问题

低本底辐射钢的来源只有二战以前沉没的军舰吗?

回答
低本底辐射钢(LowBackground Steel)的来源,是否仅仅局限于二战以前沉没的军舰,这是一个在核物理、历史和材料科学领域都相当有趣的话题。笼统地说,二战以前沉没的军舰是低本底辐射钢最重要的、也是最容易获得的来源之一,但并非唯一来源。 要想详细了解这一点,我们需要深入探讨一下低本底辐射钢到底是怎么形成的,以及为什么它如此稀有。

低本底辐射钢的“低本底”是怎么来的?

我们日常接触到的很多金属材料,之所以会带有一定的辐射,主要原因在于大气中的放射性核素。从上世纪中期开始,人类进行了大量的核武器试验,这些试验将大量的放射性同位素释放到大气中。这些同位素,比如钴60(Co60)、铯137(Cs137)等,会随着雨水、尘埃等沉降到地面,并被吸收到植物、动物体内,最终进入食物链。当这些含有放射性核素的生物被加工、冶炼成金属时,放射性核素也会进入到金属材料中。

举个例子,当一枚枚炮弹、舰船的钢结构在制造过程中,会不可避免地接触到含有这些放射性核素的空气、水和原材料。即使只是微量的放射性物质,经过数十年甚至上百年的衰变,仍然可能在金属中留下可探测到的放射性信号。而现代工业生产过程中使用的原材料,或多或少都受到了核时代大气污染的影响。

那么,二战以前沉没的军舰为何成为低本底辐射钢的“宝藏”?

这里面的逻辑其实很简单:

1. 核试验前的“洁净”环境: 二战以前,全球范围内还没有进行过大规模的核武器试验。也就是说,那个时代的大气中,几乎不含有由人为核活动产生的放射性核素。那时候的金属原材料,比如用于炼钢的铁矿石、煤炭等,都来自于一个相对“纯净”的环境。
2. 海洋的“屏蔽”作用: 沉没在海底的军舰,被厚厚的海底沉积物所覆盖。这些沉积物在一定程度上起到了物理屏蔽的作用,将金属与现代大气中可能存在的放射性核素隔离开来。更重要的是,海底的环境本身就比地表受到的现代核污染要少得多。
3. 大量的钢铁需求: 军舰,尤其是大型战列舰和航空母舰,制造过程中需要消耗大量的钢铁。这些钢铁经过了严苛的制造工艺和质量控制,本身的金属纯度较高。当这些庞然大物沉入海底,就变成了一个巨大的、未受现代放射性污染的钢铁“仓库”。

除了沉没军舰,还有哪些可能的低本底辐射钢来源?

虽然沉没军舰是最典型和易于识别的来源,但从理论上讲,任何在核时代之前生产,并且能够被有效隔绝于现代放射性环境之外的钢铁,都有可能成为低本底辐射钢。这包括:

二战前的其他大型钢铁结构: 例如,一些在核试验爆发前建造的,并且后来被深埋、封存或遗弃在特殊地点的、未曾暴露于现代核污染的重型工业设备、桥梁结构、铁路设备等。但是,要找到足够规模且能有效隔绝污染的这类结构,难度可能比打捞军舰还要大。
特殊地点的矿藏: 理论上,如果能找到在史前时代就形成,并且在形成过程中就与地壳深处稳定存在的放射性物质隔绝,同时在地质演化过程中又没有被上覆放射性物质污染的富铁矿,经过冶炼也可能得到低本底辐射的钢。然而,这种矿藏的稀有程度极高,而且要保证其在开采和冶炼过程中不被污染,几乎是不可能的任务。

为什么低本底辐射钢如此重要?

