二、辐射无处不在
自古以来，人类和地球上的其他物种就一直在天然辐射环境中生存和繁衍。在现实生活中，天然辐射无处不在，我们吃的食物、住的房屋、天空大地、山川草木，乃至人的身体都存在辐射（图2.1）。近一个多世纪以来，随着核科学技术的发展和应用，我们还受到了人工辐射源的照射。可靠数据表明，我们受到的辐射照射中，有80%以上来自天然辐射源，而来自人工辐射源的照射还不到20%，而且极大部分来自辐射的医学应用（图2.2）。
图2.1 天然辐射无处不在
图2.2 辐射的分布
天然辐射源
天然辐射源指来自外太空的宇宙射线和宇生放射性核素以及存在于地球空气、食物等居住环境和人体内部的原生天然放射性核素所引起的各种辐射。我们受到的辐射照射大部分来自天然辐射源，与居住环境有关，全球人口平均年有效剂量约2.4毫希沃特，其范围大约是1～10毫希沃特；我国人口平均年有效剂量约3.1毫希沃特，高于全球平均值。
1．宇宙辐射源
宇宙射线大多来源于星际空间深处，其中一些是在太阳耀斑期间由太阳释放的。它们会直接照射地球，并与大气层发生相互作用，产生不同类型的辐射和放射性物质，如宇生放射性核素氢-3、碳-14、铍-7和钠-22等。地球大气层在一定程度上减少了宇宙射线，不过地球上有些地方受到的照射多于其他地方。由于宇宙射线被地磁场偏转到南北两极，因此南北两极受到的宇宙射线照射要多于赤道区域。
此外，由于上层空气稀薄难以形成屏蔽，照射水平会随着海拔高度而增长（图2.3）。居住在海平面的居民每年受到宇宙辐射源照射的有效剂量约0.3毫希沃特，约为天然辐射源照射总剂量的10%～15%。生活在海拔2000米以上的人们受到的剂量是居住在海平面的人们的几倍。民航飞机乘客受到的剂量甚至会更高，这是因为来自宇宙辐射源的照射不仅与海拔高度有关，而且与航班飞行时间长短有关。比如，在民航飞行高度中飞行10小时的平均有效剂量为0.03～0.08毫希沃特。换句话说，从纽约到巴黎的往返航行中乘客受到的剂量为0.05毫希沃特。这个剂量近似等于一个患者接受常规胸部X射线检查所受到的有效剂量。虽然单个乘客在一次航空飞行中受到的有效剂量很低，但是所有乘客的集体有效剂量却相当高，因为乘客数量众多，航班遍布世界各地。
图2.3 来自宇宙辐射的年有效剂量
注：基于这些地方一年辐射照射的假设得出的。
2．陆地辐射源
陆地外照射。地球内和地球上的万物都含有原生放射性核素。这些放射性核素寿命极长，存在于大地中，如钾-40、铀-238和钍-232以及由它们衰变产生的放射性核素镭-226和氡-222等，这些放射性核素早在地球形成以前就已经时时刻刻在发射辐射。据联合国原子辐射影响科学委员会估计，全世界人均每年受到陆地外照射剂量约为0.48毫希沃特，我国约为0.54毫希沃特。
外照射由于地理位置的不同而有着很大的区别。比如，法国、德国、意大利、日本和美国的研究表明，生活在这些国家95%的居民，每年受到室外外照射剂量在0.3～0.6毫希沃特。然而，在局部地区人们每年所受到的室外外照射剂量可能高于1毫希沃特。在其他的国家，陆地辐射源的照射水平可能还会更高。例如，在印度喀拉拉邦西南海岸，有一片人口稠密的55千米狭长土地，那里的沙子富含放射性核素钍，生活在当地的居民每年受到的外照射剂量约为3.8毫希沃特。在巴西、中国、伊朗、马达加斯加和尼日利亚等国家，也有一些高水平天然陆地辐射源地区。
氡照射。氡-222是一种以气体形式存在的放射性核素，通常来自土壤。氡-222产生于地球岩石和土壤中存在的铀-238衰变系。氡吸入人体后，其短寿命子体（主要是钋-218和钋-214）滞留在肺中，照射呼吸道细胞。由于吸烟与氡照射之间有着强烈的相互作用，所以吸烟者更易患癌症。氡已被国际癌症研究机构归为I类致癌因素，是导致肺癌的第二大诱因，仅次于吸烟。氡还被世界卫生组织列为19种主要的环境致癌物质之一。
