日本福島第一核電站退役現(xiàn)狀

東日本大地震引發(fā)的東京電力公司福島第一核電站事故，到2025年3月迎來(lái)14周年。2024年11月，研究團(tuán)隊(duì)首次成功提取出了核燃料熔化凝固后的燃料熔渣。由于發(fā)生過(guò)裂變反應(yīng)，反應(yīng)堆內(nèi)殘存的880噸核燃料熔渣包含極強(qiáng)的放射性物質(zhì)，這些熔渣的提取成為福島核電站退役過(guò)程中最具挑戰(zhàn)性的工作之一。此次僅0.7克的小石塊狀燃料熔渣的試驗(yàn)性取出，意味著什么？退役工作將會(huì)如何推進(jìn)？請(qǐng)關(guān)注我們帶來(lái)的最新消息。

1  燃料熔渣取出作業(yè)流程

2024年10月30日，日本東京電力公司福島第一核電站2號(hào)機(jī)開(kāi)展了一項(xiàng)關(guān)鍵工作，這項(xiàng)工作對(duì)后續(xù)退役工作的開(kāi)展至關(guān)重要，即進(jìn)行了“燃料熔渣的試驗(yàn)性取出”。燃料熔渣是由熔化的核燃料等物質(zhì)固化后形成的。含有放射性物質(zhì)的燃料熔渣在退役進(jìn)程中必須清除。為了推動(dòng)碎屑的取出進(jìn)程，本次工作的目標(biāo)是試驗(yàn)性地收集一小部分燃料熔渣。

福島第一核電站的核燃料結(jié)構(gòu)稱為壓力容器。壓力容器布置在作為密封構(gòu)筑物的安全殼內(nèi)。2號(hào)機(jī)的燃料熔渣分別散布在壓力容器和安全殼的底部。這次取出的是安全殼底部的燃料熔渣。

那一天，工作人員通過(guò)安全殼側(cè)下方的作業(yè)用貫通孔（見(jiàn)下圖）逐步伸展類似釣竿的可伸縮設(shè)備。當(dāng)設(shè)備伸至燃料熔渣上方時(shí)，便放下裝備有攝像頭和類似鉗子的部件的尖端工具以抓取碎屑。通過(guò)遠(yuǎn)程操作，成功抓取了大約5毫米大小的石塊狀燃料熔渣。整個(gè)操作過(guò)程大約耗時(shí)兩個(gè)半小時(shí)。

 沉積物堵塞了作業(yè)用貫通孔 

隨后，抓住燃料熔渣的設(shè)備被逐漸拉回。在抓取燃料熔渣的3天后，也就是11月2日，設(shè)備被移至安全殼外，并將被抓取的燃料熔渣放入了一個(gè)專門(mén)用于密封存儲(chǔ)放射性物質(zhì)的金屬箱中（封閉裝置）。然后，在封閉裝置外殼外面進(jìn)行輻射劑量測(cè)量，并確認(rèn)其低于可回收的標(biāo)準(zhǔn)值。確認(rèn)后，于11月6日將燃料熔渣取出并安置進(jìn)鋁制運(yùn)輸箱內(nèi)，再一并放回封閉裝置。

然后在11月7日，從封閉裝置中取出運(yùn)輸箱，并將其放入另一個(gè)聚乙烯制的專用容器中。這標(biāo)志著東京電力公司福島第一核電站2號(hào)機(jī)燃料熔渣的試驗(yàn)性取出首次成功。這是裝置抓取熔渣后一周的進(jìn)展。

2  人為創(chuàng)造的未知空間

從這個(gè)作業(yè)的步驟來(lái)看，可以明顯感受到工作進(jìn)行得非常謹(jǐn)慎。無(wú)論是機(jī)器人還是機(jī)械設(shè)備的遠(yuǎn)程操作，在太空等眾多場(chǎng)合都已廣泛應(yīng)用，但在發(fā)生事故的核電站里的作業(yè)難度卻超過(guò)了太空。日本東京大學(xué)的核物理學(xué)專家岡本孝司教授指出：“如果在太空中失敗的話，無(wú)非是機(jī)器人損壞，但是如果在核電站失敗，錯(cuò)誤地在墻壁上開(kāi)洞，就可能導(dǎo)致放射性物質(zhì)泄漏。因?yàn)橐乐狗派湫晕镔|(zhì)泄漏到周?chē)h(huán)境，使用機(jī)器人進(jìn)行操作確實(shí)非常困難?！?/p>

