核与辐射技术的发展和应用给人类带来了巨大的利益, 但随着其应用的日益广泛, 公众所受的辐射剂量问题也变得越来越重要。1945~1980年进行的大气层核试验产生了迄今为止人工辐射源造成的最大集体剂量^[1], 其对人类产生的辐射剂量还将持续较长的时间。因此, 有必要研究大气层核试验致我国公众辐射剂量的时间分布, 为人工辐射源所致公众辐射剂量评价服务。2000年UNSCEAR报告根据有关国家提供的新的源项数据、大气层中放射性物质分配、传输模式和改进的剂量计算方法学, 重新估算了大气层核试验放射性核素的全球分布、逐年地面沉积量及其所致公众成员的人均有效剂量和待积集体有效剂量。我们参照UNSCEAR2000年报告的剂量估算模式和方法学, 以我国卫生系统实测的1962~1987年间⁹⁰Sr逐年沉积密度数据为基础对大气层核试验放射性沉降致中国公众剂量的逐年变化趋势进行了研究。

1 材料与方法

大气层核试验释放的放射性核素对人体产生的待积有效剂量和集体有效剂量主要来自地表沉积放射性核素产生的外照射和经食入与吸入途径进入人体的放射性核素产生的内照射, 因此估算大气层核试验所致公众剂量首先是确定放射性核素的地面沉积密度。

1.1 ⁹⁰Sr年沉积密度

为了认识和了解大气层核试验释放放射性核素的规律、特点及其对人体健康的影响, 我国卫生系统在上世纪50年代末期开始了对环境放射性的调查研究, 在全国建立卫生监测网点进行不间断的放射卫生监测, 并制定了严格的监测方案和质量保证措施。采用北方干式采样, 南方湿式采样的方法对大气沉降灰进行监测, 沉降灰样品每天收集一次, 并用放射化学的方法测定⁹⁰Sr的活度, 给出了1962~1987年间实测的我国⁹⁰Sr年沉积密度全国平均值, 见表 1第2列^[2]。2000年UNSCEAR报告用新的大气模型对历次大气层核试验产生的放射性核素造成的全球污染水平进行了估算, 给出了在剂量学方面具有重要性的放射性核素在1945~1999年期间的南、北半球及全球的逐年沉降量^[1]。在以上两类沉降数据的基础上, 对我国没有实测数据的1945~1961年和1988 ~1999年时间段的⁹⁰Sr年沉积密度数据, 先求得1962~1980年时间段内我国⁹⁰Sr年沉积密度(Bqm^-2)实测值^[2]与UN-SCEAR2000报告中给出的北半球⁹⁰Sr在同一年的沉降量(PBq)数值之比, 取历年该比值的平均值9.76, 再用2000年UNSCEAR报告中给出的北半球⁹⁰Sr年沉降量与该平均值(9.76)的乘积来确定1945~1961年和1988~1999年时间段内我国⁹⁰Sr的年沉积密度数值。

1.2 其他核素的年沉积密度

核试验释放的放射性核素在我国的地面沉积密度有两种资料, 基于大气沉降灰监测的⁹⁰Sr年沉积密度数据和基于土壤放射性监测的¹³⁷Cs累积沉积数据^[2]。¹³⁷Cs累积沉积密度只给出了累积数据而没有时间分布数据, 不能直接用于公众辐射剂量时间分布分析。大气层核试验释放的在剂量学方面具有重要性的其他核素年沉积密度数据, 笔者采用1993年和2000年UNSCEAR报告中的方法和参数^{[1, 3]}进行估算, 即用其他放射性核素相对于⁹⁰Sr沉积或95Zr沉积的比例关系进行估算评价。具体为:长寿命核素及超铀核素的累积沉积密度是根据北半球某核素1945~1999年期间的累积沉降量(PBq)与同期⁹⁰Sr的累积沉降量(PBq)的比值, 对长寿命核素⁹⁵Zr、¹⁴⁴Ce、⁵⁴Mn、¹⁰⁶Ru、¹²⁵Sb、⁵⁵Fe、¹³⁷Cs分别取15.8、20.2、2.41、10.3、0.94、1.68和1.5^{[1, 3]}, 对超铀核素²³⁸Pu、²³⁹Pu、²⁴⁰Pu、²⁴¹Pu和²⁴¹Am分别取0.00046、0.011、0.0072、0.23和0.0077^[3], 再用该比值乘以我国⁹⁰Sr年沉积密度数值得到。短寿命核素的累积沉积密度根据北半球某核素1945~1999年期间的累积沉降量(PBq)与同期⁹⁵Zr的累积沉降量(PBq)的比值, 对核素¹³¹I、¹⁴⁰Ba、¹⁴¹Ce、¹⁰³Ru、⁸⁹Sr、⁹¹Y分别取0.53、1.0、0.8、1.0、0.57和0.8^{[1, 3]}, 再用该比值乘以⁹⁵Zr的年沉积密度数值得到。

