核燃料的娘家——铀矿揭秘
2018-1-4 15:08:00 环境与生活 阅读量(6625)

前不久,国际原子能机构(IAEA)设立的低浓缩铀银行在哈萨克斯坦开张了。这是一个面积为880平方米的高安保仓库,归IAEA所有和管理。低浓缩铀银行将储备90吨低浓缩铀,提供给核不扩散信用良好、却无法从正常的商业市场拿到铀资源的核能国家。究竟地球上的铀都藏在哪儿?待在它们周围安不安全?本期“核与辐射安全”栏目就谈谈铀资源的老家——铀矿。


澳大利亚卡卡杜国家公园的铀矿开采区

  • 有了地球就有了铀矿

核电厂的燃料来源铀235,是一种从地球诞生就存在的天然放射性元素,其从铀矿开采、加工而来。铀家族有3个天然同位素兄弟——铀234、铀235和铀238。其中铀235是地球上唯一天然存在的易裂变核素,因此也是当前核电厂的绝对主力燃料,但它在天然铀资源中的含量仅有0.711%,另有不到0.006%的铀234,其余99.2%以上都是铀238。

铀玻璃器皿在紫外线照射下会发出荧光,正是这一特性帮助人类发现了物质的放射性。

铀的化学性质很活泼,所以在自然界中,它总是和其他元素组成化合物,而不存在游离的金属铀。目前地球上已知的铀矿物有170多种,但具有工业开采价值的只有二三十种,其中最重要的有沥青铀矿(八氧化三铀)、品质铀矿(二氧化铀)、铀石(铀的硅酸盐化合物)和铀黑(二氧化铀+三氧化铀+二氧化钍)等。很多铀矿物都呈黄色、绿色或黄绿色,有些铀矿物在紫外线下能发出强烈的荧光,正是这种特性让人们发现了它们的放射性现象。澳大利亚、加拿大和哈萨克斯坦是全球三大铀资源大国,铀矿年产量之和占全球总量的60%。

呈绿色针状的硅铜铀矿

作为放射性元素,铀原子核不能稳定存在,会自发地射出某种由微观粒子形成的高能射线而变为另一种原子核,这个过程称为“核衰变”。铀家三兄弟悬殊的含量差距,和它们的半衰期基本成正比。铀234的半衰期不到25万年,铀235约为7亿年,最长的铀238达到45亿年!而地球的年龄被认为是46亿岁,这样算下来,铀234经历了18000多个半衰期,和地球诞生之初相比,所剩的数量已经很少了;铀235经历了不到7个半衰期,现有数量相当于地球诞生时的1.1%;而铀238则只经历了一次半衰期,数量和地球诞生时相比还剩一半左右,远远多于另外两兄弟。

  • 铀矿石可以用手拿

超高的能量密度一直是核燃料的看家本领。仅1克铀235发生裂变释放的能量就高达821亿焦耳,相当于标准煤的280万倍。这是个什么概念?笔者给大家算算:以每户普通居民每月用210度电(第一阶梯电价的上限)为例,1克铀虽只有一滴水大小,但发出来的电却足够一户居民用3年之久。

如此小身材大能量,铀矿石的辐射想必高得难以接近?其实并没有。更令人意外的是,铀矿石、铀金属以及加工好尚未投用的核燃料芯块(主要成分为二氧化铀),哪怕直接上手摸也没关系。

含有3%?5%低浓缩铀的核燃料芯块放射性很弱,可以直接用手拿。

电离辐射影响人体的途径有外照射(射线从体外照射人体)和内照射(进入人体的放射性核素)之分。不可否认,铀矿石确实有辐射,但铀235和铀238那超长的半衰期堪称海枯石烂,意味着单位时间里衰变的原子核数量很少,放射性强度很微弱。而且铀衰变放出的是α射线(即α衰变),特点是“体内猖狂、体外无妨”。这种射线虽然电离本领很强,比其他射线更容易打碎生物的DNA和关键蛋白质,但它的穿透力却是所有放射线中最弱的,在空气中的射程只有几厘米远,人的皮肤或者一张普通的纸就可以屏蔽它的能量(详见《环境与生活》2016年6月号《十面埋“辐”你知多少》一文)。所以,只要不通过伤口或口鼻等方式钻进体内,像铀矿石这种没有被“活化”的铀,本身放射性水平对人体来说是安全的。核反应堆的放射性强,是因为铀原子核的裂变反应产生了大量高放射性的核素。


  • 氡气是头号环境致癌物

既然铀矿的放射性水平是安全的,相比核电厂和核废料管理过程中的重重安全措施,铀矿的开采岂不是不用设防了?并非如此。

就以含量最多的铀238为例,它虽然本身的衰变速度慢、放射性小,但它要经过14个阶段的衰变才能变成没有放射性的铅206,这个过程中生成的衰变产物都是放射性物质,有不少是放射性比铀活跃得多的厉害角色。再加上这些矿石几十亿年来深埋在密闭空间里,累积了不少放射性,尤其要当心的是氡。

