省政府礼堂参加南仁东先进事迹巡回报告会,看着科技创新封上报告人彭勃和杨清阁两位老师的签字,回想会上次次肺腑的掌声,一幅南老师坚定的形象清晰浮现于脑中。感动于他在九十年代放弃一日工资抵得上国内一年的日本职位毅然地回国,感动于他为FAST立项经费放下面子不懈地宣传和“化缘”,感动于他每周一下午一点半的组会坚持开了二十多年,感动于自称“战术型的老工人”他为解决钢索疲劳性问题历经七百多天的自主攻关,感动于他为六个馈源塔的对称性而寸土选址的坚持,感动于他在病情恶化时还携老伴去看望受伤住院学生的真挚关爱。正如杨老师所述,南老师没有用语言教导过我们,但行胜于言。对待工作,要像南老师一般,做一个惹麻烦的人,信念坚定地去追逐梦想,心无旁骛,不为困惑而止步,不因诱惑而动摇。“一个人的梦想能有多大,大到可以直抵苍穹;一个人的梦想能有多久,久到可以终其一生。”这正是践行中国梦的生动体现。他宽广的人生格局和坚韧的人生态度是一座宏伟的精神丰碑。

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311日本大地震的震级最新定为了九级,核电站事故久拖不决,灾区很多人撤离,辐射阴霾笼罩人心,就连祖国也出现了抢购食盐之浪潮,微博称“盐荒子孙”,除了痛恨那些投机倒把发灾难财的奸商外,还慨叹国人科普教育程度的不足。这几日福岛核电站几个机组事故此起彼伏,又是爆炸,又是着火,抢救人员忙得不可开交。在那么近的距离,几十勇士冒死工作,在此唯有致以深深敬意,祈福早日脱险。

话题转回,本篇主要分析这几日福岛核电站事故导致核辐射泄漏后对远近不同地区的影响程度,以求给出一个客观的评价,也愿使一些深处恐慌中的人们宽心。在讨论之前,首先来简要介绍一下核辐射的概念,并明确一下各种辐射剂量单位的定义和转换。

核辐射基本概念

核辐射,或通常称之为放射性,存在于所有的物质之中,核辐射是原子核从一种结构或一种能量状态转变为另一种结构或另一种能量状态过程中所释放出来的微观粒子流。核辐射可以使物质引起电离或激发,故称为电离辐射。电离辐射又分直接致电离辐射和间接致电离辐射。直接致电离辐射包括质子、α粒子等带电粒子;间接致电离辐射包括光子、中子等不带电粒子。

核辐射主要种类有α、β、γ、中子等射线:α射线是氦原子核(4He),β射线是电子,γ射线是波长很短的电磁波,中子辐射则是中子流。α射线很容易防,随便什么都能挡住,所以多穿点衣服对皮肤就没什么危害了。β射线稍微厉害一些,一般采用铝等薄金属板来阻挡。这两种射线由于穿透力小,影响距离比较近,只要辐射源不进入体内,影响不会太大。γ射线则厉害一些,穿透力很强,要用很厚的铅板来阻挡,越厚越好。医院透视用的X射线比γ射线能量要低一些,仍然要用很厚的铅板来防护,就是这个道理。中子射线就更厉害,杀伤力很大,一般用很深的水来阻挡,所以福岛核电站四号机组的乏燃料堆用水来淹着就是这么回事,没水了当然辐射就强了。大家如果听说过中子弹,就可以知道其杀伤力了,只杀死人却不破坏任何建筑物,威力可想而知。

所以在电视上,你可以看到核电站有很多材料来屏蔽辐射,铅、钢筋混凝土、水等层层设防,工作人员去抢修也要穿含铅的防护服。而对于我们来说,如果真有辐射了,房屋就是屏蔽体,待在屋里就比在户外安全,而戴上口罩则能防止将辐射物吸进去造成内照射并遗留在体内造成长期影响。大家可能要问如果不防护人会怎样?简单用容易理解的方式说一下。人是由细胞、蛋白质等组成的有机体,蛋白质、DNA这些东西很脆弱的。学过化学你知道,这些分子的分子键结合能是eV(电子伏特)的量级,而核辐射基本是MeV(兆电子伏特)的能量量级。所以如果射线不小心打到了人的细胞蛋白质或者DNA链上,那么不费吹灰之力就可以破坏其结构,细胞结构改变了,DNA断了,那么人也就不是“人”了。辐射少一些,只有一部分细胞被破坏了,还没事,可以再生。如果量大了,可以致癌,甚至直接死亡。

再来说说辐射剂量单位。最近的报道乱七八糟,各种单位都使用,搞得人们晕头转向,无所适从。我们一个一个来说。首先是Sv,也就是sievert,中文翻译“希沃特”或者“西弗”,用来衡量辐射对生物组织的影响程度,定义是每公斤(千克、kg)人体组织吸收1焦耳(J),为1希沃特。希沃特是个非常大的单位,因此通常使用毫西弗(mSv),1mSv=0.001Sv。还有微西弗(μSv),1μSv=0.001mSv。要注意此前一些媒体将micro Sv直接弄成mSv,导致人为放大一千倍,造成不必要恐慌,其实micro Sv是μSv。还有一些其他的单位,定义稍有不同,具体不解释了,只要知道大致的转换方式即可:1伦琴/拉德(Rad)/雷姆(Rem)=0.01西弗(Sv),1戈瑞(Gray或Gy)=1西弗(Sv),1纳戈瑞(nGy)=0.001微西弗(μSv)。在下面的讨论中我们简化假设,均以Sv的单位来讨论。要注意,报道中有时是总辐射量,比如Sv、mSv、μSv,有时则是每小时辐射量,比如Sv/h、mSv/h、μSv/h,要分清楚。
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本文为综合各方消息以及现有已经发表的一些分析文章后重新整理并补充形成,本文最后可以看到相关的一部分参考文章。我的专业是粒子物理与原子核物理,但主要所学为原子核理论,对于核反应堆工程的知识学习较少,本文只是个人从物理基本知识方面综合整理所得,文中有一些学术性错误在所难免,请各位读者遇到问题及时批评指正。鉴于浏览量可能短时期较大,欢迎大家转载,有条件的请注明出处即可:-)