抓取燃料熔渣的操作雖然是遠(yuǎn)程進(jìn)行，但安裝設(shè)備和伸展釣竿的任務(wù)則需要操作員親自在現(xiàn)場(chǎng)操作。限制操作員在現(xiàn)場(chǎng)的工作時(shí)間是導(dǎo)致作業(yè)耗時(shí)的一個(gè)重要原因。“現(xiàn)在，人們?cè)诮ㄖ飪?nèi)的工作時(shí)間已經(jīng)從之前的5～10分鐘增加到每天2小時(shí)。這一工作時(shí)間的延長(zhǎng)是通過(guò)去污作業(yè)有效降低輻射水平實(shí)現(xiàn)的。”岡本教授如此表示。

首先，最重要的是發(fā)生事故的核電站內(nèi)部是一個(gè)未知空間。在事故發(fā)生時(shí)，我們不知道內(nèi)部溫度升高到了多少，哪些物質(zhì)熔化并流動(dòng)，它們變成了什么形狀，轉(zhuǎn)變成了什么組成。此外，還有一個(gè)問(wèn)題是，那些仍然保留下來(lái)的構(gòu)筑物，它們的強(qiáng)度有多大。可以承受多大重量的機(jī)械和機(jī)器人在其中移動(dòng)而不損壞周?chē)h(huán)境？哪些電子設(shè)備能夠在強(qiáng)烈的輻照等惡劣環(huán)境下正常工作。這些問(wèn)題中，還有許多是未知的。此外，如果機(jī)器人在核電站內(nèi)部因強(qiáng)烈輻射而損壞，那么它將無(wú)法被修復(fù)。

 燃料熔渣的試驗(yàn)性取出成功 

岡本教授表示：“事故導(dǎo)致出現(xiàn)了未知空間。如何將危險(xiǎn)空間變得安全，使退役工作充滿了挑戰(zhàn)?！?/p>

3  利用核裂變的核能發(fā)電機(jī)制

核電站利用反應(yīng)堆中鈾原子核的分裂（即核裂變）過(guò)程產(chǎn)生的熱量來(lái)加熱水，生成蒸汽。這些蒸汽產(chǎn)生的動(dòng)力會(huì)驅(qū)動(dòng)渦輪發(fā)電。除了使用核裂變反應(yīng)作為熱源之外，其工作原理基本上與火力發(fā)電站相同。

天然鈾主要分為兩種同位素類型：易于發(fā)生核裂變的鈾235和不易發(fā)生核裂變的鈾238。在天然鈾中，鈾235的含量?jī)H為0.7%。利用六氟化鈾（UF6）氣體中鈾235與鈾238的分子量差異，在高速離心機(jī)中通過(guò)慣性離心力實(shí)現(xiàn)兩者分離，最終將鈾235的含量提升至3%～5%，以此作為核燃料的主要組成部分。

所有原子均由原子核和電子構(gòu)成。鈾235的原子核包含143個(gè)中子和92個(gè)質(zhì)子。當(dāng)一個(gè)中子撞到鈾235的原子核上，使得維持質(zhì)子與中子之間的力變得不穩(wěn)定，進(jìn)而引發(fā)原子核分裂成多個(gè)小原子核，這個(gè)過(guò)程稱作核裂變。核電站正是利用這種核裂變過(guò)程中釋放出的巨大熱能來(lái)發(fā)電。

一個(gè)原子核在發(fā)生單次核裂變過(guò)程中，平均會(huì)釋放出2～3個(gè)中子，這些中子隨后撞擊其他鈾235原子核，觸發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。當(dāng)這種核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)能夠以一定比例自發(fā)持續(xù)時(shí)，我們稱這種狀態(tài)為“臨界”。核反應(yīng)堆只有達(dá)到臨界狀態(tài)，才能實(shí)現(xiàn)發(fā)電。

鈾235的核裂變會(huì)產(chǎn)生包括碘131、銫137、鍶90在內(nèi)的多種裂變產(chǎn)物。這些產(chǎn)物因含有過(guò)多的中子，導(dǎo)致原子核不穩(wěn)定，為了達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，它們會(huì)釋放出強(qiáng)烈的輻射。這些物質(zhì)極其危險(xiǎn)。

核電站內(nèi)部配備了運(yùn)行所需的各種設(shè)備。核裂變停止后，乏燃料（使用過(guò)的核燃料）仍然持續(xù)釋放輻射和余熱。為了屏蔽輻射并進(jìn)行冷卻，這些乏燃料被存放在建筑物上部的水池中。

