辐射安全与核法证研究

1、2020/9/10,1,辐射安全和核法证研究 孙 颖中国工程物理研究院 2012.9.21 西科大,2020/9/10,2,目 录 一、引言 二、核与辐射的一般概念 三、辐射生物学浅解 四、核法证学研究,2020/9/10,3,一、 引 言,2020/9/10,4,从2011年3月11日说起,福岛第一核电站 2011年3月11 日 1:46pm（北京时间）,2020/9/10,5,1,4,5 6,2011年3月11 日 1:46pm（北京时间） 福岛第一核电站 堆型：沸水堆 1，2，3机组，运行，4，5，6机组，检修,2020/9/10,6,2020/9/10,7,事故序列： 地震引发自动停堆

2、、两路外网失电、应急柴油机启动冷却（余热） 1小时后，14m海啸漫堤，应急柴油机丧失，后备电池启动 几小时后电池耗尽，包括冷却系统、给水系统，停止工作 堆芯余热无法排出，温度升高、压力容器压力升高，水位下降；乏燃料水池温度上升， 水位下降，熔化； 锆水反应，堆芯熔化，安全壳压力升高；辅助厂房遭到破坏，起火，放射性物质释放 安全壳卸压； 反应堆厂房氢气聚集，氢气爆炸，放射性物质释放。,2020/9/10,8,2020/9/10,9,2020/9/10,10,举国启动相应的环境监测 卫生系统两批启动共22家监测机构,2020/9/10,11,食盐、酱油断档,2020/9/10,12,个人认为：31

3、1以后的部分风潮，说明了公众自身安全意识增强；说明了危机信息及时透明管理的重要；但也说明了公众对于核电、核辐射知识的缺乏！,2020/9/10,13,二、核与电离辐射的一般概念,2020/9/10,14,2020/9/10,15,2020/9/10,16,核素表 周期表元素包含的核素有3000余种，稳定的272种，其余为放射性核素 。,2020/9/10,17,2020/9/10,18,自然界存在钍系，锕系，铀系及寿命较短的镎系（2.25106年）等四个天然放射系。此外还有非系列的如40K（1.28109年）87Rb（4.81010年）等放射性核素、宇宙射线产生的放射性核素3H、7Be等。 人

4、工輻射源包括反应堆、加速器等辐射装置和实验室使用的相关放射源、民用（如医療使用的）辐射源，以及核试验所產生的放射性沉降等。,2020/9/10,19,在t到t+t时间内，原子核的衰变数N与t时刻的原子核数N和时间间隔成正比： N=Nt 式中=0.693/T1/2，放射性的单位为Bq,单位时间的衰变数。 半衰期T1/2 ：放射性原子核衰变了原来数目的一半所需要的时间。,放射性衰变，半衰期 放射性元素都按自身规律随机地衰变，放出、和辐射或其组合。 易裂变材料裂变时释放出中子和。,2020/9/10,20,常见的电离辐射：、（x）和n,射线：氦原子核，带正电荷，射程短、穿透力弱，一张纸就能将其挡住。

5、无外照射危害，但一旦进入人体就会对器官造成严重内照射危害； 射线：电子，有一定电离能力，穿透力比射线强得多，能穿透皮肤角质层而损伤组织。几毫米厚铝就完全屏蔽，属轻微外照射危害因素。进入体内时不如危害大； （ x ）射线：由原子核发射的光子。本身不能使物质原子电离或激发，通过次级电子引起物质的原子电离或激发，电离能力弱但贯穿能力强，又称贯穿辐射。绝大多数情况下要考虑射线的屏蔽防护； 中子，n ：由核反应产生，属贯穿力很强的辐射，辐射危害是射线的2.5倍，它与物质作用产生反冲原子核、质子和。,2020/9/10,21,辐射与物质的相互作用 带电粒子：主要与原子核和电子作用，使运动中的带电粒子改变其

