福 島 核 危 機 背 後 的 科 學 繆 謙 ( 香 港 中 文 大 學 化 學 系 ) 翻 譯 自 Science behind the Fukushima Nuclear Accident by W. H. Chan, Department of Chemistry, Hong Kong Baptist University, 原 英 文 本 已 上 載 於 IYC2011 Forum 引 言 與 傳 統 的 燃 燒 化 石 能 源 的 火 力 發 電 廠 相 比, 核 電 站 既 不 產 生 帶 來 溫 室 效 應 的 二 氧 化 碳, 也 不 向 大 氣 層 排 放 煤 煙 粉 塵 二 氧 化 硫 及 氮 氧 化 合 物 等 污 染 物 核 電 站 不 會 增 加 全 球 暖 化 的 風 險, 也 避 免 空 氣 污 染 及 酸 雨 的 發 生 對 於 化 石 能 源 缺 乏 的 國 家, 核 電 站 的 興 建 與 使 用 還 可 以 有 效 地 減 少 對 進 口 石 油 和 煤 炭 的 依 賴 據 估 計, 如 果 以 燃 煤 火 力 發 電 廠 代 替 美 國 現 有 的 104 座 核 電 站, 排 放 的 空 氣 污 染 物 將 每 天 增 加 18000 噸 了 解 核 能 技 術 近 半 個 世 紀 以 來, 世 界 各 國 主 要 採 用 兩 種 核 裂 變 反 應 堆 來 發 電 : 1. 壓 水 式 輕 水 反 應 堆 這 種 反 應 堆 的 燃 料 棒 包 含 鈾 或 氧 化 鈾 的 顆 粒, 並 以 金 屬 外 殼 包 裹, 在 堆 芯 產 生 能 量 天 然 的 鈾 主 要 成 分 是 不 能 裂 變 的 鈾 -238, 而 可 以 裂 變 的 鈾 -235 的 天 然 豐 度 只 有 0.7% 核 燃 料 至 少 要 通 過 一 個 昂 貴 的 過 程 使 其 中 的 鈾 -235 富 集 到 2.1%, 才 能 用 於 輕 水 反 應 堆 = neutron Other common types of splitting: 90 Sr 38 143 Xe 54 235 U + 1 n 0 102 Y 39 + 131 I 53 + 3 1 n 0 238 U X 95 Rb 37 + 137 Cs 55 + 3 1 n 0 Radioactive 131 I released in great X quantity in the nuclear fission process. 90 Sr 38 143 Xe 54 X Huge energy released by neutron triggering fission process : 1 kg uranium fuel = 17,000 kg of coal 圖 一. 受 控 核 裂 變 鍊 式 反 應 1
圖 二. 壓 水 式 輕 水 反 應 堆 核 電 站 示 意 圖 如 圖 一 所 示, 當 可 裂 變 的 鈾 -235 核 吸 收 一 個 中 子, 核 裂 變 就 發 生 了 裂 變 將 鈾 -235 核 分 為 兩 個 具 有 動 能 的 較 小 的 核 ( 如 鍶 -90 和 氙 -143), 同 時 釋 放 出 伽 瑪 (γ ) 射 線 和 三 個 中 子 而 鈾 -235 核 裂 變 的 其 他 常 見 模 式 則 釋 放 出 具 有 放 射 性 的 碘 -131 或 銫 -137 裂 變 產 生 的 一 部 分 中 子 被 其 他 的 鈾 -235 核 吸 收, 就 觸 發 了 鍊 式 反 應 通 過 使 用 中 子 減 速 劑 改 變 引 發 鍊 式 反 應 的 中 子 的 比 例, 核 裂 變 鍊 式 反 應 就 可 以 得 