1.3 剂量估算模式和参数

UNSCEAR 2000年报告介绍了用于评价核试验释放到环境的放射性核素所致剂量的6隔室模型, 将整个转移过程分为源项、空气、土壤、食物、人体和剂量6个隔室^[1]。根据该模型, 对任何一个转移过程, 放射性核素所致人体辐射剂量可通过用放射性核素的释放量乘以一系列的转移系数来获得, 也可从模型中的任何一个有监测结果的点开始剂量计算。核试验释放放射性核素在环境中传输、沉降和转移过程中通过外照射、吸入和食入三个途径对人体产生照射。根据以上的模型和参数, 可以用放射性核素地面沉积密度的实测值或计算值及相应的剂量转移系数来估算公众辐射剂量, 即某核素i经某照射途径j所致公众成员平均有效剂量负担E_ij是该核素的地面沉积密度D_i与相应转移系数P_{25, ij}的乘积:

核试验产生的放射性核素的剂量转移系数P_{25, ij}值可参见文献^[1]。所有核素经各照射途径所致公众成员平均有效剂量负担是E_ij对i, j求和, 即∑ ∑ E_ij。因此, 根据⁹⁰Sr逐年沉降密度的实测/估算值, 其他核素的逐年沉降密度估算数据及相应的剂量转移系数, 可以求得大气层核试验放射性落下灰通过外照射、食入和吸入途径所致我国公众照射剂量随时间变化趋势。

2 结果

图 1给出了用以上方法求得的大气层核试验致中国公众辐射剂量从1945年到1999年的逐年变化趋势图。由图 1可以看出, 1959年和1963年我国公众所受剂量最大, 分别为0.203 mSv/a和0.202mSv/a, 1963年之后, 公众受照剂量逐渐减少, 在1971年前后又出现不太明显的小峰。

若将1945年至1999年按5年段分成1945~1950, 1951~1955…等11个时段并绘制成图, 如图 2所示。可以看出, 1956~1960年和1961~1966年两个时段内公众个体平均所受年有效剂量明显高于其他时段。从1945~1950时段算起, 各时段的平均年有效剂量分别占总有效剂量的0.11%, 11.7%, 31.5%, 35.5%, 9.6%, 5.8%, 3.4%, 1.6%, 0.51%, 0.20%, 0.14%。

3 讨论

1945年至1980年间进行的大气层核武器试验是全球人类受到的主要人工照射来源, 且绝大部分核试验是在北半球进行, 南半球相对较低^[1]。因此, 笔者在估算没有实测数据的1945~1961年和1988~1999年⁹⁰Sr的逐年沉积密度值中, 选取的是1962~1980年时间段内⁹⁰Sr实测沉积密度数值与同年北半球⁹⁰Sr沉降量的比值关系, 而没有考虑有⁹⁰Sr实测数据的1981-1987年时间段内两者的比值关系。

UNSCEAR 2000年报告给出1962年、1961年、1958年、1954年依次是全球大气层核试验爆炸当量最大的年份^[1], 我们估算的大气层核试验致中国公众照射剂量以1963年和1959年为最高, 两者基本一致; 此外, 全球大气层核试验次数以1951~1958年和1961~1962年期间为最多, 而我们估算的核试验致我国公众剂量以1956~1960年和1961~1966年两个时段为主, 两者也基本一致。UN-SCEAR 2000年报告中指出1958~1979年间, 放射性核素沉降对世界人口造成的平均年剂量的最大值出现在1963年, 估算为0.14mSv/a ^[1], 而我们估算得到大气层核试验致我国公众辐射剂量的最大值出现在1959年和1963年, 其值分别为0.203 mSv/a和0.202mSv/a, 从剂量估算的角度两者基本一致, 我们的估算结果略高于世界平均水平。核能生产是应用比较广泛的核技术之一, 我国核电站工作人员所受的职业个人剂量为1mSv/a ^[4], 而到1999年大气层核试验所致我国公众辐射剂量已低于0.5nSv, 远低于核能生产职业辐射剂量。

1992年后UNSCEAR 2000年报告的北半球⁹⁰Sr沉降量均低于0.0001PBq, 没有具体数值。因此本文对1987年后的剂量估算采用的是实测⁹⁰Sr数据剂量估算结果同UNSCEAR 2000报告中同期估算剂量的比值关系推导得到的, 希望能在一定程度上反映核试验致我国公众辐射剂量的时间变化情况。

志谢: 感谢潘自强院士在本研究过程中给予的帮助和支持。