正文 第15节

    高能量的质子c中子c氦原子核等等。放射性元素会不断发生衰变反应，变成另外一种物质并放出辐射，辐射的射线有三种：a射线氦核cβ射线电子束和γ射线高能光子有时核辐射和电磁辐射。这两种辐射并不是截然分开，核辐射里面的γ射线也是光子能量比较高的电磁波。

    原子质量比较大的放射性元素也会发生裂变反应核电站或原子弹放出中子或其他射线；较轻的原子核在一定条件下会发生聚变反应放出中子或者质子射线；而高能宇宙辐射在大气里面也会产生大量的次级辐射。我们日常生活中不会遇到聚变反应，裂变反应产生的射线一般也只有在核电站里才有，所以比较常见的是放射性元素的衰变射线和宇宙辐射。

    放射性元素衰变的三种射线里面，a和β这两种射线在空气里面传播的距离都比较短，不近距离接触放射性元素对人体是没有影响的，“防辐射服”和普通的衣物对于人体外部的这两类射线都有一定的防护效果。但是实际上我们喝的水，呼吸的空气，里面都含有少量的放射性元素，比如空气里面有一定的碳14β衰变成氮14c地下水和土壤里含有微量的氡等等。所以实际上，我们体内就有相当量的放射性元素，给我们带来从内到外的核辐射。更不用提的是穿透性很强γ射线，还有从天而降的高能宇宙辐射在大气里产生的大量次级辐射。所谓的“防辐射服”并不能防范这些辐射，完全隔绝这些辐射是不可能也是不必要的。人们受到的这部分核辐射一般称为天然辐射或自然辐射。

    某些情况下，在工作场所核电站或者生活中发生过核爆或者核污染的城市会在天然辐射之外接触到更多的辐射。只要人体受到的辐射量不超过一定的标准，比如说和天然辐射比较小，就可以认为是安全的。比如说，核电站里面的核裂变反应是与外界隔绝开的，并没有太多的辐射物质泄漏出来，而在核电站内部的工作人员工作时一般会配备辐射剂量表，核电站周围的辐射也会受到监控，以此来保证工作人员和周围居民的安全。核电站对周围核辐射的贡献比天然辐射小的多，所以对核电站的恐惧是没有道理的。

    核辐射对生物体的伤害是怎么造成的呢生物体内有大量的各种分子，分子内部的化学键一般键能为二到十个电子伏。核辐射的各种微观粒子带有的能量都比化学键的键能高，因此有一定的可能性破坏人体内分子的化学键，造成分子的性质改变。大部分情况下，细胞内的个别分子被破坏失去生理活性之后，或者整个细胞受损死亡后，会很快被人体分解吸收c重新利用，不会造成重大的伤害。核辐射对生物体的伤害在食品生产中用来常温杀菌，食品经过高强度的射线照射之后可以保证大部分的细菌被灭杀。治疗癌症的放射疗法放疗是另外一种应用，通过对癌变的部位进行高强度的辐射处理，使得癌细胞也包括正常细胞大量死亡，达到抑制癌症的目的。

    在极少数情况下，这种伤害可能会造成细胞内染色体上基因的变化，如果恰巧是生殖细胞的基因被改变了，那么如果能够产生正常的后代，就有可能获得一些新的性状。太空育种c辐射育种就是利用高强度的辐射处理种子，然后从这些受到高强度辐射之后还能够发芽的种子里面筛选培育，获得性能比较好的新品种。因为天然辐射而产生的新基因c新品种在生物进化过程中也起到了相当重要的作用，从这个角度来说，维持一个低水平的辐射对于生物种群的进化和发展是有好处的。

    当然，这种伤害也有一定可能会导致正常的体细胞基因发生变化，如果这种变化不能修复并且细胞仍然存活，就有可能出现细胞不受控制地复制的情况，就成了癌细胞了。因此，长时间接受较高强度的核辐射是有导致癌症的可能性的。但是，如果受到的辐射强度不大的话，就不用去担心。像前边说过的，日常受到的核辐射是不可能完全隔绝的，这样的危险总是难以避免，担心也没有用，没有必要过于恐惧。尽量避免接触强的核辐射就可以了，比如说应该小心放射性超标的大理石地板c避免直接接触核材料。居里夫人因白血病去世，邓稼先因直肠癌去世，这可能和他们长时间接触放射性物质有关系。也只能说有关系，因为就癌症的发生也是有很复杂的机理的。只能说长期大量地接触放射性物质有增加得癌症的风险。