到 控 制 石 墨 ( 用 於 切 爾 諾 貝 利 核 電 站 ) 和 ( 輕 ) 水 都 是 控 制 核 裂 變 的 常 用 的 中 子 減 速 劑 如 圖 二 所 示, 核 裂 變 所 產 生 的 巨 大 能 量 將 水 轉 化 為 蒸 汽, 蒸 汽 再 推 動 渦 輪 產 生 電 力 核 裂 變 鍊 式 反 應 也 通 過 插 入 由 硼 鐵 或 鈣 製 成 的 控 制 棒 來 實 現 因 為 硼 和 鈣 都 很 容 易 吸 收 中 子, 拔 出 控 制 棒 就 引 發 反 應, 而 把 控 制 棒 推 回 就 終 止 反 應 t 1/2 = 24 min 238 U 239 U 239 Np 93 Gamma emission Beta emission 238 U chain reaction with another uranium atom + fission products HUGE ENERGY t 1/2 = 2.3 day 239 Pu 94 (Bred plutonium) Beta emission Figure 2 Production of 239 Pu from 238 U bombarded with fast neutrons 圖 三. 利 用 開 中 子 轟 擊 鈾 -238 產 生 鈈 -239 2
圖 四. 增 殖 反 應 堆 核 電 站 示 意 圖 2. 增 殖 反 應 堆 ( 產 生 比 消 耗 的 燃 料 更 多 的 燃 料 ) 儘 管 鈾 -235 的 能 量 密 度 極 大, 其 儲 量 卻 非 常 有 限 如 果 鈾 的 穩 定 同 位 素 鈾 -238 可 以 用 作 核 燃 料, 其 儲 量 足 以 供 應 所 有 的 核 反 應 堆 運 轉 數 百 年 增 殖 反 應 堆 就 是 以 鈾 -238 為 燃 料, 通 過 利 用 核 反 應 產 生 的 快 中 子 輻 射 鈾 -238 來 實 現 增 殖 反 應 堆 以 可 以 裂 變 的 鈈 -239 作 為 堆 芯, 並 用 一 層 鈾 -238 圍 繞 鈈 -239 堆 芯 鈈 -239 自 發 裂 變 時, 釋 放 出 中 子 和 大 量 能 量 然 後 這 些 中 子 將 更 多 的 鈾 -238 轉 化 成 鈈 -239 換 句 話 說, 增 殖 反 應 堆 在 運 行 的 同 時 又 生 產 了 自 身 所 需 的 燃 料 採 用 增 殖 反 應 堆 而 不 是 壓 水 反 應 堆, 才 能 利 用 快 中 子 來 高 效 地 生 產 鈈 -239 利 用 這 一 技 術, 反 應 堆 製 造 出 的 核 燃 料 就 可 以 多 於 消 耗, 地 球 上 的 鈾 -238 就 足 夠 使 用 幾 個 世 紀 增 殖 反 應 堆 固 有 的 問 題 因 為 衰 變 釋 放 出 阿 爾 發 (α ) 粒 子, 鈈 的 毒 性 很 高 據 估 計, 在 人 體 內 肺 吸 入 1 微 克 的 鈈 就 足 以 誘 發 肺 癌 鈈 的 半 衰 期 約 25000 年, 如 此 長 的 半 衰 期 也 使 核 電 站 產 生 的 大 量 鈈 變 得 難 以 處 理 因 為 鈈 的 熔 點 較 低, 水 不 能 用 作 鈈 燃 料 反 應 堆 的 冷 卻 劑 作 為 替 代, 液 態 金 屬 鈉 因 為 其 所 具 有 的 高 比 熱, 被 用 做 冷 卻 劑 這 樣 一 來, 事 故 發 生 時, 重 大 的 危 險 就 源 於 金 屬 鈉 與 水 和 空 氣 的 劇 烈 反 應 特 別 是 金 屬 鈉 與 水 反 應 生 成 的 氫 氣 與 空 氣 混 合 後 就 可 能 爆 炸 進 一 步 的 危 險 在 於, 和 反 應 堆 中 使 用 的 鈾 不 同, 反 應 堆 級 別 的 鈈 很 容 易 用 來 製 造 原 子 彈, 為 一 個 國 家 或 者 恐 怖 組 織 所 用 美 國 的 核 電 站 都 沒 有 採 用 增 殖 反 應 堆, 而 法 國 和 日 本 等 國 家 的 核 電 站 則 採 用 了 增 殖 反 應 堆 3
