讓福島真正安全：用介子探測器尋找泄漏核燃料

　　4年前，在大地震和海嘯中被損毀的日本福島第一核電站，可能不會真正安全，直到工程師能夠將反應堆中的核燃料移走。但首先，他們必須能夠找到這些燃料。一個新方法是標注出爆炸事故泄漏的鈾的分散位置。兩組物理學家計劃捕捉從高層大氣中大量落下的從反應堆殘骸里涌出的介子，從而得到X射線狀的圖像以便能夠精確地找到鈾。

　　經營該核電站的東京電力公司則認為，在福島大地震破壞了反應堆的冷卻系統后，1號反應堆的大部分燃料被熔毀。核心位置的反應堆壓力容器被熔穿，掉落到容器底部，甚至到了混凝土底層。2號和3號反應堆局部熔毀，而一些燃料可能還在容器內。為了設計出有效方法安全地移出燃料，工程師需要更多有關其位置和條件的詳細信息。對于那些冒險尋找燃料的工人而言，廠房內的輻射水平過高。即便使用系索的機器人設備探查反應堆內部情況，也需要操作者進入高輻射區域。

　　同時，宇宙射線撞擊高層大氣產生的無數介子正在流入反應堆內部。每分鐘，地球表面每平方米約被1萬個這種微小粒子撞擊。而且，大部分能不受干擾地流經固體物質。但也有少量按照物質的密度和厚度被吸收或反射，上世紀50年代，物理學家首次將該現象用于研究澳大利亞地下水電設備的地質情況，上世紀60年代，科學家使用相關方法發現埃及哈夫拉金字塔內沒有隱藏的密室。

　　數十年后，日本高能加速器研究組織（KEK）介子物理學家Kanetada Nagamine表示，探測器能夠捕捉在宇宙射線碰撞中噴向一旁的介子。他建議，這些介子將被用于監測火山內的巖漿通道，加強地震預報。他還看到了介子圖像在核災區的潛力。

　　1986年，烏克蘭切爾諾貝利核電站反應堆爆炸后，Nagamine就提出設置介子探測器繪制受損燃料的位置，但當時的蘇聯政府并未采納該意見。2011年3月11日，9級地震和大海嘯襲擊日本，發生了有史以來第二次最嚴重的核災難，而Nagamine已經作好了準備。事故發生幾天后，他向KEK總干事提交了一份建議，提出使用介子圖像調查福島反應器。Nagamine 的校友、當時供職于美國新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室的Haruo Miyadera也提出了相同的建議。但他們設計的處理方法有所不同。

　　而KEK的策略是在反應堆的側翼放置閃爍體探測器堆：塑料制成的棒狀體，當帶電粒子撞擊時會發光。該研究團隊計劃標注介子的吸收情況，這取決于其通過的材料密度。鈾的密度比鋼或混凝土更大，因此會投下更深的介子陰影，這就使得該團隊得以判斷建筑物和反應堆容器內的燃料殘留。

　　領銜該項目的KEK 物理學家Fumihiko Takasaki表示，該團隊在其他核電站中測試了該策略，這里的工作人員“不提供任何燃料位置信息”。這些探測器發現了燃料，結果顯示這些物質從核心一直到冷卻池，其分辨率足以發現第二簇乏燃料棒。

　　上個月，東京電力公司在遭到破壞的1號反應堆旁邊安裝了兩個KEK建造的探測器。Takasaki表示，到3月底，這些探測器可能吸收足夠的介子，以確保反應堆核心部分沒有殘余燃料。但這些放置在反應堆外部地面上的探測器，將無法探測到那些可能流到位于地下室保護殼底部的燃料。這將需要正在研發中的機器人的幫助。

　　在2號和3號反應堆，燃料可能分散在核心位置、壓力容器和保護殼里。為了克服相關困難，東京電力公司向洛斯阿拉莫斯團隊求助。這里的介子探測器研究始于上世紀90年代，當時物理學家Christopher Morris及其同事致力于尋找非侵入的方式檢測核武器。介子探測的圖像能揭示這些粒子如何被物質中的原子核打歪。而偏轉角依賴于原子核內質子的數量，確定介子掠過的元素以及爆炸的位置。

　　該技術已經商業化，用于掃描貨物集裝箱和卡車是否非法運載核物質。“這些探測器能在1分鐘內探測出20千克鈾。”Morris說。該團隊在實驗反應堆里檢測了他們的技術，以證實它將適用于福島核電站，但他們面臨一個世紀問題：在2號反應堆中安裝7米乘7米的巨大探測器。“如何在輻射區域內將這些探測器安裝在這些反應堆附近？”Morris問。Miyadera說，提供了福島核電站六個反應堆中的兩個的東芝集團，正在建造這些探測器并將在年底安裝。

　　KEK和洛斯阿拉莫斯—東芝團隊都是由核停運國際研究所支持，并由東京電力公司、東芝和其他公私機構聯合創立，旨在開發用于福島核輻射殘留的清除工作的新技術。該機構沒有指明介子成像工作的成本如何。但有一件事情是肯定的：標注福島鈾殘留所花費的資金，與設計移除它們的計劃和技術所需要的經費相比微不足道。東京電力公司表示，相關核電站關停工作可能需要30到40年，至少耗資80億美元。