问题

为什么核事故中释放的物质可以污染其他物质,让他们也具有放射性?

回答
核事故释放的物质之所以能让其他物质也具有放射性,背后其实是核反应堆中发生的,以及事故后物质相互作用的几个关键物理过程在起作用。我们可以把它理解成一场“放射性传染”,但这里的“传染源”不是病毒,而是不稳定的原子核。

首先,得说说事故中释放出来的“源头活水”——那些具有放射性的物质。在核反应堆里,我们主要通过裂变的方式来获取能量。裂变就是重原子核(比如铀235)在吸收一个中子后,分裂成两个或更多个较轻的原子核,同时还会释放出大量的能量和更多的中子。这些裂变产生的较轻原子核,很多本身就是不稳定的同位素,也就是说它们拥有过多的中子或者质子,无法维持一个稳定的状态。为了达到稳定,它们会通过释放粒子(比如α粒子、β粒子)或者能量(γ射线)来“调整”自己,这个过程就是放射性衰变。

事故发生时,这些高放射性的裂变产物(比如锶90、铯137、碘131等)以及一些未裂变的放射性物质(比如钚)就会通过泄露、爆炸等方式被释放到环境中。它们本身就是“放射性包”,里面装满了不稳定的原子核。

那么,这些“放射性包”是如何让周围的“干净”物质也染上“放射性”的呢?主要有以下几种方式:

1. 直接吸附和混合:

想象一下,核事故发生时,大量的放射性尘埃和气体被喷射出来。这些微小的放射性颗粒会像细小的沙尘一样,飘散在空气中,附着在任何接触到的物体表面,包括地面、植被、建筑物、衣物,甚至是人的皮肤和头发。这些放射性颗粒本身就含有不稳定的原子核,它们会持续地释放出射线。

同时,有些放射性物质会溶解在水中,形成放射性污染的水。这些被污染的水如果渗透到土壤、河流、湖泊中,就会把放射性物质扩散开来。如果饮用了这些被污染的水,或者用它来灌溉农作物,放射性物质就会进入食物链。

2. 中子活化(Neutron Activation):

这是非常重要的一种“放射性传染”方式,尤其是在反应堆附近。在核反应堆内部,中子无时无刻不在飞速穿梭,正是它们触发了核裂变。在核事故中,大量的中子也会被释放出来。

当这些高能中子撞击到周围物质的原子核时,会发生一种叫做“中子俘获”的反应。原本稳定的原子核会捕获一个中子,变成一个质量数增加但质子数不变的同位素。然而,很多时候,这样新形成的同位素是不稳定的。比如,在核电站中,一些结构材料(如钢中的铁、钴等)就可能通过中子俘获变成放射性同位素。

打个比方,这就好像你把一个本该好好待在盒子里的东西,强行塞进去一个“额外的零件”,导致整个东西变得“失衡”,不稳当了,需要通过释放能量来恢复。一旦物质的原子核发生了中子活化,它就变成了放射源,会持续地发出射线,直到衰变到稳定为止。

3. 放射性元素的替代和渗透:

一些放射性元素,尽管它们本身可能就是裂变产物,但它们的化学性质与某些普通元素非常相似。例如,锶90的化学性质就和钙很像。人体在摄入放射性物质时,如果进入了食物链,身体会把这些放射性元素当作它们的“亲戚”来吸收和利用。比如,锶90会被骨骼误认为是钙,沉积在骨骼中,长时间地释放射线,对身体造成伤害。

同样,放射性物质可以通过渗透作用进入到其他物质的内部。比如,放射性碘131可以被植物吸收,然后通过食物链进入人体,主要集中在甲状腺。

4. 继发性辐射:

有时候,放射性物质衰变时释放出的粒子(如β粒子)能量非常高。当这些高能粒子穿过其他物质时,会与物质中的原子发生相互作用,可能引起该物质的原子电离,甚至诱发其他粒子发射,间接造成影响。不过,与直接的吸附、中子活化相比,这种方式的“二次污染”能力相对较弱。

总结一下,核事故中释放的放射性物质之所以能让其他物质也具有放射性,是因为:

它们本身就是放射源: 释放出来的是不稳定的原子核,会持续衰变。
物理接触: 放射性颗粒附着在物体表面,相当于在物体上“贴”了放射源。
中子活化: 事故中释放的大量中子可以“改造”周围物质的原子核,使其变得不稳定。
化学相似性: 某些放射性元素会像“冒牌货”一样被生物体吸收,进入体内并造成伤害。