    下面的列出了一些跟生活相关的辐射数据，表明了2000年天然和人工源所致年均个人有效剂量，不同来源的数据可能在细节上略有差别，不过大体的数量级应该是一致的。数据用来衡量辐射对生物体组织的伤害剂量当量，单位是sv。1sv等于1焦耳每千克，表格里面单位比较小，实际是毫千分之一sv。核电站的工作人员每年受到的辐射是112v，核电站周围的居民受到的辐射一般认为比这小得多。了解这些数据，就很容易理解，对于核电站周围和乘飞机出行中的辐射没有必要担心。

    2000年天然和人工源所致年均个人有效剂量：

    天然辐射自然辐射　　24v；

    医疗检查　　　　　　　04v随医疗保健水平不同在00410之间，2008年数据为06v；

    大气核试验　　　　　0005v高峰值015出现在1963年

    切尔诺贝利事件　　　0002v北半球平均值，1986年高达004，事故附近地区比较高

    核能利用核电站00002v

    职业照射　　　　　　　06v

    由此可见，只要是没有超常的活动或事故，辐射对人体不会有什么大的影响的。

    说完了核辐射，再来说说电磁辐射。顾名思义，电磁辐射就是电磁波的辐射，振荡的电场和磁场在空间中以波的形式传播就形成了电磁波，可见光就是一种电磁波，还有我们日常提到的x光c紫外线c红外光c微波还有无线电波，这些都是电磁波。电磁波具有波粒二象性，可以看作波，也可以看成一个个的光子，波长越短，光子能量越高。在某些情况下，电磁波可以对生物体造成伤害，人们也经常会对日常生活中的各种跟电有关的设备安全性产生怀疑。那么，电磁波究竟有可能对人有什么伤害呢

    电磁波对人的伤害，简单来说有三种：1跟前文介绍的核辐射一样，波长很短的gaaγ射线cx光c紫外线甚至短波的可见光这样光子的能量高于分子化学键键能2~10电子伏的电磁波，可以破坏蛋白质和dna等分子，造成伤害并有一定的可能诱发癌症；2一些能被分子吸收的光，比如可见光c红外光和微波包括微波炉里面的辐射，如果高强度高的话，可以加热人体造成烧灼伤害；3高强度的无线电波可以在人体内形成感应电流，对神经系统和内脏的正常工作造成影响。

    高能光子辐射

    核辐射里的gaaγ射线是一种波长很短光子能量很高的电磁波。而包括中子射线calphaa射线cbetaβ射线cgaaγ射线等核辐射，再加上x光，这些可以统称为电离辐射。因为这些射线都有可能引起物质的电离。这些射线因为单个粒子的能量远高于分子的化学键能，可以破坏分子，造成伤害，引起变异甚至诱发癌症。比如说，做过躯干的x光检查之后医生有时会告诫在下面几个月的时间内不要怀孕，就是为了避免因为x光的辐射导致婴儿的畸形。紫外线和波长较短的可见光的光子能量也大于某些分子的键能，它们并不能透过人体，但是也可能对皮肤造成类似的伤害。

    可见光c红外和微波辐射：从阳光到微波炉和手机

    对于大部分可见光甚至更低频的红外c微波辐射波段，由于光子的能量比分子间化学键的能量小，是不可能破坏分子结构的。如果波长合适主要是红外光，能够被分子吸收跟分子的振动或者转动能级恰好匹配，那么分子会吸收这种电磁波而使得分子运动变得剧烈；而微段的电磁波能够驱动某些极性分子分子内部有带正电和负电的部分做振荡运动，使得分子之间互相碰撞，也会加剧分子的运动。总之，就是在这一波段的电磁波的作用下将会使得人体温度升高，有可能造成烧灼的伤害。太阳光汇聚起来可以引火做饭，就是因为可见光的波段能够被物质吸收产生热量；微波炉就是利用电磁波驱动水等极性分子振荡运动以加热食物。

    另外，一切物体都在不断地向四面八方辐射各种波长的电磁波，这就是“黑体辐射”的物理知识。辐射的不同波长电磁波的能量分布服从普朗克提出的黑体辐射定律。我们日常所见的一切，包括房子c车子c票子c还有每一位帅哥靓女等等，都在不停地以电磁波照射着周围的一切，也持续受到周围一切的黑体辐射。按照室温计算300开尔文，27摄氏度，我们辐射的电磁波强度最大的波长是约十个微米，处于红外光的范围里，每平方厘米的皮肤每秒钟辐射出的电磁波总能量为0046焦耳。显而易见，低强度的红外光辐射对人体是完全无害的。值得注意的是，人的眼睛看不见红外线，但是会被高强度的红外线烧伤。

