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从宇宙射线到堆芯
核应用技术
2016-12-29 19:15
原创  Eliza Strickland

它们来自外太空。

它们有些生于太阳系的宜居区内,在太阳耀斑规律性地发生时,会向外喷射出来。另一些来自我们银河系以外遥不可测的深空,在那里,行星生命终结时会产生持续、巨大的爆炸,变成超新星。

它们就是宇宙射线:持久撞击地球的带电亚原子粒子流。当它们撞到围绕和保护地球的厚厚大气层时,因与原子碰撞,它们会分离成更小的粒子,散落到地面上。物理学家将这一类粒子称为“大气簇射”。

在簇射中,数量较多的一种粒子是具有活力的μ介子。在地球上,也许这种极小的粒子能够解决福岛这个大问题。

5年前的3月份,日本福岛第一核电站因4个反应堆熔融、爆炸而损毁。IEEE Spectrum之前已经报道过这一核历史上第二严重的可怕事故:太平洋的地壳构造板块位移引发了一场巨大海啸,摧毁了日本海岸并淹没了核电站,击垮了反应堆堆芯冷却水的动力系统。因为缺少冷却剂,核电站的6个反应堆中,有3个堆芯的燃料棒都熔化了。

为了稳定被破坏的设施,工作人员连续奋战了几个月,他们试图向反应堆容器中持续灌水,以使熔化的堆芯保持冷却——这可不是件容易的事,因为当时反应堆容器已经千疮百孔,像筛子一样漏得厉害。运营该核电站的公用事业公司东京电力公司(TEPCO)足足花了4个月的时间,直到2011年7月,才将所需的抽水泵和水循环系统安装好,达到政府宣布该核电站“稳定”的要求。2011年12月,当局同意该核电站已达到“冷停堆”的状态,这意味着反应堆的状况已不可能使其堆芯再发生核裂变反应了。

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从这些阶段性的进展上看,福岛危机似乎已经解除了,但实际上并没有。万一福岛第一核电站的循环系统明天崩溃,渗漏的反应堆容器中的水位将下降,使核燃料暴露,那么日本刹那间就又将陷入核灾难当中。

为消除这种可能,东京电力公司承诺将所有核燃料移除,包括每一滴熔融物,彻底拆除该核电站。公司预计,这一庞大的拆除项目很可能需要40年时间才能完成。为何需要如此长的时间?因为福岛遇到的一些挑战需要创造、设计、测试和实施全新的技术。

主要的问题在熔融的3个反应堆中以及堆底。(第4个反应堆建筑被一场爆炸摧毁了,但其核燃料之前已在例行维护中被移除了,所以没有遭到破坏。)在事故刚发生的那些可怕的日子里,福岛第一核电站的1、2和3号反应堆里面的铀燃料棒变得过热、发软变短、渗出,最终滴落到反应堆容器的底部。部分具有放射性的沉渣可能已从14厘米厚的钢槽熔出,渗透到下面的混凝土板上,使清理工作变得艰难得多。

不过也许并未发生这种情况——这就是问题所在了。直至今日,东京电力公司也不完全清楚这种致命的放射性物质最终会落在哪里。反应堆内的监控设备在事故中已被损坏,工作人员也无法走进关键区域来进行检查。对于最危险的区域,东京电力公司尚无法采取任何措施,但混凝土板周围的潜在危险区域已被找到,那里的辐射水平已达到致命的5希沃特/小时。东京电力公司的技术合作商正加紧开发能进入现场勘查的机器人,但建筑物内碎石横行,闸门和楼梯狭窄难行,机器人很难四处走动。

雷克.巴雷特(Lake Barrett)具有丰富的核灾难清理知识:在1979年三里岛反应堆事故过后,他曾成功地帮助实施了拆除。那次事故是美国所经历的最为严重的一起核事故。如今他作为东京电力公司的顾问定期飞往日本为该公司提供建议。实现福岛反应堆去燃料化需要做什么?巴雷特说:“首先应从调查诊断开始。然后基于诊断结果作出基本的工程决定。”他注意到,东京电力公司的时间表要求于2017年落实去燃料的流程。巴雷特说,这是一个较为乐观的目标,基于当前所了解的情况,“我们需要5年准备方案,但现在我们尚未掌握足够多的信息”。

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在东京电力公司弄清楚每一滴具有放射性的熔融金属物之前,监管者无法制定将燃料从反应堆处移除并进行反应堆拆除的计划。他们陷入了困境。这也是为何要引入μ介子。利用这些极小粒子的成像技术来窥探福岛反应堆废墟致命的中心区,这可能是调查人员最好的期望。

圣地亚哥郊外一个普通的商务花园,看上去并不太像一个能遇到亚原子粒子狂热者的地方。但在总部设于此地的决策科学公司(已有11年历史)的办公室内,你随便扔一根粉笔,都能砸到公司首席执行官兼物理学博士吉恩.雷(Gene Ray)这样的人。吉恩在开始长达40年的商业生涯之前,曾获得理论物理的博士学位。“但我没用上多少专业知识。”他表示。