6、方向（库仑散射）和损失能量。能量损失主要有电离（速度不大时，带电粒子激发物质中的电子或者将其电离而损失能量）、韧致辐射（能量很大时，电子在原子核库仑场中改变速度而产生韧致辐射和契伦柯夫射线）及粒子与反粒子的湮灭辐射； 和x射线，与物质作用时，能量损失方式不是逐个粒子失去能量而是若干光子的整个失去，主要有三种：光电效应（当光子能量较低时，单个光子将全部能量转给一个原子的电子，使该电子克服结合能迁移到另一个能量较低的结合态或电离态）、康普顿效应（当光子能量比电子结合能相近时，电子对光子的散射是相干的汤姆孙散射，当光子能量比电子结合大得多时，为不相干的散射）和产生电子偶。,2020/9/10,22,

7、中子：包括中子与原子核碰撞发生弹性和非弹性散射而被慢化，与原子核发生（n, ）反应而被俘获吸收及其它核反应。,2020/9/10,23,2020/9/10,24,三、辐射生物学浅解,2020/9/10,25,电离辐射将能量传递给有机体引起的任何改变，统称为电离辐射生物学效应。 人类的放射损伤是一种严重的病理性辐射生物效应。 自由基：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。自由基最大特性是化学不稳定性和高反应性，寿命很短，如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。 电离辐射直接引起靶分子电离和激发而发生物理化学变化，

8、生成生物分子自由基；也可作用于生物分子的周围介质(主要是水)生成水的辐解自由基，其与生物分子发生作用，间接生成生物分子自由基。,2020/9/10,26,三种主要辐射生物损伤： 1、生物分子损伤是一切辐射生物效应的物质的基础。而生物分子损伤与上述自由基生成密切相关。,2020/9/10,27,生物分子损伤与修复：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，分子化学键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。 被损伤的生物分子，可

9、以通过各种方式进行修复。在自由基反应阶段(10-5s内)，若介质中存在能供氢的，如含巯基化合物(谷胱甘肽G-SH等)分子，则生物分子自由基可被修复，称化学修复。 氧能增强辐射效应：有O2情况下，生物分子自由基被氧化成超氧自由基而难以修复。 2、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。,2020/9/10,28,DNA分子损伤包括： 碱基变化：碱基环破坏、碱基脱落丢失、碱基替代，即嘌呤碱被另一嘌呤碱替代，或嘌呤碱被嘧啶碱替代和形成嘧啶二聚体等。 DNA链断裂：是辐射损伤的主要形式。磷

10、酸二酯键断裂，脱氧核糖分子破坏，碱基破坏或脱落等都可以引起核苷酸链断裂。包括单链断裂和双链断裂。双链断裂难以修复，是细胞死亡的重要原因。,单链断裂,双链断裂,2020/9/10,29,DNA交联：DNA分子受损，在碱基间或碱基与蛋白质间形成了共价键，而发生DNA-DNA交联和DNA-蛋白质交联。 DNA合成抑制和分解 辐射能使DNA合成抑制、合成DNA所需的4种脱氧核苷酸形成障碍、酶活力受抑制、DNA模板损伤、启动和调控DNA合成的复制子减少，以及能量供应障碍等。 在DNA合成抑制的同时，辐射可能破坏了溶酶体和细胞核的膜结构，使DNA分解代谢明显增强。增加了DNA的降解。 DNA结构的完整与稳

11、定在生物学上有着特别重要的意义。 辐射所致DNA碱基的损伤或脱落改变了密码，将引起基因的突变。,2020/9/10,30,3、电离辐射对蛋白质和酶的作用 分子破坏 辐射可使蛋白质和酶分子发生分子结构的破坏，包括肽键电离、肽键断裂、巯基氧化、二硫键还原、旁侧羟基被氧化等，从而导致质蛋白质发子功能的改变。 影响合成 辐射对蛋白质生物合成的影响比较复杂，有的被激活，有的被抑制，有的呈双相交化，即先抑制而后增强。在血清蛋白方面，照射后血清白蛋白和球蛋白含量下降，而和球蛋白含量升高。虽然血清蛋白质成分有升有降，但蛋白质净合成是下降的。 增强分解代谢 辐射使蛋白质分解代谢增强非常显著，主要是许多蛋白质水解

