科普丨如何理解“日本福岛核电站内辐射量达预期7倍”

【写在前面】

福岛第一核电站2号机组内部堆芯熔化情况的最新探测，再次将日本和福岛推向头条。权威媒体关于“取出堆芯熔化的核残渣难度增加”的客观表述，却迅速发酵网络上各类“重大突发！福岛又出事！人进入秒死亡！”等标题党煽动性文章。但事实并非如此，2号机组出现“堆芯熔化”不是突发事件，更与所谓的“日本政府粉饰太平”无关，早在五年多前核事故发生时就已经出现堆芯熔化。此外，由于检测点非常接近核燃料，辐射剂量高是必然的。但辐射场强度的大小与测量点和辐射源之间的距离成平方反比关系，所以只要离开这块区域十米远，辐射剂量就会跌落至百分之一以下。

据新华社2月3日报道，东京电力公司根据最新对福岛第一核电站2号机组内部拍摄的视频图像分析估测，2号机组安全壳内部最大辐射值可能达到每小时530希沃特（1希沃特为1000毫希沃特），人若暴露在这种辐射中几十秒即可致死。此外，东电公司经过详细分析1月30日拍摄的画面后确认，压力容器下方的网格状铁制平台出现一平方米左右的破洞，可能是极高温的堆芯熔化的核燃料泄漏时所致。想要取出堆芯熔化的核残渣绝非易事。

2号机组堆芯熔化，是2011年核事故发生之初便已确定的事实。2011年3月11日，受东日本大地震影响，福岛第一核电站1-4号机组受损，发生严重核泄漏事故。事故发生后，1-3号机组出现堆芯熔化。堆芯熔化是指核反应堆温度过高，造成燃料棒熔化并发生破损事故，是核电站可能发生的事故中最为严重的事态。根据东京电力公司的内部标准，“堆芯损伤比例超过5%”即为“堆芯熔化”。但在事故初期，东京电力公司一度瞒报“堆芯熔化”事态，称只是较低一级的“堆芯损伤”，直到2011年5月才正式承认堆芯熔化。2011年5月底，国际原子能机构派出专家调查团对福岛第一核电站事故进行调查后出具的报告指出，1至3号机组燃料棒熔毁后坠落，一部分可能已通过压力容器上的漏洞堆积在了安全壳的底部，发生了“熔穿”。——这与这几天我们看到的新闻描述一致。

事故发生后，东电公司一直未能掌握堆芯熔化后核燃料残渣的具体位置，使核燃料残渣回收工作无从开展。为什么以前没有检测到？是因为一开始的救灾重点在于被疏散的隔离区及核岛厂房内外。但最终要彻底拆除核电站并进行后续处理，必须搞清楚堆芯熔化后核燃料残渣的具体分布状态，制定相应的处理方案。

据日媒报道，日本经济产业省去年12月召开讨论东京电力公司经营重整等的“东电改革与1F（福岛第一核电站）问题委员会”（东电委员会）会议，首次公布称福岛核事故反应堆报废及赔偿等处理费总额的估算结果为21.5万亿日元（约合人民币1.3万亿元）。

关于该话题，澎湃新闻（www.thepaper.cn）推出中国科学技术大学和中科院联合培养在读博士张恒的一篇解释性文章，作者现就读核工程专业计算机控制方向，曾在国内核电企业研究院任职。未经澎湃新闻授权，不得转载本文。

从目前日本国内的报道来看，由于压力容器底部早已经熔穿，核燃料流出容器底部后正在熔毁安全壳内一个金属格栅法兰状结构，此构件已查明是压力容器下的铁质脚手架。东京电力公司发言人山岸立裕周五（2月3日）指出，脚手架受损变形可能是核燃料穿透压力容器滴落造成的，但确实原因还未查明。报道称，金属法兰已经被烧出个一米见方大孔，目前内部辐射剂量达到每小时530西弗（编注：Sievert，也译作希沃特。1西弗=1000毫西弗=1000000微西弗），人若暴露其中几十秒即可致死，同时也能在两小时内使深入反应炉拍摄图像的机器人停止运作。这一情况将进一步加大取出堆内核燃料及其他污染物的难度。