氡广泛存在于空气中，可以通过地下室、地板及墙壁直接渗入到建筑物中，从而导致建筑物内氡的积累（图2.4）。当室内供暖时，热空气上升，空气通过窗户或孔隙从房屋顶部逸出，使底层和地下压力降低。这样就使得氡通过裂隙和孔隙（如各种管道入口周边）从地基下的土壤、地板及墙壁中快速析出。
图2.4 氡进入建筑物
全球室内氡浓度平均值约为每立方米50贝克。但是这个平均值掩盖了各地之间的巨大差异。总体而言，各国室内氡浓度平均值差异很大。在塞浦路斯、埃及和古巴等国家中不到每立方米10贝克，而在捷克共和国、芬兰和卢森堡各国则室内氡浓度平均值大于每立方米100贝克。在加拿大、瑞典和瑞士等一些国家，有些房屋内氡浓度平均值介于每立方米1000～10000贝克。不过，具有这么高水平氡浓度的房屋是少见的。引起这种差异的一些因素包括局部地区的地质状况、土壤渗透性、建筑材料和建筑物通风等因素。
其中，通风是一个关键的因素，它与气候有关。如果通风良好，如在热带气候地区中，室内氡的积累可能就不严重。但是在温带和寒冷的气候地区中，场所的通风往往不够充分，室内氡就可能大量积累。因此，在设计节能建筑物时，如何合理地限制通风是一个重要问题。许多国家已经开展了广泛的室内氡浓度测量，为实施室内氡浓度减少措施提供了依据。
水中氡浓度水平通常都非常低，但是也有些高氡浓度的水源，如芬兰赫尔辛基的深井水和美国阿肯色州的温泉。水中氡会加剧空气中氡的积累，特别是在浴室中淋浴时会出现这种情况。然而，联合国原子辐射影响科学委员会的评估结论是通过饮用水摄入的氡比空气吸入的氡的剂量要小得多。该委员会认为，因氡及其子体所致全球居民人均年有效剂量是1.3毫希沃特，我国人均年有效剂量约为1.6毫希沃特，均约为所有天然辐射源所致居民年有效剂量的50%。
食物和饮用水食入内照射。食品和饮用水中可能含有某些原生放射性核素和其他一些放射性核素，它们主要来源于天然辐射源。放射性核素可以通过岩石、土壤和水中的矿物质转移到植物，然后再转移到动物。因此，人类因食物和饮用水所受到的有效剂量的变化，不仅取决于食物和饮用水中放射性核素的浓度，还取决于当地居民的饮食习惯。例如，鱼和水生贝壳类生物含有相对较高的铅-210和钋-210，大量食用海鲜的人所受到的辐射照射可能略高于一般人群的辐射照射。居住在北极地区的人消费大量的驯鹿肉，他们所受到的辐射照射也比较高。在北极地区，放牧驯鹿的地衣中积累有钋-210，从而导致放牧驯鹿体内也含有较高的钋-210。据联合国原子辐射影响科学委员会估计，食物和饮用水中天然辐射源所致全球居民人均年有效剂量是0.3毫希沃特，主要来自钾-40及铀-238和钍-232天然放射系中的放射性核素。
3．人体内钾-40
人体本身含有的放射性核素钾-40也是一种天然辐射源。众所周知，人体是由细胞构成的，细胞是由碳、氢、氧、氮、钠、钾、钙、镁等许许多多的元素组成的。一个成人体内约有100克钾元素，其中万分之一是天然放射性同位素钾-40。钾-40衰变将发射β射线和γ射线，半衰期为12.6亿年。钾-40衰变所发射的射线约有50%被人体组织自吸收了，另外的50%则将辐射出人体外部。一个成人每年受到自身体内钾-40照射的有效剂量约为0.14毫希沃特。
4．小结
上述这些天然辐射源构成了人们常说的“天然本底照射”。在天然辐射源照射中，以氡产生的人类辐射照射为最大。天然辐射源照射水平随时间的变化较小，但随地域、环境的变化较大，例如纬度高的地区、地势高的地方，或者在洞穴中、在地下室里，或居住在花岗岩、煤渣砖房屋中的人们，所受到的天然辐射源照射往往会要高一些。
