大氣放射性

大氣中某些物質的原子核能發生衰變，放出我們肉眼看不見也感覺不到的射線，只能用專門的儀器才能探測到的射線。大氣中物質的這種性質叫大氣放射性。

基本介紹

• 中文名：大氣放射性
• 外文名：Atmospheric radioactive 
• 原理：原子核能發生衰變

大氣放射性物質

存在於大氣中的含有一種或多种放射性核素的物質。這些放射性核素通過放出射線以一定速度衰變為另一種核素，其衰變速度用半衰期表示。
大氣放射性物質的來源有三個：

①由地面天然放射性礦物釋放出來；

②由宇宙射線轟擊大氣中某些組分而形成；

③由人類活動（如核試驗、原子能工業等）而產生。對流層的天然放射性核素，大部分由第一個來源產生的。

大氣放射性監測

重要性

大氣中放射性核素的監測，是常規監測以及核事故情況下放射性監測的一個重要手段，在大氣放射性核素監測中，獲得連續性具有代表意義的樣品，是取得準確數據和可靠結論的前提與基礎。我國在以往的空氣放射性核素監測工作中多針對特定場所、設施，環境大氣放射性氣溶膠監測工作開展較少，連續不間斷監測更未見報導，所用採樣器的流量(指單位時間內採樣體積)一般不超過100m³ /h。

採樣式監測方法

環境監測網路由分布在不同位置處的大量輻射監測站組成，輻射監測站的性能指標直接決定了監測網路的探測性能。由於大氣放射性分布範圍很廣，而且濃度很低，為了實現低本底測量，輻射監測站所使用的探測系統往往採用抽樣富集測量方式，如放射性氣溶膠監測中的濾紙過濾方式和裂變氣體監測中的變壓吸附方式。

大氣放射性核素監測的兩種重要設備，分別是用過濾法捕集大氣氣溶膠的超大流量氣溶膠採樣器，和用吸附法富集大氣中氙的大氣氙取樣器。我所研製的超大流量氣溶膠採樣器，採樣流量為500～800m3/h，濾材收集效率>80%（0.2μm），採樣器總效率>60%（10μm），對134Cs的最小可探測濃度（MDC）m3；大氣氙取樣器[6]的取樣流量>9 m3/h，氙獲取量>5ml/24h，對133Xe的MDC<0.25mBq/m3，性能指標不低于禁核試條約組織（CTBTO）的國際監測系統（IMS）的技術要求。福島核事故後，我們在西安進行了為期3個月的大氣取樣分析，監測到了131I、134Cs、137Cs、133Xe等核素的濃度變化情況，發現其濃度異常偏高，初步判斷來自於福島核事故的泄漏。

非採樣式監測方法

與富集測量方式不同，研究者利用蒙特卡羅( MC) 方法和理論模型建立一種非採樣式大氣放射性測量方法，將未禁止的閃爍體探測器豎立在空氣中直接朝向空氣進行測量，並評估了這種測量方法的可行性與探測下限。

通過研究結合MC 方法和理論模型，計算了LaBr3閃爍體探測器豎立在放射性空氣中時的回響情況，並最終給出了探測器的測量能譜和放射性濃度探測下限。

將探測器直接對著空氣測量是可以鑑別核素的，而且這種探測方式相比抽樣富集測量方式具有一定優勢; 由於探測器所測量的空氣範圍非常大，這種測量方式實際上已經達到了富集的目的，所以探測器的探測下限可以很低。但該測量方式存在兩個不足:由於沒有鉛禁止，探測下限易受環境本底變化的影響; 在封閉空間中該測量方式的探測下限會相應增加。計算過程表明，探測器的本底計數直接決定了探測器的探測下限，因此NaI 閃爍體更加適合於低本底測量，而LaBr3閃爍體更加適合於多核素識別。

大氣放射性本底測量

大氣放射性本底水平成因

大氣中天然放射性本底水平的成因主要包括宇宙射線產生的泰然放射性核素、Rn-222與Rn-220及其子體(Bi-214, Pb-214等)。其中宇宙射線產生的天然放射性核素濃度與宇宙射線強度直接相關，太陽活動極大、極小性變化將直接導致宇宙射線強度和能譜變化，使核素濃度浮動25%;季度和日氣象影響通常小於5%;氣象條件中降水可顯著降低天然輻射本底;短壽命核素濃度隨緯度和高度變化較為明顯，較長壽命和長壽命核素隨時間變化較為明顯。鈾、鐳、針是空氣中原生天然放射性核素構成的一方面，其濃度取決於土壤中放射性核素濃度以及土壤再懸浮因子;氧及其短壽命子體是構成另一方面，空氣中氧主要源於土壤和岩石中的鐳，海水、地下水、天然氣、火山氣等也有小份額貢獻，氧在地層中漂移和逸出率與地層結構、含水量和氣象條件等許多因素相關。從美國資料顯示，空氣中氧濃度最大值常出現在晚夏或秋季，最小或較小值期為春季，浮動幅度最大可達4倍;太陽上升則濃度下降，太陽西落則濃度上升，日變化幅度2-v 5倍，年平均濃度變化很小;氧濃度隨距地表相對高度增加而減小，氧濃度減小1/2的高度約700m。

