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让福岛真正安全：用介子探测器寻找泄漏核燃料
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时间:2015-04-02 11:22 来源:科学网 4年前，在大地震和海啸中被损毁的日本福岛第一核电站，可能不会真正安全，直到工程师能够将反应堆中的核燃料移走。但首先，他们必须能够找到这些燃料。 4年前，在大地震和海啸中被损毁的日本福岛第一核电站，可能不会真正安全，直到工程师能够将反应堆中的核燃料移走。但首先，他们必须能够找到这些燃料。一个新方法是标注出爆炸事故泄漏的铀的分散位置。两组物理学家计划捕捉从高层大气中大量落下的从反应堆残骸里涌出的介子，从而得到X射线状的图像以便能够精确地找到铀。 经营该核电站的东京电力公司则认为，在福岛大地震破坏了反应堆的冷却系统后，1号反应堆的大部分燃料被熔毁。核心位置的反应堆压力容器被熔穿，掉落到容器底部，甚至到了混凝土底层。2号和3号反应堆局部熔毁，而一些燃料可能还在容器内。为了设计出有效方法安全地移出燃料，工程师需要更多有关其位置和条件的详细信息。对于那些冒险寻找燃料的工人而言，厂房内的辐射水平过高。即便使用系索的机器人设备探查反应堆内部情况，也需要操作者进入高辐射区域。 同时，宇宙射线撞击高层大气产生的无数介子正在流入反应堆内部。每分钟，地球表面每平方米约被1万个这种微小粒子撞击。而且，大部分能不受干扰地流经固体物质。但也有少量按照物质的密度和厚度被吸收或反射，上世纪50年代，物理学家首次将该现象用于研究澳大利亚地下水电设备的地质情况，上世纪60年代，科学家使用相关方法发现埃及哈夫拉金字塔内没有隐藏的密室。 数十年后，日本高能加速器研究组织（KEK）介子物理学家Kanetada Nagamine表示，探测器能够捕捉在宇宙射线碰撞中喷向一旁的介子。他建议，这些介子将被用于监测火山内的岩浆通道，加强地震预报。他还看到了介子图像在核灾区的潜力。 1986年，乌克兰切尔诺贝利核电站反应堆爆炸后，Nagamine就提出设置介子探测器绘制受损燃料的位置，但当时的苏联政府并未采纳该意见。2011年3月11日，9级地震和大海啸袭击日本，发生了有史以来第二次最严重的核灾难，而Nagamine已经作好了准备。事故发生几天后，他向KEK总干事提交了一份建议，提出使用介子图像调查福岛反应器。Nagamine 的校友、当时供职于美国新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室的Haruo Miyadera也提出了相同的建议。但他们设计的处理方法有所不同。 而KEK的策略是在反应堆的侧翼放置闪烁体探测器堆：塑料制成的棒状体，当带电粒子撞击时会发光。该研究团队计划标注介子的吸收情况，这取决于其通过的材料密度。铀的密度比钢或混凝土更大，因此会投下更深的介子阴影，这就使得该团队得以判断建筑物和反应堆容器内的燃料残留。 领衔该项目的KEK 物理学家Fumihiko Takasaki表示，该团队在其他核电站中测试了该策略，这里的工作人员“不提供任何燃料位置信息”。这些探测器发现了燃料，结果显示这些物质从核心一直到冷却池，其分辨率足以发现第二簇乏燃料棒。 上个月，东京电力公司在遭到破坏的1号反应堆旁边安装了两个KEK建造的探测器。Takasaki表示，到3月底，这些探测器可能吸收足够的介子，以确保反应堆核心部分没有残余燃料。但这些放置在反应堆外部地面上的探测器，将无法探测到那些可能流到位于地下室保护壳底部的燃料。这将需要正在研发中的机器人的帮助。 在2号和3号反应堆，燃料可能分散在核心位置、压力容器和保护壳里。为了克服相关困难，东京电力公司向洛斯阿拉莫斯团队求助。这里的介子探测器研究始于上世纪90年代，当时物理学家Christopher Morris及其同事致力于寻找非侵入的方式检测核武器。介子探测的图像能揭示这些粒子如何被物质中的原子核打歪。而偏转角依赖于原子核内质子的数量，确定介子掠过的元素以及爆炸的位置。 该技术已经商业化，用于扫描货物集装箱和卡车是否非法运载核物质。“这些探测器能在1分钟内探测出20千克铀。”Morris说。该团队在实验反应堆里检测了他们的技术，以证实它将适用于福岛核电站，但他们面临一个世纪问题：在2号反应堆中安装7米乘7米的巨大探测器。“如何在辐射区域内将这些探测器安装在这些反应堆附近？”Morris问。Miyadera说，提供了福岛核电站六个反应堆中的两个的东芝集团，正在建造这些探测器并将在年底安装。 KEK和洛斯阿拉莫斯—东芝团队都是由核停运国际研究所支持，并由东京电力公司、东芝和其他公私机构联合创立，旨在开发用于福岛核辐射残留的清除工作的新技术。该机构没有指明介子成像工作的成本如何。但有一件事情是肯定的：标注福岛铀残留所花费的资金，与设计移除它们的计划和技术所需要的经费相比微不足道。东京电力公司表示，相关核电站关停工作可能需要30到40年，至少耗资80亿美元。（张章 《中国科学报》2015-04-02 第3版 国际) |
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