    一般的微波炉工作频率是245ghz1g等于十亿，无线网络的无线路由器工作频率一般是24ghz也有5ghz的，3g网络的频率在1724ghz之间，而手机的信号频率在08096ghz之间和171185ghz之间，在这些频率范围内，辐射对人体的伤害表现为热效应。电磁波通过驱动极性分子主要是水做振荡运动，使得分子之间互相碰撞，加剧所有分子的运动，表现为温度升高。对于像部分食物或者生物体这样含水多的物体，这个波段的穿透深度基本上在厘米量级温菜的时候有时表层热了，下面还凉着，所以如果你没有感觉到皮肤发热或体温上升，那么就完全不用担心这个波段的辐射伤害。总之，在从可见光到微段的电磁辐射里面，如果没有闻到烤肉的味道也没有觉得体温升高太多的话，就不用担心电磁辐射的伤害。

    尽管说从物理上来说“手机致癌”的说法并没有道理，但是必须承认，关于手机致癌的讨论并没有定论。世界卫生组织国际癌症研究所iarc展开的全球迄今最大规模的手机安全研究显示，使用手机与脑癌之间没有明显联系。

    波长更长的无线电波

    对于波长更长的无线电波和长波无线电，包括广播f高压输电线和变压器50hzc和大部分家用电器50hz，要担心的是感应电流的危害。大家知道，导体在交变的电磁场里面会产生感应电动势和感应电流，而人体可以看作导体，在电磁场里面也会产生感应电流。虽然说感应电流也有热效应电磁炉，但是对于正常环境下的人体来说这个热效应不会造成太大的影响那需要的感应电流太大了。但是，我们的神经系统和内脏器官的正常工作是需要生物电信号交流和控制的，如果感应电流超过一定的强度的话，会有可能干扰神经系统和内脏的工作，使人感觉到不舒服。不过，电流对于人体的影响是需要高于一定的阈值的，低于阈值，人体是不会有感觉的。因此，对于天线c电视塔等强辐射源，只要我们离开他们适当的距离，使得电场磁场低于一定的值，就不用担心这个问题；对于像高压输电线c变压器还有一般的家用电器这些不是为了辐射电磁波而设计的设备，正常使用情况下的辐射是不会对人体造成危害的，不应该担心。

    第二十四章堆的类型

    说了那么多的核事故，可能会觉得很可怕，事故是可怕，可是核对于人类来说也有它作用更大的一面，人类作为世界上的唯一统治者，要想征服自然，加之资源的有限性，这就又有了与自己的“种族”进行能源之争夺，选择核能就成了一种必然。也是由于它产生的能量具大和可观，因此将其用作武器，就是人们说的核武器，同时它也被大量地和平利用，用得最多的可能就是发电。作为核动力来说的主要应用形式又有两种，主要是军用和民用，军用方面除了核潜艇应用反应堆作为动力外，还有水面舰艇应用的核动力；在民用方面就更广泛了。应用最广的当然就是发电，目前全世界有400多座核电站在运行。

    世界上大大小小的核反应堆有上千座，根据燃料形式c冷却剂种类c中子能量分布形式c特殊的设计需要等因素，可分为各种不同的类型，千姿百态，多种多样。特殊的设计需要的可用于空间探测的空间反应堆或反应堆装置。

    核反应堆又称为原子能反应堆或反应堆，是装配了核燃料以实现可控制裂变链式反应的装置。

    根据用途，核反应堆可以分为以下几种类型：1将中子束用于实验或利用中子束的核反应堆，包括研究堆c材料实验等；2生产放射性同位素的核反应堆；3生产核裂变物质的核反应堆，称为生产堆；4提供取暖c海水淡化c化工等方面所需热量的核反应堆，称为多目的堆；5为发电而发生热量的核反应，称为发电堆；6用于船舶c飞机c火箭等作为动力的核反应堆，称为动力堆。

    另外，按结构可分为：均匀堆c半均匀堆c非均匀堆c固体燃料堆c液体燃料堆c游泳池式堆c壳式加压型反应堆c压力管式加压型反应堆等；

    按中子能谱可分为：热中子堆c快中子堆c中能中子堆和谱移堆；

    按燃料类型分为：天然铀堆c浓缩铀堆c钍堆；

    按燃料增殖性可分为：增殖堆和非增殖堆；

    按冷却剂可以分为：轻水堆c重水堆c气冷堆c液态金属冷却堆等；

    按慢化剂可分为：轻水堆c重水堆c石墨堆等。

    核电站应用最普遍的是压水堆。

    核电站中进行可控自持链式裂变反应以产生热能的装置。裂变反应堆利用可裂变的重元素如铀235c铀233和钚239，在中子的作用下，形成可控自持链式裂变反应，释放能量。