12、酶活力增加，促使细胞内和细胞外蛋白质分解增强。同时，照射后机体摄取食物减少，加剧了蛋白质分解代谢，释出大量游离氨基酸。,2020/9/10,31,辐射生物学效应的其它分类方法： 按照射方式分： 1外照射与内照射：辐射源由体外照射人体称外照射。线、中子、X线等外照射的生物学效应强。 放射性物质进入机体，以其辐射产生生物学效应者称内照射。内照射的作用主要发生在放射性物质通过途径和沉积部位的组织器官，但其影响可波及全身。内照射的效应以射程短、电离强的、射线作用为主。 2局部照射和全身照射 当外照射的射线照射身体某一部位称局部照射。局部照射时身体各部位的辐射敏感性依次为腹部胸部头部四肢。 当全身均匀地

13、或非均匀地受到照射而产生全身效应时称全身照射。,2020/9/10,32,按照射剂量率分 1急性效应：高剂量率照射，短时间内达到较大剂量，效应迅速表现。 2慢性效应：低剂量率长期照射，随着照射剂量增加，效应逐渐积累，经历较长时间表现出来。 按效应出现时间分 1早期效应：照射后立即或数小时后出现的变化。 2远期效应：亦称远后效应，经历一段时间（一般6个月以上）表现出的变化。 按效应表现分 1躯体效应：受照射个体本身所发生的各种效应。 2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。,2020/9/10,33,辐射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。 按效应发生和剂量的关

14、系分 1确定性效应，旧称非随机性效应： 指效应的严重程度（不是发生率）与照射剂量的大小有关，存在阈剂量。如白细胞减少、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）与照射剂量的大小无关，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。,2020/9/10,34,辐射生物学效应还与辐射本身和受照个体有关： 1、辐射类型：传能线密度LET高辐射在组织内能量分布密集，生物学效应相对较强。故在一定范围内，LET愈高，相对生物效应愈大； 2、剂量和剂量率：一般剂量越大，效应越强； 3、受照个体：不同的自然人对辐

15、射的敏感性不同。,辐射对生物的作用是一系列非常复杂过程。由于生命的新陈代谢，电离辐射对生物的作用过程不仅仅是损伤过程，同时还存在修复过程。最后生物的各种畸变，细胞的分裂以及致死是两个过程共同作用的结果。 只有具体研究这些过程的产生、变化和相互联系，才能最终阐明辐射对生物作用的本质。,2020/9/10,35,辐射的生物效应,2020/9/10,36,250毫希沃特以下的照射不会发生损伤，所以天然辐射、医疗照射和核工业厂矿、核电厂正常运行的辐射照射，对人体的健康是不会有影响的。,2020/9/10,37,人们很早就认识和重视辐射危害。国际放射防护委员会（ICRP），制定出了辐射剂量的世界统一标准

16、，对公众的剂量限值，相当于10-610-5危险度。雷击引起死亡的危险度约为310-6。在生活中，没有人担心哪一天雷击会打死自己。,不必要忧心忡忡、过分担心辐射伤害!,2020/9/10,38,四、核法证学 （Nuclear forensics）,2020/9/10,39,Nuclear Forensics 中文译名探讨,按照Wikipedia的解释： Forensic来自拉丁文的形容词 forensis，意指论证的，或论证前的; Forensics来自Forensic science的缩写,是众多学科（科学）为满足回答法律方面所提问题而进行的实践活动（或应用）； Forensics 由许多二级

17、学科共同组成的，运用来自自然科学的技术获取刑事或其他法定证据. 现代用法认为用forensics替代forensic science是不正确的，因为forensic实际已成为“法定的” 或者 “与法庭相关的”同义词；,2020/9/10,40,Forensic Science的汉语译法,中文网络搜索结果： 法庭科学（19），法医学（76），法科学（3），刑事科学（1）。 其中法医学的译法占多数，但某法律文库网站的名词纠错的作者坚持用“刑侦科学”，而不是法庭科学，认为法庭科学与庭审程序有关，而刑侦科学是一类技术总称。 Nuclear Forensics作为一个新概念，主要用于对核材料走私事件、核

