辐射曝露的来源 美国公众辐射曝露之来源 (from U.S. NRC, Glossary: Exposure. [updated 21 July 2003, cited 26 March 2004] http://www.nrc.gov/reading-rm/basic-ref/glossary/exposure.html 核子医学 4% 地壳辐射 8% 消费性产品 3% 医疗X光 11 % 宇宙辐射 8% 体内辐射 11% 在美国﹐估计一名成人的年平均有效剂量为3.60 mSv。 一般公众的曝露来源 ? 源自地面的天然辐射 ? 源自宇宙的天然辐射 ? 天然体内放射性同位素 ? 医疗辐射 ? 因人为技术造成天然辐射的增强 ? 消费性产品 ? 辐射落尘 ? 核能 其它 1% 职业 3% 辐射落尘 <0.3% 核燃料周期 0.1% 其它杂项 0.1% 1 自然中的放射性 我们的世界从它被创造以来就是具有放射性的。在自然中就可找到超过60种放射性核种 ﹐而它们可归类为三类： 原生的 – 从地球创造之初就存在 单一发生的 一系列的反应链 来自宇宙的 – 宇宙射线交互作用所形成 原生放射性核种 在地球首次形成并伴随着大量的同位素时就已具有放射性。 这些放射性核种若其半衰期小于10 8 年者现在已经蜕变成稳定核种。 而长寿命放射性核种的子代或蜕变产物也是这篇的主题。 原生核种举例 核种 半衰期 (年) 天然活性 铀 235 7.04 x 10 8 在所有天然铀中含有0.72 % 铀 238 4.47 x 10 9 在所有天然铀中含有99.27 %；在一般岩石类型中总铀含量在 0.5至4.7 ppm。 钍 232 1.41 x 10 10在一般岩石类型中含量在1.6至20 ppm 1.6 to 20 ppm﹐而地壳 平均10.7 ppm。 镭 226 1.60 x 10 3在石灰岩中0.42 pCi/g (16 Bq/kg)﹐在火成岩中1.3 pCi/g (48 Bq/kg)。 氡 222 3.82 天 惰性气体；在美国年平均空气浓度范围由0.016 pCi/L (0.6 Bq/m 3 )至0.75 pCi/L (28 Bq/m 3 ) 钾 40 1.28 x 10 9 范围广﹐例如土壤中 ~ 1-30 pCi/g (0.037-1.1 Bq/g) 2 在土壤中的天然放射性 在一平方英哩面积、一呎深的区域(总体积~ 7.9 x 10 5 m 3 )可找到多少天然放射性？ 活性水平与土壤种类、所含矿物质与密度 (~1.58 g/cm 3 )。此表的计算使用常用数字。 天然放射性(Mile) 核种 用来计算的活度 核种质量活度 铀 0.7 pCi/gm (25 Bq/kg) 2,200 kg 0.8居里 (31 GBq) 钍 1.1 pCi/g (40 Bq/kg) 12,000 kg 1.4居里 (52 GBq) 钾 40 11 pCi/g (400 Bq/kg) 2000 kg 13居里 (500 GBq) 镭 1.3 pCi/g (48 Bq/kg) 1.7 g 1.7居里 (63 GBq) 氡气 0.17 pCi/gm (10 kBq/m 3 ) soil 11 μg 0.2居里(7.4 GBq) 影像已移除 3 “单一”原生核种 目前至少22种天然发生的单一或无连续原生核种已被认定出来。 这些核种之中大多数为长半衰期、少同位素与元素丰富、小量被生物摄入以及浓度对环 境剂量少。 这些中较重要的是钾-40。钾是金属有三种天然同位素39、40与41。只有 40 K具有放射性 且半衰期为1.26 x 10 9 年。 源于陆上的单一发生天然放射核种 放射核种 丰度(%) 半衰期(年) 主要辐射：能量(MeV)与产率(%) 比活度(元素) (pCi/g) 40 K 0.012 1.26×10 9 β — 1.33, 89% γ伴随EC 1.46, 11% 855 50 V 0.25 6×10 15 γ伴随β — 0.78, 30% γ伴随EC 1.55, 70% 3.0×10 –2 87 Rb 27.9 4.8×10 10 β — 0.28, 100% 2.4×10 4 111 In 95.8 6.0×10 14 β — 0.48, 100% 4.98 133 Te 0.87 1.2×10 13 EC 2.11 