海北尬生：日本福岛核污染事件的发生及解决

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福岛核电站事故：发生及解决

文/海北尬生

随着2023年的农历新年越来越近，一柄选择我们头上的达摩克利斯之剑也快要落下了：日本向太平洋排放福岛核事故污水的日子快要到了。最近又有消息称，他们打算延期到23年的七月份再排放。虽然说真正排海的日期一再延后，似乎让排海的并不太可能，但我总觉得即使是虚张声势，日本人也绝对不会说说而已。更何况，在这种事上，我们必须不能冒任何险，一切都需要为最坏的打算做准备。

我们先来回顾一下事故的大致历程，并来解释一下为什么会发生污水排放问题吧。

日本作为一个发达的工业国家，需要大量的电力，但偏偏这个国家的化石能源几乎全部来自于进口。在风能等清洁能源还不靠谱的时代，核电基本上成为这个国家解决能源危机的唯一出路。在1960年，日本就开始论证建设福岛核电站，首台机组在1971年正式竣工投产。在接下来的不到十年间，剩下的五台机组也陆续投产，他们发出的电量帮助东京变成了世界上最大的不夜城。

但是在日本建造核电站有一个很严重的风险：日本这个国家处在著名的环太平洋火山地震带上，地质活动频繁，地震多发。核电站能否经受地震的袭击成为了人们对核电站最主要的担忧来源。在日本建造核电站，抗震问题受到的重视程度几乎与防辐射相当。为此，包括福岛核电站之内的核电站建筑都有相当的坚固程度，并且都配备了设计人员认为足够的应急处理设施。

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虽然如此，在我看来，福岛核电站的设计从一开始就有问题：火力发电站是用煤等燃料把水烧开（现在也有使用二氧化碳的，不过不多），再用产生的蒸汽推动涡轮机做功，涡轮机带动电动机产生电力，涡轮机排出的蒸汽则在冷却凝结成水后重新流入锅炉，形成一个循环。核电站的原理和这个基本上是一样的，只不过用来烧水的不是燃烧燃料的锅炉，而是核反应堆。因此，核反应堆可以被看成一个巨大的核燃料烧水壶，只是有的核反应堆里面流淌的并不是水，而可能是钠或者铅铋合金之类的液态金属，这些液态金属在换热器内把热量传给水，完成一次能量的转换。这种用金属作为冷却剂的反应堆结构比较复杂，因此，主流的核电站中仍然是以水作为冷却剂。根据水的物理性质，可以将之分为重水堆和轻水堆；根据水的状态，再确切的说，在反应堆内是否沸腾，可以将之分为压水堆和沸水堆。

可能有些人会问了：为什么核电站的温度那么高，压水堆里的水还不会沸腾呢？答案是压水堆内的水处在高压状态，而在这种状态下，水的沸点会比常压下的100度要高，比如说我们日常的高压锅，里面水的沸点就会拿到105度甚至110度。压水堆内的温度超过300度，因此，需要150个大气压左右的压力，这给维修造成了很大的困难，也在一定程度上造成了安全隐患。正是基于这样的考虑，福岛核电站选择了沸水堆，也就是说它里面的水就像正常的烧水壶里一样沸腾。因此，沸水堆并不需要特别高的压力，避免了压水堆的问题，而这也成为了它的优点。

然而，讽刺的是，这样的优点恰恰导致了它的缺点：核反应堆的控制是通过所谓的控制棒来进行的，它会吸收核燃料散发出来的中子，通过插入或拔出控制棒就可以调节反应堆内中子的浓度，进而加快或减慢反应。因为沸水堆必须要在反应堆上面安装蒸汽收集装置（这是显然的，因为水蒸气肯定会比水轻），因此，它的控制棒必须从反应堆下面向上插入，而不是像压水堆那样相反。这也就意味着，一旦遇到机械装置失灵，压水堆还可以凭借重力让控制棒自由落下，停止反应堆的反应，但沸水堆不行。所以沸水堆必须配备强有力的应急装置，既要保证紧急时刻可以及时插入控制棒，停止反应堆，也要保证能够运转足够长的时间，以便在停堆后能够继续向堆内注入冷水，以冷却反应堆。