18、恐怖威胁发生后的判别、溯源等，这种判别、溯源过程称为Nuclear forensic investigation或Nuclear forensic analysis。 最近一个比较恰当的译名为核法证学,包括法证(Forensics)和归因 (Attribution),2020/9/10,41,Model action plan for nuclear forensic analysis,2020/9/10,42,9.11恐怖袭击后非传统领域的安全得到更多重视，公众对恐怖风险的承受能力受到挑战。随着核走私案件数量再次跃升，查清核和放射性材料的性质、来源、责任人以及可能的用途的需求，促进了一门学科

19、核法证学（Nuclear Forensic)的发展。为防扩散、反恐怖等作出贡献。,2020/9/10,43,取证学发展了一个多世纪后，到二十世纪已为成熟科学 Francis Galton 1892年出版指纹分类方法论; Hans Gross 1893年出版第一部描述刑事调查的科技 应用(手稿)。 W.C.伦琴1895年发现了X射线; 20世纪的头十年，原子结构和血型得到了阐述。 取证学专家Paul Kirk为曼哈顿计划做出了重 要贡献。,2020/9/10,44,H.R. 730:Nuclear Forensics and Attribution Act,2010年2月16日，美国参众两院通过

20、了包括核取证为主要内容的法案，成为正式法律文书 No: 111-140. ；,2020/9/10,45,Livermore1980年起把核取证作为核试验计划的一个分支，DOE指定Livermore负责领导国家实验室开展核刑侦分析的研究。 2003年基于Livermore在核诊断学方面的经验，国家安全部（DHS）让其开始进行非爆炸材料属性研究的国家计划。 Livermore researchers use techniques such as electron microscopy, x-ray diffraction, and mass spectrometry to analyze inte

21、rdicted radiological and nuclear materials,2020/9/10,46,自从1991年来，欧洲各国边境上已经有数百起从走私者处收缴可疑核禁运品的案例，这其中包括铯、钴、钚以及高浓铀等。这些走私的核材料或放射性物质流入恐怖组织手中，制造出核装置或脏弹将给国际安全带来极大威胁。,2020/9/10,47,作为一种方法或工具, nuclear forensic在人类首次核试验之前就已经存在，之后在美苏削减核武器的过程中得到发展，并最终在反核走私、核保障与CTBT核查显示了重要作用。在反恐方面的能力与作用在2001年911后备受重视。其中美国LLNL实验室作出了

22、巨大贡献。 1995年，28国 ITWG （Nuclear Smuggling International Technical Working Group ）成立，是nuclear forensic在全球迅速发展的重要里程碑。,美国在核取证学研究及应用中扮演的角色：积极倡导者：上世纪为防扩散，本世纪强调反核恐技术支持者：ITWG 的重要成员，几乎所有相关活动的参与者; LLNL和LANL, PNNL,ANL, SRNL, ORNL, SNL, INL(Idaho)；国土安全部、国务部、国防部和能源部均设立机构和项目资金提供者： IAEA成员国资助计划的最大贡献者，美国国内基金会对核取证强烈关注

23、，支持力度大,2020/9/10,48,核法证工作在国际上得到了广泛的支持，有关核法证的国际会议竞相召开。,核法证(Nuclear forensics)包括对被截取的非法的核材料、放射性以及相关材料进行测定，分析和提供核认证依据。测定分析的目的是对被截取的核、放射性样品或者周围环境，例如输运这些材料的交通工具等鉴别出能够作为取证的标志。这些标志与材料本身的性质以及制作历史有着内在联系。,奥巴马总统2009年访华的主要话题之一； 2010年世界核安保峰会的主要议题之一； 核取证可能是“中美核安保联合演示中心”主要合作内容； CISAC等民间组织分别与中国进行了多次交流,2020/9/10,49,