日本媒体报道福岛核事故2号机组示意图福岛核事故2号机组混凝土壳内铁质脚手架熔洞现场照片

抛开这次的报道，我们先了解一下福岛核电站的结构与防护：

福岛核电厂的防护主要分三层：

第一层是燃料包壳，这个与普通压水堆无大差别，就是核燃料棒的外壳——锆合金，这层锆合金包裹可以避免核燃料棒里的放射性物质与冷却水接触，可以承受1200度的高温。很多根核燃料棒、控制棒（用途是吸收中子，控制链式反应的程度）及相关机构就组成了反应堆堆芯装置。

第二层防护是反应堆压力容器，反应堆工作时会产生巨大的蒸汽压力，所以反应堆压力容器由高强度合金钢制成。其防护作用是，在核燃料棒的锆合金外壳出现破损的时候，保证放射性物质不会大规模泄漏。

第三层防护是混凝土安全壳，福岛核电站的安全壳由约1米厚的预应力钢筋混凝土和约6毫米厚的内衬钢板组成。它的主要作用是，在反应堆压力容器爆炸或破损后，大量放射性物质、放射性废水不会泄漏到外界去。

目前的情况大体来说是：核燃料及其他物质已经突破了第一、二层防护，从压力容器底部向第三层防护侵蚀。

这是堆内情况，文首也提到堆内辐射参数很高，但是，这种高放射性污染源，影响的范围往往是相当有限的，核电厂工作人员中，有一些人在国内核电站里也经常能碰到剂量高达1～5毫西弗每小时的辐射热点，从旁边路过一下就可能吃上十几个微西弗。但是，只要保证与这个热点保持一两米的距离，基本上辐射就会下降到每小时一百微西弗以下的程度，再远一点就会更低，所以大家远在几百几千公里外担心530西弗每小时是没有必要的。

很多最近要去日本旅游的小伙伴或者在日本工作学习的朋友，至少现阶段没有必要过分担心辐射影响，只要你不是住在福岛核电站的一二十公里直线距离内我觉得都是不用太过担心的，不放心的话你也可以查一下所在当地相关机构对于环境剂量的监测情况，以及和其他地方做个对比[1]。至于从日本海淘商品的也没有必要过分恐慌，当然福岛本地产作物还是不建议购买。

福岛核电站事故严重性一直以来被低估了，实际上其事故评级与切尔诺贝利事故一样，都是INES 7（国际核事件分级表），高于美国三里岛的5级, 而5级的定义为其定义为“对核电站以外地区造成威胁的事故”。在三里岛核事故中，方圆80公里以内的居民平均受到辐射量为10微西弗，是常人在一年内允许接受的最大辐射量1000微西弗的1/100。对健康产生的影响非常有限。因从福岛核电站周边的水和食物检测出超过国家标准的放射性物质，可见核电站泄漏到外界的辐射量大大高于三里岛事故。7级的定义为特大事故（或极严重事故），核动力厂向厂外大量释放放射性物质，产生广泛的健康和环境影响。同时，由于机组差异，福岛核电站反应堆所用核燃料比切尔诺贝利多，且有反应堆使用了含有高毒性的钚的燃料，同时日本人口密度稠密，因此其定级一样，但是事故影响或许要高于切尔诺贝利事故。

据日本政府2011年年底给IAEA（International Atomic Energy Agency，国际原子能机构）的报告说，福岛2号堆一次安全壳内“可能存在”氙-133和氙-135。同时，东电在报告又说“即使假定发生了裂变反应，其规模极小，反应堆整体仍处于稳定状态”[2]，同时还称“堆内的放射性物质没有达临界”[3]。在给IAEA的状态报告中，日本当局根据进一步分析断言，氙浓度归因于“锔-242和锔-244自发裂变”。当时给出了三个判据，其中最有力的当属：按照锔-242和锔-244自发裂变导致氙-135的浓度计算了锔-242和锔-244的总量。如果出现过可能最低水平的反应堆铀燃料核裂变，探测的氙水平会比测到的水平高几个数量级。现在氙的水平与锔-242和锔-244自发裂变产生的相吻合不出所料[4]。

