理性與感性: 幅射與核廢料

幅射是所有核安恐懼的核心。其實幅射是自然背景的一部份，說不定自然幅射也參與了生物演化的歷程，因為演化來自於天擇對於突變的選擇，而幅射是突變的原因之一。但是突變沒有方向性，大部份的突變是不利於生存的，這就是恐懼的來源。

幅射的單位

測量幅射對人體的影響有幾個單位，像是侖目 (rem) [1] 、西弗 (Sievert) [2] 、格雷 (Gray) [3]等。Sievert 是 Joul/Kilogram，每公斤受到曝射的幅射能量焦耳數 (Joul)。100 rem = 1 Sievert = 1 Gray。以下的討論就用侖目。

先掌握一些數量級的概念。自然幅射的背景質是平均每人每年 0.2 rem [4]，照一次牙科 X 光約 0.001 rem，住在有花崗岩 (含鈾) 的大廈中一年吸收的幅射幅大概是 0.0008 rem。

為什麼用這類的單位呢？因為幅射對人的傷害主要是肇因於高能量幅射線對人體細胞原分子的破壞。所以用能量來累計幅射線的影響。但是受幅射影響的生物大小不一，所以用重量為分母來評估平均受損程度。一般而言，人在接受 100 侖目以下的幅射劑量時還可能沒有感覺，但已有長期致癌 (carcinogenic) 的風險。200 侖目時就會有急性幅射症狀 (acute radiation symdrom) 產生。到了 300 侖目時，除非立即接受輸血以及其它對幅射線的治療措施，死亡的機率將達到 50%。所以 300 侖目又稱為半致死劑量。

線性無閾值模型

上面談的是急性的症狀。接受幅射後細胞被破壞，有些會自行修復，但有些會導致突變，進而致癌。有個常用的計算模型叫線性無閾值模型 (LNT; Linear No-Threshold Model) [5] 常被用來做法令或政策規範的使用。基本上這個模型假設幅射量對致癌的機率是完全線性的，沒有一個幅射閾值需要超過後才會致癌。

根據 ICRP (International Commission on Radiological Protection) 推薦的模型，每一侖目的幅射劑量會增加 0.055% 的致癌機率 [6]。以車諾比事件為例，反應爐附近的 30,000 人粗估受到 45 rem 的幅射劑量，長期來說會增加45/1800 = 2.5% 的致癌機率。而以線性無閾值模型來估計，整個事件終將造成 4,000 名因核安致死事件。不過即使一個人沒有受到非自然背景的幅射的影響，一般最終也有 20% 的致癌機率。所以在評估幅射的影響時，首先要將這自然致癌率剔除。LNT 模型比較有爭議的地方是在低劑量區是否也是線性？美國核學會認為 10 侖目以下的幅射劑量的影響要不是太小觀察不到，要不就是不存在 [7]。因此以 LNT 來估計小劑量幅射的影響結果可能偏高。另外致癌率與致死率中間還有一個轉換因子。譬如在核安事件發生的前期容易有受碘131 (半衰期為 8 天) 幅射導致的甲狀線癌，但甲狀線癌經治療後的 30 年存活率為 92% (但各種癌症的存活率有很大的差距)，所以致癌率與致死率之間不應直接劃上等號。

幅射線

眾所周知的，一般所謂的幅射線分成三種：α、β與γ射線。核廢料 (spent nuclear fuel) 只會放出β與γ射線，所以我們集中談β與γ射線。β射線是高能量的電子，γ射線是高能量的電磁波。自然背景幅射中的 0.2 侖目就有 0.04 侖目來自於太空γ射線。這些β與γ射線的能量卻是以電子伏特 (ev; electron volt) 來計算的。一個電子伏特就是一個電子的電量 (1.6 × 10^-19庫侖) 置於一伏特電壓中的能量，而1 eV = 1.6 × 10^-19 Joul。這就與我們前面用的幅射單位中的能量單位焦耳連上關係了。1電子伏特的能量極為微小，在核廢料中幅射出的β與γ射線大都是以千電子伏特 (keV) 或百萬電子伏特 (MeV) 來計算。特別是百萬電子伏特級的幅射線，這是造成幅射傷害的最大來源。表面上即使以百萬伏特來看距離侖目仍有一段相當大的數量級差距，這些數量級的差距，就由龐大的幅射線元素 (actinide) 的原分子數量來達成。記得 1 莫耳 (mole) 等於 6 × 10²³個原子，一莫爾的定義是 12 克碳 12 所具有的原子數。所以即使吸入了重量極輕的幅射線元素，若其半衰期短，也有可能原子數眾多因而迅速累積至有傷害的劑量。