24、铀化合物还原中还原剂残留物 Na、C、Mg、Ca、I、S等,制取过程引入环境杂质 反应器基材元素、精练坩埚内表面涂层材料（ Be、 Ca、F、）冶金、机械加工工具材料 （硬合金、金属基陶瓷、氧化铝基陶瓷、SiN4基陶瓷、涂层高速钢、金刚石、立方氮化硼等 ） 调节同质异性相或化学反应向基材中加入少量特定元素 钚材料：Ga、Al；铀材料中：Nd、Zr、Mo,不同国家采用不同的生产方式制备，材料中非核元素组份和含量不尽相同。借助材料中相关非核元素含量及同位素的差异，可折射出对应材料的生产方式或生产工艺。,反应堆特征 中子毒物元素Gd、B压水堆和沸水堆燃料 燃料包层元素 不锈钢、Zr合金、Mg、 Zr

25、-气冷堆，SiC-Pebble-bed堆,铀材料的特征与其履历,2020/9/10,50,核法证：是对被截取的非法核、放射性以及相关材料进行分析，并为核认证提供依据。,Nuclear forensics,核认证：鉴别非法行为中的核、放射性物质来源的处理过程，确定材料出处及转化流程，最终为打击非法行为提供法律凭据,Nuclear Attribution,特性描述是对于材料放射性属性的描述。,Characterization,核法证阐述是处理材料特征和生产历史关系的程序。,Nuclear forensic interpretation,完整的核法证的内容：,2020/9/10,51,一旦发现/截获

26、了材料，核法证 解决： 它是否核材料？什么核材料，铀？钚？什么级？堆级？武器级？乏燃料？核废料？还是商用材料？ 从那里来的？是谁的？现在归谁所有？ 他们是如何得到的？如何从合法到非法？经由途径？得到谁的帮助？涉及那些国家、单位？ 用它来干什么？意图、用途、现实和潜在危险？ 还有更多吗？孤立事件还是系列事件？ 如何处置、对付？,2020/9/10,52,样本的基本特征,表征 物理特征：包括（固体材料的）表面、组织结构、尺寸和形状；（非成形材料的）粒度分布。晶相、杂质、夹杂等与制备工艺相关； 表征：形状、尺寸-Visual observation , Ruler 特性-XRF, -Spectrom

27、etry 表面-SEM，Optical Microscope 化学特征：化学组成或分子组态等。 材料的各种化学组态（如对铀，UO2、U3O8、UO3）、组成与不同的操作条件有关，与此相关的有机物如煤油、TBP等与后处理工艺有关； 表征：杂质成分-ICP-MS, ICP-AES,2020/9/10,53,元素特征：包括常量、微量和痕量元素，其丰度，化合物的状态以及相的结构。 常量判断系何种材料，微量组分等可作其他 相关判断；痕量用作工艺的判断。如Fe、Cr来自不锈钢。 表征：微观结构-SEM,TEM,SIMS,XRD,Emission Spectrum,Chemical Analysis, XP

28、S同位素特征：包括核材料、裂变产物和中子活化产物的同位素组成 判断是否堆照过，在何种堆辐照等。232U、233U、236U的比例用以评估什么堆，母子体（230Th/234U，235U/239Pu）衰变产物量年龄；地域标记元素如O2、Sr、Pb的同位素组成与产地、制备与后处理工艺相关。 表征：铀同位素比-ICP-MS,TIMS,-Spectrometry 年龄- Spectrometry , ICP-MS,TIMS,-Spectrometry,2020/9/10,54,表： 取证分类,2020/9/10,55,表： 取证技术,2020/9/10,56,取证分析的典型案例（LLNL的工作）,案情：

