厂房中带有大量氢气的水蒸气进入到厂房中与氧气混合，发生所谓“氢气爆炸”反应堆压力容器安全壳

6、反应堆厂房氢气爆炸爆炸后，众多猜测和误解压力容器内爆炸？安全壳内爆炸？非也！安全壳外厂房爆炸氢气爆炸爆炸后，反应堆厂房房顶被掀开，只剩下钢架。通过爆炸后的辐射剂量大小可以预测：压力容器和安全壳总体上完整。尽管发生爆炸，但是后果没有那么严重！爆炸前爆炸后与三里岛（TMI）核电事故比较福岛核电站事故比TMI核电事故严重！三里岛核电厂安全壳在事故中保持完整日本福岛核电站安全壳在氢气爆炸后出现裂痕VS反射性物质被包容在安全壳内，对环境影响甚微放射性物质已经泄露到环境中去VS三里岛核电厂应急给水系统正常开启，且持续向堆芯注入冷却剂日本福岛核电站应急给水系统被海啸摧毁，堆芯冷却被迫暂时中止VS与切尔诺贝利

7、（Chernobyl）核电事故比较福岛核电站不会重演切尔诺贝利悲剧！切尔诺贝利核电站为压力管式石墨慢化沸水反应堆反应堆系统试验过程中发生功率瞬变引起的瞬发临界而造成的严重事故切尔诺贝利反应堆设计具有缺陷：正的空泡系数；无反应堆压力容器日本福岛核电站为轻水慢化冷却反应堆地震时，日本福岛核电站的反应堆已及时自动关闭，因此不会发生瞬发临界日本福岛核电站具有放置反应堆的15cm厚的不锈钢压力容器，冷却剂为负反馈系数VSVSVS福岛我国地震地震带地质结构稳定海啸发生基本不具备发生条件技术标准60年代90年代安全壳承压能力较弱较强安全壳消氢无能动+非能动全厂断电汽动泵汽动泵+非能动系统严重事故管理导则无已

8、有并全面推广三、经验反馈、改进及启发 无论对二代还是三代核电站、压水堆还是沸水堆，福岛核电站严重事故均给我们很多改进启示：1.厂址抗震能力厂址选择2.厂址防海啸、洪水能力设计考虑和现行改进3.预防严重事故发生应急电源、应急水源4.严重事故缓解氢气复合器、过滤排放、SAMG5.应急响应能力公众撤离6.事故后续处理、放射性物质处理设备、技术三、经验反馈、改进及启发 2004年7月12目唐山市发生工业探伤机放射源“Se-75”(100居里)遗失,导致数十名工地工作人员受到不同程度辐射事故,其中4人伤情相对严重。事故经过:2004年7月12日凌晨3点钟,唐山市热电厂工程工地上,工作人员正在用“工业探伤

9、机”,对电焊焊接的钢板进行工业探伤拍片检查,工作中不慎将探伤机中的放射源遗失在现场，上午上班后，被值班领导捡到，装入上衣口袋，后又装入裤子口袋，且直到中午与工人一起吃晚饭后，在从口袋中掏出放入办公室抽屉中，造成较大辐射损伤。工业和医疗上的核物质丢失2014年5月7日，发生在南京的一起因天津宏迪检测公司4名工作人员在放射源操作和保管过程中违反相关规定，导致放射源铱-192丢失的事件。工业和医疗上的核物质丢失核废料的不当处理乌克兰的核废料污染2. 辐射的生物效应及其危害32生物效应作用途径原发作用继发作用射线的能量或粒子直接引起生物分子的电离、激发和断裂，造成生物组织结构和功能的损伤（早期发生）射

10、线直接作用下产生的自由基（主要是水自由基），对生物分子的损伤作用（代谢、功能、结构）33（一）辐射的生物效应 辐射生物反应的演变过程辐射与人体相互作用会导致某些特有生物效应其性质和程度主要取决于人体组织吸收的辐射能量，演变过程如图所示。辐射损伤示意图主要作用位点： DNA生物效应 躯体效应 遗传效应 2.辐射的生物效应 辐照对受照者本身的有害效应；是由于人体普通细胞受损引起的；只影响到受照者个人本身。辐射引起人体细胞内的基因突变；是生殖细胞受损伤引起的有害效应；影响到受照者后代的身体缺陷。（二）辐射对人体的危害 1.急性放射病 由大剂量急性照射引起，多为意外核事故、 核战争造成。全身性辐射损伤

11、局部性辐射损伤按射线的作用范围，短期大剂量外照射引起 的辐射损伤可分成2.远期影响 主要是慢性放射病和长期小剂量照射对人体 健康的影响，多属于随机效应。 慢性放射病是由于多次照射、长期累积的结果。危害取决于受辐射时间和辐射量辐射剂量与机体反应3.辐射防护技术方法分类 内照射呼吸道吸入消化道吸入皮肤沾染射线照射人体途径 外照射接触放射源内照射防护 避免食入 减少吸收 增加排泄 清除污染 指定区域操作 避免环境及操作场所污染 定期检查与监测 严格存放放射性药品及其他放射源预 防 措 施时间防护 距离防护 屏蔽防护外照射防护措施辐射防护原则时间Dose rate x Time = Dose剂量率x时

12、间=剂量在放射区域里的时间越短接受的剂量越小辐射防护原则 距离离放射源尽可能远剂量和距离平方成反比A1D2D1A2_=2A1 = Dose rate at distance D1A2 = Dose rate at distance D2 辐射防护原则屏蔽辐射防护一般措施辐射类型措 施说 明外照射的防护距离防护 其他条件不变时，操作人员所受剂量的大小与距放射源距离的平方成反比，故实际操作应尽量远离放射源时间防护 其他条件不变时，操作人员所受剂量的大小与操作时间成正比。故工作人员须熟悉操作，尽量缩短操作时间，从而减少所受辐射剂量屏蔽防护 是射线防护的主要方法，依射线的穿透性采取相应的屏蔽措施。对射