4  碎屑達(dá)到再臨界的可能性很低

福島第一核電站共有6座反應(yīng)堆。地震發(fā)生后，震災(zāi)期間正在運(yùn)行的1～3號(hào)機(jī)的反應(yīng)堆通過(guò)將控制棒插入燃料組件之間，停止了核裂變反應(yīng)，進(jìn)而停止了運(yùn)行。

然而，受海嘯影響導(dǎo)致電源中斷后，冷卻設(shè)備停止了工作。即使核裂變已經(jīng)停止，燃料還是會(huì)持續(xù)產(chǎn)生熱量。雖然嘗試通過(guò)外部注水來(lái)進(jìn)行冷卻，但未能有效降低反應(yīng)堆核心的溫度，結(jié)果溫度升高，反應(yīng)堆內(nèi)水位下降，最終核燃料發(fā)生熔化，引發(fā)了堆芯熔毀現(xiàn)象。三座核電站的四重防護(hù)功能均遭到破壞。這場(chǎng)事故成為繼1979年美國(guó)三哩島核電站事故和1986年蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站事故之后，世界上第三起核燃料熔毀事故。

在1號(hào)機(jī)和3號(hào)機(jī)中，由于燃料棒氧化產(chǎn)生了大量氫氣，這些氫氣積聚在反應(yīng)堆廠房的上部，最終引發(fā)了氫氣爆炸，嚴(yán)重破壞了廠房。2號(hào)機(jī)避免了氫氣爆炸，是因?yàn)?號(hào)機(jī)氫氣爆炸的沖擊，導(dǎo)致廠房上部的部分面板打開(kāi)，氫氣泄漏至外部。4號(hào)機(jī)正在進(jìn)行定期檢查，壓力容器內(nèi)沒(méi)有燃料，但是從3號(hào)機(jī)產(chǎn)生的氫氣通過(guò)管道等途徑流入，也發(fā)生了氫氣爆炸，導(dǎo)致廠房受損。

 2號(hào)機(jī)的安全殼內(nèi)部情況 

在高溫下，燃料與堆內(nèi)構(gòu)件等材料發(fā)生了熔化，隨后流入壓力容器和安全殼的底部，在那里冷卻并凝固，形成燃料熔渣。這些碎屑分布在堆內(nèi)多個(gè)位置，并呈現(xiàn)出多種形態(tài)，包括巖石狀的大塊、小塊，以及粉末等。處理這些碎屑極為困難，操作不慎就可能導(dǎo)致放射性物質(zhì)的飛散，因此，包括利用機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程操作在內(nèi)的作業(yè)，都需要極高的精確性，動(dòng)作極為謹(jǐn)慎。

此外，理論上碎屑存在重返臨界的風(fēng)險(xiǎn)。再臨界指的是已經(jīng)停止的核裂變反應(yīng)再次持續(xù)性地重新開(kāi)始。然而，碎屑中摻雜了使用硼作為材料的控制棒，這些控制棒能夠吸收中子，因此岡本教授認(rèn)為再臨界的可能性極低。岡本教授表示，進(jìn)入臨界狀態(tài)極其困難，即便偶爾發(fā)生，也會(huì)自動(dòng)終止。但是，由于無(wú)法證明絕對(duì)不會(huì)發(fā)生重返臨界，因此存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

5  即使只有0.7克，也不影響分析

2號(hào)機(jī)將多次進(jìn)行試驗(yàn)性取出燃料熔渣的工作。取出的燃料熔渣將用于成分分析，有助于揭示事故當(dāng)時(shí)壓力容器和安全殼內(nèi)部的情況，同時(shí)為未來(lái)退役工作的施工方法、安全措施以及燃料熔渣的儲(chǔ)存方法研究提供支持。

此次成功取出的碎屑質(zhì)量為0.7克，雖然這個(gè)質(zhì)量低于最初的預(yù)期，但依然能夠進(jìn)行分析?！拔覀冇?jì)劃利用能夠觀察到1/1000毫米精度的電子顯微鏡對(duì)這些碎屑進(jìn)行詳細(xì)檢查。盡管碎屑的尺寸只有5毫米，相比電子顯微鏡的分辨能力而言已是相當(dāng)大了，因此我們預(yù)期能夠獲取大量有價(jià)值的信息。”岡本教授做了說(shuō)明。

雖然涉及不同領(lǐng)域，但日本航天局（JAXA）的小行星探測(cè)器“隼鳥(niǎo)”號(hào)從小行星絲川帶回的微粒總量達(dá)數(shù)十毫克，這些微粒大多數(shù)的直徑不超過(guò)100微米。通過(guò)分析這些微粒，我們已經(jīng)開(kāi)始揭示了包括礦物組成在內(nèi)的多種信息，以及它們含有水的證據(jù)。

