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核辐射会造成多大的健康危害?

福岛核危机观察(2)

我们在《核污染,关键是放射量有多大》一文中已经说过,Health Physics这个领域的核心问题就是辐射的剂量。准确地讲,剂量是单位质量的生物体组织所吸收的放射性元素或辐射带来的能量。

“剂量”的两个单位

剂量的国际单位为Gray,1 Gray等于1焦耳除以1千克。

请注意,这是对能量的表述,而不是放射强度。放射强度是一个关于“事件”的计量,发生了就为1,没发生就为0,并不表述与放射性粒子相关的能量大小。怎样从强度转变为剂量呢?这时就要用到核物理的数据了。就像我在《核污染,关键是放射量有多大》中说过的,每次衰变钾-40放出一个能量为0.585百万电子伏特的β粒子。而氙-133每次放出的β粒子能量仅为0.1百万电子伏特。钾-40放出的能量要比氙-133 大得多。在相同的放射强度下,钾-40可能给人体带来的剂量就要比氙-133大得多。

另外要注意的一点是生物体“吸收”的能量,不被吸收的不被计入剂量。比如一些高能的宇宙射线,可以没有任何阻碍地穿过人体,也不损失能量。它就不会带来任何剂量。氙-133是一种惰性气体,很难发生化学反应,也不溶于水,因此进入人体的肺部之后,绝大部分又被呼了出来,所产生的剂量也是很小的。

不过,核物理的数据只是第一步。要精确计算剂量,还要考虑到不同放射粒子对生物体的不同影响。α粒子质量大、电荷多、电离作用很强,可在人体细胞内很小的区域中形成较高浓度的离子、自由基。这些高浓度的离子和自由基可以给细胞体尤其是DNA造成很大的伤害。β粒子,γ射线小,不带电或少量电荷。同样的能量在体内行程长,电离作用分散,造成的伤害比较小。而中子根据其速度不同介于α粒子和β粒子之间。

为了能够比较不同粒子带来的剂量,所以人们又引入了一个系数叫 Radiation Weighting Factor。前面所说的Gray乘以这个系数就得出了一个“加权”的剂量, 或者叫做等价剂量。其国际单位为Sievert (Sv),就是我们在新闻中常见的西弗(希沃特)。

Sievert 是一个很大的单位,通常我们会使用毫西弗(mSv)和微西弗(μSv)。

后续的剂量精确计算更为复杂。不同的生物体组织对同一种粒子的吸收不同。甲状腺就比其他组织更容易吸收碘。同一组织对于不同能量的粒子吸收的程度也不一样。放射性元素在体能存在的时间,分布的方式也不相同。这里牵涉到很多化学,生物的知识。

核辐射剂量研究数据多

前面提到剂量与生物体受到的影响成线性关系。此结论看似简单,实际上是目前为止在研究人体与各种外界物质影响中最重大最可靠的发现。不过,美国科学院(National Academy of Sciences)电离放射对生物影响委员会(Committee on the Biological Effects of Ionizing Radiation, BEIR)曾经这样表示: “可以公平地认为我们在电离辐射对公众的影响上,拥有比其他物质更多的科学证据”(“…it is fair to say that we have more scientific evidence on the hazards of ionizing radiation than on most, if not all, other environmental agents that affect the general public.”)。(1)

事实上,人们对电离放射的认识非常深刻,有很多的可靠数据,包括人体数据。这里面最重要的不用多说——就是广岛和长崎的核爆幸存者。总数有十万人左右。核爆发生至今,已经有60多年了,现在其中约45% 的人依然健在。(感兴趣的话可以搜“Life Span Study”,查看相关资料)这种人体数据放在其他任何一种研究中都不可能得到——比如装修材料中的苯,以往的研究可以肯定其与白血病的发病几率有关联,可是两者之间的定量关系是什么,因为找不到数量足够庞大的测试者进行这种为期几十年的观测,所以无法最终确定。

剂量与人体影响的线性关系被全球主流科学界接受,也是各国政府设定核安全标准的依据。论述这种关系最有代表性的文献就是BEIR委员会发表的一系列报告。到目前为止共有7篇,最新一篇发表于2006年。

根据线性关系,人体吸收1 Sv的剂量可以引起大约4% 机会引发肿瘤癌症。其他剂量根据线性关系类推。怎么理解这一线性关系的概念呢。考察100个人,癌症研究表明正常情况下,其中大约有24人会罹患癌症。如果这里每一个人都受到1 Sv的辐射剂量,那么罹患癌症的人数会增加4名,即上升到28人。

事实上,1 Sv是一个很大的量。美国核电站的工作人员大约每年受到1毫Sv的剂量。假设他连续工作50年,受辐射总量为50毫Sv, 那么增加的癌症机率为0.2%。这个可比抽50年烟的肺癌的几率小得多了。

另外需要注意的一点是,一次性剂量达到1 Sv 左右,人体会出现急性放射病的症状。这里的放射症状主要是由于细胞大量死亡造成的。前一段时间报导的两名东电员工因在含有放射性元素的水中工作而受到“灼伤”,应该就是因为皮下毛细血管壁细胞死亡,破裂而造成的皮下出血。

线性关系的深刻意义在于我们可以量化地预测放射性物质对生物体的影响,根据这种预测,政府,社会可以综合考虑政治,经济,政府运作,文化,社会心理,人口,气候,地理等多方面的因素,作出最优选择。

这次核危机,日本政府设立无人区也是综合了以上考虑,在社会资源最优组合之上得出的对公众最小影响的举措。当然日本政府此次事件的应对有很多值得探讨的地方。这是一个非常重大的课题,此次事件给各国政府及核安全行业提供了一次珍贵的学习和实战演练的机会。

注(1):The Effects on Populations of Exposure to Low Levels of Ionizing Radiation: 1980, Page 11, National Academy Press, Washington, D.C. 1980.

核污染,关键是放射量有多大

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作者介绍: 董海涛,现在美国的一所大学司职核安全官(Radiation Safety Officer)。我所从事的行业叫做Health Physics,是一门结合了物理、化学、生物、工程、管理等多种学科知识,致力于人类能够安全地了解与利用核能的学科。在美国,核能利用的监管部门是美国核管理委员会(Nuclear Regulatory Commission, www.nrc.gov),行业协会是 Health Physics Society, www.hps.org,有兴趣的朋友可以上网了解。

The End

发布于2011-04-19, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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HT

RSO,博士,核安全官员

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