基于这样的考虑，东电公司在设计福岛核电站时，专门为它设计了备用柴油发电机房。但是是发电机房的防护程度远非反应堆可比，选址也并不可靠。同时，东电公司并没有充分考虑到备用柴油机也失效的时候应该如何供电的问题，他们似乎很自信的认为，有备用柴油机就够用了。不但在设计上缺乏这方面足够的考虑，核电站的工作人员也没怎么排练过这样的场景，在物资上也没有做好相应的准备。

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虽然带着这样那样的问题，福岛核电站仍然平安无事地运行到2011年，此时它的第一台机组已逼近40大寿。3月11日当天，日本发生9.0级地震，这也是人类历史上所记录的第五强的地震。在地震刚刚开始的几个小时里，核电站按照预期完美的执行了工作：反应堆按照预期停堆，因为外界电网受损无法向电厂供电，因此备用柴油机启动发电，工作人员向反应堆内注入清水以冷却反应堆。这里需要说一下的是，即使是进入所谓的停堆状态，也并不一定意味着反应堆的一切活动就此终止，它只是意味着反应堆停止向外输出功率而已，如同给汽车不踩油门挂上空挡，并不意味着发动机已经熄火一样。停堆以后，福岛核电站的反应堆还残留着4%左右的功率，而柴油机驱动发电机泵入的冷水将负责冷却这个反应堆至安全状态。

然而，几个小时之后，那个一点都不让人吃惊的意外来了：地震激起的海啸袭击了电厂，摧毁了备用柴油机房。说实话，在日本这样地震多发的沿海国家建电厂，而不考虑海啸问题，真的可以说是匪夷所思，也绝对是不可接受的错误。失去了电力来源，又无法指望场外的电力供应的工作人员只能想办法找电力来驱动水泵和控制系统。他们成功的用汽车上拆下来的电瓶和买来的便携式发电机驱动了工厂内的仪表，但当他们试图驱动电厂内部的设施时，却发现电厂的接头和他们发电机的接头接不上。这里的故事也有点匪夷所思：接头接不上，就不妨把接头拆掉，直接把电线系上。这种鲁莽的操作虽然不被安全规章允许，但在这种情况下，显然是没有办法的办法，也是驱动工厂内部设施并拯救核电站、防止发生事故的唯一途径。厂内的职工没有这样做，不知道是环境所限，还是他们压根就没有这样想过。

就这样，随着冷却水的输入终止，反应堆内的剩余的水在不断的沸腾，继而导致压力的不断上升，反应堆的温度也不断增加。当温度上升至900摄氏度以上时，一个人们不希望的化学反应开始了：构成反应堆燃料管的金属锆开始与水反应，生成氢气和二氧化锆。同时，核燃料的熔点也在逼近，融堆事故也迫在眉睫。在这种情况下，反应堆的高温融化了控制棒和燃料棒，原本是一根根棒状材料组成的反应堆芯已经变成了一摊炽热的烂泥。

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反应堆中积攒的氢气压力越来越高，现在随时都会有爆炸的风险。现在有很多人都在指责当时为什么没有及时的为反应堆释压，但其实这个指责并不客观，也没有意义：福岛核电站此时已经发生核事故，工作人员面临的不是正确与错误的选择，而是错误和更错误之间的选择，更何况，衡量错误之间的尺度还有很多种，一个人不可能把它们完全权衡好。在如此大的压力下，处理如此复杂的情况，有一些事做的不尽如人意，也是可以理解的。我们这些人只有庆幸事情没有更糟的份，却没有什么资格事后诸葛亮的指责他们。当时的问题就是这样：如果打开气阀，则意味着可燃气体会带着放射性物质一起排出大气，造成污染；不打开气阀，则意味着如果不把反应堆温度降下去，压力会不断升高，可燃气体会不断聚集。所以是否打开气阀，实际上取决于工作人员是否想赌一把，赌反应堆的温度能不能降，赌赢了，他们就把大的核灾难转换成了小的核灾难，赌输了就完全相反。

