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讓福島真正安全：用介子探測(cè)器尋找泄漏核燃料
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時(shí)間:2015-04-02 11:22 來源:科學(xué)網(wǎng) 4年前，在大地震和海嘯中被損毀的日本福島第一核電站，可能不會(huì)真正安全，直到工程師能夠?qū)⒎磻?yīng)堆中的核燃料移走。但首先，他們必須能夠找到這些燃料。 4年前，在大地震和海嘯中被損毀的日本福島第一核電站，可能不會(huì)真正安全，直到工程師能夠?qū)⒎磻?yīng)堆中的核燃料移走。但首先，他們必須能夠找到這些燃料。一個(gè)新方法是標(biāo)注出爆炸事故泄漏的鈾的分散位置。兩組物理學(xué)家計(jì)劃捕捉從高層大氣中大量落下的從反應(yīng)堆殘骸里涌出的介子，從而得到X射線狀的圖像以便能夠精確地找到鈾。 經(jīng)營(yíng)該核電站的東京電力公司則認(rèn)為，在福島大地震破壞了反應(yīng)堆的冷卻系統(tǒng)后，1號(hào)反應(yīng)堆的大部分燃料被熔毀。核心位置的反應(yīng)堆壓力容器被熔穿，掉落到容器底部，甚至到了混凝土底層。2號(hào)和3號(hào)反應(yīng)堆局部熔毀，而一些燃料可能還在容器內(nèi)。為了設(shè)計(jì)出有效方法安全地移出燃料，工程師需要更多有關(guān)其位置和條件的詳細(xì)信息。對(duì)于那些冒險(xiǎn)尋找燃料的工人而言，廠房?jī)?nèi)的輻射水平過高。即便使用系索的機(jī)器人設(shè)備探查反應(yīng)堆內(nèi)部情況，也需要操作者進(jìn)入高輻射區(qū)域。 同時(shí)，宇宙射線撞擊高層大氣產(chǎn)生的無數(shù)介子正在流入反應(yīng)堆內(nèi)部。每分鐘，地球表面每平方米約被1萬個(gè)這種微小粒子撞擊。而且，大部分能不受干擾地流經(jīng)固體物質(zhì)。但也有少量按照物質(zhì)的密度和厚度被吸收或反射，上世紀(jì)50年代，物理學(xué)家首次將該現(xiàn)象用于研究澳大利亞地下水電設(shè)備的地質(zhì)情況，上世紀(jì)60年代，科學(xué)家使用相關(guān)方法發(fā)現(xiàn)埃及哈夫拉金字塔內(nèi)沒有隱藏的密室。 數(shù)十年后，日本高能加速器研究組織（KEK）介子物理學(xué)家Kanetada Nagamine表示，探測(cè)器能夠捕捉在宇宙射線碰撞中噴向一旁的介子。他建議，這些介子將被用于監(jiān)測(cè)火山內(nèi)的巖漿通道，加強(qiáng)地震預(yù)報(bào)。他還看到了介子圖像在核災(zāi)區(qū)的潛力。 1986年，烏克蘭切爾諾貝利核電站反應(yīng)堆爆炸后，Nagamine就提出設(shè)置介子探測(cè)器繪制受損燃料的位置，但當(dāng)時(shí)的蘇聯(lián)政府并未采納該意見。2011年3月11日，9級(jí)地震和大海嘯襲擊日本，發(fā)生了有史以來第二次最嚴(yán)重的核災(zāi)難，而Nagamine已經(jīng)作好了準(zhǔn)備。事故發(fā)生幾天后，他向KEK總干事提交了一份建議，提出使用介子圖像調(diào)查福島反應(yīng)器。Nagamine 的校友、當(dāng)時(shí)供職于美國(guó)新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Haruo Miyadera也提出了相同的建議。但他們?cè)O(shè)計(jì)的處理方法有所不同。 