輻 射 的 本 質 了 解 輻 射 和 如 何 測 量 輻 射 對 於 確 定 其 對 人 體 健 康 的 影 響 十 分 重 要 量 度 對 細 胞 組 織 產 生 破 壞 的 輻 射 劑 量 有 助 於 了 解 輻 射 對 健 康 的 影 響 輻 射 包 括 粒 子 射 線 ( 如 阿 爾 發 和 貝 塔 射 線 ), 電 磁 射 線 ( 如 伽 瑪 射 線 和 X 射 線 ) 和 中 子 阿 爾 發 (α ) 射 線 來 源 於 氡 鈾 和 鈈 等 放 射 性 核 的 自 發 衰 變 阿 爾 發 射 線 只 能 通 過 1 毫 米 厚 的 水 層 因 為 一 張 紙 就 能 阻 擋 阿 爾 發 射 線, 只 有 當 輻 射 阿 爾 發 射 線 的 粒 子 通 過 食 物 被 攝 入 體 內 時, 阿 爾 發 射 線 才 對 健 康 造 成 影 響 貝 塔 (β ) 射 線 包 含 快 速 的 電 子 ( 其 質 量 只 有 中 子 或 質 子 的 兩 千 分 之 一 ), 由 碳 -14 鍶 -90 磷 -32 及 氫 -3( 氚 ) 等 核 的 自 發 衰 變 產 生 與 阿 爾 發 射 線 類 似, 貝 塔 射 線 也 只 通 過 內 輻 射 ( 即 攝 入 人 體 後 的 輻 射 ) 來 損 害 健 康 伽 瑪 (γ ) 射 線 是 於 可 見 光 相 似 的 電 磁 波, 但 是 比 紫 外 線 具 有 更 短 的 波 長 和 更 高 的 能 量 伽 瑪 射 線 在 鈷 -60 等 放 射 性 物 質 的 衰 變 過 程 中 產 生 由 於 可 以 穿 透 人 體, 伽 瑪 射 線 常 用 於 癌 症 的 放 射 治 療 X 射 線 與 伽 瑪 射 線 類 似, 但 是 具 有 不 同 的 波 長 中 子 則 由 前 訴 的 鈈 或 鈾 的 核 裂 變 產 生 輻 射 的 量 度 與 劑 量 輻 射 可 以 用 多 種 方 式 來 測 量 最 早 提 出 測 試 輻 射 方 法 的 瑪 麗 和 皮 埃 爾 居 里 夫 婦 他 們 的 測 量 單 位 是 用 放 射 性 物 質 樣 品 中 每 秒 發 生 衰 變 的 原 子 數 目 來 描 述 輻 射 的 強 度, 並 以 1 克 鐳 中 每 秒 37 109 個 原 子 發 生 衰 變 為 基 礎 這 一 測 量 單 位 後 來 被 稱 為 居 里 常 用 的 表 示 輻 射 強 度 的 單 位 還 有 雷 姆 ( 即 人 體 倫 琴 當 量 ) 和 西 弗 特 ( 又 譯 希 沃 特 ) 美 國 以 雷 姆 為 單 位, 而 國 際 單 位 制 採 用 西 弗 特 ( 或 希 沃 特 ) 這 兩 個 單 位 可 按 如 下 關 係 轉 換 :1 雷 姆 = 0.01 西 弗 特 = 10 毫 西 弗 特 輻 射 通 常 用 蓋 革 計 數 器 來 測 量 蓋 革 計 數 器 包 括 一 根 充 滿 特 殊 氣 體 的 管 子 和 被 這 根 管 子 分 隔 的 兩 個 電 極 輻 射 通 過 這 根 管 子 與 管 中 的 氣 體 作 用 時 引 起 電 脈 衝 電 脈 衝 被 計 量 表 記 錄 或 以 咔 噠 聲 表 示 在 給 定 時 間 內 的 脈 衝 數 就 用 來 量 度 輻 射 的 強 度 我 們 環 境 中 的 輻 射 就 可 以 用 蓋 革 計 數 器 來 測 量 表 一. 