很遗憾，他们最终赌输了。下午三点半刚过，一号反应堆发生氢气爆炸，随后，剩下的几台反应堆也陆续爆炸，时间间隔不过几个小时。注意，这只是氢气爆炸，不是切尔诺贝利那种核爆炸，基本上所有的核燃料仍然被封在安全壳里。虽然如此，爆炸也严重损毁了核电站的建筑物，这场核事故最终上升到了今天这场局面。至此，核电站已经失去了抢救的意义。为了降低反应堆温度，以免造成更大的麻烦，工作人员向核反应堆内注入了海水。这就基本上相当于宣判了核电站的死刑：海水会严重腐蚀机器，导致反应堆实际上不可再被修复。

这样的举动基本上定下来了后面的基调：核电站已经被彻底废弃了，人们在核电站唯一能做的就是注入冷却水冷却核反应堆。再一次，网上有很多所谓的网络专家对日本人当时的举动大为批判，但事实上，因为我一直对核动力火箭发动机有兴趣，也了解过一定的核工业知识，其中也包括核电站的基本结构和运营方法，我觉得当时负责处理事故的日本人并没有什么选择的余地。我们现在可以思考一件事在短期，中期，长期的各种各样的意义，但在当时的那种情况下，只要你想出来的方法能够把局势控制住几天，乃至几个小时，就可以说是很好的建议。

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注入海水的措施一直持续到3月25日。在这一天，专门为核反应堆注入淡水的冷却设施开始投入使用。而这也是我们今天麻烦的开始：这个设施每天都会产生130到150吨左右的核污水，而日本既不能把它们直接排放，又不能把它们完全净化到和一般的生活或工业污水一样的程度，只能建造储水罐，把它们储存起来。因为污水每时每刻都在产生，所以只能不断地建造新的水罐。从卫星地图上，可以轻松的看到蓝灰色的储水罐就像带状疱疹一样在场区蔓延开来。日本人显然没有思考，或者思考了，但没有解决如何处理污水这个问题。目前，他们只能保证能够去除掉污水中的重金属离子，但对于放射性氚还是无法去除。如果说事故刚刚发生时，他们没有时间，也不可能想这么多，这还可以成为为他们辩护的理由，那么，他们在事故发生后十年里竟然什么都没研究出来，就真的让人不能接受了。

以上就是关于福岛事故发生了什么的简单介绍，同时结合我已经掌握的知识，加以了一些评论。对于那些应该肯定，或者至少不应该被指责的地方，我都加以了说明，对于那些我明显觉得是有过失的地方，我也加以了严厉的批评。如果有不对的地方，还望各位加以指正。发生这种事有情绪是难以避免的，但是我们仍需要让这种情绪不影响我们对事实的认知。接下来我要说一说针对于这起事故的处理方法，以及个人的一些想法。

最引起争议的就是核污水的处理问题。相当好笑的是，在日本人没有宣布排海之前，没有什么方案被提出，可就在日本人宣布排海的那几天之后，接连出现了四五个所谓的“可替代的”“更好的”方案。在这些所谓的方案中，我针对以下两个加以评论：

第一个方案是将污水像核废料一样直接倒入深深的废弃矿井中。这一想法听起来会污染环境，事实上也的确如此，但是几十年来，我们的确就是在用这样的方式来处理核废料：封入普通的金属油桶中，有的还会填入水泥，然后直接扔进最深的海沟或者矿井里。福岛核污水的放射性要小于一般意义上的核废料，所以这样的处理方式显然是最容易被人想到的。但是这样的处理方式，在最近几年来遭到了越来越多的否定，德国已经挖开了几个用于封存的矿井，重新处理里面的核废料。这是因为在几十年前决定这样做的人们低估了这样对环境的影响。如果你关注比较新的新闻，就会发现这个做法存在的根基已经在渐渐瓦解。

另外一个方案是我比较看好的，但也只是比较而已：分离出核污水中的放射性氚，并将之化为氚气，排入大气层。核污水中，除了一些重金属之外，最主要的污染物就是氚了。众所周知，氢的原子核中只有一个质子，但却可以拥有不同数量的中子。按照中子数为0、1、2分别对应三种不同的核素，即氕、氘、氚，其中氚是有放射性的。就像普通的氢原子，可以两两结合生成氢分子一样，氚也可以这样。不单如此，它的化学性质和氢比较像，可以用类似的方法富集。将之排入大气也会产生与氢气类似的效果：它会在大气中越升越高，直至最终离开大气层。因此，这个方法在我心中，至少是最不坏的。

