福岛核电站事故的辐射影响分析

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。

日常生活中的辐射程度

我们生活的现代世界里有着各种各样的电磁辐射,从手机、微波炉、高压线到电视台广播台的信号塔。但鲜为人知的是,我们一直生存的自然环境,同样有着逃不掉的核辐射或电离辐射,从穿越星系而来的宇宙射线,到自然中无所不在的微量放射性同位素的衰变辐射,还有火力发电厂燃烧煤炭以及全球核试验带来的放射性沉降灰,人类有史以来一直受着天然电离辐射源的照射。只不过,这一背景辐射的量级很低。以宇宙辐射为例,一般在中纬度海平面处为0.03μSv/h,在西藏(4000-5000米)约为0.12-0.18μSv/h,而乘民航飞机(10000米高空)约为0.77μSv/h。

日常生活中,使用老式破旧的电脑显示器,其辐射估计大约为0.8μSv/h。而新装修的房屋内,含有氡222Rn等放射性气体,造成辐射约为0.18μSv/h。做一次胸部X光透视,辐射为20μSv。做一次全身CT,辐射约6.9mSv。抽烟的人,一天一包烟的话,一年也有1mSv的辐射。以上数据在不同的资料中还不太一样,没找到严格准确的数据,大家暂且作为参考。有一张图可以看得清楚一些:

可以看到,正常的人,一年什么都不干,平均接受到的背景辐射都有2.4mSv,大约是0.3μSv/h。而请大家记住两个关键量:一个是100mSv,100毫西弗,如果短时间内遭到辐射量大于此值,则可能会对身体造成危害;另一个是4000mSv,也就是4西弗,如果短时间辐射大于此值,则可死。可以看到,日常生活中,做绝大多数事情都是安全的,除非你走极端,要相信人是没有那么脆弱的,人有很强的环境适应力。

福岛核电站事故厂房附近的辐射情况

我们先来看看这几天福岛核电站厂区内的辐射变化情况,资料来源是东京电力公司网站。此次辐射主要是γ射线辐射,除很短的一段时间外,中子辐射量较小。下面的图就是我根据数据,画出来的从3月12日开始到3月16日期间,核电站正门附近测量到的辐射剂量变化。

另外早稻田大学的koh takeuchi也做出了一张类似的图,不仅包括了昨天今天的新数据,还增加了核电站其他地点测量的数据(见第二张图)。


我们挑选重点数据来说明强度,可以发现,这几天有三个很大的峰值,在15日和16日。15日的峰值应该是二号机组氢气爆炸所致,16号的则可能是三号机组氢气爆炸和四号机组着火燃烧所致。所有的测量值中,最大峰值出现在3月15日的上午九点钟,γ射线辐射强度达到了11930μSv/h=11.93mSv/h。我们就以此数据来作以说明,假设你就在核电站的正门附近站着,并且什么防护措施都没有做,并假设你全部吸收了照射来的辐射,那么你待一个小时,就受到了11.93毫西弗的核辐射。如果此强度持续,那么你待在这里十个小时,身体就有可能受到伤害,强度比做全身CT差不多大一倍。所以在这里工作的职员还是很危险的,必须做好防护,并且轮流换班,接近反应堆的地方就更不用说了。昨天说用消防车喷水每次只能待一分钟,也是为了安全着想。

而今天全天的状态还比较稳定,西门附近测量值基本处于280μSv/h=0.28mSv/h左右。那么再计算一下,100/0.28约等于357小时,也就是说你连续待个357小时身体总吸收辐射量才达到100mSv的健康危害值,可以说今天的核电站对周边的影响要小多了。远处的影响就更小了。

福岛县域的辐射情况

下面我们再跑得远一些,离开核电站几十公里,看看情况如何。既然15日和16日的问题最严重,那么我们重点去找这几天的数据来看。如下图所示,我们可以看到福岛县的不同地方的辐射水平随时间的变化图,数据来源是福岛县灾害对策本部。这些地方距离福岛第一核电站都有几十公里的范围。