氡(即我们常说的氡气)是天然放射性铀系列衰变过程中产生的唯一气态元素。它也有3种同位素——氡222、氡220和氡219,因为分别由镭226、钍234和锕227衰变而来,也俗称镭射气、钍射气和锕射气。如果说铀静若处子,那么氡简直可以说是“动如疯兔”。它们的衰变和铀一样是α衰变,不过半衰期极短:氡222只有3.8天,而氡220和氡219更是以秒计算。同时它们还是气态的,无孔不入,这意味着人体很容易吸入氡而造成“内照射”,正好是α射线最能发威的环境。更危险的是,氡一步步衰变形成的钋218、铅214、铋214、钋210等,都不是省油的灯——不仅能大量放出α射线,还伴有不少穿透力最强的γ射线,而且这些衰变产物都是固体。因此,气态的氡被吸入肺部以后,一部分就转化成固态的放射性物质沉积在呼吸道和肺部了,对人体造成持续内照射。据维基百科英文网资料,内照射时,原本连一张纸都穿不透的α射线威力大增,给人体带来的有效辐射剂量相当于等量γ射线或X射线的20倍。

仗着气体的扩散优势,氡在数十亿年里早已渗透到全球的空气、水体、土壤和石材中。人类每年受到的天然本底辐射剂量,有一半都是氡和它的衰变产物(子体)贡献的。在铀矿的开采过程中,凿岩、爆破、装矿、放矿、出渣、掘进等工序都会产生大量的氡及其子体、放射性气溶胶和铀矿尘等放射性有害物质。在铀矿冶的生产期、退役期以及退役治理期,尾矿和废石场析出的氡都是最主要的辐射源,这也是公众受到内照射伤害的主要途径。世卫组织(WHO)2000年颁布的《空气质量准则》,将氡及其子体列为17种重要的环境致癌物之一;据美国环保署(EPA)的统计,氡是仅次于吸烟的第二大肺癌成因以及全球第一大环境致癌因素。

  • 老一辈矿工“裸奔”多年

不幸的是,人类认识到放射性的危害,不过是最近半个多世纪的事儿。在这之前,像铀矿这样的放射性矿场可着实坑惨了早年的工人。

地下铀矿积累了大量放射性很强的氡气,必须采取防护措施才能进入。

世界核协会(WNA)官网资料介绍,从15世纪开始,许多在今天德国和捷克边境附近工作的地下矿工,都患上了一种“神秘”疾病,很多人因此早亡。在19世纪后期,所谓的“神秘”疾病被诊断为肺癌。直到1921年,放射性活跃的氡气才被人视为疑凶,然后又过了18年才得到证实。然而在1946年至1959年间,美国大规模开展地下采铀活动,却依旧没有吸取欧洲的教训采取防护措施。到20世纪60年代初期,吸烟矿工的肺癌发病率意外地高,人们才意识到这是氡惹的祸。这些矿工曾在高浓度的氡气中毫无意识地“裸奔”了十几年,累积辐射剂量远超安全上限。

在人类认识到放射性的危害之前,地下铀矿的工人一直在“裸奔”状态下工作。

所以,为了确保工人和周边环境的安全,如今的铀矿开采讲究很多,基本原则就是“hold住”放射性的辐射范围,并防止氡在作业区域蓄积等。比如加强通风(尤其是地下矿床)、降低放射性粉尘的产生量、减少放射性矿体的暴露面积、隔绝采空区、推广装运机械化(减少工人与辐射环境的接触)、在矿壁上喷涂防氡保护层等等。对矿工个人来说,还要穿好工作服、佩戴专业的高效防尘口罩(PM2.5口罩就是基于此衍生出来的)、下班后立即洗澡并清洗工作服、避免在矿井内饮食和吸烟、定期体检并测量放射性元素的摄入情况等等。由于具体的工艺和技术牵扯很多晦涩的专业词汇,笔者就不展开介绍了。

铀矿提纯过程的中间产物,俗称黄饼,含有大量铀氧化物。

  • 我国铀矿辐射安全多年达标

根据国标《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》(GB 18871-2002)中规定,公众受到的年平均有效剂量不得超过1毫希(指本底辐射之外的受照剂量),相关职业工作者则为连续5年的年平均有效剂量不超过20毫希,这和国际辐射防护委员会(ICRP)的标准相同。此外,还有国标《铀矿冶辐射防护和环境保护规定》(GB 23727-2009)来约束铀矿放射性排放量:进入空气中的氡带来的放射性活度不能超过3700贝克/立方米(1贝克表示每秒钟有1个放射性原子核发生衰变)。

不同放射线的穿透力对比

那么实际做得如何呢?国家核安全局发布的《2016中国环境状况公报》显示,铀矿冶设施周围辐射环境质量总体稳定,周围环境γ辐射空气吸收剂量率、空气中氡活度浓度、气溶胶中总α活度浓度、地表水中总铀和镭226浓度与历年处于同一水平,周边饮用水中总铀、铅210、钋210和镭226(衰变后就是氡222)浓度都没超过国标限值。来自世界核协会的数据也指出,如今国际上对矿区的防辐射措施普遍做得不错,工人的辐射受照剂量最大不过10毫希/年,平均则只有2毫希/年左右。反观还没有辐射安全意识的1946?1954年间,东德放射性矿区带来的年均辐射剂量高达750毫希,超出职业剂量上限几十倍。

据美国环保署(EPA)的统计,氡是仅次于吸烟的第二大肺癌成因以及全球第一大环境致癌因素。

时至今日,氡仍是对普通公众健康威胁最大的放射性元素。由于铀矿区积累了亿万年的放射性衰变产物,并且还在源源不断地生成,对抗氡污染将是一场持久战。


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