測量方案

放射性物質空間分布包括兩個屬性即輻射屬性和幾何屬性，前者用輻射粒子成分及濃度、輻射劑量率、等劑量率線及熱線，後者包括放射性煙羽(雲團)的幾何尺寸、頭尾部及熱線位置、移動速度和方向，進行數學描述時還包括到達時間。實測輻射數據與空間點的經緯度是相互對應的。通過測量空中輻射強度變化來標定放射性雲團的三維邊界，各邊界兩端間放射性呈現由弱到強、再由強到弱的分布趨勢，彌散方向上劑量率最強點的連線即為熱線。在核電廠鄰近地區固定地點，放射性煙羽所引起的輻射水平(簡稱煙羽輻射)是隨當時、當地的氣象條件(風向、風速及大氣穩定度)而變化的。對空中輻射本底測量，還應區分不同高度層，不同氣象條件分別進行。

(1) 1000m以上，中型運輸機攜帶高靈敏度輻射測量系統(探測器規模8--10探頭，靈敏體積總計70L--86.4L)開展測量;

(2) SOOm-}-1000m，直升機攜帶高靈敏度探測系統(探頭配備4個一8個標準輻射探頭，總靈敏體積總計34.56L--70L)，對地面或廠區空中環境進行精確測量。必要時，巡測高度還可向下延伸至SOm近地面。

(3) SOOm以下近地空中輻射污染，配置近地飛艇測量系統(探測器使用1個快速輻射探頭，必要時攜帶CCD攝像機進行。

通常在核應急情況下進行大氣本底放射性測量時，用於航空輻射測量的近地飛艇系統應部署在80km以內應急計畫區;中型運輸機航空輻射測量系統通常部署在核電廠下風向大範圍擴散區;直升機航空輻射測量系統的部署運用應介於二者之間，具有更大的靈活性。

大氣放射性本底測量技術特點

空中大氣放射性本底測量技術主要依託高靈敏度航空輻射監測儀器和航空譜儀完成。航空輻射監測主要特點是快速高效性和大範圍廣域性，與其他監測方法顯著區別在於使用高速機動的飛行平台。相對地面測量手段，其套用優勢具體體現在如下方面:

（1）測量速度快，便於大面積輻射監測。由於飛行平台比車載平台更具速度和機動優勢，只要儀器回響時間與飛行速度合理匹配、輸出結果位置差滿足規定要求，就能迅速到達規定空域並即時開展輻射航測，並了通過數傳系統實時地將測量結果傳到地面指揮中心。

（2）靈活機動，受複雜地理條件限制很小。使用飛行平台航測，制約因素主要來自降水、強對流等氣象條件，可完全避開惡劣路況、水域隔阻等複雜地形影響。在強地震、土石流等造成的道路嚴重堵塞中斷、橋樑倒塌、難以通行時，輻射航測將可能成為唯一有效的監測手段。

循環模式

地殼中含有、鈾-235和釷-232，它們衰變後產生放射性惰性氣體,即半衰期3.8天的鐳射氣（氡-222）和半衰期55秒的釷射氣（氡-220）。這些射氣由地面擴散進入大氣，並在大氣中進行衰變，產物一般為重金屬核素，如鉛-210和釙-210。後者立即為氣溶膠微粒吸附，並通過降水或其他過程回到地面。據計算，雨水和乾沉降物中的天然放射性約為Pb（1.5～8.9）×10貝可/年和Po（0.74～1.4）×10貝可/年（貝可是放射性強度的單位，1貝可（Bq）=1次蛻變/秒）。 它們在大氣中的滯留期和一般氣溶膠粒子相同，約為10～25天。這种放射性物質已用作研究全球和平流層大氣環流的示蹤劑。宇宙射線與大氣中的氣態組分（氮、氧和氬等）在平流層下部和對流層中進行核反應時，生成一些放射性核素（見表），短壽命的放射性核素在平流層的濃度，與其衰變平衡有關，而長壽命的會在對流層中被混合稀釋。天然放射性核素的循環,除可用作大氣運動的示蹤劑外，碳-14和有機物的結合,構成了地質年齡測定法的基礎。