我们继续挑选重点数据分析。从图中,我们找到福岛市(距离核电站80公里)在15日辐射峰值达到24μSv/h,饭馆村役厂(距离核电站40公里)在15日辐射峰值达到45μSv/h。另外我们根据新闻,找到福岛县浪江町附近(距离核电站约20公里)在15日下午8点40分至50分检测到每小时330微西弗的辐射量(330μSv/h)。我们把这三个挑选出的数据地点分别简称为20公里处、40公里处和80公里处。

下面的分析我们假设上述峰值一直持续没有改善,看看会怎样。对于20公里处,你待在这里大约12天身体总吸收辐射量才达到100mSv的健康危害值,可以说已经是安全的了,如果核电站情况一直不改善,那么你待个12天再撤离对于身体不会有影响。换成别的参照,在这里居住21个小时就相当于做一次全身CT,这么说的话你可能就有些紧张了,我难道还天天做全身CT啊!那么我们就再跑远一点。

来到40公里处,辐射水平降到了45μSv/h,为了不致身体遭受伤害(还是以100mSv为界定),你可以在这里待三个月了,这是个好消息,相信日本政府不会连续三个月还解决不了问题的。在这里待着最高的辐射就好像每半个小时做了一次X光胸透,每天做50次,对身体的影响比每天拍CT可要轻多了。

再远一些,到了80公里处,辐射水平降到了24μSv/h,为了不致身体遭受伤害(还是以100mSv为界定),你可以在这里待六个月了,呵呵,同时人自身是有自我调整的能力的,所以可能保持健康的时间还会延长。待在这里每小时只需要做一次X光胸透了,如果待在家里情况还要好些。

小结一下,以上三个地方比较表明,距离越远辐射越小,衰减程度大致可以与距离的平方成反比,即远一倍辐射量就只有四分之一了。另外与上面核电站的辐射变化图比较可以发现,核电站里一次短时间的辐射剧增却导致远处周边地区有一个较长时间的辐射,可以持续好几天。现在离最高辐射的剂量发生时间已经过去四天,也就是说福岛县的居民忍受了四天的高辐射,严重的每天做一次全身CT(就是20公里的隔离带附近),要么是每天做一次胸透(80公里外的福岛市)。根据刚才的推算,现在的日本政府作出20公里撤离,30公里躲屋内的方案还是比较合理的。但是如果形势还是没有好转,或者更加恶化,那么30公里的人们也要想想开始撤一撤了。而40公里以外的,则可以等到两个月后再撤远(既然我们刚才估算的安全时间是三个月),而距离80公里的人们,现在安心工作就好了,如果四五个月时间核电站事故还没好,再说撤退的事情。这些推测都是根据目前最高的辐射量来推算的,现实情况要比此推测还要乐观一些。

日本其他地区的辐射情况

对于日本其他地区来说,情况则要更好一些,我们可以从这里看到及时发布的检测数据:都道府県別環境放射能水準調査結果。根据数据,这个网站画出了各府道县这几天的辐射水平量值。我截取下来在这里,点击下图放大查看。注意图中的剂量单位是μSv/h。

茨城县水户市(距离福岛第一核电站142公里)是所有这些府县中辐射水平最高的,其在16日上午七八点最高达到了1.035μSv/h。这个水平如何呢?虽然达到了平时辐射正常值0.035μSv/h的将近30倍,但30倍又怎么样呢?我们拿之前的生活值来说明,这个峰值也就是和你坐飞机或者在破旧显示器前工作差不多而已。我们看到这个峰值大约只维持了两三个小时,也就是说16日那天,水户市的人民群众全体乘坐了两个小时的飞机。假使以后形势变得严重,那么也对身体没有影响,也就天天坐飞机罢了,没有听说空姐们的年龄相比地面的人有啥变化吧。如果拿X光胸透来比,那么就是每天做了一次胸透,而且这个前提还是一整天都维持1.035μSv/h的辐射水平,而实际上这个量只维持了一两个小时。实际上看看现在,稳定下来后每小时的辐射量大概是0.2μSv左右,而全世界平均的背景辐射是每小时0.3μSv,所以就是背景了,核电站事故的影响可以忽略不计了。