13、线，戴上手套，穿好鞋袜，不让放射性物质直接接触到皮肤即可；对射线，用一定厚度（一般几毫米）的铝板，有机玻璃等轻质材料即可完全屏蔽；具强穿透力的射线是屏蔽防护的主要对象内照射的防护防止呼吸道吸收 气体放射性核素如氡(Rn)，氚（3H）等可由呼吸道进入人体而被吸收，吸收率的大小与放射性核素的溶解度成正比防止胃肠道吸收 被放射性核素沾污的食物、水等，经口由胃肠道进入人体，吸收率的大小取决于放射性核素的化学特性，碱族（如24Na、137Cs）卤素（如18F、36Cl、131I）的吸收率高达100%，稀土和重金属元素的吸收率最低，为0.001%0.01%防止由伤口吸收 某些放射性核素如Rn、3H、131

14、I、90Sr（液体）可透过完整皮肤进入人体，吸收率随时间增长缓慢，当皮肤上有伤口时，吸收率就增加几十倍以上，并使伤口沾污形成难以愈合的放射性辐射防护一般措施4.放射性废物处理技术 放射性废物：含放射性核素或被之污染，其 浓度或比活度大于规定的清洁解控水平，预期不会再被利用的废弃物。处理基本途径浓缩及固化处理与环境隔绝长期安全存放净化后有控制排放去污后再循环利用 IAEA放射性废物管理基本原则 （三）放射性废物的处理原则 No.基本原则说 明1保护人类健康必须确保对人类健康的影响达到可接受水平2保护环境必须确保对环境的影响达到可接受的水平3超越国界的保护考虑超越国界的人员健康和环境的可能影响4保

15、护后代必须保证对后代预期的健康影响不大于当今可接受的水平5给后代的负担放射性废物管理必须保证不给后代造成不适当的负担6国家法律框架必须在适当的国家法律框架内进行，明确划分责任和规定独立的审管职能7控制放射性废物产生放射性废物的产生必须尽可能最少化8放射性废物产生和管理间的相依性必须适当考虑放射性废物产生和管理的各阶段间的相互依赖关系9设施安全必须保证放射性废物管理设施使用寿期内的安全我国放射性废物管理40字方针 （三）放射性废物的处理原则 减少产生、分类收集、净化浓缩、减容固化、严格包装、安全运输、就地暂存、集中处置、控制排放、加强监测。 依据IAEA的基本原则制定 二、放射性废液处理技术 三

16、、放射性废气处理技术 一、放射性固体废物处理技术 一、放射性固体废物处理技术 放射性固体废物 湿固体 干固体 蒸发残渣、沉淀泥浆、废树脂等焚烧炉灰、污染用品、工具、设备、废过滤器芯、活性炭等（一）固化技术 （二）减容技术 一、放射性固体废物处理技术 （一）固化技术 固化对象：弥散性物质 放射性废液处理产生的泥浆、蒸发残渣和废树脂等湿固体；焚烧炉灰等干固体固化：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。 理想的废物固化体主要特性指标 （1）低浸出率浸出率：确定固化产品中放射性核素在水或其他溶液中析出情况的指标。低浸出率：使放射性污染的扩散减至最小，固化体可长时间存放在地下

17、处置库或水中。 （2）高热导率使固化体因内部温度过高而损坏的可能性减至最小；容许固化高浓度的放射性废物，又不致产生过高的内部温度。（3）高耐辐射性保证固化体不致由于放射性废物产生的辐射而损坏。（4）高生化稳定性和耐腐蚀性 保证固化体不致由于周围环境介质的腐蚀或本身所含有的化学物质的腐蚀而损坏。 （5）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，而不致出现破裂或粉碎。（6）高减容比最终固化物体积应小于掺入的废物体积减容比的大小取决于能嵌入固体中的废物和可以接受的水平是鉴别固化方法和衡量最终处置成本的一项重要指标。 1.固化的一般要求 2.常用固化方法 项目水泥固化沥青固化塑料固化玻璃

18、固化陶瓷固化干废物包容量/%(质量百分数)5403060306010301530密度/（ gcm-3 ）1.52.51.11.91.11.52.53.02.53.0浸出率/(gcm-2d-1)10-4 10-110-5 10-310-610-310-710-410-810-5抗压强度/MPa1030塑性20100(或塑性)脆性高耐辐照/Gy约108约107约107约109约109投资低中中高高操作和维修简单中等中等复杂复杂适用性低、中放废物低、中放废物低、中放废物高放、废物高放、废物应用状况工业规模工业规模工业应用工业应用研究开发常用固化方法（二）减容技术 目的：减少体积，降低废物包装、贮存、

19、运输和处置的费用。 1.压缩 2.焚烧 原理依靠机械力作用，使废物密实化，减少体积。 1.压缩 优点操作简单，设备投资和运行成本低；在核电厂应用相当普遍。缺点减容倍数比较低(210) 。原理将可燃性废物氧化处理成灰烬(或残渣)。优点减容比大(10100倍);可使废物向无机化转变，免除热分解、腐烂、发酵和着火等危险;可回收钚、铀等有用物质。 2.焚烧 对放射性废物焚烧，要求：采用专门设计的焚烧炉；炉内维持一定负压；配置完善的排气净化系统；焚烧灰渣应进行固化处理或直接装入高度整体性容器中进行处置。注意二、放射性废液处理技术 放射性废液处理技术 低、中放废液 高放废液 絮凝沉淀、蒸发、离子交换（或吸附）和膜技术(