氚的輻射危害與防護管理

劉強 柴之芳

1 中國醫學科學院放射醫學研究所，天津市放射醫學與分子核醫學重點實驗室，天津 300192；2 蘇州大學蘇州醫學院放射醫學與防護學院，放射醫學與輻射防護國家重點實驗室，蘇州 215123

核能是通過核衰變、核裂變、核聚變之一的方式釋放能量。核裂變在能源發展中已做出了應有的貢獻，但存在著資源利用率低、剩余的廢液中含有大量高濃度的放射性核素，成為危害生物圈的潛在因素；核聚變能源已成為人類未來最理想的能源，氚是核聚變反應堆中的重要燃料，在核能系統的研究及應用中氚占有重要地位。因此，隨著核能的發展，氚生物效應的研究與核聚變反應堆的開發這一重大課題有著密切關系，也是當今其能在放射醫學、核醫學及輻射防護研究領域中占有重要位置的主要原因。

1 核聚變運轉中放射性核素氚的重要性

核能是21 世紀世界經濟發展中最具有決定力的五大技術領域之一，也是一種最高效、最經濟、最清潔的新能源。在21 世紀，各國政府都將核能資源的利用作為國家可持續發展戰略的重要內容。從1967 年6 日17 日的氫彈爆炸試驗至2020 年12 月4 日的新一代“人造太陽”實現首次放電，我國經歷了50 余年的核能發展，從艱難起步到積極快速崛起，期間結出了豐碩的成果，取得了輝煌成就。中國自主研發的高溫氣冷堆核電站，將成為世界上首個擁有商業化高溫氣冷堆核電站的國家[1]。但是，在我國核能發展實施“熱堆-快堆-聚變堆”三步走的戰略中，核聚變能源的開發對我國未來能源與國民經濟的可持續發展將具有重大戰略意義，這必將助力我國政府提出的“碳達峰”和“ 碳中和”目標的實現?？茖W家們發現，實現可控核聚變所需的反應原料是氘（deuterium ）和氚（tritium）[2]，只要將氫的同位素氘與氚的原子核無限接近，使其發生聚變反應，就能釋放出巨大能量，可見氚在核聚變運轉中極為重要。隨著民用核聚變能源技術的發展，中國必須加大氚在化學、物理學、工藝學以及工程技術等方面的研究[3-7]，同時必須抓住機遇加大氚對生命體的危害評價及氚輻射防護系列的研究。本期氚?？^為系統地介紹了氚的監測、輻射危害與評價、醫學救治與防護等領域研究的科研成果。

此外，核裂變反應堆也能通過中子俘獲反應生成氚，尤其是重水堆的產氚率相當高。切爾諾貝利核電站和福島核電站的災難性事故都有大量的氚釋放到環境中，并且難以排除。

2 國內氚研究的進展

本期氚?？榻B了從核裂變的運轉和核聚變燃料氚釋放后，其在大氣圈、水圈、土壤圈、生物圈的轉移及監測，這是當前輻射防護領域的一個開拓性的重要課題。研究者從氚的來源與轉移，從空氣、水、土壤、食品、生物樣品以及環境中氚水平的監測結果進行了總結和闡述。

自20 世紀80 年代以來，國內周湘艷氚研究團隊[8]從輻射防護的角度研究核聚變燃料氚低劑量照射下，以多項生物終點進行了相對生物效能（relative biological effectiveness，RBE）的研究。這些研究結果突顯了中國在該研究領域系統性的長期研究特點，如選擇以指數遞減規律的劑量率和恒定劑量率氚β 粒子照射、以60Co γ 射線作為參考射線、以卵母細胞顯性致死突變率、精細胞顯性致死突變率、精原細胞顯性骨骼突變率、精原細胞存活率、胎肝嗜多染紅細胞微核細胞率、黑色素細胞分化異常率和淋巴細胞染色體畸變率等指標作為生物終點，計算了兩種氚照射方式下的RBE 值：在累積劑量為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 Gy/10 d 的條件下，指數遞減和恒定劑量氚照射下獲得相應氚的RBE 值為2.9～4.2。由此提出：從輻射防護目的出發，建議將低傳能線密度（LET）輻射對生物群的RBE 值設定為3.0～3.5。如果估計暴露于氚β 粒子或其他低LET 輻射或接近導出考慮參考水平（DCRL）下，則可能需要較高RBE 值進行評估，以更為準確地估計輻射的危險度更為合適。該項研究曾被2021 年公布的國際放射防護委員會（International Commission on Radiological Protection，ICRP）148 出版物[9]、聯合國原子輻射效應科學委員會（United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation，UNSCEAR）2016 年報告[10]、加拿大[11]、英國[12]等重要學術組織報道和引用。

王冰等氚研究者[13-15]對低劑量氚致發育中的中樞神經系統的影響及其機理進行了系統性研究并取得了重要的研究成果。他們采用向孕鼠腹腔內單次注射氚水的方法來模擬事故時所導致的母體體內氚水污染，對子代動物的生長發育、神經行為學、腦組織病理學、腦組織神經生物化學、初代培養大鼠大腦組織細胞電生理學和初代培養小鼠中腦細胞形態學與生物化學的變化等方面，使用了總計56 項生物學終點作為評價指標，從多層次綜合地探討了低劑量氚子宮內照射對發育中的中樞神經系統的影響及其機理。該研究在世界上是第1 次在同一系列實驗系統中，從分子、細胞、器官到整體；從組織結構、神經生化、行為到學習記憶功能；從動物的個體到細胞離體培養綜合評價了低劑量氚β 粒子射線連續照射對發育中的中樞神經系統的危險度。這些重要的研究成果為全面系統地評價氚輻射的危險度，提供了最具有可信度和權威性的科學依據。在國內外中、英文雜志共發表30 余篇文章，并被ICRP和UNSCEAR 等權威國際組織引用和報道[9-11]。