核廢料

核反應爐使用的燃料可以有幾種，上表是核反應爐級鈾燃料使用過後產生的廢料。天然的鈾礦含 99.3% 的鈾 238 和 0.7% 的鈾 235。鈾 235 是核反應主要的元素。為了提升核反應效率，會提煉天然鈾礦使得鈾 235 達到 3% 以上，稱為核反應爐級 (reactor-grade) 的燃料。但這與原子彈中鈾 235 幾乎佔 100% 差距很大。將核反應爐與核爆一起談，是無稽之談。這也是為什麼近年來恐怖份子的大規模攻擊轉以石油為主要傷害工具，要將鈾 235提煉到原子彈可用的純度及量是相當艱鉅的工程。

核反應爐基本上是利用鈾 235 被中子撞擊後造成的核分裂 (nuclear fission)— 分裂成兩塊碎片—過程中所釋出的質能轉換能量。這些碎片多數是具有幅射性的，這就是要處理的核廢料。

當然鈾 238 會是核廢料的主體，也有殘餘的少量鈾 235。但是這二者都是相對穩定的元素：鈾 238 半衰期 (half life time; t^½) 為 45 億年，鈾 235 半衰期為 7 億年。半衰期的意思是經此期間之後，元素將經由核分裂，數目減半。以前面的侖目的定義來看，很容易算出要有多少重量的鈾才會達到危害的標準。事實上許多天然鈾礦是裸露於地表的。美國最主要的鈾礦產地是在科羅拉多州，地表的鈾礦達上百万噸。科羅拉多的水流經這些鈾礦，有部份成為西部的水源供應，但幅射劑量在安全標準之下。事實上，核廢料儲存的安全標準常拿來與天然鈾礦來相比。如果核廢料的儲存所可能外洩的幅射低於天然鈾礦，則我們認為它是相對安全的 [8]。

核燃料在初用完之後是放在核反應爐附近先儲存一陣子，因此半衰期短的核廢料在這一段期間衰變完，譬如前述容易導致甲狀腺癌的碘 131，其半衰期為 8 天，在這段儲存期間可能就衰變殆盡，不復有危險性。因此談核廢料的問題，通常是安處理半衰期為幾十年至幾百萬年核分裂所產生的幅射性元素。

[9]

Long-lived fission products
Prop: Unit:	t^½ Ma	Yield %	Q * KeV	βγ *
⁹⁹Tc	0.211	6.1385	294	β
¹²⁶Sn	0.230	0.1084	4050	βγ
⁷⁹Se	0.327	0.0447	151	β
⁹³Zr	1.53	5.4575	91	βγ
¹³⁵Cs	2.3	6.9110	269	β
¹⁰⁷Pd	6.5	1.2499	33	β
¹²⁹I	15.7	0.8410	194	βγ

Medium-lived fission products
Prop: Unit:	t^½ a	Yield %	Q * keV	βγ *
¹⁵⁵Eu	4.76	.0803	252	βγ
⁸⁵Kr	10.76	.2180	687	βγ
^113mCd	14.1	.0008	316	β
⁹⁰Sr	28.9	4.505	2826	β
¹³⁷Cs	30.23	6.337	1176	βγ
^121mSn	43.9	.00005	390	βγ
¹⁵¹Sm	90	.5314	77	β

