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1、 生命科学院社会科学类论文竞赛作品生物技术关注日本福岛放射性核能事故-The CBRN Accident In Japan生命科学院社会科学类学术论文参赛作品山东大学生命科学院 生物工程09级 张艺怀 2011年4月 【摘要】随着科技水平不断发展、核工业不断深入应用的今天，我们就2011.3.15日本福岛第一核电站事故来引起一系列关于核安全与生物之间的社会科学性思考。即使人类在核事故面前体现出了非凡的智慧和能力，然而在核污染的背后我们要知道其所带来的生化影响将是深远和不确定的。随之而来的动植物对放射性物质的污染，通过食物链的传播，生物体元素代替导致组织器官的损伤、腺体功能的改变、DNA的损伤，
2、进而有了基因结构的改变，遗传保留的影响，其中那些基因结构相对简单的生物（如单细胞生物，微生物等）受到的影响将会更大。以下将提出事故处理的四项合理建议并分析其生物学意义，有针对的完成这一社会科学性问题的探讨与研究。【主题词】生物学 生化 核事故 社科 污染 【前言】在当下日本福岛发生重大核事故面前，我们应沉着冷静的去共同解决这一问题，积极响应政府的应对方针以及相关政策。从生化角度思考，由于辐射剂量较低，只在每小时10-7微希沃特量级，同时像大型动植物，如哺乳类即使某段DNA被破坏后，产生的变化无法从外观察觉。然而这仍然是一个不可忽视的话题。核污染，作为当代科学家们公认的危险能源污染，其解决问题的
3、关键除了物理隔离，还应该予以重视的是事故发生后，我们去关注整个生物圈，我们去做一些有关于物种的研究，讨论一些用生化手段分离污染物的方法，最后在事故管理过程中加入些生物学思考。本作品从生物技术角度出发，引入核工业知识和生物化学概念，详细阐述在生物技术关注日本福岛放射性核能事故。【正文】生物技术关注日本放射性核能事故第一部分 日本福岛核事故相关因素 这次核事故在核工业上的因素主要有以下几个方面：一、核反应堆的燃料 日本使用铀钚反应堆，而不是普通的二氧化铀堆。众所周知早在二战时期，向日本广岛长崎投放的即是钚弹，使用铀钚合金代替二氧化铀做燃料芯块无疑增加了核反应的能量，同时也增加了控制反应的难度，并且
4、相关技术也需要提高使用级别来维护整个反应堆。二、核反应堆的堆型日本福岛第一核电站使用的堆型为沸水堆，既BWR型反应堆。这是一种褒贬不一的堆型，它的优点在于可以做得功率很大，但是它有一个致命的弱点，安全性远比不上现在的主流使用堆型压水堆（我国山东石岛湾实验堆使用的堆型）。一般的压水堆控制棒是从上向下插入堆芯，在失控的情况下，控制棒可以依靠重力自行下落到堆中进行中子的吸收，从而起到降低反应性的作用。而沸水堆则不然，它不具备二回路，反应堆产生的热直接加入冷却剂（水），然后像开锅一样蒸汽随着一回路到达汽轮机，做功发电，然后回到堆里完成循环。没有一、二回路边界，实际上辐射直接从反应堆到汽轮机，从而产生危
5、险。早在1986年的切尔诺贝利核事故中，我们得知当年切尔诺贝利核发电厂中使用的堆型为石墨气冷堆，如今早已淘汰，而这次日本福岛使用的沸水堆也存在相应的安全问题，我们不难得出这样一个结论，随着科技的进步我们不断在淘汰旧的技术，要用全新的思路创造科技的进步。三、燃料棒的包壳 反应堆燃料由芯块形式排列成棒束，每个芯块都有包壳包裹着，日本福岛第一核电站燃料棒的包壳所使用得是一种锆合金，由于其截面积小，在高放射性下结构性能号，但其有个致命性缺陷，根据无机分析化学，高温下锆与水反应生成氢，反应堆失控后，温度急剧上升从而生成大量氢，在高温作用下发生剧烈爆炸。第二部分 核事故现在发展的情况目前日本福岛第一核电站
