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14周年。2024年11月，研究團(tuán)隊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的放射性物質(zhì)，這些熔渣的提取成為福島核電站退役過程中最具挑戰(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性取出，意味著什么？退役工作將會如何推進(jìn)？請關(guān)注我們帶來的最新消息。

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號機開展了一項關(guān)鍵工作，這項工作對后續(xù)退役工作的開展至關(guān)重要，即進(jìn)行了“燃料熔渣的試驗性取出”。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。為了推動碎屑的取出進(jìn)程，本次工作的目標(biāo)是試驗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號機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，工作人員通過安全殼側(cè)下方的作業(yè)用貫通孔（見下圖）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，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。整個操作過程大約耗時兩個半小時。

 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專門用于密封存儲放射性物質(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輸箱，并將其放入另一個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號機燃料熔渣的試驗性取出首次成功。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

從這個作業(yè)的步驟來看，可以明顯感受到工作進(jìn)行得非常謹(jǐn)慎。無論是機器人還是機械設(shè)備的遠(yuǎn)程操作，在太空等眾多場合都已廣泛應(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，無非是機器人損壞，但是如果在核電站失敗，錯誤地在墻壁上開洞，就可能導(dǎo)致放射性物質(zhì)泄漏。因為要防止放射性物質(zhì)泄漏到周圍環(huán)境，使用機器人進(jìn)行操作確實非常困難?！?/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)場操作。限制操作員在現(xiàn)場的工作時間是導(dǎo)致作業(yè)耗時的一個重要原因?！艾F(xiàn)在，人們在建筑物內(nèi)的工作時間已經(jīng)從之前的5～10分鐘增加到每天2小時。這一工作時間的延長是通過去污作業(yè)有效降低輻射水平實現(xiàn)的?！睂窘淌谌绱吮硎?。

首先，最重要的是發(fā)生事故的核電站內(nèi)部是一個未知空間。在事故發(fā)生時，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，它們變成了什么形狀，轉(zhuǎn)變成了什么組成。此外，還有一個問題是，那些仍然保留下來的構(gòu)筑物，它們的強度有多大?？梢猿惺芏啻笾亓康臋C械和機器人在其中移動而不損壞周圍環(huán)境？哪些電子設(shè)備能夠在強烈的輻照等惡劣環(huán)境下正常工作。這些問題中，還有許多是未知的。此外，如果機器人在核電站內(nèi)部因強烈輻射而損壞，那么它將無法被修復(fù)。

 燃料熔渣的試驗性取出成功 

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

3  利用核裂變的核能發(fā)電機制

核電站利用反應(yīng)堆中鈾原子核的分裂（即核裂變）過程產(chǎn)生的熱量來加熱水，生成蒸汽。這些蒸汽產(chǎn)生的動力會驅(qū)動渦輪發(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的含量僅為0.7%。利用六氟化鈾（UF6）氣體中鈾235與鈾238的分子量差異，在高速離心機中通過慣性離心力實現(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個中子和92個質(zhì)子。當(dāng)一個中子撞到鈾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)原子核分裂成多個小原子核，這個過程稱作核裂變。核電站正是利用這種核裂變過程中釋放出的巨大熱能來發(fā)電。

一個原子核在發(fā)生單次核裂變過程中，平均會釋放出2～3個中子，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，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)，才能實現(xiàn)發(fā)電。

鈾235的核裂變會產(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)，它們會釋放出強烈的輻射。這些物質(zhì)極其危險。

核電站內(nèi)部配備了運行所需的各種設(shè)備。核裂變停止后，乏燃料（使用過的核燃料）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)期間正在運行的1～3號機的反應(yīng)堆通過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，燃料還是會持續(xù)產(chǎn)生熱量。雖然嘗試通過外部注水來進(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。這場事故成為繼1979年美國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號機和3號機中，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號機避免了氫氣爆炸，是因為1號機氫氣爆炸的沖擊，導(dǎo)致廠房上部的部分面板打開，氫氣泄漏至外部。4號機正在進(jìn)行定期檢查，壓力容器內(nèi)沒有燃料，但是從3號機產(chǎn)生的氫氣通過管道等途徑流入，也發(fā)生了氫氣爆炸，導(dǎo)致廠房受損。

 2號機的安全殼內(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，動作極為謹(jǐn)慎。

此外，理論上碎屑存在重返臨界的風(fēng)險。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，也會自動終止。但是，由于無法證明絕對不會發(fā)生重返臨界，因此存在一定的風(fēng)險。

5  即使只有0.7克，也不影響分析

2號機將多次進(jìn)行試驗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)時壓力容器和安全殼內(nèi)部的情況，同時為未來退役工作的施工方法、安全措施以及燃料熔渣的儲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，雖然這個質(zhì)量低于最初的預(yù)期，但依然能夠進(jìn)行分析?！拔覀冇媱澙媚軌蛴^察到1/1000毫米精度的電子顯微鏡對這些碎屑進(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值的信息?！睂窘淌谧隽苏f明。

雖然涉及不同領(lǐng)域，但日本航天局（JAXA）的小行星探測器“隼鳥”號從小行星絲川帶回的微?？偭窟_(dá)數(shù)十毫克，這些微粒大多數(shù)的直徑不超過100微米。通過分析這些微粒，我們已經(jīng)開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，在燃料熔渣熔化過程中，它帶入了周圍的金屬和混凝土等物質(zhì)。因此，研究人員認(rèn)為不同位置混入的物質(zhì)會有所區(qū)別。這就是為什么從多個地點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，我們就能開始調(diào)查更多事情?！?/p>

據(jù)估計，福島第一核電站從1號機到3號機剩余的燃料熔渣總計達(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，最近開始全面考慮3號機大規(guī)模提取過程，為了取出堆積如山的碎屑，正考慮采用一種與2號機試驗性取出截然不同的方法。然而，試驗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)行的機器遠(yuǎn)程操作等經(jīng)驗，都將為未來的退役工作提供寶貴的幫助。

6  乏燃料和污染水問題的現(xiàn)狀

在進(jìn)行碎屑的試驗性取出和討論策略的同時，乏燃料的取出和污染水對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指出，已經(jīng)確定取出方法，盡管過程耗時，但他相信將會穩(wěn)步推進(jìn)。

為了從1號機取出乏燃料，必須先清理屋頂?shù)娜墼?。為防止清理過程中放射性物質(zhì)擴散，人們正在對1號機的整個反應(yīng)堆廠房施加一個大型罩，預(yù)計該大型罩將于2025年夏季完工。針對2號機，計劃在乏燃料池旁的墻面增設(shè)一個外部房間，以便在2024～2026年度開始進(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號機和6號機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)堆廠房等處也會產(chǎn)生污染水。盡管在1～4號機組周圍地下安裝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，污染水的量就會不斷增加。因此，從應(yīng)對污染水的角度出發(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)開始看到前行的道路。”岡本教授表示。盡管還有許多問題和挑戰(zhàn)難以在文章中一一說明，但通過匯集多種先進(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

（感謝中國核電工程有限公司李漢辰高級工程師為本文的術(shù)語審核校對。）

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