所以,这就像一场连锁反应。一旦有了第一个“带病”的物质,通过这些物理和化学的机制,它就能让周围原本“健康”的物质也染上“放射性”的特质,并且这种“疾病”可能会在食物链中不断传递和累积,造成大范围的污染。也正是因为这些原因,核事故的善后处理才如此复杂和漫长,需要将那些被污染的土壤、水、物品等进行隔离、净化或妥善处置。

网友意见

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题主说的放射性的核污染大体上可以分成沾染和活化两大部分。

通俗的来讲,沾染就是外力作用(比如爆炸等将)放射性的燃料、产物等给弄出去了。这些东西本来就具有放射性,因此环境也会被污染从而带有放射性。这个很好理解吧,我们主要说一下活化:


活化指的是原本没有放射性的东西,比如包壳结构材料,在核反应产生的中子等条件下发生了某些核过程(比如中子核嬗变),导致他们变得有放射性了。活化过程是和时间相关的,同等条件下时间越久活化的越厉害。当反应堆boom的时候这些东西也会被扔出去称为污染源,当然这点就和沾染很像的,不同的是可以通过材料设计进行一定程度的弥补。

此外,核反应不是点火,不是说停就能停的。如果反应物被炸出去之后核反应还进行了一段时间,一样会有中子释放,周围的东西也会被不断的活化。不过一般这样的条件下核反应也很难进行很久,中子通量不会高,所以活化的程度应该有限。

对于核武器来说,主要是由于沾染导致的;对于核电站来说除了沾染外,长期接触核反应的部件也会因活化而具有放射性。

下面是科普环节哦。


不同的元素在不同的条件下活化能力是不同的,有些元素活化后的核素半衰期非常短,很快放射性就微乎其微了,这种就叫低活化元素,比如V、Cr、Mn、Fe等。相对的,有些就是高活化元素,比如Al、Nb、Mo、Ag等。介于二者之间的就是中活化等,也有科学家继续细分成中低活化、中高活化之类。

所以在进行合金设计的时候,如果材料要长时间工作在辐照条件下,那么高活化元素是尽量少用的。在现在的裂变堆中这个问题还没要求非常严格,但是在下一代聚变堆中要求就是变态级的了。主要还是因为聚变堆中的中子能量太高了。下图是其中以元素活化性区分的元素周期表,当然只是其中一个版本,用于指导聚变堆中材料的设计,版权问题所以我是重新做了个表,请勿转载。

理想情况下,如果你用了很多高活化的元素,比如Mo这种钢里常用的合金元素。一旦反应堆gg了,很可能捎带大片的带长期放射性的废墟。


直观的对比一下不同活化的能力。先说一下对辐射环境下人员安全的规定:ICRP规定工作人员全身均匀照射的年剂量当量限制为50mSv,居民就不说了,更低。此外,环境本身是有本底辐射的,比如北京大约是0.4~0.6μSv/h,相对于全国平均水平貌似是高了一点。

红线为模拟的核聚变反应堆中Fe作为第一壁材料的γ Dose Rate单位是(Sv/h),γ Dose Rate低到10mSv/h的量级需要大约不到100年时间,大约需要100年多点降低到μSv/h的水平,接近本底辐射的量级。100年很久吗?切尔诺贝利到现在才30年。但是这确实已经算是低活化了......当然这个是聚变堆,不是现在用的裂变堆,聚变堆的中子能量和通量都要高不少。

没有对比就没有差距,看看作为高活化元素的Al会发生什么。如果把第一壁换成Al,人家硬挺到10000年也不会低于10mSv/h......大约等于夏朝如果有个含大量Al的聚变堆gg了,公元7000年那地方还有很高的辐射

这其中主要原因是产生了放射性的Al26,这是经过一系列的核嬗变还有衰变产生的

不过呢,我们也要知道,活化不仅是和材料相关也和辐照环境相关的,活化性的高低也不是一成不变的,具体还要看不同条件下的核过程。比如这是Al的(一部分数据)

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泻药。

这篇写的略长,主要是想澄清一些误会,不想看原理的直接看最后问答部分


所谓核污染,是指的本身具有放射性的物质参杂进了原本没有放射性的物质里面,使其带有放射性。这种情况非常容易检测,各国海关对这一点的控制也非常严格。这一段问题中也提到了,没有错误理解,就不过多阐述了。

然而,很多传言实际上说的是另外一回事。常见的传言有这么些种:

那某某刚做了个CT,他摸的东西可都有辐射呀不得了呀!
你的书包刚过了安检,那里面的东西可吃不得啦!
他三叔海淘了个日本的奶瓶,据说是福岛那边的,可不能给娃用哦,用它装的牛奶都会有辐射的!