然而，在燃料熔渣熔化過(guò)程中，它帶入了周?chē)慕饘俸突炷恋任镔|(zhì)。因此，研究人員認(rèn)為不同位置混入的物質(zhì)會(huì)有所區(qū)別。這就是為什么從多個(gè)地點(diǎn)采集燃料熔渣顯得尤為重要。岡本教授表示：“首先，我們期望能夠利用此次成功使用的相同設(shè)備，再取出大約3塊燃料熔渣。如果能取出幾塊，我們就能開(kāi)始調(diào)查更多事情。”

據(jù)估計(jì)，福島第一核電站從1號(hào)機(jī)到3號(hào)機(jī)剩余的燃料熔渣總計(jì)達(dá)880噸。相較之下，僅取出0.7克的燃料熔渣，雖然進(jìn)展微小，但也是向前邁出的一小步。

此外，最近開(kāi)始全面考慮3號(hào)機(jī)大規(guī)模提取過(guò)程，為了取出堆積如山的碎屑，正考慮采用一種與2號(hào)機(jī)試驗(yàn)性取出截然不同的方法。然而，試驗(yàn)性取出所獲得的碎屑成分分析結(jié)果，以及在不允許失敗的安全殼內(nèi)部執(zhí)行的機(jī)器遠(yuǎn)程操作等經(jīng)驗(yàn)，都將為未來(lái)的退役工作提供寶貴的幫助。

6  乏燃料和污染水問(wèn)題的現(xiàn)狀

在進(jìn)行碎屑的試驗(yàn)性取出和討論策略的同時(shí)，乏燃料的取出和污染水對(duì)策依然是重要的議題。岡本教授在談到乏燃料的取出方法時(shí)指出，已經(jīng)確定取出方法，盡管過(guò)程耗時(shí)，但他相信將會(huì)穩(wěn)步推進(jìn)。

為了從1號(hào)機(jī)取出乏燃料，必須先清理屋頂?shù)娜墼榉乐骨謇磉^(guò)程中放射性物質(zhì)擴(kuò)散，人們正在對(duì)1號(hào)機(jī)的整個(gè)反應(yīng)堆廠房施加一個(gè)大型罩，預(yù)計(jì)該大型罩將于2025年夏季完工。針對(duì)2號(hào)機(jī)，計(jì)劃在乏燃料池旁的墻面增設(shè)一個(gè)外部房間，以便在2024～2026年度開(kāi)始進(jìn)行燃料取出工作。目標(biāo)是在2031年前完成所有核燃料的取出工作，包括5號(hào)機(jī)和6號(hào)機(jī)的乏燃料池中的核燃料。

污染水是指注入反應(yīng)堆以冷卻之用的含有高濃度放射性物質(zhì)的水。此外，地下水流入反應(yīng)堆廠房等處也會(huì)產(chǎn)生污染水。盡管在1～4號(hào)機(jī)組周?chē)叵掳惭b的防水墻等措施已經(jīng)減緩了污染水增加的速度，但只要燃料熔渣存在，污染水的量就會(huì)不斷增加。因此，從應(yīng)對(duì)污染水的角度出發(fā)，推進(jìn)燃料熔渣的取出工作極為重要。

“（核反應(yīng)堆）退役雖是一座高峰，但我們已經(jīng)開(kāi)始看到前行的道路?！睂窘淌诒硎尽１M管還有許多問(wèn)題和挑戰(zhàn)難以在文章中一一說(shuō)明，但通過(guò)匯集多種先進(jìn)技術(shù)，退役進(jìn)程正穩(wěn)步推進(jìn)。福島第一核電站的退役工作對(duì)于震后重建的推進(jìn)至關(guān)重要。我們將繼續(xù)密切關(guān)注退役工作的進(jìn)展情況。

撰文/梶原洵子

翻譯/周晨光

責(zé)任編輯/閆凱

（感謝中國(guó)核電工程有限公司李漢辰高級(jí)工程師為本文的術(shù)語(yǔ)審核校對(duì)。）

燃料熔渣的大規(guī)模提取工作有哪些施工方法？退役工作現(xiàn)場(chǎng)誕生了哪些新技術(shù)？......還想了解更多關(guān)于福島第一核電站的退役現(xiàn)狀？歡迎閱讀《科學(xué)世界》2025年第5期！