輻 射 事 件 與 劑 量 舉 例 牙 科 X- 光 照 相 一 次 輻 射 居 住 於 三 哩 島 核 事 故 發 生 地 16 公 里 範 圍 內 腦 CT 掃 描 胸 CT 掃 描 國 際 放 射 保 護 委 員 會 向 防 止 核 事 故 升 級 的 自 願 者 推 薦 的 輻 射 上 限 國 際 放 射 保 護 委 員 會 向 搶 救 生 命 的 自 願 者 推 薦 的 輻 射 上 限 1000 毫 西 弗 特 一 年 累 計 輻 射 輻 射 劑 量 0.005 毫 西 弗 特 平 均 0.08 毫 西 弗 特, 最 大 1 毫 西 弗 特 0.8 5 毫 西 弗 特 6 18 毫 西 弗 特 500 毫 西 弗 特 1000 毫 西 弗 特 居 住 在 核 電 站 附 近 : 0.0001 0.01 毫 西 弗 特 / 年 居 住 在 燃 煤 火 力 發 電 站 附 近 : 0.0003 毫 西 弗 特 / 年 在 海 平 面 上 的 宇 宙 輻 射 ( 來 自 天 空 ):0.24 毫 西 弗 特 / 年 來 自 陸 地 的 輻 射 : 0.28 毫 西 弗 特 / 年 個 人 受 到 的 平 均 環 境 輻 射 :2 毫 西 弗 特 / 年 ; 1.5 毫 西 弗 特 / 年 ( 對 澳 大 利 亞 人 ); 3.0 毫 西 弗 特 / 年 ( 對 美 國 人 ) 紐 約 到 東 京 的 航 班 乘 務 員 :9 毫 西 弗 特 / 年 吸 煙 ( 每 日 一 包 半 ):13-60 毫 西 弗 特 / 年 核 工 業 工 人 的 平 均 限 制 : 20 毫 西 弗 特 / 年 伊 朗 印 度 及 歐 洲 的 局 部 地 區 的 環 境 輻 射 : 50 毫 西 弗 特 / 年 針 對 福 島 核 危 機 中 工 人 的 升 高 後 的 限 制 : 250 毫 西 弗 特 / 年 4
輻 射 對 健 康 的 影 響 輻 射 中 的 不 同 粒 子 並 不 總 是 對 細 胞 造 成 直 接 的 破 壞 因 為 中 子 不 帶 電 荷, 它 們 很 少 直 接 破 壞 細 胞, 卻 在 與 人 體 內 的 氫 原 子 核 作 用 後 引 起 離 子 化, 從 而 比 伽 瑪 射 線 造 成 對 人 體 更 嚴 重 的 損 傷 離 子 化 也 可 以 引 起 氧 化 反 應, 從 而 造 成 染 色 體 異 常 或 細 胞 死 亡 表 二. 輻 射 的 穿 透 深 度 與 危 害 輻 射 種 類 可 以 被 下 列 材 料 阻 擋 在 生 物 組 織 中 的 作 用 範 圍 相 對 生 物 效 力 阿 爾 發 一 張 紙 0.005 厘 米 10-20 (α ) 貝 塔 (β ) 一 毫 米 厚 的 鋁 3 厘 米 1 伽 瑪 (γ ) 幾 英 吋 厚 的 水 泥 牆 約 20 厘 米 1 放 射 性 物 質 在 核 衰 變 過 程 中 釋 放 出 有 害 輻 射 ( 即 阿 爾 發 貝 塔 及 伽 瑪 射 線 ) 當 這 些 射 線 在 其 傳 播 途 徑 中 與 分 子 ( 當 然 也 包 括 細 胞 組 織 中 的 分 子 ) 相 遇, 就 會 把 電 子 撞 出 原 子 殼 層, 而 產 生 自 由 基 等 活 性 物 質 當 活 體 組 織 受 到 電 離 輻 射 的 影 響 時, 細 胞 總 有 機 會 被 損 害 或 破 壞 對 細 胞 的 損 害 依 賴 與 輻 射 的 種 類 受 到 輻 射 的 劑 量 與 時 間 以 及 受 輻 射 的 肌 體 組 織 構 成 細 胞 基 因 的 核 酸 就 特 別 容 易 受 到 輻 射 的 損 害 如 果 生 殖 細 胞 的 細 胞 核 受 到 損 