    世界上第一座裂变反应堆于1942年12月2日在芝加哥大学达到临界。那是一座以天然铀为燃料c石墨为慢化剂的实验性反应堆。第一座原型生产堆于1943年11月建成并投入运行。1954年6月27日，苏联建成世界上第一座核电站，采用天然铀石墨慢化压力管式水冷反应堆，电功率为5000千瓦。1961年7月，美国建成世界上第一座商用压水堆核电站，电功率为285万千瓦初期设计值。到80年代，裂变反应堆已成为世界上最重要的替代能源。

    裂变反应堆系统的一般组成是：核燃料元件c控制棒及其驱动机构c慢化剂c冷却剂以及堆内结构部件构成的堆芯。堆芯连同包容它的反应堆容器称为反应堆。通常所说的反应堆实际多指反应堆系统或反应堆装置。反应堆系统还包括主冷却回路管道c主冷却泵c蒸发器以及进一步冷却或利用热能的二次回路。

    核燃料　在反应堆中受中子作用产生核裂变反应并释放中子和热量的一种材料。作为燃料“烧掉”的是3种可裂变核素铀233c铀235和钚239中的一种或其混合物。直到80年代，广泛使用的核燃料是铀。天然铀中含铀235只有071，需通过扩散c离心c激光等方法将天然铀中的铀235和铀238分离，提供铀235含量比天然铀比例更高的浓缩的铀燃料。另两种可裂变核素是在反应堆中人工生产的。核燃料的应用形式有作为固体燃料的纯金属c合金c化合物。对固体燃料来说，为了包容裂变产物和防止核燃料的氧化和腐蚀，采用金属或石墨包壳将燃料包覆起来。这种燃料称为芯体。一组用合金包覆的燃料元件形式可为棒状c片状和环状可装配成组件，元件之间的定位部件称为定位架。目前运行的压水堆c沸水堆c重水堆都采用这种燃料组件。用石墨包覆的核燃料颗粒与石墨混合，压制成球形或棱柱形燃料元件，可用于高温气冷堆。锆与金属铀的合金经氢化，形成铀氢锆元件，用不锈钢管包覆，可作为一种特殊试验堆trca，实际是半均匀堆的燃料元件。

    慢化剂　核燃料裂变反应释放的中子为快中子，而在热中子或中能中子反应堆中要应用慢化中子维持链式反应，慢化剂就是用来将快中子能量减少，使之慢化成为中子或中能中子的物质。选择慢化剂要考虑许多不同的要求。首先是核特性：即良好的慢化性能和尽可能低的中子俘获截面；其次是价格c机械特性和辐照敏感性。有时慢化剂兼作冷却剂，既使不是，在设计中两者也是紧密相关的。应用最多的固体慢化剂是石墨，其优点是具有良好的慢化性能和机械加工性能，小的中子俘获截面和价廉。石墨是迄今发现的可以采用天然铀为燃料的两种慢化剂之一；另一种是重水。其他种类慢化剂则必须使用浓缩的核燃料。从核特性看，重水是更好的慢化剂，并且因其是液体，可兼做冷却剂，主要缺点是价格较贵，系统设计需有严格的密封要求。轻水是应用最广泛的慢化剂，虽然它的慢化性能不如重水，但价格便宜。重水和轻水有共同的缺点，即产生辐照分解，出现氢c氧的积累和复合。

    控制棒　在反应堆中起补偿和调节中子反应性以及紧急停堆的作用。制作控制棒的材料其热中子吸收截面大，而散射截面小。好的控制棒材料如铪c镝等在吸收中子后产生的新同位素仍具有大的热中子吸收截面，因而使用寿命很长。核电站常用的控制棒材料有硼钢c银铟镉合金等。其中含硼材料因资源丰富c价格低，应用较广，但它容易产生辐照脆化和尺寸变化肿胀。银铟镉合金热中子吸收截面大，是轻水堆的主要控制材料。

    压水堆中采用棒束控制，控制材料制成棒状，每个棒束由24根控制棒组成，均匀分布在17x17的燃料组件间。核电站通过专门驱动机构调节控制棒插入燃料组件的深度，以控制反应堆的反应性，紧急情况下则利用控制棒停堆这时，控制棒材料大量吸收热中子，使自持链式反应无法维持而中止。

    冷却剂　由主循环泵驱动，在一回路中循环，从堆芯带走热量并传给二回路中的工质，使蒸汽发生器产生高温高压蒸汽，以驱动汽轮发电机发电。冷却剂是唯一既在堆芯中工