低本底辐射钢之所以被视为宝贵的材料,是因为它在一些对放射性背景要求极其严苛的领域有着不可替代的作用。例如:

精密测量仪器: 在科学研究领域,如粒子物理探测器、X射线衍射仪、伽马射线光谱仪等,为了能够精确测量微弱的辐射信号,其本身的结构材料必须具有极低的背景辐射,否则会干扰测量结果,产生假信号。
医疗设备: 一些用于癌症治疗的放射性治疗设备,例如钴60治疗机的屏蔽层,需要使用低本底辐射钢来减少对周围环境的额外辐射。
太空探测器: 太空中的辐射环境复杂且变化,但为了保证探测器内部精密电子元件的正常工作,其外壳或内部结构也会尽量采用低本底材料来减少干扰。

实际获取的难度与挑战

尽管有理论上的其他来源,但现实中,从二战前沉没的军舰上获取低本底辐射钢是迄今为止最可行的方式。这本身也是一项极其艰巨且昂贵的工程:

打捞难度: 很多沉没的军舰都位于深海,打捞过程需要极高的技术和昂贵的设备。
污染控制: 即便打捞上来了,也需要极其严格的程序来避免在切割、运输和加工过程中对材料造成二次污染。
材料的“消耗”: 全球范围内二战前沉没的军舰数量是有限的,而低本底辐射钢的需求却在持续增长,这种稀缺性使得它成为一种稀有而珍贵的资源。

所以,回到最初的问题,低本底辐射钢的来源“只有”二战以前沉没的军舰吗?答案是“不是绝对的,但军舰是目前最主要、最现实的来源”。 其他理论上可能存在的来源,要么稀有到几乎不存在,要么在实际操作中难以实现其“低本底”的特性。这就是为什么当人们谈论低本底辐射钢时,脑海中首先浮现的,往往是那些静卧在海底,承载着历史,也守护着科学精确性的古老钢铁。

网友意见

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有些回答真是笑死人。低本地辐射钢、二战以前沉没的军舰,这两个关键词都给你们了,跳出来扯C-14、核试验对钢材辐射没啥影响、还有什么不需要捞军舰的,你们在强答之前不会先查点资料么?

1、

citeseerx.ist.psu.edu/v

美国二战时候的战列舰USS Indiana,光荣退役以后,贡献65吨船板给VA hospital用作Low-background counting work,另外贡献了210吨船板给University of Utah Medical Center用作实验室的辐射屏蔽层。

2、

Distant Victory: The Battle of Jutland and the Allied Triumph in the First World War Daniel Allen Butler p229:

斯卡帕湾公海舰队的沉船就是低本底辐射钢的来源之一。

======================================

钢材的本底辐射主要来自空气,而不是铁矿石。

把生铁变成钢的工序中有一道是把杂质氧化,被氧化的杂质变成气体飞走或者变成渣漂在铁水上,再去除之。不管是过去用空气氧化,还是现在改用纯氧,氧气的来源都是来自大气。而因为二战后的大规模核试验,空气中漂浮的放射性核素浓度比二战前高了很多倍,这样连带炼出的钢会带有较高的本底辐射。这里较高只是针对某些特殊用途来说的,比如盖格计数器。

既然知道本底辐射的来源,那么低本底辐射钢的获取途径也就明了:

1、捞45年之前的沉船。其实只要是45年之前炼的钢都可以,只是沉船量大集中,一艘船能捞两三万吨好钢出来,你要是回收坦克的话要回收几千辆坦克,能累死。

2、改用其它来源的氧气。比如电解超纯水获得氧气。缺点是成本太高。

3、再等几年。空气中主要的放射性核素是Co-60,半衰期5.272年,再等50年就衰变得只有现在的1/1000了。既然如此,那现在先捞捞沉船满足需求,足够撑到不需要考虑本底辐射的时代了,前提是未来若干年不会有国家重启大气核试验,也没有核战。实际上低本底辐射钢的应用面很窄,只在科研、医疗等少数地方有需求,绝大多数时候钢材的本地辐射水平完全可以忽略。


所以答案是,可以,但没必要。


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Co-60这个要稍微解释一下。前面“大气中主要的放射性核素是Co-60”表述有误,正确的说法是“大气中对钢材本底辐射影响的主要来源是Co-60”.