29、1999年5月29日午夜，保加利亚边境安全卫兵对正由土耳其入境的汽车进行搜查，发现了一张便签上面用斯拉夫文写有“99.99，U235”，汽车后备箱的便携式的空气压缩机中搜出一个小铅罐：铅罐盖贴标签纸，铅罐中灌有黄蜡，黄蜡中孔装有一个玻璃安瓶，一张硬质纸将安培瓶与黄蜡隔开，瓶中装有数克的黑色粉末。,2020/9/10,57,对物证的分析 在对其初步判断的基础上 应用了以下分析技术：光学显微镜；带能量色散X光分析的扫描（发射）电子显微镜；X光电子衍射仪；化学与放化分析（包括谱、谱和质谱）；发射光谱；离子、气体、凝胶电泳色谱；气体色谱质谱；红外光谱；X光光电子谱；X光荧光光谱；冶金分析等。 黑色粉末

30、 扫描电镜，透射电镜，X荧光分析 精练的氧化铀粉末，两种主要成分：氧化铀和一种氢氧化氟化铀酰。其中氧化铀占90。单个粒子形状，粒径大约在0.1m1.0m，主要是粒径较小的占大多数。,2020/9/10,58,放射化学分析 样品溶解分离进行谱和谱分析 主要成分为238U、236U、235U、234U、233U和232U包括230Th等。此外比较明显的还有241Am，242Pu、241Pu、240Pu、239Pu和238Pu237Np，其余有裂变产物125Sn、134Cs和137Cs。说明该高浓铀样品是来自于堆照、后处理的铀。 铀年龄测量 选取U和Pu的衰变链上的9种放射性计时核素测定铀的年龄。该

31、高浓铀最后一次进行化学处理的时间为1993年10月30日。 质谱分析 该高浓铀样品采用了SIMS，TIMS和ICP-MS分析了铀同位素丰度。为高浓缩铀，235U约为73，可以判断为武器级铀，通过铀的同位素丰度组成可以看出，235U最初丰度约为90，长期在堆中辐照， 235U燃耗约50。 杂质分析 采用电感耦合等离子体质谱ICP-MS，火花源质谱，发射光谱及离子色谱等多种技术手段分析了从锂到钍的72种元素含量。其中Cl，S，Fe和Br占了将近总量的60。说明该高浓缩铀样品来自于来自于某大批量样品处理过程。,2020/9/10,59,铅罐 光学显微镜和扫描电镜分析 该铅罐表层为一层高铅含量的铅合金

32、 带能量色散的x射线荧光扫描电镜（SEM-EDX）分析 其中大约掺有5wt的Sb。在湿度很大的环境中经过了长时间的放置。 外表面的形貌特征观察 该铅罐在成型和表面处理工艺非常粗糙，未发现一些机械手段例如端铣刀或是车床的使用痕迹，成型时未采用模锻挤压。容器形状缺乏线性，说明是采用一种很粗陋的模具有可能是用沙子手工成型的。详细的冶金工艺分析获得证实。 取样，表面抛光、刻蚀分析 有铸造铅的形貌特征。 采用SEM-EDX 在铅的凹纹中残留有一种铝硅的化合物，类似于蓝晶石（Al2SiO5）。,2020/9/10,60,黄蜡 傅立叶变换红外光谱（FTIR）分析 黄蜡的分子组成为一种石蜡衍生物（CnH2n+

33、2）。借助于Sadtler标准数据库，比较（主要有氯化石蜡、巴西棕榈蜡、聚乙二醇300、或蜂蜡），没有发现与商用蜡相符合的的，而发现与一种石蜡基蜡Parowax非常接近。 x荧光分析 黄蜡的黄色成分含有BaCrO4，Cr被认为是一种致癌物质，目前美国和西欧已禁用，但是在巴西、中国、印度及一些东欧国家仍广泛使用。 固相微萃取技术制样、 GC-MS分析 得到指纹分析所需的该黄蜡的有机成分详细数据。 毛细管融点测温仪 测定黄蜡的融点为53至55。 凝胶渗透电泳色谱分析 黄蜡的分子量为3932.3，26个碳原子链的聚合体。,2020/9/10,61,标签纸及内衬纸 标签纸：38漂白软木浆23半漂白软木浆39漂白硬木浆。