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漫談日本福島廢水輻射,氚及核武器

(2022-09-29 11:20:45) 下一個

通常人們談起輻射,都非常害怕。特別是這次日本福島核電站處理過的廢水要開始排入太平洋,引起國際輿論的關注。
究竟這廢水有多危險,會不會汙染整個太平洋? 
當人類受到各種輻射的照射後,會可能引起體內細胞的突變。在輻射劑量高到一定程度後,引起輻射病和癌症的可能性顯著提高,過高的輻射劑量甚至可以致命
這裏先把幾個事實和數據列一下,進行比較
一般人類輻射照射對健康的影響往往用一年積累的總輻射量來判定。下麵是幾個基本事實: 
--人類每年受到的輻射50%是自然界產生的。高能宇宙射線進入大氣層後,會和氫,碳等元素反應而產生氚,碳14等放射性同位素,這些放射性同位素可進入人體,可在蛻變中產生不同的射線。還有土壤,石頭中的氡氣,也是自然界產生的輻射。這些輻射是誰也躲不掉的。 
--醫療服務造成的輻射平均占每年受到的輻射的48%。比如做X-ray,CT檢查等。 
--消費產品中的輻射成分貢獻了2%。 
--因為核電站排放含有氚的汙水和其他泄露的放射性物質而造成的輻射對人類每年受到的輻射的總量的0.1%以下。 
日本福島核電站處理過的廢水,其主要輻射的貢獻是氚。其他的放射性物質,比如銫-137,都可以用化學及物理辦法處理,不很困難。用化學的合成,萃取,分離,物理的過濾,吸附,蒸發等都是可能的辦法。 
福島核電站這十年來,主要廢水的處理工作就是把其他放射性物質去除,除了氚以外,汙水排放前已達到標準。 
下麵拿另一組數據來比較輻射的影響。 
按現行福島核電站處理過的廢水,每升水產生的輻射量是1500貝克。 
一個人即使每天都飲用1.5升這種水(正常飲水量,當然沒人真正去喝),一年下來輻射積累約為40mrem(輻射積累計量單位)。 
相比之下: 
一次全身CT掃描的輻射積累是500到1000mrem,為以上值的12到25倍。 
人類每年受到的自然輻射積累是310mrem,8倍以上值。 
即使算上人類體內自然產生的放射性鉀,其每年輻射積累也有15mrem。體內的放射性碳14的輻射積累與放射性鉀差不多。 
不過許多人會想,輻射不管怎麽說都是有害的,幹嘛不把它分離出來或排放到空氣裏。可惜氚和氫的化學性質完全一樣,無法用任何化學方法分開它們。用物理方法的話,隻有用分離鈾238和鈾235的類似方法,比如高速離心機,這顯然是非常昂貴的,特別是當氚含量濃度非常低的條件下,更不可行。至於排放到空氣裏的方法,因容易被人通過呼吸攝入,危害更大。 
通過海水稀釋是目前通行的辦法。世界上所有的核電站都會產生氚,因為濃度非常低難以分離回收,所以都會通過廢水排放把含氚的水放入大海稀釋。人類目前產生的氚,對海水裏的氚含量的增加是很小的,何況氚的半衰期是12.3年,或過了12.3年含量減半。 
相比其他的輻射元素在海水的總量,比如放射性的鉀-40有750億噸之多!放射性的鈾也有約40億噸。而日本福島的全部86萬噸廢水,氚的總含量約2.1克,還要分十多年排放,每年小於0.2克。氚本來在大海中也存在,自然界產生的氚在海裏雖不算多,但也有7.3公斤左右,每年繼續衰變和自然補充約400克,這數量和0.2克相比也大得多。總的說來,地球的海洋主要的放射性物質為鉀-40,鈾,釷等,氚的占比是非常小的,人類排放的部分更是微不足道。 
氚的輻射能量是最低的一種,它衰變時發出的為beta射線(電子束),能量隻有0.0057MeV,穿透力極弱。在空氣中隻能行進6厘米,它穿不透A4的打印紙,甚至無法穿透人類皮膚外層死皮。相比之下,氚的輻射能量遠弱於鉀-40(1.31 MeV的beta射線和1.46MeV的gamma射線)及鈾,釷等放射性物質。 
農藥,重金屬等在生物體中可以積累,特別是在食物鏈中的頂級捕食生物,可以把食入獵物中的農藥,重金屬等在自已體內積累。氚則不會積累,因為任何機體都無法區分普通氫氧組成水還是氚氧組成的水,所以氚氧組成的水和普通水一樣代謝循環。如果一次性攝入,大概7天左右就會有一半排出體外。因而氚不會在生物體中逐漸積累,也不會因吃掉含微量氚的食物而在體內濃度不斷增加。 
有人可能會質疑,不管排放多少,海洋中增加了放射性物質總是不好吧。但這點應可放心,光是海裏的鉀-40因為衰變,每年都會損失4100噸的鉀-40而衰變成沒有放射性的鈣-40,這減少量遠超人類排放的幾克的氚,更不提鈾和釷也在衰變而減少。因為鉀-40,鈾和釷等放射性物質是源自45億年前地球誕生時,以後基本沒有補充。所以,海洋和陸地的放射物質因為衰變,總量是在不斷地減少,而不是增加。 
一些工業產品,消費品要用到氚,比如夜光手表,自發光的緊急出口標牌等,全世界為此每年大概消費400克的氚。 
核武器也用了氚,但並非氫彈裏的主燃料。氫彈裏的主燃料是氘化鋰,一種穩定,不會衰變的材料。當核爆引爆發生時,氘化鋰在中子轟擊下產生氚而瞬間造出氫彈的聚變材料。氫彈裏的主燃料既然不是氚,因而不會像一些人所想象那樣,氫彈在一段時間後會因氚的衰變而失效。 
但現今美國最新設計和生產的原子彈,氫彈,每顆都含有氚!不錯,用了氚。 
不過,使用量很少,4克左右。氚與少量的氘混合,置於引爆器的中心,當周圍的鈾235或鈈239被起爆發生裂變反應時,高溫和高壓造成內核的氚氘發生聚變反應,產生大量的高能中子,這樣可讓主爆的核燃料,不管是鈾,鈈,或氘化鋰獲得更高的利用率。這是先進核武器小形化,輕量化的要訣。為何美國的三叉戟II潛射導彈能裝上12個彈頭,每個可有47.5萬噸TNT當量,就是用了這種設計的W87或W88彈頭,其每個彈頭重量小於300公斤。 
話說回來,用了氚,那彈頭是否太昂貴了呢? 
對核武器來講,4克氚不算貴,目前價格是每克30000美金! 
那氚的半衰期為12.3年怎麽辦?彈頭是否會失效? 
最新設計和生產的原子彈,氫彈頭都有個小窗口方便氚的更換,每5-6年這些彈頭都要進行維護,置換電池(這也是必須的),換入新的氚,而舊的氚去掉衰變部分變成的氦-3,還可以回收循環使用。 
中國對W88彈頭很有興趣,當年李文和就是因為泄露W88彈頭的設計給中國(特別是橢球形引爆器的計算仿真結果數據)而被聯邦政府起訴,但因拿到的證據不足而撤銷。不過業內的人都知道真實情況。

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