劉芬菊研究團隊[16-17]多年來開展氚標記化合物的基礎研究及臨床相關指標的檢測。他們將氚標記化合物廣泛應用于醫學、生物分子的代謝、生物體內的擴散和交換等領域，并進行了深入探討，提供了藥物在生物體內的物料平衡、測量生物吸收利用度、器官與組織分布，計算排泄的速度與途徑等重要數據與資料。該研究團隊采用經典的放射性同位素標記方法，研究生物大分子及臨床藥物的篩選，觀察放療前后的效果及藥代動力學改變。這些研究結果有利于更加全面、深入地了解氚標記化合物在放射醫學及核醫學等各個領域中的廣泛應用；探究氚在 DNA 分子、細胞、組織及體內的分布、合成及輻射生物學作用；在國內，為臨床用藥的篩選及療效觀察提供極為重要的理論依據。

崔鳳梅氚研究團隊[18]近20 年來利用細胞、小鼠和斑馬魚等為研究對象，圍繞氚的毒性機制開展了系列研究、獲得了豐厚的科研成果。該團隊建立不同初始濃度和染毒時間的氚內污染小鼠動物模型，觀察了外周血白細胞和骨髓嗜多染紅細胞微核、血生化和自由基的改變，發現了它們在急性氚內污染時的變化規律。檢測了染毒小鼠基因組甲基化譜和DNA 的變化規律；同時對染毒小鼠肝臟組織進行miRNA 表達芯片檢測，篩選并分析與氚暴露相關的關鍵miRNAs；接著建立人臍靜脈內皮細胞（HUVEC）氚水急性染毒模型，探索了miR-34a 參與氚水誘發的DNA 損傷修復調控過程，并檢測了氚水誘發的差異LncRNAs 和mRNAs，聚焦在SQSTM1、CXCL8（IL-8）和ITPR1 等幾個關鍵基因的信號通路導致HUVEC 細胞的毒性效應。成功建立HUVEC細胞氚水慢性染毒模型，證實長期氚水暴露可通過IL-8 介導，誘發血管內皮細胞出現衰老、通透性下降和粘附性改變等，從而失去維持血管穩態的功能。為了全面評估氚水的生態毒性，建立了斑馬魚氚水染毒模型，在構建斑馬魚胚胎和成魚數字化模型基礎上，進行劑量和劑量率的詳細估算；同時觀察了氚水對斑馬魚生長發育的影響，并篩選和驗證了參與心臟毒性的關鍵分子TnC/TPM4 信號通路。在闡明氚水毒性機制的同時，還著手尋找物美價廉的氚促排和防護藥物，制備了1 種由黃芪提取物和茶葉提取物組成的組合物，可應用于氚水內污染促排和防護，從而獲得了1 項發明專利。

劉玉龍團隊[19-20]近年來對氚內污染病例的醫學處理在國內做出了突出貢獻。在本?？兴麄冎攸c梳理了國內外幾起涉氚事故所致氚內污染人員的臨床醫學處理資料，提出了氚內污染的救治要點，并介紹了近年來涉氚事故醫學應急與管理方面的豐富經驗。強調我國對于核與輻射突發事件擁有較為完善的管理制度與救援方案，在涉氚事故發生后，可以針對涉氚事故發生的特點，結合現有的法律法規相關規定，對涉氚事故實施三級醫學應急救援體系、對受照人員開展醫學管理及心理援助等，為今后對涉氚事故醫學應急與管理起到建設性作用。

中核核電運行管理有限公司秦山第三核電廠王孔釗團隊[21]根據國家相關法律法規，主要參考了國外重水堆的法規和經驗，并結合自身的管理特點，不斷完善和優化氚內照射監測以及估算方法。從而使重水堆核電廠氚內照射劑量的監測管理工作持續得到改進，形成了一整套系統規范且行之有效的管理模式，為我國重水堆電廠集體劑量管理、人員非計劃攝入氚的發現和處理，進而保障涉氚放射工作人員的輻射安全，都發揮了決定性作用。

3 思考與展望

氚是核聚變反應的重要核素之一，而聚變能是核能源發展中更為清潔和安全的能源形式?，F有的氚科技水平已無法滿足未來聚變堆開展大規模操作的應用需求，氚的科學技術研究面臨新的機遇與挑戰。我國已經向世界展現了核聚變研發中的中國力量，朝著核聚變發電的實施穩步前行。為滿足我國核安全和核能可持續發展的重大需求，提高和加強氚科學技術研究，圍繞氚的防護展開充分的討論是迫切和必要。為此，今后隨著核能的快速發展，圍繞氚輻射危害評價和防護管理的前沿與熱點研究，將為國家核聚變能大發展的戰略進一步提供支持與決策十分重要。

利益沖突 所有作者聲明無利益沖突

作者貢獻聲明 劉強負責文章的撰寫與修改；柴之芳負責文章的審閱與修訂