核燃料的娘家——鈾礦揭秘

鈾礦石可用手摸 「氡」風吹不得

核燃料的娘家——鈾礦揭秘

本刊主筆 季天也

前不久，國際原子能機構（IAEA）設立的低濃縮鈾銀行在哈薩克開張了。這是一個面積為880平方米的高安保倉庫，歸IAEA所有和管理。低濃縮鈾銀行將儲備90噸低濃縮鈾，提供給核不擴散信用良好、卻無法從正常的商業市場拿到鈾資源的核能國家。究竟地球上的鈾都藏在哪兒？待在它們周圍安不安全？本期「核與輻射安全」欄目就談談鈾資源的老家——鈾礦。

澳大利亞卡卡杜國家公園的鈾礦開採區

有了地球就有了鈾礦

核電廠的燃料來源鈾235，是一種從地球誕生就存在的天然放射性元素，其從鈾礦開採、加工而來。鈾家族有3個天然同位素兄弟——鈾234、鈾235和鈾238。其中鈾235是地球上唯一天然存在的易裂變核素，因此也是當前核電廠的絕對主力燃料，但它在天然鈾資源中的含量僅有0.711％，另有不到0.006%的鈾234，其餘99.2%以上都是鈾238。

鈾玻璃器皿在紫外線照射下會發出熒光，正是這一特性幫助人類發現了物質的放射性。

鈾的化學性質很活潑，所以在自然界中，它總是和其他元素組成化合物，而不存在遊離的金屬鈾。目前地球上已知的鈾礦物有170多種，但具有工業開採價值的只有二三十種，其中最重要的有瀝青鈾礦（八氧化三鈾）、品質鈾礦（二氧化鈾）、鈾石（鈾的硅酸鹽化合物）和鈾黑（二氧化鈾+三氧化鈾+二氧化釷）等。很多鈾礦物都呈黃色、綠色或黃綠色，有些鈾礦物在紫外線下能發出強烈的熒光，正是這種特性讓人們發現了它們的放射性現象。澳大利亞、加拿大和哈薩克是全球三大鈾資源大國，鈾礦年產量之和佔全球總量的60%。

呈綠色針狀的硅銅鈾礦

作為放射性元素，鈾原子核不能穩定存在，會自發地射出某種由微觀粒子形成的高能射線而變為另一種原子核，這個過程稱為「核衰變」。鈾家三兄弟懸殊的含量差距，和它們的半衰期基本成正比。鈾234的半衰期不到25萬年，鈾235約為7億年，最長的鈾238達到45億年！而地球的年齡被認為是46億歲，這樣算下來，鈾234經歷了18000多個半衰期，和地球誕生之初相比，所剩的數量已經很少了；鈾235經歷了不到7個半衰期，現有數量相當於地球誕生時的1.1%；而鈾238則只經歷了一次半衰期，數量和地球誕生時相比還剩一半左右，遠遠多於另外兩兄弟。

鈾礦石可以用手拿

超高的能量密度一直是核燃料的看家本領。僅1克鈾235發生裂變釋放的能量就高達821億焦耳，相當於標準煤的280萬倍。這是個什麼概念？筆者給大家算算：以每戶普通居民每月用210度電（第一階梯電價的上限）為例，1克鈾雖只有一滴水大小，但發出來的電卻足夠一戶居民用3年之久。

如此小身材大能量，鈾礦石的輻射想必高得難以接近？其實並沒有。更令人意外的是，鈾礦石、鈾金屬以及加工好尚未投用的核燃料芯塊（主要成分為二氧化鈾），哪怕直接上手摸也沒關係。

含有3%?5%低濃縮鈾的核燃料芯塊放射性很弱，可以直接用手拿。

電離輻射影響人體的途徑有外照射（射線從體外照射人體）和內照射（進入人體的放射性核素）之分。不可否認，鈾礦石確實有輻射，但鈾235和鈾238那超長的半衰期堪稱海枯石爛，意味著單位時間裡衰變的原子核數量很少，放射性強度很微弱。而且鈾衰變放出的是α射線（即α衰變），特點是「體內猖狂、體外無妨」。這種射線雖然電離本領很強，比其他射線更容易打碎生物的DNA和關鍵蛋白質，但它的穿透力卻是所有放射線中最弱的，在空氣中的射程只有幾厘米遠，人的皮膚或者一張普通的紙就可以屏蔽它的能量（詳見《環境與生活》2016年6月號《十面埋「輻」你知多少》一文）。所以，只要不通過傷口或口鼻等方式鑽進體內，像鈾礦石這種沒有被「活化」的鈾，本身放射性水平對人體來說是安全的。核反應堆的放射性強，是因為鈾原子核的裂變反應產生了大量高放射性的核素。

氡氣是頭號環境致癌物

既然鈾礦的放射性水平是安全的，相比核電廠和核廢料管理過程中的重重安全措施，鈾礦的開採豈不是不用設防了？並非如此。

就以含量最多的鈾238為例，它雖然本身的衰變速度慢、放射性小，但它要經過14個階段的衰變才能變成沒有放射性的鉛206，這個過程中生成的衰變產物都是放射性物質，有不少是放射性比鈾活躍得多的厲害角色。再加上這些礦石几十億年來深埋在密閉空間里，累積了不少放射性，尤其要當心的是氡。