核試驗和核反應堆,將大量放射性核素引入大氣,並進入平流層。氪-85是裂變產物廢物處理的副產物,它已成為全球性污染物，自20世紀50年代以來，在大氣中的含量不斷平穩地上升。 鍶-90是裂變產物中最危險的一種，它能進入骨骼，半衰期約為28年。裂變產物的細粒子進入平流層，滯留時間可達幾年。它們一旦進入對流層,只要30天的功夫,就能通過沉降而達到地球表面。裂變產物在平流層分布的研究工作，為大氣環流提供了重要的信息。核爆炸時，由於中子反應，還會釋放出大量的碳-14、氫-3和鐵-55。據計算，由核試驗引入大氣的大量的碳-14和氫-3,可以利用它們的示蹤，測定二氧化碳和水在大氣圈和水圈中的滯留時間。

影響

（1）放射性對生物的危害是十分嚴重的。放射性損傷有急性損傷和慢性損傷。如果人在短時間內受到大劑量的X射線、γ射線和中子的全身照射，就會產生急性損傷。輕者有脫毛、感染等症狀。當劑量更大時，出現腹瀉、嘔吐等腸胃損傷。在極高的劑量照射下，發生中樞神經損傷至直死亡。中樞神經症狀主要有無力、怠倦、無欲、虛脫、昏睡等，嚴重時全身肌肉震顫而引起癲癇樣痙攣。細胞分裂旺盛的小腸對電離輻射的敏感性很高，如果受到照射，上皮細胞分裂受到抑制，很快會引起淋巴組織破壞。

（2）放射能引起淋巴細胞染色體的變化。在染色體異常中，用雙著絲粒體和著絲立體環估計放射劑量。放射照射後的慢性損傷會導致人群白血病和各種癌症的發病率增加。

（3）放射性元素的原子核在衰變過程放出α、β、γ射線的現象，俗稱放射性。由放射性物質所造成的污染，叫放射性污染。放射性污染的來源有：原子能工業排放的放射性廢物，核武器試驗的沉降物以及醫療、科研排出的含有放射性物質的廢水、廢氣、廢渣等。

（4）環境中的放射性物質可以由多種途徑進入人體，他們發出的射線會破壞機體內的大分子結構，甚至直接破壞細胞和組織結構，給人體造成損傷。高強度輻射會灼傷皮膚，引發白血病和各種癌症，破壞人的生殖技能，嚴重的能在短期內致死。少量累積照射會引起慢性放射病，使造血器官、心血管系統、內分泌系統和神經系統等受到損害，發病過程往往延續幾十年。

大氣放射性污染現狀

截止到2013 年，我國已探明儲量的鈾礦分布於23 個省區，其中大部分分布在湘、贛、粵地區。總體而言，我國已探測到的鈾礦床分布分散，規模偏小，多以中型和小型礦床為主，品味較低，礦石的處理量大，“三廢”的產生率高。在鈾礦的開採過程中，如鑿岩、爆破、裝礦、放礦、出渣、掘進等工序將產生大量的氡及其子體、放射性氣溶膠和鈾礦塵等放射性有害物質。鈾礦通風尾氣的排放影響礦山周邊環境，危害公眾身體健康。其中，氡所致的劑量占了通風尾氣總劑量的90%。在鈾礦區周圍500m 範圍內大氣中的氡濃度最高可達150Bq /m3，特別是露天開採爆破時，氡濃度可達5 × 102Bq /m3。

我國鈾礦冶產生的尾礦、廢石量非常大，在鈾礦冶初期，每生產1t 鈾金屬，約產生1200 t 尾礦，1200t － 5000t 廢石。我國廢石場和尾礦庫等固體廢物堆存場地約180 處，約有92． 4%的尾礦、82%的廢石分布在湘、贛、粵地區。鈾礦廢渣石中放射性核素含量高，含有鈾系的一系列衰變子體，幾乎99%以上的230Th 及226Ra 等放射性核素都集中在尾礦中，它們將長期衰變釋放氡及子體，構成長久輻射潛在危害。鈾尾礦、廢石內的226Ra，衰變成惰性氣體222 Rn，經堆場表面進入環境大氣。尾礦場的氡析出率多為2 － 16 Bq /m2·s，廢石場的氡析出率為0． 8 － 2． 8 Bq /m2·s。在鈾礦冶的生產期、退役期以及退役治理期，尾礦和廢石場析出的氡都是最主要的輻射源，吸入含氡空氣是公眾所受內照射危害的主要途徑。另外，鈾尾礦、廢石的γ 貫穿輻射劑量率為天然輻射本地的4 － 400 倍，對公眾的集體劑量的貢獻占鈾礦冶的80%。