6、面临严峻考验，首先是循环水回路中出现蒸汽堵塞，并且安全壳裂缝，更严重的是控制棒部分熔化变形不能插入到堆心底部进行停堆，导致了反应堆仍持续不断地进行反应，含有低辐射的废水为了给含高辐射的水提供储存空间，不得不排入大海。没有控制棒的情况下，反应堆发生自持性反应，中子生成比大于1，将有不断的中子产生而且数量呈技术增长，最终导致超临界值状态恶性循环。能量不断增大堆芯融化。 第三部分 核事故处理的步骤和简要内容步骤一： 反应堆和核废料池的冷却将反应堆和核废料池进行冷却的目的在于停止其反应，因为反应堆的持续反应将使事故越发严重。同时反应产生的热量将使堆芯进一步熔化，当熔穿地基时，高放射性物质直接进入大自然
7、水循环，通过洋流作用，使事态恶化。步骤二： 放射物泄露的控制放射性物质控制的生化学意义，在于生物分子损伤是一切辐射生物效应的物质基础，而生物分子损伤与自由基生成密切相关，自由基是化学不稳定性和高反应性的，当生物分子自由基生成后迅速起化学反应，两个自由基不配对电子相互配对，或是不配对电子转移给另一个分子，造成分子化学键的变化，引起生物分子破坏。连锁反应会使生物分子损伤的数量不断扩大，知道出现歧化反应生成两个稳定分子。在有氧气情况下，生物分子自由基被氧化成超氧自由基而难以修复，在空气中放射物泄露对人体分子水平有一定危害。 步骤三： 周边环境的监测用伽马射线监测福岛周边环境的受辐射程度，从而疏散转移
8、人群以及当地物种，与此同时我认为还应该迁移没有污染的物种，以备事故后物种基因保留和福岛恢复工作更为全面的进行。步骤四： 建立核污染生物种群的基因数据库由于各地区间核辐射剂量的不同程度污染，导致了受污染生物的不同程度伤害。从分子水平到基因水平监测他们的变化并建立基因数据库，以便及时发现他们被污染的情况，间接了解福岛核电站污染控制的效果。为后来分离生物体内的辐射物及同位素做准备。预期结果分析： 循环水回路中的蒸汽疏散，安全壳裂缝成功填补，控制棒虽然不能回到堆芯底部进行停堆，但是反应堆最终得到冷却，不致熔穿地基，结果发现高辐射物没有流到自然水循环中，只有微量级的辐射物进入大海，通过大海的稀释扩散作用
9、，保证了辐射剂量在自然辐射量之下的水平，通过生化手段快速将辐射物分离或根据同位素的半衰期最终通过新陈代谢排出体外，使物种得到了最大效益的安全保留。 第四部分 生物技术在处理和事故中的具体应用一、 日本福岛核事故处理中建立生物站的必要性放射性物质进入人体内，主要有吸入、食入、皮肤吸收和伤口侵入等四种途径。空气中的放射性物质可直接作用于人体和其他生物，也可经由沉降后附着食物和谁传播链间接进入到生物体内。放射性物质在空气中的扩散是一个“边扩散边稀释，边沉降的过程”目前通过初步检测发现极其微量的放射性物质，按每人每天食用一公斤含有放射性的食物，仅相当于天然辐射（包括宇宙射线和自然界中天然放射性核素发出
10、的射线）一天照射量的千分之五，空气介质传播是日本核辐射影响国内的主要传播途径，4月中旬东京电力公司分批次将福岛第一核电站厂区内近万吨低浓度污染水排入海中，就目前的排放量和扩散情况看，不会对周边产生巨大污染。但是，我们不能忽视，无论那种介质和传播途径，放射性物质对人体的危害，主要取决于辐射剂量。同一种核素的不同化学形态，也同时决定了在不同物种体内的停留时间，我们地球上的物种丰富多彩，其辐射效应具有随机性将导致原癌基因的诱发突变和相关染色体片段的断裂畸变，对于不同物种，越是简单的物种其受到的影响也越大。所以我们很有必要建立生物站，从事周围环境的物种形态学，分子基因学检查，从而保证物种正常稳定延续，