人工辐射源
自科学家揭秘原子辐射以来，核与辐射技术在过去近一百年里得到广泛的研究、开发及其实际应用，包括医疗（如癌症诊疗）、核试验（如核武器）、电力生产（如核电厂）、工业（如钴源辐照装置）和家庭应用（如烟雾探测器）等。
与天然辐射源相比较，正常时人工辐射源对人类及其环境产生的辐射照射要小得多。这主要是因为人工辐射源的应用通常都是在严格的法规制度和严密的控制措施下进行的。
1．医学应用
对于公众来说，医疗照射是主要的人工辐射源。平均而言，医学照射贡献了所有人工辐射源照射的98%，是继天然辐射源之后对全球居民照射的第二大来源。医疗照射指接受治疗或诊断时患者或被检查者所受到的辐射照射。辐射的医学应用可以分为三大类：放射诊断、放射治疗和核医学。在医学中所应用的辐射种类很多，包括诊断X射线、计算机断层扫描（CT扫描）、介入放射学和重离子治癌等（图2.5）。
图2.5 医学应用
放射诊断是用X射线获得影像进行分析的技术。如普通X射线照相检查（胸片和牙片）、荧光透视检查（钡餐和灌肠剂）和CT扫描。但超声和核磁共振成像不涉及电离辐射，不属于放射诊断。介入放射学指使用最小侵袭性（微创）影像引导程序来诊断和治疗疾病，如在血管中引导植入导管。由于CT的广泛使用和每次检查所产生的剂量，放射诊断程序所致全球人均有效剂量从1988年的0.35毫希沃特，上升至2008年的0.62毫希沃特，几乎翻了一倍，放射性诊断所致集体有效剂量也增加了至少一倍，如图2.6所示。
图2.6 放射性诊断所致全球照射剂量（1988—2008年）
放射治疗（简称放疗）利用辐射来治疗各种疾病，通常是治疗癌症，也用于治疗良性肿瘤。放疗会使一些正常细胞受到破坏，但大多数都会恢复。放疗可分为远距离放疗和近距离放疗。远距离放疗指用患者体外的辐射源（如含源治疗机和加速器）治疗疾病，近距离放疗指将辐射源放置在患者体内治疗疾病。放疗治癌在医疗界已得到广泛的应用，但实际上接受放疗的人还是少数。在大多数国家，放射治疗对群体产生的人均剂量远低于放射诊断。
核医学是将非密封的放射性物质引入体内，用于获取人体有关结构和器官功能的信息，有时也用于治疗疾病，如治疗甲状腺功能亢进和甲状腺癌等。一般情况下，将放射性核素制成可以静脉注射或口服的放射性药物，然后利用药物中放射性核素发出的射线产生诊断影像或治疗疾病，如图2.7所示。
图2.7 碘-131治疗
在世界范围内，核医学应用的分布相当不均匀，90%发生在工业化国家。不过，随着人类生活水平和医疗水平的提高，其应用频率呈现明显的增长趋势，如图2.8所示。
图2.8 核医学所致全球照射剂量（1988—2008年）
2．核试验
1945年8月6日和8月9日两颗原子弹分别投掷到日本广岛和长崎。两颗原子弹的爆炸致使将近13万人死亡，这是历史上在战争中仅有的两次使用核武器的事件。之后世界各国在大气中进行了多次核武器试验（简称核试验），主要分布在北半球。最活跃的试验期是1952—1962年，总共进行了大约500次核试验，总威力为430兆吨TNT当量。核试验沉降物或落下灰是指核爆炸引起的、沉降到地球表面上的放射性灰状物。
核武器大气层试验产生的落下灰所致全球人均年有效剂量的最高估算值出现在1963年，约为0.11毫希沃特，后来逐渐降低到现在的水平，约0.005毫希沃特，远低于公众所受到的天然辐射源照射，而且这种照射在未来还将缓慢地下降。
地面核试验产生的落下灰，其中多达50%的沉积在试验场100千米范围内，居住在试验场附近的人们会受到当地落下灰的照射，如图2.9所示。然而，由于试验是在相对偏远的地区进行，当地受到照射的居民群体很少，没有对全球集体有效剂量构成明显贡献。