大气中的主要放射性核素是氡,但为什么这个东西对钢材没什么影响?因为这玩意儿半衰期太短了,只有4天不到。大气中的氡含量比较稳定是因为有自然界的钍、铀之类的自然衰变不断补充,但是钢材中的氡脱离大气循环,放个半年就衰减得几乎没有了。那么其它诸如C-14呢?它们的半衰期太长了,比如C-14的半衰期是5700多年,长半衰期意味着低辐射。而Co-60半衰期(5.27年)说短不短,说长不长,这导致它能在较长的一段时间内(小几十年)保持较高的辐射强度。

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怎样得到低放射性的钢材?打捞二战以前沉没的军舰是一个方法。

除了二战之前的旧军舰,现在有制造低放射性钢材的方法吗? 答案是肯定的,只要知道了窍门,成本也没有想象的那么高。

根据中科院高能物理研究所曹俊研究员的介绍,大亚湾中微子实验使用了国内钢厂生产的低放射性钢材。大亚湾中微子实验探测中微子,中微子本身的信号极其微小,为了探测到这一丁点的信号,探测器必须十分灵敏,科学家们还需要仔细研究来自背景本底的放射性信号。例如为了屏蔽宇宙射线的本底,实验大厅要建在地下;为了排除探测器材料里放射性同位素的本底,需要使用低放射性本底的不锈钢。

当初为了采购到合格的不锈钢,大亚湾项目的科学家对市面上的钢材进行了放射性检测,结果统统放射性超标,达不到实验的要求。科学家们不得不研究制造低放射性本底钢材的方法,最后发现,


决窍其实极为简单:炼钢时不要添加回收钢


大亚湾中微子实验的曹俊研究员表示: 绝大部分不锈钢都有一定的钴60放射性,一般对人体没有影响,例如德国规定低于0.1贝克/公斤(1贝克为每秒衰变一次)可无条件免检,10贝克/公斤以下可豁免。市面上绝大部分不锈钢介于0.1到10贝克/公斤。也有报道发现严重污染、达到几百甚至几万的。作为一个参照,每个人本身的钾40放射性大约为5千贝克。钴60放射源在生产生活中大量使用,比如用来做无损探伤、灭菌、医疗等。由于不锈钢中的镍、铬很贵,废钢往往回炉重炼,不锈钢中的钴60放射性可能来源于误将丢失的放射源与钢炼在一起。偶然的污染因反复回炉而扩散。大亚湾中微子实验要求使用低本底不锈钢,多次测量市购不锈钢平均为1贝克/公斤,不满足要求。钴60的半衰期为5.27年,五十年减少1千倍,所以应该不会有其它来源,像宇宙线活化、核试验污染等造成的影响基本可忽略。调查完钴60本底的来历后,与太钢协商专门生产了几百吨,结果未检测到,低于0.002贝克。技术问题总是弄明白了就很简单,但实际操作的风险还是很头疼的:有多大的把握这样生产出来就一定合格?假如达不到要求,这价值1千万元的钢砸在我手上怎么办?

在《禁止核试验条约》之前,各国的核试验确实导致全球大气的放射性升高,1963年达到了峰值的0.15 mSv。随后各国逐渐禁止大气核试验,根据联合国在2008年的调查UNSCEAR 2008 report - Vol. I: Sources,如今人为造成的大气放射性已经指数式地降低到0.005 mSv,大气中的放射性主要来自于氡气、碳14等。

根据大亚湾中微子项目的研究,钢材的放射性本底主要来自于钴60,如今的大气对钢材中钴60的贡献是可以忽略的。新钢材中的钴60放射性主要来自于废旧钢材的回炉供应,回炉重炼的时候,可能由于误将丢失的钴60放射源与钢炼在一起,导致放射性污染。

只要炼钢的时候不添加废旧的回收钢,即可得到符合大亚湾中微子实验要求的低放射本底不锈钢。这是基础科学研究可以改进特定工业工艺的一个例证。

【完】

=========

大家可能担心的问题:生活中用到的钢材一般都含有回收钢,有放射性,是不是对人体很危险?不必担心,这些放射性其实很低,对人体的影响可以忽略。但是对科研、军事和医疗等领域来说,这些放射性的影响却很大。例如大亚湾中微子实验,由于探测器极其灵敏,因此需要研制低放射性的材料,以排除背景本底。

普通钢材里面钴60的主要来源是什么?估计是废旧钢铁回收混进了钴60人工放射源,这是一种猜测,我没有找到切实的证据,冶金行业的人应该更了解原因。

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