在谈到宇宙射线时,这位首席执行官高兴地叫来了公司分析业务副总裁康斯坦丁.博罗兹金(Konstantin Borozdin)。这位副总裁曾在莫斯科学习过实验核子物理学,并作为天体物理学家为俄罗斯的空间研究院工作了10年。博罗兹金解释说,宇宙射线所产生的μ介子通常不是理论物理学家所感兴趣的对象。从高层大气落到地球的μ介子不会与其他粒子产生强烈的相互作用,因此可直接穿过大部分物质。看看你的手吧,统计数据说,每1秒钟都有1个μ介子嗖地穿过。

对于大多数物理学家而言,μ介子更像是静态信号。博罗兹金说:“对于寻找稀疏分布颗粒的地下探测器而言,μ介子有点麻烦。它们总想躲避监测。”

博罗兹金开始对μ介子产生兴趣是在“9.11”卷走了美国和平之时。当时,他在位于新墨西哥的洛斯阿拉莫斯国家实验室工作,负责研究宇宙射线。洛斯阿拉莫斯是传说中原子弹的诞生地。“9.11”袭击过后,该实验室接到了美国政府的特别增援请求。博罗兹金回忆道:“他们请我们寻找能应对核恐怖主义的技术。他们希望找到能探测出核武器的方法,因为有人可能会将其偷运入境。”博罗兹金及其同事意识到,这些惹麻烦的粒子,也就是无处不在的μ介子可被用于探测核材料的成像系统中。

为解释工作原理,让我们先从高中物理说起。回想一下,一个原子中的大部分区域都是空的,占很大重量的原子核被一团极小的电子所包围。大部分时候,一个μ介子可毫不受阻地穿过原子的空间,但偶尔也会与原子内部的粒子相互作用。其中一种互动就是带有正电或负电的μ介子拉动或推动带有负电的电子脱离其正常轨道。这一过程导致μ介子失去一些电子伏的能量而慢下来。

几十年前,物理学家设计出一种基本的成像方法,利用电子的相互作用来观察那些失去了能量进而停在轨道上的低能μ介子。这一技术于1968年在国外进行了试用。在埃及金字塔的一个地基里,一个物理学家团队安装了一台探测器。该探测器计算进入到地基的μ介子数量并追溯其经过金字塔的路径,以便确认它们是否穿过了坚固的石灰岩或暗室中的空气。石灰岩里积聚了大量原子,可使更多低能μ介子停止运动;暗室中的空气可允许更多的μ介子“呼啸”而过。经过几个月的数据分析,物理学家得出了答案:没有暗室(因此也没有隐藏的宝藏)。

从粒子的相互作用中还可以梳理出另一种更加微妙的信号。若一个μ介子在飞速穿过时与原子核足够近,由于原子核带正电,所以μ介子要么被排斥要么被吸引。这一相互作用会改变μ介子的运动方向。你可能记得,元素周期表中的每一个元素都是根据其原子核中质子的数量所定义的;比如,氦有2个质子,铀有92个质子。现在想象有2个μ介子,一个飞过充满氦的气球,另一个冲过一块铀矿石。穿过铀的那个μ介子从更重的原子核处获得了更为强烈的斥力或吸引力,因此被从轨道上推出得更远或拉得更近。

博罗兹金所在的洛斯阿拉莫斯团队发现了其蕴含的潜力。他们分析了μ介子在穿过材料后会如何散射,以此确定其穿过的物质为何种材料。在2003年发表在《自然》上的具有突破性的报告中,他们提出,基于μ介子散射的探测器可以,比方说,分辨出“藏在装满绵羊的一辆卡车里的铀块”。

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决策科学公司很快成立,从而将概念转为商业技术。博罗兹金帮助该公司开发扫描系统,并于2014年正式加入公司团队。该系统使用2个探测器,一个位于被测对象的上方,来记载所发射的μ介子的轨迹,另一个在下方来记录散射。决策科学公司开始向货物港口和边境推销其扫描仪,因为这些地方需要筛查核材料。比起当前通用的X射线或伽马射线技术,这一系统的优越性受到称赞:μ介子成像系统可“看透”厚厚的铅和钢层,并且无须用到危险的放射源。

接着,2011年3月,福岛第一核电站发生了熔融。

对受损的反应堆采取了稳定措施之后,东京电力公司一直在努力对反应堆熔融后的混乱情况进行特点分析。日本一些大技术公司的机器人专家也正在开发能够承受现场致命辐射的独特变形机器人,进入反应堆建筑内探测复杂布局。去年,东京电力公司派出第一批机器人进入密封壳,也就是反应堆容器周围的混凝土钢筋结构。

东京电力公司认为这些机器人的探索是成功的(尽管其中一个机器人还被卡在里面),并计划继续派遣。但至今还没有机器人接近密封壳的中心地带,也就是反应堆容器正下方那厚厚的混凝土板。若核燃料将反应堆槽熔透(1号和3号反应堆几乎可以确定这点),燃料落下去的地方就是混凝土板。