在2012年再次检出氙-135之后，东电公司首度承认在受损的3座反应堆内部深处，核燃料可能继续进行着核裂变反应。不过，该现象不会导致伴随有热能和辐射的大规模核反应发生，但却可能增加反应堆泄露的危险放射性元素，使清理工作变得更加困难。《纽约时报》对此事进行了报道，包括我国环保部官方网站等主流媒体都进行了引用或转载。

我们知道，核事故应急后处理最忌讳的就是核燃料“重返临界”，因为临界状态实际上是核燃料正在发生链式反应放出大量热量，临界事故多在瞬间爆发，爆发时蓝光乍现，高度杀伤力的中子与伽玛射线大量释出，1999年茨城县东海村JCO核燃料处理工厂就曾发生临界事故，核燃料处理工厂的工人违反操作程式，把富集度18.8%的铀溶液（相当于含16公斤铀）直接倒入沉淀槽中。沉淀槽容纳的最大操作量限定为2.4公斤，其临界品质为5.5公斤。最终造成2名员工死亡。因此，结合此次熔毁壳内法兰状构件，我们必须防范间歇性临界或者说局部临界的可能，需要进行全面动态的监视。

因为沸水堆核燃料熔化，堆芯温度曾达到1400℃以上甚至更高，压力容器部分钢质边界（主要是底部）已经熔化，熔渣才跌入干井底部。很显然，后果大家都看到了。我们知道，压力容器下边存在“重返临界”威胁的反应堆，实现不了“冷停堆”。实际上，是否存在“重返临界”，判断起来并不很难。只要连续监测标志性气态裂变产物的浓度变化，就可以做出判断。但制止“重返临界”要困难得多。

说到这里，大家肯定有疑问，福岛核电事故处理为何不采用切尔诺贝利的石棺封堆的处理方案？再次作以下解释：切尔诺贝利核电事故其反应堆没有安全壳，爆炸后核燃料暴露于外界，不得不做封闭性处理。但这种处理存在劣势，主要是后期的长期维护比较麻烦，具体可以参考近期报道的切尔诺贝利石棺出现裂缝，需要考虑重新修筑石棺。同时，日本国土面积小，人口密度大，封堆会造成大片无人区，不论从日本当局还是福岛当地居民都会反对这个方案。因此日方现在主要目标还是取出反应堆核燃料，当然据日本《每日新闻》等媒体报道，日本政府和核电企业共同出资成立的“日本原子能损害赔偿和反应堆报废等支援机构”在2016年7月13日出台的计划书中说，随着核电站反应堆内部状况逐渐明晰，也存在无法取出已熔化的核燃料从而直接用“石棺”将反应堆封死的可能性[5]。

最后，回到福岛核电站事故本身，单独一个事故击溃了纵深防御的几乎所有屏障导致了最终事故的发生，值得整个核电行业详细研究；全球核工业应对超基准事故能力，值得反省；随着核电先发国家反应堆机组老化，机组特殊状态下操纵员运行能力，值得深思。

福岛核电事故的导火索是海啸，源头是老化落后的沸水堆延寿得到批准，催化剂是操作员事故工况下应对不明智，事故的发酵升级是主管部门以及征服部门处理不得力。总体来说，极端自然条件、超期服役的落后机组、滞后的核事故综合导致了福岛核电事故，但是，事已至此，依旧期待日本方面能真正推出利于全球核工业发展的事故后处理方案，并且行之有效。

参考文献：

1.知乎“熊游心”的回答

2.NEI, Sampling boat launched; major reports published, 22 November 2011

3.José M, NEW SAFETY REQUIREMENTS AND LONG TERM OPERATION POLICY, EUROSAFE – PARIS – 07.11.11

4.IAEA Fukushima Daiichi Status Report，Update of 4 November 2011

5.澎湃新闻：日本首提福岛核电站处理：可能用“石棺”封堆并最终报废，2016.7.14