而KEK的策略是在反應(yīng)堆的側(cè)翼放置閃爍體探測(cè)器堆：塑料制成的棒狀體，當(dāng)帶電粒子撞擊時(shí)會(huì)發(fā)光。該研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃標(biāo)注介子的吸收情況，這取決于其通過的材料密度。鈾的密度比鋼或混凝土更大，因此會(huì)投下更深的介子陰影，這就使得該團(tuán)隊(duì)得以判斷建筑物和反應(yīng)堆容器內(nèi)的燃料殘留。 領(lǐng)銜該項(xiàng)目的KEK 物理學(xué)家Fumihiko Takasaki表示，該團(tuán)隊(duì)在其他核電站中測(cè)試了該策略，這里的工作人員“不提供任何燃料位置信息”。這些探測(cè)器發(fā)現(xiàn)了燃料，結(jié)果顯示這些物質(zhì)從核心一直到冷卻池，其分辨率足以發(fā)現(xiàn)第二簇乏燃料棒。 上個(gè)月，東京電力公司在遭到破壞的1號(hào)反應(yīng)堆旁邊安裝了兩個(gè)KEK建造的探測(cè)器。Takasaki表示，到3月底，這些探測(cè)器可能吸收足夠的介子，以確保反應(yīng)堆核心部分沒有殘余燃料。但這些放置在反應(yīng)堆外部地面上的探測(cè)器，將無法探測(cè)到那些可能流到位于地下室保護(hù)殼底部的燃料。這將需要正在研發(fā)中的機(jī)器人的幫助。 在2號(hào)和3號(hào)反應(yīng)堆，燃料可能分散在核心位置、壓力容器和保護(hù)殼里。為了克服相關(guān)困難，東京電力公司向洛斯阿拉莫斯團(tuán)隊(duì)求助。這里的介子探測(cè)器研究始于上世紀(jì)90年代，當(dāng)時(shí)物理學(xué)家Christopher Morris及其同事致力于尋找非侵入的方式檢測(cè)核武器。介子探測(cè)的圖像能揭示這些粒子如何被物質(zhì)中的原子核打歪。而偏轉(zhuǎn)角依賴于原子核內(nèi)質(zhì)子的數(shù)量，確定介子掠過的元素以及爆炸的位置。 該技術(shù)已經(jīng)商業(yè)化，用于掃描貨物集裝箱和卡車是否非法運(yùn)載核物質(zhì)。“這些探測(cè)器能在1分鐘內(nèi)探測(cè)出20千克鈾�！盡orris說。該團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆里檢測(cè)了他們的技術(shù)，以證實(shí)它將適用于福島核電站，但他們面臨一個(gè)世紀(jì)問題：在2號(hào)反應(yīng)堆中安裝7米乘7米的巨大探測(cè)器。“如何在輻射區(qū)域內(nèi)將這些探測(cè)器安裝在這些反應(yīng)堆附近？”Morris問。Miyadera說，提供了福島核電站六個(gè)反應(yīng)堆中的兩個(gè)的東芝集團(tuán)，正在建造這些探測(cè)器并將在年底安裝。 KEK和洛斯阿拉莫斯—東芝團(tuán)隊(duì)都是由核停運(yùn)國(guó)際研究所支持，并由東京電力公司、東芝和其他公私機(jī)構(gòu)聯(lián)合創(chuàng)立，旨在開發(fā)用于福島核輻射殘留的清除工作的新技術(shù)。該機(jī)構(gòu)沒有指明介子成像工作的成本如何。但有一件事情是肯定的：標(biāo)注福島鈾殘留所花費(fèi)的資金，與設(shè)計(jì)移除它們的計(jì)劃和技術(shù)所需要的經(jīng)費(fèi)相比微不足道。東京電力公司表示，相關(guān)核電站關(guān)停工作可能需要30到40年，至少耗資80億美元。（張章 《中國(guó)科學(xué)報(bào)》2015-04-02 第3版 國(guó)際) |
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