先學怎麼看這個表格。左邊為長半衰期的幅射性元素，右邊為中半衰期的幅射元素。各表格第一欄為化學元素符號及其質量數 (mass number；質子數加中子數)。第二欄為半衰期 (t^½)，左邊表格的單住為百萬年 (Ma; Million annum)，右邊表格的單位為年 (a; annum)。第三欄為產出率 (yield)。值得注意的是在核分裂的過程是一分為二，所以總產出率，如果沒有特別說明，一般的加總為 200% [10]。第四欄為其幅射線釋出的總能量，單位為千電子伏特。有時候這些幅射性元素有後續的衰變，而能量為其衰變鍊釋出能量的總和。第五欄為其幅射線的種類，可以是只有β射線或者是β射線與γ射線都有。

我們通常較擔心的是產出率高、幅射能量大的幅射性元素，譬如在中半衰期表格中的鍶 90 和銫 137。特別是銫 137，常被用來檢測幅射污染的程度。它的危險性其實比前面提的碘 131要低；碘 131 會在甲狀腺累積，且半衰期短，而釋出的能量近百萬電子伏特；而銫 137 雖然釋出的能量稍高，但它溶於水，會經尿液排除，而且其半衰期長。它的作用比較像大腸桿菌，常用來做檢測食品衛生的指標，但它的危害不是最大的。

從中半衰期的表中，可以發現其實對於中半衰期的核廢料最大的威脅來自於鍶 90 和銫 137，而其半衰期均在 30 年上下。所以在 100年後，這一群幅射化學元素的幅射劑量就會降至 10%以下。所以對中半衰期的幅射化學元素，只要有幾百年的穩定存放，危險就算解除了。比較麻煩的是長半衰期的那一群，半衰期自 21 萬年至 1570 萬年。長半衰期的幅射化學元素產出率較高的是鋯 93、銫 135和鈀 107，幸好它們的幅射能量相對較低，又因為半衰期長相對的較穩定，所以可能造成的傷害會比較小。無論如何，對於長半衰期的幅射化學元素是核廢料處理的一個重大課題。

核廢料的處理

核廢料的初步處理是要讓它變得比較穩定，將其中的水分和氮化物分離出。使用的方法是加糖鍛燒 (calcination)，在圓柱中翻攪，有點像糖炒栗子。鍛燒後的核廢料再持續加入碎玻璃 (borosilicated glass; 高硼矽玻璃) 加熱就被玻璃化 (veritrification) 了。這些融化的玻璃接著注入不銹鋼的圓柱中。冷卻後其中的玻璃對水有極高的抗性。

這些處理完的玻璃化核廢料目前處置的方法是將它們放置於地質相對穩定的地底下儲存槽。目前還有許多新的處理方式在研究，包括核廢料的再利用、用地質潛沒(subduction) 層讓它們被帶入深層地殼之下等。

核廢料的處理的安全性

這樣處理過的核廢料安全性如何？由於含有許多幅射化學元素，這些核廢料的幅射較自然鈾礦要高上千倍，經過產出率、半衰期、幅射線能量的加權計算後，大概需要 10,000 年幅射線才會降到天然鈾礦的水平以下 [8]。所以理論上對於玻璃化核廢料要求 10,000 年不能外洩。10,000 年的時間實在是很長，至少長於新石器時代後的人類文明史。

但是有一個可以對比的例子。美國的核廢料儲存於雅卡山 (Yucca Mountain) ，設計是儲存77,000噸的核廢料，其幅射強度的安全標準為自然鈾礦的 5%。假設雅卡山的容量裝滿了後，很不幸的水浸入而玻璃化的核廢料又從玻璃圍阻體中滲出，流入地下水，與前述流經科羅拉多天然鈾礦區的水相較，也只有5% 的幅射量 [8]。如果你旅經洛杉磯或聖地牙哥敢喝水，似乎地下儲存玻璃化的核廢料也不必過於擔心。

References:

[1]: Office of Air and Radiation; Office of Radiation and Indoor Air (May 2007). "Radiation: Risks and Realities" (PDF). Radiation: Risks and Realities. U.S. Environmental Protection Agency. p. 2. Retrieved 19 March 2011.

[2]: http://en.wikipedia.org/wiki/Sievert

[3]: http://en.wikipedia.org/wiki/Gray_(unit)

[4]: United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation.Sources and Effects of Ionizing Radiation, UNSCEAR 2008

[5]: http://en.wikipedia.org/wiki/Linear_no-threshold_model