138 La 0.089 1.12×10 11 β — 0.21, 80% γ伴随EC(0.81, 1.43), 70% 20.7 142 Ce 11.07 > 5×10 16 (α) 5.6×10 –3 144 Nd 23.9 2.4×10 15 α 1.83 0.25 147 Sm 15.1 1.05×10 11 α 2.23 3.5×10 –2 148 Sm 11.27 > 2×10 14 — 1.37 144 Sm 13.82 > 1×10 15 — 0.33 152 Gd 0.20 1.1×10 14 α 2.1 4.3×10 –2 156 Dy 0.052 > 1×10 13 —1.2×10 –6 174 Hf 0.163 2×10 15 α 2.5 1.68×10 –3 175 Lu 2.6 2.2×10 10 β — 0.43 γ 0.089, 0.203, 0.306 2.4×10 3 180 Ta 0.012 > 1×10 12 — 0.239 187 Re 62.9 4.3×10 10 β — 0.003 2.8×10 4 190 Pt 0.013 6.9×10 11 α 3.18 0.36 * 资料收集来自Lederer等人(1967)。 4 蜕变系列/链之原生放射核种 放射活性蜕变系列代表四种个别的不稳定重原子核组经一连串α与β蜕变至一稳定核 种的达成。 这三组中﹐钍系列、铀系列与锕系列称为天然或传统系列﹐为重不稳定原子核的天然发 生核种之首﹐其半衰期类似元素的年龄。 蜕变系列放射核种的重点 ? 有3个主要系列 ? 第四种(镎)只存在于人造同位素﹐但在早期地球生命中可能存在过 ? 这三种主要系列蜕变图皆产生氡气(但氡气的主要来源、最长半衰期﹐是铀系列)。 蜕变系列名称 起始 T 1/2 终止气体(T 1/2 ) 钍 232 Th 1.4×10 10 年 208 Pb 220 Rn (55.6秒) 钍气 铀 238 U 4.5×10 9 年 206 Pb 222 Rn (3.8天)氡 锕 235 U 7.1×10 8 年 207 Pb 219 Rn (4.0秒) 锕射气 5 铀238蜕变图 ? 当放射性核种不稳定而有贝他与阿伐蜕变时就会发生分支﹐例如 218 Po。 ? 加马发射发生在多数步骤中。 影像已移除 Fig. 15.4 in Alpen, E. L. Radiation Biophysics, 2 nd ed. San Diego, CA: Academic Press, 1998. 6 232 Th、 235 U与 238 U天然蜕变系列所含放射性核种的主要特性 天然 232 Th蜕变系列 天然 235 U蜕变系列 天然 238 U蜕变系列 核种 半衰期 b 蜕变的主要 模式 c 核种 半衰期 b 蜕变的主要 模式 c 核种 半衰期 b 蜕变的主要 模式 c 232 Th 1.4E+10 y α 235 U 7.0E+08 y α 238 U 4.5E+09 y α 228 Ra 5.75 y β 231 Th 1.06 d β 234 Th 24.10 d β 228 Ac 6.13 h β 231 Pa 3.3E+04 y α 234 Pa 1.17 min β 228 Th 1.913 y α 227 Ac 2.2E+01 y α (1.4 %) 234 U 2.5E+05 y α β (98.6 %) 224 Ra 3.66 d α 227 Th 18.7 d α 230 Th 7.5E+04 y α 220 Rn 55.6 s α 223 Fr 21.8 min β 226 Ra 1.6E+03 y α 216 Po 1.5E–02 s α 223 Ra 11.43 d α 222 Rn 3.85 d α 212 Pb 10.64 h β 219 At 56 s α 218 Po 3.1 min α 212 Bi 1.01 h α (36%) 219 Rn 3.96 s α 218 At 1.5 s α β (64%) 212 Po 3.0E–07 s α 215 Bi 7.6 min β 214 Pb 27 min β 208 Tl 3.053 min β 215 Po 1.8E–03 s α 214 Bi 19.9 min β 208 Pb (稳定) (稳定) 215 At 1.0E–07 s α 214 Po 1.6E–04 s α 211 Pb 36.1 min β 210 Tl 1.30 min β 211 Po 25.2 s α 210 Pb 22.6 y β 211 Bi 2.14 min α 210 Bi 5.01 d β 207 Tl 4.77 min β 210 Po 138.4 d α 207 Pb (稳定) (稳定) 206 Hg 8.2 min β 206 Tl 4.20 min β 206 Pb (稳定) (稳定) b y–年；d–天；h–小时；min–分钟；与 s–秒 c α–阿伐蜕变；β–负贝它蜕变；EC–电子捕获；与 IT–同质异构物转换 (一个核种经放射活性转 换至另一较低能量的同重素)。 7 源自宇宙的辐射 源自宇宙的核种 核种 半衰期 来源 天然活性 C-14 5730 yr 宇宙射线交互作用﹐ 14 N(n,p) 14 C ~15 Bq/g 氚 12.3 yr 宇宙射线与N和O交互作用；由宇宙射线散裂出来 ﹐ 6 Li(n,α) 3 H 1.2 x 10 -3 Bq/kg Be-7 53.28 days 宇宙射线与N和O交互作用 0.01 Bq/kg 其它一些源自宇宙的放射性核种为 10 Be, 26 Al, 36 Cl, 80 Kr, 14 C, 32 Si, 39 Ar, 22 Na, 35 S, 37 Ar, 33 P, 32 P, 38 Mg, 24 Na, 38 S, 31 Si, 18 F, 39 Cl, 38 Cl, 34m Cl. 来源：NASA. “Cosmic Rays.” [2001.11.25更新﹐2004.03.29引用] http://www-istp.gsfc.nasa.gov/Education/wcosray.html 宇宙射线在核作用感光乳剂中碰撞的径迹结构 8 在地球表面的宇宙射线强度变化大是由于： ? 时间：太阳黑子周期 ? 纬度：磁力线 ? 高度：在较上层大气层受到衰减 宇宙射线对表面的剂量 影像已移除 Fig. 16.3 in [Alpen]. 影像已移除 中断外来的辐射曝露来源 影像已移除 Fig. 16.1 in [Alpen]. 在地球上的多数地方﹐天然放射活性变化只在比较窄的限制内。有些地方的限值变化大 事由于在地区的土壤中放射活性矿物质的浓度异常地高所致。 9 体内辐射 在生物学上重要的放射性核种之特质为何？ ? 是否充裕(元素性与同位素性) ? 半衰期 ? 蜕变图(放射种类与能量) ? 化学态 ? 体内的化学行为 ? 它是否集中？ ? 最后所在处 ? 排出率 蜕变系列的放射性核对我们造成之剂量为何？ 吸入 氡气的同位素(虽为惰性气体﹐但可能在肺脏中蜕变) 灰尘；例如 铀的主要来源是来自地球的悬浮灰尘粒子。铀是无所不在且在所有岩石与 土壤中皆有的内含物。 体外的- 加马放射发生在多数蜕变步骤中 体内的-在食物与饮用水之中的消耗 体内的天然放射性 核种 核种的总质量 核种的总活性 核种的日摄入量 铀 90 μg 30 pCi (1.1 Bq) 1.9 μg 钍 30 μg 3 pCi (0.11 Bq) 3 μg 钾 40 17 mg 120 nCi (4.4 kBq) 0.39 mg 镭 31 pg 30 pCi (1.1 Bq) 2.3 pg 碳 14 95 μg 0.4 μCi (15 kBq) 1.8 μg 氚 0.06 pg 0.6 nCi (23 Bq) 0.003 pg 钋 0.2 pg 1 nCi (37 Bq) ~0.6 μg 假设在你周围环境中所能找到的所有放射性核种应会存在体内有小部份的量是合理的。 体内沈积的放射性核种所造成剂量约占总年剂量的11%。 10 铀 ? 存在于所有的岩石与土壤中﹐也存在于我们的食物与灰尘中。 ? 在磷酸岩石中有高浓度(因此存在于商业贩卖的肥料中)。 ? 骨骼因铀所吸收的剂量大略为3 μSv/年。 镭 ? 也存在于所有的岩石与土壤中 ? 食物是重要的摄入来源 ? 226 Ra与其子产物(以 222 Rn为起始)在天然发生的内部放射源造成剂量的主要部份。 ? 会立即分解﹐化性上类似钙。 ? 植物自土壤吸收并经由食物链至人体内。 ? 氡水平在土壤内的变化导致氡水平在食物的变化 ? 