氡（即我們常說的氡氣）是天然放射性鈾系列衰變過程中產生的唯一氣態元素。它也有3種同位素——氡222、氡220和氡219，因為分別由鐳226、釷234和錒227衰變而來，也俗稱鐳射氣、釷射氣和錒射氣。如果說鈾靜若處子，那麼氡簡直可以說是「動如瘋兔」。它們的衰變和鈾一樣是α衰變，不過半衰期極短：氡222隻有3.8天，而氡220和氡219更是以秒計算。同時它們還是氣態的，無孔不入，這意味著人體很容易吸入氡而造成「內照射」，正好是α射線最能發威的環境。更危險的是，氡一步步衰變形成的釙218、鉛214、鉍214、釙210等，都不是省油的燈——不僅能大量放出α射線，還伴有不少穿透力最強的γ射線，而且這些衰變產物都是固體。因此，氣態的氡被吸入肺部以後，一部分就轉化成固態的放射性物質沉積在呼吸道和肺部了，對人體造成持續內照射。據維基百科英文網資料，內照射時，原本連一張紙都穿不透的α射線威力大增，給人體帶來的有效輻射劑量相當於等量γ射線或X射線的20倍。

仗著氣體的擴散優勢，氡在數十億年里早已滲透到全球的空氣、水體、土壤和石材中。人類每年受到的天然本底輻射劑量，有一半都是氡和它的衰變產物（子體）貢獻的。在鈾礦的開採過程中，鑿岩、爆破、裝礦、放礦、出渣、掘進等工序都會產生大量的氡及其子體、放射性氣溶膠和鈾礦塵等放射性有害物質。在鈾礦冶的生產期、退役期以及退役治理期，尾礦和廢石場析出的氡都是最主要的輻射源，這也是公眾受到內照射傷害的主要途徑。世衛組織（WHO）2000年頒布的《空氣質量準則》，將氡及其子體列為17種重要的環境致癌物之一；據美國環保署（EPA）的統計，氡是僅次於吸煙的第二大肺癌成因以及全球第一大環境致癌因素。

老一輩礦工「裸奔」多年

不幸的是，人類認識到放射性的危害，不過是最近半個多世紀的事兒。在這之前，像鈾礦這樣的放射性礦場可著實坑慘了早年的工人。

地下鈾礦積累了大量放射性很強的氡氣，必須採取防護措施才能進入。

世界核協會（WNA）官網資料介紹，從15世紀開始，許多在今天德國和捷克邊境附近工作的地下礦工，都患上了一種「神秘」疾病，很多人因此早亡。在19世紀後期，所謂的「神秘」疾病被診斷為肺癌。直到1921年，放射性活躍的氡氣才被人視為疑兇，然後又過了18年才得到證實。然而在1946年至1959年間，美國大規模開展地下采鈾活動，卻依舊沒有吸取歐洲的教訓採取防護措施。到20世紀60年代初期，吸煙礦工的肺癌發病率意外地高，人們才意識到這是氡惹的禍。這些礦工曾在高濃度的氡氣中毫無意識地「裸奔」了十幾年，累積輻射劑量遠超安全上限。

在人類認識到放射性的危害之前，地下鈾礦的工人一直在「裸奔」狀態下工作。

所以，為了確保工人和周邊環境的安全，如今的鈾礦開採講究很多，基本原則就是「hold住」放射性的輻射範圍，並防止氡在作業區域蓄積等。比如加強通風（尤其是地下礦床）、降低放射性粉塵的產生量、減少放射性礦體的暴露面積、隔絕採空區、推廣裝運機械化（減少工人與輻射環境的接觸）、在礦壁上噴塗防氡保護層等等。對礦工個人來說，還要穿好工作服、佩戴專業的高效防塵口罩（PM2.5口罩就是基於此衍生出來的）、下班後立即洗澡並清洗工作服、避免在礦井內飲食和吸煙、定期體檢並測量放射性元素的攝入情況等等。由於具體的工藝和技術牽扯很多晦澀的專業辭彙，筆者就不展開介紹了。

鈾礦提純過程的中間產物，俗稱黃餅，含有大量鈾氧化物。

我國鈾礦輻射安全多年達標

根據國標《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》（GB 18871-2002）中規定，公眾受到的年平均有效劑量不得超過1毫希（指本底輻射之外的受照劑量），相關職業工作者則為連續5年的年平均有效劑量不超過20毫希，這和國際輻射防護委員會（ICRP）的標準相同。此外，還有國標《鈾礦冶輻射防護和環境保護規定》（GB 23727-2009）來約束鈾礦放射性排放量：進入空氣中的氡帶來的放射性活度不能超過3700貝克/立方米（1貝克表示每秒鐘有1個放射性原子核發生衰變）。

不同放射線的穿透力對比

那麼實際做得如何呢？國家核安全局發布的《2016中國環境狀況公報》顯示，鈾礦冶設施周圍輻射環境質量總體穩定，周圍環境γ輻射空氣吸收劑量率、空氣中氡活度濃度、氣溶膠中總α活度濃度、地表水中總鈾和鐳226濃度與歷年處於同一水平，周邊飲用水中總鈾、鉛210、釙210和鐳226（衰變後就是氡222）濃度都沒超過國標限值。來自世界核協會的數據也指出，如今國際上對礦區的防輻射措施普遍做得不錯，工人的輻射受照劑量最大不過10毫希/年，平均則只有2毫希/年左右。反觀還沒有輻射安全意識的1946?1954年間，東德放射性礦區帶來的年均輻射劑量高達750毫希，超出職業劑量上限幾十倍。

據美國環保署（EPA）的統計，氡是僅次於吸煙的第二大肺癌成因以及全球第一大環境致癌因素。

時至今日，氡仍是對普通公眾健康威脅最大的放射性元素。由於鈾礦區積累了億萬年的放射性衰變產物，並且還在源源不斷地生成，對抗氡污染將是一場持久戰。

（如需要轉載，請註明轉自《環境與生活》雜誌）

責編：季天也

網編：吳燕芳

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