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核能、放射性和环境
核科学是环境工作者的必需众所周知,从核能为人类首次加以利用的那一刻开始,它就已经和人类的安全问题紧密联系起来.从20 世纪60 年代以后,由于放射性排放物和沉降物数量的增加,促使人们提高了对于放射性污染的警惕,核能的利用所形成的环境污染也逐渐成为公众关注和怀疑的焦点.但是大多数人们没有注意到的一个很重要的事实是,核工业与其它工业相比,它最先重视安全问题和环境问题、最早着手将危害降低到可以合理达到的、尽量低的水平.所有核设施从设计、施工、运行直到退役的全过程中的每个环节都制订了极其严格的控制标准和具体的防护措施.因而在核科学技术发展的半个多世纪里,有效地控制了放射性对环境的污染,并且积累了大量对于环境保护工作极有价值的理论和经验.人们在初期对于放射性污染的控制,仅停留在对于放射性污染的监测以及废物的治理两个方面.但很快就发现,必须要深入探索放射性污染的化学形态以及它们在环境中所进行的物理、化学以及生物学的行为,以及它们在环境中的运动过程和规律,才能更彻底地消除放射性排放物的污染后果.正是由于这种观念上的进展,大大促进了核科技界在微量放射性物质的化学行为、核素在环境中的迁移和积累、各种生物群落以及人体对于放射性物质的摄取和累积等重要领域上取得显赫的研究成果.这些成果同时促进了诸如生物学、环境化学、环境毒理学、气象学、海洋学等传统学科的发展.作为跨越上述各个学科的一个边界学科,环境科学也大量借鉴了核科学知识宝库中的财富.
经济发展使得环境污染的压力与日俱增,这在全世界都是一个必然的规律.在过去的数十年中,我国核设施导致的环境问题一直由核科技人员完成,由于主要着眼于生产与应用的需要,在环境保护效果上仍然存在一定的疏漏.例如,我国各类核企业的平均污染水平较为严重、放射性废水贮存和排放的安全性较低、由于不合理运行,可回取的放射性废物贮存设施事实上成为无法回取的永久性处置库等.近年环境科学与工程学向核工业领域的渗透,明显改善了我国核环境的面貌.
同样重要的是,环境工作者也逐渐发现,为保护高质量的生存环境,他们也必须涉足核领域之中.例如,地下建筑中的氡气浓度早已是对于通风设计的重要指标；建筑材料中的放射性水平已经是产品能否投产的重要判据；对于电子工业、冶金工业和矿山排放的废物和废水,放射性比度的水平也经常是需要考察的指标.总之,环境放射性已经远远不仅是专业核技术人员需要考虑的因素.在很多情况下,对于环境放射性缺乏理解,已经成为环境保护者工作中的障碍.随着更多核电站、核设施的建设与投入运行,经济发展所导致的对于核环境要求的提高,环境人员将进一步感到掌握核科技知识的必要性与迫切性.
核技术的应用核技术作为一个相对新兴的技术,其应用将使环境工作者的视野进一步得到扩展,并且从宏观推向更为深入的微观,从而使人们有可能在分子、原子,甚至原子核的层次上动态地观察自然现象.事实上, 核科学技术在过去的历史中已经为社会、经济和科学的发展起到重要的作用.它所具有的价值以及在现代社会中应具有的地位是不言而喻的.核技术理所当然地也应该对于环境保护的战略目标作出应有的贡献.
核应用技术的内容十分广泛,它的主要部分可以划分为研究及制造、核能的和平利用、核素与核辐射监测、核示踪技术与辐照技术应用等四个方面.目前全世界有80 多个国家在进行核技术的研究,核技术在很多领域已经成为创造物质财富的手段.
可以说,除制造之外的一切核技术均可以对于人类环境的改善有所贡献.核能的和平利用,尤其是核能发电对于环境的改善,具有极大的潜力.迄今为止,核电是可以提供超大规模生产能量的唯一清洁能源.其规模不但远远超过其他清洁能源,甚至也超过了目前应用最广泛的燃煤电站,其单机容量可以达到1000 兆瓦以上.
无论与燃煤电站还是水电站相比,核能均不但属于清洁的能源,而且也是十分安全的能源.在表1 和表2 中,列出了燃煤电站与核电站的电离辐射排放对人类健康危害风险的比较以及世界各主要核电国家的运行情况.
仅在核能应用的初期,即1960-1985 年间,全世界同位素和辐射技术工业应用的累积经济效益已达到800 亿美元左右.应该说,核能的和平利用对于人类赖以生存的环境以及社会经济的发展都具有明显的影响.核能与环境之间的关系自从核能作为一种能源被大规模开发以来,“核能开发必然引起环境污染”逐渐形成了人类的一个固有观念.但实际上,长期的核监测证明,人类所接收的放射性剂量却并非主要来自核能的开发,即使在核设施的周边地区,也仍然主要来自天然辐射源.在历史上发生的核污染事故中,美国所发生的“三哩岛事件”,并未对居民形成任何照射后果.而前苏联发生的切尔诺贝利核电站事故则是由于连续的、几乎是难以想象的误操作所导致,其发生概率极低.而且,人们已经通过这些历史教训取得了可贵的经验.可以说,现在人类已经充分掌握了安全使用核能的技术.