福岛核电站结构

福岛核电站属于沸水反应堆(简称BWR,Boiling Water Reactors)。BWR是通过沸水来发电的,用它的蒸汽推动涡轮实现发电。沸水反应堆以轻水(普通水H2O)作为冷却剂和中子慢化剂。反应堆冷却系统内压强保持在70个大气压。在这里,来自汽轮机的给水进入压力容器后,在280℃左右沸腾。汽水混合物经过堆芯上方的汽水分离器和蒸汽干燥器过滤掉液态水后直接送到汽轮机。离开汽轮机的蒸汽经过冷凝器凝结为液态水(给水)后,回流至反应堆,完成一个循环。可参考此网站

堆中所用核燃料是铀的氧化物。其熔点很高,接近2800摄氏度。燃料被制成柱状(1cm高截面直径1cm的小圆筒)。这些柱状物体被放入锆锡合金(一种锆合金)制成的长管中,它的熔点在1200摄氏度左右,并且被严格密封。这种长管被称为燃料棒,包裹核燃料的锆锡合金的这层叫做燃料包壳,包壳将放射燃料跟反应堆其他的组成分隔开。这些燃料棒然后被集装到一起,这样的几百个集装件共同形成反应堆的内核。内核被放置在一个巨大的压力容器中。压力容器由很厚的钢铁构成,可以在7MPa的压力下工作(大概是1000psi),它的设计涵盖了事故发生时产生高压的情况。然后压力容器以及水泵、冷却剂等一并封装在更结实的钢筋混凝土建筑中,这一层叫做安全壳,它高度密封,形成非常厚的屏障。在这个容器建筑的外围又浇灌了一层很厚的混凝土外壳,作为它的双重保障。这些都是为了防止核芯放射物质出现高温熔毁后出现泄漏。切尔诺贝利核电站发生的重大事故是因为没有这一层安全壳导致的。所有这些,再加上蒸气发电机等都建在一个更大的发应堆建筑内部,反应堆建筑是整个核能源厂的外壳性建筑,以便保持厂内恒温,不受外界气候变化影响。

总结一下,沸水式核电站由内到外的机构:放射性核燃料、锆合金包壳、钢铁压力容器、钢筋混凝土安全壳、外层建筑。看几张沸水反应堆的图吧
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昨天的Physical Review Letters杂志上发表了一篇实验文章《New Determination of the Fine Structure Constant and Test of the Quantum Electrodynamics》,Phys. Rev. Lett. 106, 080801,通过实验测定普朗克常数与 87Rb 原子质量的比值 h/mRb,导出了新的精细结构常数值

α-1=137.035 999 037 (91),

测量的相对不确定度为 6.6×10-10。然后通过量子电动力学理论推导,进而给出了电子磁矩反常因数的值 ae=0.001 159 652 181 13(84),这与之前Gabrielse研究组测定的实验值 ae=0.001 159 652 180 73(28) 相一致。两个值相比较为量子电动力学(QED)理论提供了最严格的检验。同时,高精度的实验也首次证实了μ子和强子对于电子反常磁矩的贡献。继续阅读

最近,来自于以色列和德国的物理学家利用DNA双链结构,发展了一种新型高效的电子自旋过滤方法,工作效率相比于磁基自旋过滤器(magnet-based spin filters)提高了三倍以上。利用此技术,可以设计新型的自旋电子电路(spintronic circuits),即同时利用电子的自旋与电荷来存储与处理信息。同时也有助于帮助人们更好理解自旋在生物过程中可能发挥的作用。

自旋电子学(spintronics)在创建更高速、更节能的电路元件方面比标准半导体器件拥有更大的潜力。这是因为相比于生成电流而言,输运和改变自旋所需的能量要远少得多。而产生自旋是很容易的事,这在铁磁性金属环境中就可实现。唯一的挑战是,如何提取自旋来形成一个自旋极化的电流,然后注入到电路中并保持极化在沿途不发生退化。

目前,科学家一般利用根据巨磁阻效应(giant magnetoresistance, GMR)建造的过滤器来极化电子束流。此装置由磁性物质与非磁性物质材料层交替相叠组成,并置于磁场中,未极化的电子流通过材料而产生极化。原则上,只有自旋“向上”的电子才能通过过滤器,而实际装置产生的电子流并未完全极化,仍有相当一部分自旋“向下”的电子存在。

图示为双链DNA单分子膜制成的自旋过滤器(monolayer of dsDNA as spin filter)。使用线偏振激光光源照射金基底释放出未极化的电子流,在穿过DNA后大多数电子的自旋反平行于其速度方向排列(标记为左旋),而其余未穿越的电子则被DNA俘获并在两次激光脉冲间的时间周期内被反射回材料基底。

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