2.3.1 大气核武器试验
从1945年7月16日美国在新墨西哥州的阿拉莫戈多（Alamogordo）进行第一次核试验开始，到1996年全面禁止核试验条约签署，美国、苏联、英国、法国和中国共进行了2 398次核试验，其中543次核试验为大气核试验。从1998年开始到2017年，印度、巴基斯坦和朝鲜先后进行了18次地下核试验。图2-5为1945—2017年全球各国大气核武器试验的次数分布。地下核试验由于其较好的密封性，产生的放射性物质一般被封存在地下，除少数外，较少泄漏进入表层环境，因此核武器试验对环境的影响主要是大气核试验。大气核试验主要发生在核试验活动早期（图2-6）。
图2-5 1945—2017 年全球各国大气核武器试验的次数分布
图2-6 全球大气核武器试验的次数分布（1945—1980）
大气核试验一般分为地面（＜100 m）、空中（＜3 000 m）、高空（3 000～10 000 m）和水下核试验。地面核试验方式一般为地表爆炸和塔爆，空中核试验以空投为主，高空核试验以火箭发射为主，而水下核试验是指在水面下进行的核试验。深层水下爆炸时，大部分的爆炸产物沉积在水中，一般不产生放射性云团，因此较少引起局部和全球地表沉降；浅层水下爆炸时，水面附近的放射性云中包含了大部分放射性物质，但一般升空不高，直接降落在爆心附近几千米的范围内，因此大部分放射性物质都仍然残留在水中。大气核试验产生的放射性物质（气体、气溶胶和放射性颗粒物）全部释放到环境中，随爆炸当量和高度不同，分别进入低空、对流层和平流层。进入低空和对流层的放射性物质依其形态和颗粒物大小，沉降在距离核试验点不同距离的区域。较大的颗粒近地沉降在爆心附近几十至几百千米范围内，其范围大小与爆炸当量、高度和地貌以及气候因素有关。进入对流层的放射性气体和气溶胶将在东西向大范围扩散，最后沉降至地表。进入平流层的放射性气溶胶和气体，可以滞留较长时间（1 a以上），经过充分混合，再进入对流层，最后沉降至地表。小于100 kt TNT爆炸当量的低空和地面爆炸，烟云不会上升到9 km 以上的对流层，其大部分放射性物质都保留在对流层，而中等当量以上的爆炸和高当量爆炸，大部分放射性物质将进入平流层，并在全球范围内沉降。
核武器主要有两类，以铀和钚为燃料利用裂变能的原子弹和以氢核聚变能为主的氢弹（热核武器）。一般氢弹的爆炸当量远高于原子弹，因此大气热核武器试验产生的放射性物质大部分进入平流层，而相对较低爆炸当量的原子弹产生的放射性物质主要进入对流层，因此在核试验点周围区域沉降较多。图2-7为1945—1980年全球大气核武器试验的当量分布，以及推算的裂变和聚变当量相对份额[1]。
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图2-7 1945—1980 年全球大气核武器试验的裂变和聚变爆炸当量分布
表2-5列出了全球主要大气核试验场核武器试验的总裂变和聚变当量，以及推算的裂变当量在近场、对流层和平流层的相对分配份额。可以看出大气核武器试验产生的大部分放射性物质（145/189）进入平流层，由此产生的全球核武器试验沉降是本底环境中人工放射性的主要来源。核武器试验产生的放射性物质主要为铀和钚的裂变产物，以及武器材料、核爆现场建筑材料和近地面土壤和岩石的中子活化产物。氢核聚变本身不产生裂变产物，除氚外，主要放射性产物为武器材料本身和试验点周围材料的中子活化产物。但氢弹需要原子弹引爆，因此同时也会有大量裂变产物产生和释放。由于氢弹的爆炸当量高，产生的大部分放射性物质进入平流层。核试验中铀-235裂变产生200多种放射性核素，其中大部分为短寿命放射性核素。表2-6列出了全球大气核武器试验产生的主要中 长寿命放 射性核素 及其产额。可以看出131 I、140 Ba、103 Ru、141 Ce、144 Ce、89 Sr、90 Sr、91 Y、95 Zr是产生和释放的主要放射性核素，但是这些核素的半衰期相对较短，131 I的半衰期仅8.02 d，其中最长的144 Ce仅284.9 d，在环境中存留的时间有限。90 Sr和137 Cs由于具有较长的半衰期和较高的裂变产额，成为目前环境中放射性水平最高的两种核素。除裂片核素外，核试验还产生和释放了大量活化产物，如3 H、14 C、54 Mn、55 Fe等。聚变武器试验产生的大量3H，其是大气核武器试验释放量最大的长寿命放射性核素，其次寿命较长的14C和125Sb的释放量也较大，会在环境中长时间滞留。目前环境中仍滞留有大量核武器试验产生的14C。除裂片产物核素和中子活化产物核素外，由于大部分核武器燃料为239Pu，而且在核武器爆炸过程中铀同位素和钚同位素的中子俘获反应也产生一定量239Pu，以及238Pu、240Pu和241Pu，导致大量239Pu、240Pu和241Pu沉降于地表（表2-6）。半衰期较短的241Pu会很快衰变为241Am，使得地表中的241Am 不断增加。238Pu、239Pu、240Pu、241Am 均为α衰变核素，有较高的辐射生物毒性，应受到高度重视；另外由于其和137Cs一样可与土壤颗粒物结合，因此其可与137Cs一起被用作土壤侵蚀示踪剂。
表2-5 全球各个试验场进行大气核武器试验的总裂变和聚变当量，以及裂变当量在近场、对流层和平流层的相对分布
续 表
表2-6 全球大气核武器试验释放的半衰期较长的主要放射性核素[3]