近百年来,发达国家对能源的消耗几乎是呈指数规律增长,对于获得大量能源的要求也更加迫切.世界的燃料经济已经在20 世纪中完成了从使用传统的、地方性的燃料到使用石油与煤气的转换.但矿物燃料不能无限期供应的现实,正在逼迫人类加速寻找更为可靠的新能源.而按照大多数学者的判断,未来能源的短缺将首先由增加核能的利用来弥补.无可怀疑,核能的大规模利用将要求人类进一步提高对于核能环境影响的控制能力.
核技术在环境保护中的应用人们在注意核能的发展有可能威胁环境质量的同时,也逐渐发现了在过去被长期忽略的一个事实：核技术可以有效地在拯救地球、改善环境的过程中起到广泛的积极作用.我国从20 世纪50 年代后期开始,已经建立了相当完整的核工业体系.在核技术领域的研究,也已达到了相当高的水平.核技术在环境科学中占有相当重要的地位.尽管它目前在我国还处于开发及逐步向实用过渡的阶段,却已显示出巨大的生命力与潜力.
（一）辐照技术的应用辐照技术是利用高能射线与物质间的作用,利用分子或原子的电离和激发,使物质发生一系列物理、化学与生物化学变化,导致物质降解、聚合、交联,并发生改性.它为处理用普通方法难以解决的某些污染物提供了新的途径.1. 生活污水和工业废水的处理：废水的辐照处理是利用放射线的照射,使水产生一系列具有很强活性的辐解产物,如OH、H、H2O2 等.这些产物与废水中的有机物发生反应,可以使它们分解或改性.该方法可去除城市污水中的TOC、BOD、COD,并杀灭污水中的病原体.据研究报道,辐照技术也可有效地处理洗涤剂、有机汞有机农药、增塑剂、亚硝胺类氯酚类等有害有机物质.将辐照技术与普通废水处理技术（如絮凝共沉淀法、活性炭吸附、臭氧活性污泥法等）联用,具有协同效应,提高处理效果.2. 固体废物的辐照处理：在固体废物的处理处置中,废塑料的处理是一个棘手的问题.而且越是稳定的塑料,对于环境的影响越大.例如,纤维素是城市废物与农业废物的主要成分,日本曾用辐照法处理木屑、废纸、稻草等,经过糖化与发酵而得到酒精；美国则用加酸后辐照的方法得到葡萄糖,其回收率高达56%.腐败的食物在经辐照后即可作为动物的饲料.污泥中含有大量的能量与生物价值,是优良的农田肥料和土壤改良剂.但由于含有大量病原体而不能直接利用.堆肥、热消毒或化学处理等方法的消毒效果均不十分彻底与稳定.用γ 射线或电子束辐照,解决了上述问题,是一种很有前途的方法.3. 用电子束处理废气：大气中的 SOX 与 NOX是主要的污染物.对于前者,目前治理的方法与总体效果较好；但对于后者,用通常方法尚难以奏效.日本原子力研究所曾用两台电子加速器作为照射源,在80℃下,加氨照射,辅以静电除尘来去除生成的硫酸铵与,可同时去除SOX 与 NOX.该法已经在进行商业化运转.
（二）核示踪技术的应用近年来,核示踪技术被更直接应用于环境工程的事例很多.对渗滤液污染地下水规律的研究是其中很典型的一个.由于雨水中氧同位素的组成与地下水有明显的区别,所以当下过一场大雨以后,就会在地下水中出现氧同位素丰度的变化.在各种位置产生的这种变化的大小,就反映了每个地点雨水向地下水系统中渗透的速率.如果丰度的变化越小,就说明通过地表径流直接进入河流中的水所占的比例越大.因此,比值18O/16O 就可以作为天然示踪剂的一个代表,利用这类天然示踪剂可以容易地估算雨水和污染物通过填埋场底部进入地下水的程度.对于雨水和地下水中同位素组成的研究结果说明,雨水进入地下水和通过地表径流排放的比例对于不同地点变化很大.对于特定场合,可以对于该比例进行精确测定.
（三）放射化分析技术的应用放射化分析技术是利用物质的放射性达到成分分析目的的一系列方法.其中的活化分析法是一项具有十分广泛用途的分析方法.把原来没有放射性或其放射性不易被测量的样品经过核反应,使样品中被测元素变成具有特征放射性的产物,然后对其放射性进行鉴定和测量以测定元素的含量,这种分析方法称为检索活化分析.活化分析在环境研究中很重要.例如,对于长距离大气输送问题,极区大气颗粒的化学,以及有些情况下的环境背景值测定,都要求具有十分高的灵敏度与准确度,使用其他方法是难以满足要求的.该方法对于固体环境样品,如大气尘埃、气溶胶、植物样品、土壤悬浮物等的痕量元素分析也具有明显的优越性.
（四）放射性监测技术的应用除去在上述应用范围内必然需要放射性测量技术之外,20 世纪80 年代以后,在环境管理、环境质量评价、污染趋势预测等方面的研究都需要能真实地反应客观事实的数学模型.而在提出模型之后,对其可靠性必需经过验证.核测量技术的发展,在这方面发挥了重要的作用.另外,应用同位素分析技术也可以在复杂的条件下准确地判断污染源.例如,在历史上曾有人利用在潜水含水层水、泉水和输水管道中水中的13C 同位素的丰度值不同,将对某地区地下构筑物形成威胁的水中13C 同位素的丰度进行比对,成功地判断出输水管道的渗漏是造成事故的原因.经过检查,在输水管道上果然发现了严重的渗漏.上述实例说明,由于同位素的技术特征,它的应用可以明显拓宽环境科学研究与环境监测的手段.
作者单位：1. 中国农业大学工学院；2. 清华大学环境学院（退休）
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