图2.9 核试验落下灰所致全球人均剂量
3．核反应堆和核电站
用中子轰击铀或钚的某些同位素，可使这些原子核分裂为两个更小的原子核，并释放出两个或多个中子，同时释放出能量，这一过程称为核裂变。释放出的中子再轰击其他铀或钚原子核，继续发生核裂变，释放出更多的中子，这些中子再继续轰击更多的铀或钚原子核，这种过程称为链式反应。
动力核反应堆中核裂变所释放的能量，可用于核电站生产电能。各种研究性核反应堆，既可用于核物理和生物学研究，也可用于核燃料、材料性能考验和试验，还可用于生产医学和工业用的放射性同位素等。
正常运行情况下，核电站对全球辐射照射的贡献是微乎其微的。由于技术的不断进步和更加严格的辐射防护措施，核反应堆正常排放的总照射水平在下降。总的来说，各类核设施的排放引起的辐射剂量是非常低的。居住在核电站周围的居民受到的年平均有效剂量约为0.0001毫希沃特。
核反应堆卸出的乏燃料（核反应堆内“燃烧”过的核燃料）可以进行后处理，将其中某些放射性核素回收再利用。这是核工业流程中的一部分，如图2.10所示。目前我国低中水平放射性废物在国家规定的符合核安全要求的场所实行近地表或者中等深度处置；后处理产生的高放废物（高水平放射性废物）和未经后处理的乏燃料都暂存起来，但最终还需要进行处置。在废物得到适当处置的情况下，对公众的照射是极小的。
图2.10 核工业主要流程
在发生切尔诺贝利核电站事故之前，人类最严重的民用核设施事故是1979年3月28日发生在美国的三哩岛核电站事故。在该事故中因一系列事件导致核反应堆堆芯部分熔化，大量的裂变产物和其他放射性核素从受损的核反应堆堆芯释放到安全壳厂房内，由于最重要的碘同位素被溶解到冷却水内，因此环境释放很少，对公众的辐射照射也非常小。
1986年4月26日发生在苏联的切尔诺贝利核电站事故和2011年3月11日发生在日本的福岛第一核电站事故，是迄今为止全球发生的最严重的两起核事故，它们对周边环境和社会心理造成了严重的影响。但评价表明，其对全球人均的辐射照射，小于天然本底照射的千分之一。详细情况可查阅相关资料。
4．工业和其他应用
辐射源有着广泛的工业用途。这些用途包括用于医药产品灭菌、食品贮藏保存和病虫害消除的工业辐照装置；用以检查焊缝缺陷的工业照相；用作应急出入口标志和地图照明灯的α或β发射体；在测井活动中用于测量矿物、石油、天然气勘探的、测量钻孔中地质特性的辐射源或小型X射线机；在测量材料厚度（图2.11）、水分、密度和料位的装置中使用的辐射源；以及科学研究中使用的其他密封源。
图2.11 辐射测厚装置
虽然辐射源有着广泛的用途，但是工业及其他领域实践中使用的放射性核素的生产对公众的辐射照射水平却非常低。然而，在事故情况下，局部区域可能受到污染，也可能引起较高水平照射。
与工业辐射源相关的事故比核电站发生的事故更为常见，主要指使用辐射源、X射线和加速器等的工业设施发生的事故。在1945—2007年全球报道了80起这类事故，见表2.1。这些事故可能会对工作人员和公众造成明显的辐射照射，需要引起足够的重视。
表2.1 全球严重辐射事故的估算值
注：基于正式报道的或公布的事故数。预计未报道的事故数要大得多，特别是医疗事故。
丢失、被盗和废弃的辐射源称为失控源。由于辐射源的包装容器光滑光亮，看上去似乎是由贵重金属制成，且上面可能没有辐射警示标志，因此对公众尤其是从事废旧金属交易的人们来说是有吸引力的。在无危险意识的工作人员或公众破坏辐射源的案例中，有些导致了严重辐射损伤，甚至死亡。例如1987年巴西戈亚尼亚事故：一台废弃的、装有强放射性铯-137源的远程治疗机被偷，辐射源包装盒被砸开。在接下来的两周内，辐射源粉末扩散到整个废品收购站及周边环境，造成很多人辐射损伤。这起事故最终导致4人死亡，其中包括一名儿童。