害, 就 會 引 起 基 因 突 變, 進 而 在 下 一 代 造 成 遺 傳 疾 病 在 較 高 的 輻 射 水 平 下, 輻 射 將 損 害 所 有 的 細 胞, 特 別 是 那 些 快 速 分 裂 的 細 胞, 比 如 血 液 中 的 白 細 胞 和 腸 內 膜 細 胞 受 到 輻 射 的 劑 量 還 與 輻 射 的 能 量 有 關 高 劑 量 的 輻 射 引 起 燒 傷 細 胞 破 壞 甚 至 死 亡 表 三 總 結 了 受 到 不 同 程 度 輻 射 的 人 會 出 現 的 症 狀 顯 然, 輻 射 對 健 康 的 影 響 與 其 劑 量 直 接 相 關 輻 射 劑 量 越 大, 損 害 越 嚴 重 表 三. 受 到 不 同 程 度 輻 射 的 人 會 出 現 的 症 狀 受 到 輻 射 的 劑 量 急 性 輻 射 ( 一 天 內 受 到 的 輻 射 ) 引 起 的 症 狀 0 0.25 西 弗 特 无 0.25 1 西 弗 特 部 分 人 感 到 噁 心 和 食 慾 不 振 ; 骨 髓 淋 巴 結 及 脾 臟 受 損 1 3 西 弗 特 輕 微 到 嚴 重 的 噁 心, 食 慾 不 振, 感 染, 骨 髓 淋 巴 結 及 脾 臟 的 更 嚴 重 的 損 害 ; 受 損 的 器 官 可 能 恢 復, 但 不 確 定 3 6 西 弗 特 嚴 重 的 噁 心, 食 慾 不 振, 出 血, 感 染, 腹 瀉, 皮 膚 脫 落, 不 孕 ; 缺 乏 治 療 時 引 起 死 亡 6 10 西 弗 特 以 上 症 狀 及 中 樞 神 經 系 統 損 傷 ; 預 期 死 亡 超 過 10 西 弗 特 死 亡 5
放 射 性 物 質 引 起 的 電 離 輻 射 的 生 物 效 應 核 輻 射 帶 來 的 破 壞 高 度 依 賴 於 產 生 輻 射 的 放 射 性 同 位 素 出 現 的 位 置 當 核 爆 炸 在 開 放 空 間 發 生 時, 放 射 性 物 質 可 以 在 幾 天 甚 至 幾 星 期 後 隨 雨 水 降 落 到 數 千 里 以 外 在 放 射 性 塵 埃 降 落 的 過 程 中, 不 僅 空 氣 受 到 污 染, 受 影 響 地 區 的 蔬 菜 水 果 及 奶 製 品 也 會 受 到 污 染, 放 射 性 物 質 就 可 能 被 吸 入 或 隨 食 物 一 起 攝 入 人 體 內 那 些 在 特 定 的 人 體 組 織 聚 積 並 長 期 存 在 的 放 射 性 同 位 素 會 對 健 康 帶 來 顯 著 的 損 害, 最 讓 人 擔 心 表 四 列 出 了 特 別 讓 人 關 注 的 四 種 放 射 性 同 位 素 其 中 鈈 -239 是 增 殖 反 應 堆 燃 料 循 環 的 一 部 分, 而 鍶 -90 碘 -131 和 銫 -137 則 是 核 裂 變 的 產 物 它 們 都 能 存 在 足 夠 長 的 時 間, 也 都 會 在 特 定 的 組 織 器 官 富 集, 從 而 對 人 體 健 康 帶 來 顯 著 的 損 害 表 四. 源 於 塵 降 的 有 害 放 射 性 同 位 素 放 射 性 同 位 素 輻 射 類 型 半 衰 期 人 體 中 的 富 集 區 域 鈈 -239 阿 爾 發 24,360 年 骨, 肺 锶 -90 貝 塔 28.8 年 骨, 牙 齒 碘 -131 貝 塔, 阿 爾 發 8 天 甲 狀 腺 铯 -137 貝 塔, 阿 爾 發 30 年 全 身 阿 爾 發 粒 子 的 不 足 以 穿 透 皮 膚 表 面 那 層 起 保 護 作 用 的 死 細 胞, 但 是 當 阿 爾 發 粒 子 被 攝 入 體 內, 它 將 在 局 部 產 生 嚴 重 的 破 壞, 從 而 有 相 當 大 的 機 會 誘 發 