再说说东京都(距离福岛第一核电站250公里),15日的上午10点至11点检测到辐射量为0.809μSv/h,比平时的正常值高20倍,这个情形与上面水户市的类似,不多说了,而且也就那么一个小时左右,就算是东京人民也全体坐了一次飞机吧。再看稳定下来的数值,大概是0.05μSv/h,这也是在自然正常的背景辐射值之内的,也完全可以不考虑。

这里也小结一下,可以说在距离出事故的核电站100公里之外,该做什么就做什么,就当核电站的事故完全没有发生过,充其量也就是免费享受了一次坐飞机的感觉而已。下面这张图是东京大学的同志们制作的,结论一样,记得世界人民的辐射平均值是0.3μSv/h,比较一下就知道在这么危机的情况下,日本大部分地区仍然有比世界平均值还要好的生活条件,所以也可以理解日本人为何处乱不惊了。

日本以外地区的辐射情况

这一条我不想展开说了,说了也没意义,八杆子打不着的,可以说核电站只是一个传说,在那遥远的地方。想想当年那么多的原子弹、氢弹、氢铀弹、中子弹的核试验,对我们的影响有多少呢,那个辐射量可比核电站的要大大大大大多了。对于我国的情况,有两个有意思的分析可以看看,用科学的方式消除国人的忧虑。

一个是奥地利中央气象和地球动力研究所的Gerhard Wotawa博士模拟的此次事故放射性污染物扩散的过程。如下图(来源网站

一个是北京大学物理学院大气与海洋科学系博士张季平,利用拉格朗日粒子扩散模式FLEXPART对日本福岛核电站进行了对放射性物质扩散的预报。气象场使用WRF3.1.1的模式输出结果,水平分辨率12km,垂直层36层(其中1000米以下11层),起始时间2011年3月14日20时-17日20时。采用前向模式,每小时释放5000个粒子。初始场应用NCEP/NCAR GFS 的72小时的预报结果。结果如下图

最后回顾一下1979年美国三里岛核电站事故。当时有45%的堆芯发生熔化,但放射性污染范围有限。根据美国核学会的事后统计,在当时的事故中,距离电站约16公里范围内的居民,平均所受到的辐射剂量,仅仅相当于一次胸透。即使个人所受到的最大剂量,也不高于美国居民年均背景辐射的1/3。这次的情况稍微严重一些,但影响差别不会太大。

总结一下,这次福岛第一核电站事故确实影响到了周边一些地区,目前20公里范围疏散,30公里待在家里是可以的。30公里到100公里范围的居民需要关注消息,如果情况有恶化则考虑撤退。100公里以外的地区,正常生活正常工作就好了,完全不要担心,及时最坏的情况也危害不了健康,这其中就包括东京、名古屋、京都、大阪这些重要城市。东京的朋友们请不要担心了,好好的生活好好的工作吧,除了物品可能还有短缺电力还有影响之外。至于祖国地区,请大家保持一颗学习的心态,了解这次事故的过程,避免以后国内的核电站出事故就好了,这边的危机影响不了祖国欣欣向荣的生活。

参考资料:
http://news.ifeng.com/mil/special/ribenhexielou
http://songshuhui.net/archives/51713
http://www.tepco.co.jp/cc/press/index-j.html
http://ag.riken.jp/u/mon/anim.html
http://www.mext.go.jp/a_menu/saigaijohou/syousai/1303723.htm
http://atmc.jp
http://www.pref.fukushima.jp/j/
http://songshuhui.net/archives/51745
http://www.guokr.com/article/13134/

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2 评论

  1. 孙老师分析的很透彻,也很形象,类比的方式很恰当,浅显易懂。

    有一个数据可能打错了:“如果此强度持续,那么你待在这里十个小时,身体就有可能受到伤害,强度比做全身CT差不多大一倍。”

    这里应该是待一个小时,强度比做全身CT差不多大一倍(11.9和6.9mSv)

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