但是它也只是最不坏的而已。虽然排入大气的氢及其同位素通常都会散逸出去，但是这一过程也需要两年以上的时间，在此期间对大气产生的污染仍是个未知数。而且如果氢气与羟基自由基等可以与它反应的基团结合，就可以形成诸如甲醛等物质，从而长期留在大气，甚至可能随着降水重新返回地面。另外，氚的半衰期较短，从核辐射效果而言，这样的做法未必会比排入大海要好多少，或者说，坏多少。唯一的好处是，相对于水中的氚，气体状态中的氚在吸入人体之后，几乎立即就会被排出去，不会被人体吸收，因此，给人造成的影响几乎可以忽略。

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将废水直接排入大海，绝对是最简单最廉价的方案，但也是最容易引起关切的方案。很多人都提到了污水的处理问题，但在我看来，这些人高估了一些问题，又低估了一些问题。被高估的问题就是关于水中放射性氚的问题。人们几乎一提到辐射就色变，在他们眼中，电脑，手机等等都成为辐射的源头。但事实上，辐射分为电离辐射和非电离辐射两种，我们日常中接触到的手机之类的辐射都只是非电离辐射，给人带来的唯一影响就是微微发热而已。

即使是电离辐射也未必是很可怕的。来自天然放射物的辐射只有阿尔法贝塔伽玛三种（打不了希腊字母，只能先用文字代替），其中，阿尔法射线粒子由两个质子和两个中子构成，实际上就是一个去掉电子层的氦原子核；贝塔射线就是高速运动的电子；伽马射线则是高频的电磁波，本质上和手机的辐射是一个东西，只不过它的辐射的频率要高好几个量级，因此能量也更高。这三种射线运动的速度依次增加，穿透性也依次增加。氚衰变只会放出贝塔射线，相较于其他辐射，其电离性更弱，因此虽然穿透性比较强，但给人的影响反而更小。虽说如此，吸入大量的氚或者内部服用含有大量氚的物质，比如含氚的水，或者有氚的有机物质，仍然会给机体造成严重伤害，但这是在服用剂量比较大的基础上的，而如果我们把整个太平洋的水都给考虑进去，我们会发现它其实远远没有达到危险范围。

我们可以看到一些模拟污水排放的图片，显示了排放以后，太平洋海水受到污染的程度。这些图像描述出来的图景看起来是很吓人的，即使在北美和南美的西海岸，放射性程度仍然较高。但事实上，即使是浓度最高的区域，也就是日本的东海岸地区，其浓度也没有达到，会给人造成严重损伤的程度。不过虽然如此，其仍然可能会给当地的生物造成一定的损伤，因为含有氚的水分子会和正常的水分子一样，长期停留在生物体内，进而造成辐射的长期照射，对生物绝对是有害的，但是对于食用这些生物的人而言，情况并不一定很可怕。

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而被低估的影响就是水中的重金属离子，其中也有相当一部分是放射性的，比如铯133，还有来自核燃料的铀。这些重金属离子本身就具有相当的毒性，更不要提还是放射性的。负责处理事故的东电公司试图向人们证明他们能够基本上完全去除这些粒子，但如果你把它们残留的浓度乘上十年以来产生的污水总量，会发现，污染物值仍然很可观。可行的解决方法是把这些污水进行蒸馏浓缩之后再次进行净化，但是东电公司似乎并没有这样做。

关于污水处理方法就讲到这。非常令人担心的是，十年以来，人们最多的只是在研究污水处理的方法，却没有想过真正去解决产生污水的根源，也就是想办法让核反应堆彻底冷却下来。其实说他们没有想过，也并不是公平的，在人们刚刚开始利用核能的时候，的确研究过如何处理这种融堆事故，但是没有结果。结果就是，人们被迫在没有针对最严重情况的处理办法的情况下应用核能，而且竟然在这种状态下一用就是小半个世纪，直到福岛核事故爆发。所以，我个人实际上更关注熔堆问题的处理。