癌 症 貝 塔 射 線 即 高 速 電 子 流 由 於 電 子 比 阿 爾 發 粒 子 輕 得 多, 而 且 只 帶 有 一 個 基 本 電 荷, 在 貝 塔 射 線 的 傳 播 路 徑 上 每 1200 個 原 子 只 有 1 個 發 生 電 離, 因 而 損 害 程 度 較 低 但 是 貝 塔 射 線 在 生 物 組 織 中 穿 透 的 範 圍 較 大, 來 自 外 部 的 貝 塔 輻 射 仍 然 危 險, 必 須 屏 蔽 伽 瑪 射 線 是 高 速 的 光 子, 因 而 在 傳 播 途 徑 上 撞 擊 原 子 的 機 會 相 當 低 但 是 伽 瑪 射 線 可 以 穿 透 20 厘 米 的 水 或 生 物 組 織, 並 帶 來 大 量 的 能 量, 引 起 人 體 的 損 傷 對 如 中 子 這 樣 的 高 能 伽 瑪 射 線 輻 射 源, 就 必 須 用 數 英 吋 厚 的 水 泥 牆 屏 蔽 如 上 所 訴, 與 核 塵 降 有 關 的 科 學 問 題 十 分 複 雜 我 們 只 能 關 注 兩 種 特 別 讓 人 憂 慮 的 放 射 性 同 位 素 在 核 反 應 堆 產 生 的 所 有 同 位 素 中, 鍶 -90 對 人 危 害 最 大 鍶 -90 的 半 衰 期 為 28.8 年, 主 要 通 過 牛 奶 和 蔬 菜 被 人 體 吸 收 鍶 與 鈣 同 為 2A 族 元 素 性 質 相 似, 因 此 鍶 -90 容 易 被 骨 骼 吸 收, 在 骨 骼 裡 成 為 內 放 射 源, 並 持 續 多 年 碘 -131 則 在 核 爆 炸 後 造 成 更 大 的 即 時 威 脅 碘 -131 的 半 衰 期 僅 有 8 天, 但 由 於 核 洩 露 或 核 爆 炸 產 生 的 碘 -131 的 量 較 大, 碘 -131 仍 然 會 通 過 食 物 鏈 被 人 體 有 效 吸 收 在 人 體 內, 碘 -131 在 甲 狀 腺 富 集 並 引 起 損 害 醫 生 會 給 核 事 故 附 近 的 居 民 開 出 碘 片 ( 含 有 以 碘 化 鉀 存 在 的 穩 定 的 碘 -127) 以 阻 止 甲 狀 腺 吸 收 和 積 聚 放 射 性 的 碘 -131 福 島 核 危 機 的 後 果 支 持 核 能 的 理 由 在 切 爾 諾 貝 利 核 災 難 之 後 的 二 十 五 年 裡, 核 工 業 的 安 全 紀 錄 普 遍 良 好 而 在 此 期 間 其 他 的 能 源 生 產 方 式 卻 讓 人 類 付 出 了 更 高 的 代 價 福 島 核 危 機 不 應 該 使 我 們 從 利 用 核 能 來 解 決 能 源 問 題 的 努 力 中 退 縮, 卻 應 該 警 醒 人 類 從 新 審 視 利 用 核 能 的 規 範 國 際 原 子 能 機 構 的 安 全 條 例 或 許 應 該 強 制 實 行 作 為 科 學 家, 通 過 從 福 島 核 危 機 中 吸 取 深 刻 的 教 訓, 我 們 有 信 心 相 信 下 一 代 的 核 反 應 堆 將 會 進 一 步 降 低 風 險 完 全 禁 止 核 能 作 為 重 要 的 能 源 生 產 方 式 的 想 法 根 本 不 可 行 核 能 發 電 技 術 已 經 占 到 全 球 發 電 總 量 的 百 分 之 十 三, 這 部 分 發 電 量 很 難 用 其 他 方 式 所 代 替 包 括 中 國 在 內 的 多 個 亞 洲 發 展 中 國 家, 規 劃 建 設 新 的 核 電 站 的 應 該 採 取 更 加 謹 慎 的 態 度 規 劃 建 設 和 運 行 核 電 站 的 過 程 必 須 維 持 最 高 的 安 全 標 準 安 全 準 則 決 不 能 與 成 本 顧 慮 相 妥 協 6