5．日常生活应用
为了利用某些特殊的化学性质或放射性性质，一些低水平放射性核素经慎重考虑后添加到了日常使用的产品中。历史上发光消费品中使用最多的放射性核素是镭-226。但最近几十年已经不再使用镭-226，而采用放射性毒性较小的钷-147和氢-3（氚）代替。即使如此，含氚化合物的钟表或手表由于移动性强也存在氚泄漏问题。好在氚只发射非常弱的β射线，皮肤都不能穿透，不会对人体产生辐射损伤。氚只有在进入人体后才需要考虑对人体的辐射照射影响。
现在有很多烟雾探测器使用了小片辐射源镅-241，镅-241发射α射线，产生恒定粒子流。周围空气可以自由进入探测器，如果烟雾进入探测器，则干扰粒子流，触发报警，如图2.12所示。
图2.12 辐射烟雾探测器结构示意图
烟雾探测器中的镅-241源半衰期为432年，衰变非常缓慢，也就是说这类探测器在使用10年后仍然基本保留原有的全部活度。根据国家法规要求、装在烟雾探测器中的放射源的活度非常低，发射的α射线穿透能力非常弱，一张纸就可以挡住，因此镅-241源只要保留在探测器中，其对人的照射就小得可以忽略不计。
6．其他
（1）天然放射性物质
在世界各地还有几种类型的设施或活动，虽然它们与核能的利用没有关系，但其工业产品、副产品和残留物中的天然放射性物质（NORM）的活度浓度却增加了，这可能会使公众受到增强的辐射照射，例如矿物的开采和加工、地热能开发（图2.13）等。
图2.13 地热开发利用
（2）吸烟的辐射影响
烟草中含有钋-210、铅-210、镭-226等放射性核素，主要是放射性核素钋-210。因此，吸烟也会对人体产生辐射影响。钋是一种天然放射性核素，衰变时发射α射线，穿透能力弱，但具有较强的电离本领。钋-210会随烟气进入人体产生内照射。烟草中之所以会存在钋-210，主要是由于土壤中的核素被烟草吸收，并富集在烟叶中。
公众和工作人员受到的辐射照射
总的来讲，在公众受到的所有辐射照射中，天然辐射源是主要来源。根据联合国原子辐射影响科学委员会的估计，个体所受到的年均有效剂量约为3毫希沃特，其中2.4毫希沃特来自天然辐射源，0.65毫希沃特来自人工辐射源（图2.14）。天然辐射源中有三分之二来自人们呼吸的空气、吃的食品和饮用的水中的放射性物质。人工辐射源的主要来源为医学照射，医学照射水平又随国家和地区的不同而不同。
图2.14 辐射源所致公众的平均照射剂量*
注：一年内个人有效剂量估算值（世界人口平均值）。
受到人工辐射源照射的工作人员中，每4个就有3个从事医疗行业，其个人年均有效剂量约为0.5毫希沃特。
20世纪90年代以前，对工作人员受到辐射照射的关注主要集中在人工辐射源。如今人们认识到很大一批工作人员受到的照射主要来自天然辐射源，例如采矿行业的一些工作人员，对于他们来说，氡气的吸入是工作场所的主要辐射源。虽然井下铀矿中氡的释放对核工业职业照射贡献很大，但整个核工业工作人员人均有效剂量从20世纪70年代的4.4毫希沃特下降到了今天的1毫希沃特，而煤矿工人的年均有效剂量仍然是2.4毫希沃特，其他类型矿山工人的剂量约为3毫希沃特。
全球工作人员辐射照射趋势表明（如表2.2所示），天然辐射源照射呈现增加的趋势，人工辐射源照射呈下降的趋势。究其原因，天然辐射源照射的增加主要是因为近年增加了对矿山开采的关注，而人工辐射源照射的下降是因为有效实施了辐射防护措施。
表2.2 全球工作人员辐射照射趋势（毫希沃特）＊
注：*工作人员一年内受到的平均有效剂量估算值。
**铀矿开采包括在核工业中。