我个人的思路和方案是这样的：如果刚才所说，正常运转的核反应堆是靠插入控制棒来减缓甚至停止反应。那么，如果我们能想办法把新的控制棒插进熔融的物质里去，也一定是可以让反应终止的。但是控制棒该怎么插进去，又该怎么保证它不会融化呢？作为一个沸水堆，福岛核电站在反应堆正上方安装有大型的蒸汽收集装置，蒸汽收集装置的气孔就可以作为插入新控制棒的入口。具体来做的话，应该首先关闭蒸汽进口，为后面的工作做准备，然后拆掉蒸汽收集装置，并在反应堆安全壳上方建造插入新控制棒的机器和吸收废气的大型通风装置。这些都完成后，就可以从蒸汽进口插入新控制棒了。

控制棒应该具有以下三个特点：第一，其耐高温能力必须足够强，并应具有相当的冷却能力；第二，其必须拥有一定的吸收中子减缓反应的能力。最后，考虑到熔融的物质仍然可能有一定的硬度，因此端部应有钻头，保证可以钻入熔融的反应堆物质。冷却能力可以用到我所学的知识：现在大型火箭发动机的喷嘴都是用液态的气体燃料冷却的，结果就是，虽然火箭发动机喷出的气体可以轻松达到上千度，如果你去摸火箭的喷嘴外壁，你仍然会被冻伤而不是烫伤。因此，我们很容易就能想象到一个由流淌着液氢的管道盘旋成的外壳，里面包着控制反应堆的物质的模型。这个外壳的尖端应该具有钻头。虽然如此，外壳仍然应该用能耐高温的合金构成，必要时甚至可以使用铱等贵重金属。至于吸收中子的物质，就用反应堆中经常使用的镉就可以了，不过需要注意的是，控制棒应该是可以在外壳里上下单独抽动的，因为在钻孔的过程中，我们仍然希望融堆反应在进行，这样可以降低反应堆物质的硬度，有利于我们的钻孔。这时，我们仍然不希望控制棒是插入的，它们应该在钻孔结束，外壳已经深入熔炉物质，达到一定程度时，再一次性插入，彻底冷却整个反应堆。

当然，这并不意味着对于污水处理，我就没有自己的想法。我的想法仍然是顺着气体处理法的思路，不过我不打算把气体排入大气层，而是直接将其用于商业产品的生产。现在越来越多的手表、钥匙扣选择使用氚作为发光材料，因为它和传统的荧光物质比起来，它不需要经受光照就可以发光，又没有毒性和过强的放射性。为什么不能把氚收藏起来，注入玻璃管内，安装在手表和钥匙扣上呢？这样既可以解决环境污染问题，又可以增加一些收入，推动项目继续进行。

对于一些细节再说几句：吸收打开反应堆时产生气体的大型抽风机，本质上就是一台放大的抽油烟机，不过其吸力应该远远大于日常所能接触到的任何抽风设施；与此同时，我们还应该准备一架飞机或无人机，以便在空中监测整个项目运作中的核辐射。在反应堆彻底冷却后，即可用机械逐渐挖出反应物质，最后彻底拆掉整个反应堆建筑。

无论我们最终将采取什么手段解决福岛核事故，我们都必须认清一个事实：福岛事故并不是日本一个国家的问题，全世界的国家都是它的受害者，因此，它是一个世界性的问题，而不是一个某些国家需要负责，而某些国家可以置之度外的国家性问题。对于日本人而言，他们需要拿出更负责任和更积极有为的态度，而对于我们而言，我们需要摒弃怨妇心态和隔岸观火，幸灾乐祸的态度，如果允许的话，也可以去思考一下解决这个问题的方式。即使最终你想出来的方式被证明是一块砖，如果它能引来玉，那它也是有一定的价值在的。

作者简介

海北尬生：因其尝求学于北海之北，每不顾环境而放尬言，故起此名也。喜航天，爱读书，本学理工，爱好文学。

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~the end~

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