切尔诺贝利的“象脚”是一团有毒的堆芯熔融物

乌克兰切尔诺贝利核电站核事故发生8个月后,进入受损的4号反应堆下方走廊的工人们发现了一个惊人的现象:从反应堆堆芯流出的黑色熔岩,就像是某种人造火山。其中一块坚硬的“石头”很像大象的脚,所以工作人员给它起了个绰号就叫“象脚”。通过传感器工人们发现,“象脚”具有很强的放射性,只要暴露在此辐射强度下5分钟就足以致命。从那时起,被称为熔岩状含燃料物质(LFCM)的“象脚”就一直是一种令人毛骨悚然的神秘物体。但它到底是什么组成的呢?

切尔诺贝利的“象脚”是什么?

因为象脚具有很强的放射性,当时的科学家们用一个放在轮子上的照相机来拍摄它,还有一些研究人员必须走得足够近,对它取样进行分析。他们发现,“象脚”并不是核燃料的残留物。

相反,核专家解释说,“象脚”是由一种名为“堆芯熔融物”的稀有物质组成的,这种物质是在核事故中,当核燃料和反应堆堆芯结构的部分过热熔化,形成混合物时产生的。历史上只有五次自然形成堆芯熔融物:1979年宾夕法尼亚州三里岛事故发生过一次,切尔诺贝利事故发生过一次, 2011年日本福岛第一核电站灾难发生过三次。

核电安全专家埃德温·莱曼(Edwin Lyman)在电子邮件中解释说:“如果堆芯熔融无法终止,那么最终熔化的物质将向下流动到反应堆容器的底部并熔化,然后向下扩散到安全壳的地板上,然后,热熔体将与安全壳的混凝土地板发生反应,再次改变熔体的成分。根据反应堆的类型,熔体可能扩散并将安全壳壁熔化,或继续通过地板熔化,最终渗入地下水(例如福岛核电站)。当熔体充分冷却时,它将硬化成坚硬的岩石状矿物。

资深核工程师米切尔·t·法默(Mitchell T. Farmer)在电子邮件中说,堆芯熔融物看起来“很像熔岩,是一种黑色的氧化物物质,在冷却时变得非常粘稠,像粘稠的熔融玻璃一样流动。”切尔诺贝利的“象脚”就是这样产生的。

什么是堆芯熔融物?

就像切尔诺贝利“象脚”一样的堆芯熔融物的成分是可以不断变化的。法默的团队在研究中模拟了核熔融事故,他说切尔诺贝利“象脚”里含有大量的玻璃,这是堆芯在熔融过程中侵蚀含有大量二氧化硅(SiO2)的混凝土所造成的,而含有大量二氧化硅的混凝土被称为硅质混凝土,切尔诺贝利核电站就是用这种混凝土建造的。

法默解释说,因为在堆芯熔化后,堆芯熔融物通常由构成堆芯的材料组成。除了混凝土,还有一部分是氧化铀燃料,包括锆合金的燃料涂层和不锈钢结构材料。

法默说:“这取决于何时重新供水来冷却堆芯熔融物,堆芯熔融物的成分会随时间变化。随着蒸汽蒸发,蒸汽可以与堆芯熔融物中的金属发生反应,产生氢气,你可以在福岛第一核电站的反应堆事故中看到这种影响。熔化物中被氧化的金属被转化为氧化物,导致成分发生变化。”

法默说,如果堆芯熔融物没有冷却,它将向下穿过反应堆容器,在这个过程中熔化更多的结构钢,这将导致其成分发生更多变化。他解释说:“堆芯熔融物最终会融化穿过钢制反应堆容器,掉到安全壳的混凝土地板上。福岛第一核电站的三个反应堆都发生了这种情况。”与堆芯熔化物接触的混凝土最终会升温并开始熔化。

法默解释说,一旦混凝土融化,混凝土的氧化物就会被引入熔融体中,从而导致混凝土的成分进一步演变。熔化的混凝土还会释放出蒸汽和二氧化碳,这些蒸汽和二氧化碳继续与熔化物中的金属发生反应,产生氢气(和一氧化碳),从而使熔化物的成分发生更多变化。

“象脚”有多危险?

“类似“象脚”的堆芯熔融物是极其危险的,”莱曼说,“一般来说,堆芯熔融物比未损坏的乏燃料危险得多,因为它处于一种潜在的不稳定状态,更难以处理、包装和储存。”

莱曼解释说:“由于堆芯熔融物保留了高度放射性的裂变产物、钚和已经具有放射性的堆芯材料,堆芯熔融物将具有高剂量率,并且在未来几十年甚至几个世纪内仍保持极其危险的状态。”

非常坚硬的固化堆芯,比如像“象脚”这样的堆芯,必须被分解,才能将其从受损的反应堆中移除。莱曼说:“但这会产生放射性尘埃,增加对工人和环境的危害。”

但更令人担忧的是,科学家们不知道堆芯熔融物在长期内会发生什么变化,比如当它被储存在核废料储存库中时。他们所知道的是,“象脚”的堆芯可能不像以前那么活跃了,它正在自己冷却,并将继续冷却。但它仍在融化,仍然具有很高的放射性。

2016年,新的安全隔离装置(NSC)用于切尔诺贝利,以防止核电站再次发生辐射泄漏。一个钢结构建在安全壳护罩内,用于支撑切尔诺贝利4号反应堆中腐烂的混凝土石棺。理想情况下,如果305/2号房间发生爆炸,NSC将帮助防止大量铀尘云扩散到空气中。305/2室位于4号反应堆堆芯正下方,自2016年以来一直显示出中子排放量增加的迹象。由于致命的辐射水平,人类完全无法接近。

对堆芯熔融物的研究

没人想再看到另一只“象脚”。法默的大部分职业生涯都花在了研究核事故和与堆芯熔融物联系上,以努力为核电站工作人员开发终止事故的方法:注入多少水,注入到哪里,以及多快的水可以冷却堆芯熔融物并稳定它。

法默说:“我们做大型实验,用真实的材料生产‘熔融物’,但我们使用电加热来模拟衰变热,而不是衰变热本身。”他解释说,这种模拟实验更容易做。

“我们的大部分工作都集中在研究不同熔芯成分在淬火和冷却熔芯时加水的效率。因此,我们正在进行事故缓解的研究。另一方面是事故预防,这是核工业的一个主要重点领域。”

作者:是柚子呀,如若转载,请注明出处:https://eozlab.com/zirankexue/huaxue/2081.html