东京电力公司的拆除顾问巴雷特称,有关反应堆容器的拆除等一些关键问题必须得到解答:“是慢慢地流出,还是灾难性的爆裂?拆除时,密封壳的地板上会有多少水?是像火山的岩浆流那样水平地流出来吗?”此外,在熔融的超热条件下,核燃料肯定已经和其他分解的反应堆组件相混合,从而形成了无法预测的物质,核专家称之为“熔融物”。他说:“有铀、钢、铅、碎屑、水泥、扶手、电缆和铝——它们会形成真正的凝结块。”

μ介子成像可能是窥探福岛最致命区域并找到答案的最佳办法了。2011年,两个物理学家团队得出此结论,并开始建造针对福岛第一核电站的μ介子探测器。高能加速器研究组织(KEK)的日本研究人员建造了一个使用μ介子传输成像的系统,与埃及金字塔中所用的系统同属一类。东京电力公司的一大合同商——东芝公司——也单独要求决策科学公司为其建立一种基于μ介子散射系统的仪器。

2015年2月,东京电力公司首次展示了位于1号反应堆处的、由KEK研究的系统,即在反应堆建筑的外面设立探测器,使其收集μ介子数据达90天。东京电力公司的发言人称,图像验证了该公司关于1号反应堆燃料负载量的工作设想,即所有的可燃物都熔化并渗透下去了。问题是,图像只能粗略地反映反应堆建筑的内部。巴雷特称,很难想象这些模糊的图像能帮助工程师作出关于去燃料作业的严肃决定。他说:“获得的数据太粗糙了。”然而,东京电力公司已计划将KEK的系统用于研究2号反应堆。

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决策科学系统现存放在东芝日本研究中心内,已经完成系统校正,随时供东京电力公司使用。该系统已经在洛斯阿拉莫斯进行过小规模的模仿福岛反应堆的测试,并正在东芝所建立的研究性核反应堆上进行测试。博罗兹金和雷称,这些测试结果对于在2号反应堆进行真正的技术试验工作来说是个好兆头,东京电力公司最初计划于2015年中期进行这一试验工作。

然而,这一设备还未在福岛进行过测试,仍处于存放待命当中。令人意外的是,东京电力公司仍未确定其使用的时间表。本文英文版发表时,东京电力公司发言人仅表示,高能加速器研究组织的系统将在2号反应堆予以优先考虑,而是否安装决策科学公司的系统将“取决于现场工作的状况”。

决策科学公司系统的2个探测器也不能直接放在反应堆槽的上方和下方,因此它们将被倾斜安置:1个探测器放在反应堆建筑内的上方,反应槽的旁边;另一个放在建筑外,另一侧的下方。决策科学公司的物理学家称,足够多的μ介子会以某个角度从大气中飞下来,以提供有意义的结果。他们估计,大约每秒会有500到1000个μ介子穿过2个探测器。这样一周内,就可提供有关反应堆堆芯或密封壳里熔融物坑的有用图像。系统在其位置时间越长,结果图中的颗粒就越细。

博罗兹金回顾了2012年前往福岛第一核电站残骸之行。在讨论反应堆建筑的状况期间,现场指挥提到了东京电力公司曾筹划的40年拆除计划。博罗兹金称:“他(指挥)说若他们能清楚燃料的位置,这一计划路线图至少能缩短10年。”这是相当大胆的声明,但东京电力公司现在尚未确认这一点。这也是来自福岛现场少有的实实在在的好消息。

在福岛这项巨大的拆除任务当中,一个问题总会引发更多的问题:一旦确定了核燃料的位置,东京电力公司就必须决定如何安全地将之分解成小块,取出来并装进保护容器内。该公司的暂定计划是模仿在三里岛所使用的方法,即“湿法”去燃料流程:每个密封壳都装满水,以在工作人员向下钻取分解熔融物时提供更多的保护。

然而,巴雷特注意到,密封壳的状况是另一个未知的重要因素。由于在事故中经历了熔融,在爆炸时又遭到了破坏,这些密封壳已明显渗漏:东京电力公司必须不断地通过输入管道加水,然后从反应堆建筑的地基处将水抽出,把放射性物质保持在水中。在东京电力公司定下“湿法”去燃料计划之前,必须确定能否找到所有密封壳的泄露点并予以修补。只有这样,密封壳才能充满水。巴雷特说:“若是不完全完成诊断,就很难了解哪种去燃料过程可行。”他正指望新的机器人——变形机器人、爬管道机器人、水下机器人等——来实施必要的检查。

巴雷特和许多其他专家目前怀疑这些检查可能会显示“湿法”去燃料并不可行,这意味着东京电力公司将不得不制定“干法”去除燃料的计划。这样的操作过程可能需要远程操作工具,即从旁边摧毁熔融物并将其切成碎片,同时喷水让放射性灰尘落下。

这样的方法将极其复杂,以前从未实施过。尽管其他专家认为不可行,但巴雷特却视之为一项新的挑战。他说:“我们实现人类登月了;我们当然也可以实现去燃料流程。我们只是必须开发出相应的技术去实现它。”


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