这些传言提到被辐照的食物/车辆可能会有放射性的描述,是指的物质被辐照后活化,这并不属于核污染的范畴。


首先回答问题:

是的,经过被辐射辐照的物品,是有可能带有放射性的 - 这一过程我们称为活化。但并不是所有种类的辐射都能够让其他物质活化。

通常情况下,只有具有一定动能的粒子束才能和原子核发生反应。由于被反应的原子核质子/中子数量改变,转变成了一种新的同位素,这种同位素可能是不稳定的,因此会发生衰变向外释放能量。衰变的过程中会释放阿尔法射线,贝塔射线和伽马射线。极个别的元素会有中子发射的情况发生,由于情况及其特殊我们不在这里讨论。


举个例子:

用能量大于5MeV的质子去轰击氧-18原子,氧-18原子核被质子打飞了一个中子同时捕获了这个质子,变成了氟-18。

原本的氧-18原子是稳定的,而生成的产物氟-18是不稳定的。氟-18的半衰期是109.8分钟,衰变的时候会释放一个正电子(贝塔衰变),转变回氧-18原子。


再举个例子:

金-197原子可以捕获一个中子,变成金-198原子。

原本的金-197原子是稳定的,也就是我们平时带的首饰珠宝的那种金子。在这个转变的过程中,生成的金-198由于获得了中子的能量,会处于不稳定状态(我们称为激发态)。为了释放多余的能量,激发态的金-198原子会进行伽马衰变释放掉多余的能量。在这之后,金-198原子本身也是不稳定的同位素,还会进一步进行贝塔衰变释放掉一个电子,最后变成稳定的汞-198原子,这一过程的半衰期是2.69天。


同样的,高能量的阿尔法粒子,电子甚至光子也可以使原子核发生反应,从原本不带有放射性的元素转变成带有放射性的元素。

上面说的这些例子,都有一个共同点就是射线的能量要足够高。按照通常的认识来说,除了中子以外的射线能量要超过5MeV的能量才能使原子核发生反应。这是一个阈值,也就是达不到5MeV能量,反应就不可能发生。只有中子在低于5MeV的能量时可能与原子核发生反应。

那么回到核事故来,核电站类的事故,一旦设备停机后就不会再产生高能粒子了,其本身的屏蔽也决定了不会有大量高能粒子释放到周边环境中去(当然某著名事故屏蔽爆炸这种情况并不包括在这一命题内)。高能射线活化周围汽车这种情况是不会在这里发生的。

“但是为啥被辐射的食物,车辆也有放射性?被α或γ流照射后难道也具备了放射性?”这种情况我能想到的能够发生的条件,就是在核爆炸之后…但愿还是永远不要遇见吧。

问答部分

现在我们回到日常生活中来,看看大家担心的这些情况究竟会不会发生:

  • 通过安检仪的食物/个人物品会不会带有辐射?

答:不会。因为安检用的都是X光,其能量非常低,完全不可能和原子核发生反应使物质变成带有放射性的同位素。

  • 装过可能具有放射性物质的容器会不会被活化带有辐射?

答:基本不可能。通常情况下放射性同位素衰变的过程中只能释放出阿尔法射线(氦原子核),电子(也就是贝塔射线),和伽马射线(光子)。绝大多数放射性同位素衰变过程中释放的这些射线的能量都不会超过2MeV,一般是在1MeV以下。这个能量没有达到之前说过的5MeV的阈值,所以不能与原子核发生反应使其活化。通常情况下天然存在的放射性同位素衰变过程中不会有中子产生,所以也不存在中子活化的可能性。例外情况是装了一瓶子纯铀盐溶液,或者装了一瓶子纯铍-13。但这两种情况我不相信一般人能做到。

  • 辐照加工过的产品会不会有残留辐射?

答:可能性非常小。辐照加工一般用的是电子或者伽马射线,通常使用的能量也不高,达不到阈值。个别情况下可能会使用高能量的射线,但是尽管达到了反应阈值,电子/伽马射线发生反应的可能性依然很小。辐照加工的产品在出场之前是一定要经过放射性检测的,放射性超标是不可能出厂的。这一点上也很难蒙混过关,因为电离辐射是很容易检测的。

  • 核电站/粒子加速器/医院放疗设备/等等等…爆炸了以后会不会继续对周围的物质辐射能量?

答:不会。这些设备爆炸以后,就完全停止工作了,就不会再继续产生射线辐射周围的物质了。但是设备本身由于在运转的过程中已经被高度活化,所以设备本身是具有放射性的,有些时候是非常强的放射性。但是这些设备都是被屏蔽起来的,放射性物质通常不会自己跑出来。当然了核电站爆炸这种情况比较特殊,反应堆里面的物质是可能被炸出来的。但是炸出来的这些物质只会污染周围环境,不会再让周围的物质也被活化,理由参考第二条。

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