全身中的Ra有80%在骨骼中(~7 mrem/年)。 ? 最后均匀分布在软组织中。 钍 ? 多数在灰尘中而少部份在食物中 ? 钍在肺林巴结与肺脏中的浓度最高﹐意味曝露的主要来源是由于悬浮土壤粒子的 摄入。 ? 最终是长滞留时间的趋骨物 ? 在由骨骼中移除的非常慢﹐浓度随年龄而增加。 铅 ? 也是个趋骨物﹐骨骼中的半衰期为~ 10 4 天 钋 ? 不同于其它天然发生的α-放射物﹐ 210 Po会沈积在软组织中而非骨骼中。 ? 由 210 Po所造成剂量有两个群体趋向异常的高。 ? 抽烟者 ? 北方的居民依靠北美驯鹿维持生活。 ? 驯鹿以吸收大气中示踪元素( 210 Po与 210 Pb)的地衣为食。 生活在芬兰北部中拉普人 (原住民)体中 210 Po含量约为芬兰南方居民的 ~12倍之高。 ? 拉普(或称拉布兰)人的肝脏剂量为170 mrem/年﹐而嘴部剂量为15 mrem/年。 11 影像已移除 Fig. 16.4 in [Alpen]. 对于在美国与加拿大来自天然背景辐射源的人口的每年评估有效剂量 总有效剂量率 b (mSv/年) 肺脏 W T =0.12 性腺 W T =0.25 骨骼 W T =0.03 骨髓 W T =0.12 其它 W T =0.48 总和 W T =1.00 宇宙辐射 0.03 0.07 0.008 0.03 0.13 0.27 源自宇宙的放射核种 0.001 0.002 — 0.004 0.003 0.01 陆上的 体外的 吸入的 0.03 2.00 0.07 — 0.008 — 0.03 — 0.14 — 0.28 2.00 在体内的放射核种 0.04 0.09 0.03 0.06 0.17 0.40 总和 2.1 0.23 0.05 0.12 0.44 2.96 a NCRP 94号报告﹐1987c。 b 折线(—)代表可忽略剂量。 见 [Alpen], 表 16.6 来自医学应用的剂量 影像已移除 12 民生核能 燃料循环 ? 采矿 ? 萃取、研磨、精练 ? 浓化 ? 动力生产 ? 燃料再处理 ? 燃料储存 ? 运送 ? 高放射性废料储存 民众剂量之评估 ? 约定等价剂量 ? 集体约定有效剂量 ? 对个人的最大曝露 在美国现存的核燃料循环处理厂对个人最大辐射剂量的总整理 a 燃料循环 有效剂量 (mSv/年) 只计算体外加马 有效剂量 (mSv/年) 排放液 采矿 研磨 转化 浓化 制造 反应气运转 低放射性废料 运送 200-400 7 可忽略 可忽略 可忽略 10-15 可忽略 20 20-60 0.4-260 ~ 3 < 1 < 1 < 5 < 1 < 1 a NCRP, 1987b。 b 本表是公众曝露﹐而非职业曝露。采矿部份是在采矿区末端与富含矿物储存地。 见[Alpen]﹐表 16.7 13 消费性产品 剂量通常可忽略 有明显的公众自觉吗？ 烟草 210 Pb与 210 Po 煤//天然气 在陶瓷与玻璃中的Th与U 航站的X光 烟雾侦检器 瓦斯灯罩 14 商业航空旅行 Calculated cosmic ray doses to a person flying in subsonic and supersonic aircraft under normal solar conditions 次音速飞行于36,000呎 (11 km)超音速飞行于62,000 (19 km) 每次飞行剂量 每次飞行剂量 航线 飞行时 间(hrs) (mrad) (μGy) 飞行时间 (hrs) (mrad) (μGy) 洛杉矶-巴黎 11.1 4.8 48 3.8 3.7 37 芝加哥-巴黎 8.3 3.6 36 2.8 2.6 26 纽约-巴黎 7.4 3.1 31 2.6 2.4 24 纽约-伦敦 7.0 2.9 29 2.4 2.2 22 洛杉矶-纽约 5.2 1.9 19 1.9 1.3 13 雪梨-阿卡普尔科 17.4 4.4 44 6.2 2.1 21 问题： ? 航空人员是否应视为一般公众。或辐射工作人员？ ? 飞航组织该如何处理？(尽管以同于超音速协和号客机的飞航高度却以次音速飞行 ﹐则飞行时间仍长) ? 商务旅客：经常飞航者并未限制每年的飞航时数。 ? 怀孕妇女如何处理？ ? 飞航的旅客是否在太阳黑子活动时获得警告？ ? 有可能采法律行动吗？ 影像已移除 15