11、最终可以使事故发生后受到影响的区域恢复最佳生态水平。二、生物技术在核事故中的工作原理 三、反应堆需要的生物材料冷却剂：采用气体冷却剂二氧化碳和氦气，便于节省地球资源与成本的降低，其优点是选择工作压强核温度时，可以完全独立地进行，因而能实现高温低压运行；缺点是泵送功率大。液体冷却剂（轻水、重水核液态金属）具有热导率高、蒸气压低的特点。快增殖堆常用液态钠作冷却剂。液钠熔点较低（98C），热导率高，但有一定腐蚀性，能使回路管道因质量迁移而堵塞。此外，钠吸收种子后回产生强放射性24Na，而且钠很活泼，遇水即爆炸，故在设计热交换器时要特别注意。燃料和燃料载体：钚（239Pu）在快中子堆与238U组合可以
12、有效地实现核燃料增殖，建议作为核燃料。熔盐（采用氟盐）因为辐照稳定性和化学稳定性都很好，可作为流体燃料的载体。结构材料：（包括燃料包壳、堆芯构件、反应堆容器热交换器核主回路管道等所用的材料）建议热中子堆的包壳材料使用锆合金。因为铝、镁合金两种较早使用的结构材料，熔点较低，只能用于低温。锆合金在高温下强度比铝合金、镁合金好，在高温纯水中的耐腐蚀性接近不锈钢，而其局限在于中子吸收截面只有不锈钢的1/15,因此水冷动力堆中采用抗水腐蚀性能较好的Zr-2和Zr-4合金，它们可以适应高温和深度燃烧的条件。奥氏体不锈钢在高温下的强度和抗腐蚀性能都很好，且价格比较便宜，也可用于其他结构材料。屏蔽材料：必须能
13、够衰减r射线，使快中子减速而被吸收。（以防止火星受核的深度污染而给接下来植被、菌落的迁入造成障碍）故建议选择重晶石或铁矿石的混凝土。四、相关细菌的使用放射性物质在衰变时会释放离子辐射，这种辐射可以对人体内部化学环境造成严重伤害，它会打断人体组织的各种原子和分子间的化学键，人体会自动对此作出反应，尝试对这种损害进行修复，但有时候这种伤害将是非常广泛而严重的，修复几乎不可能，并且在自动修复过程中还存在发生错误的可能性。而某些微生物可以利用核能，其原理是：首先水分子被放射性颗粒分解成氢、氧和过氧化氢，后两者物质与黄铁矿作用产生硫酸盐，这些细菌利用氢将硫酸盐还原成硫化物，在此过程中细菌活的硫酸盐中的化
14、学能，并将其转化成为硫酸盐。另有微生物可以利用元素的同位素来合成自身所需的营养，将此种微生物大量投放到含有辐射物的海水中，最终可以将一些同位素吸收为己用，降低了辐射物的含量，最终将他们分离过滤出来即可。 【结束语】 综上是有关使用生物技术手段为日本核事故的处理做出思考性的讨论。生物作为自然界中最重要的部分，我们在处理这次事故的同时有必要加之对我们自身的保护，目前采取物理隔离核污染是直接解决问题的方法，而在其背后最为关键的是，辐射已经发生，我们应该立即做出对策来维持生物圈的稳定性和可持续发展性。我们做出各种不懈的努力最终看到的会是高山下降，幽谷上升，曲折坎坷之路成坦途，圣光披露，满照人间。【参考
15、文献】：1.（日）三岛良绩编著，张凤林，郭丰守泽：核燃料工艺学，原子能出版社，北京，1981.（三岛良绩编著：核燃料工艺学，同文书院，东京，1972.）2. Fischer J E. The effect of normalization of plasma amino acids on hepatic encephalopathy in man . Surgery 19763. Shinya Tanimoto. Enzymatic Modification of Z.L. to Produce a Non2 bitter Pep tide Fraction with a Very H -igh Fischer4. SoichiA. Compararive Nuritional Value for Amino Acids, Oligopeptides and Soybean Proteim. Jaocs, 1987, 64 (12) 169216955. Wang Mei . Enzymatic Modification of Corn Gluten Mead to Produce Oligo Pepotide
