科学家将用介子探测器寻找泄漏核燃料

物理学家计划使用介子探测器来定位福岛核电站泄漏的燃料。

资料来源:ISSEI KATO

四年前，在大地震和海啸中受损的日本福岛第一核电站，在工程师能够移除反应堆中的核燃料之前，可能不会真正安全。但是首先，他们必须能够找到这些燃料。一种新的方法是标记爆炸事故中泄漏的铀的分散位置。两组物理学家计划捕捉从反应堆碎片中喷涌而出的介子，这些碎片从高层大气中大量落下，从而获得x光图像，以便能够准确地发现铀。

经营核电站的东京电力公司认为，在福岛地震损坏了反应堆的冷却系统后，1号反应堆的大部分燃料被熔化了。堆芯的反应堆压力容器被熔化，落到容器底部，甚至混凝土底部。2号和3号反应堆部分熔化，一些燃料可能还在容器里。为了设计一种有效的方法来安全地移除燃料，工程师需要更多关于燃料位置和条件的详细信息。对于那些冒险寻找燃料的工人来说，工厂里的辐射水平太高了。即使使用系留机器人探测反应堆内部，操作人员也需要进入高辐射区。

与此同时，宇宙射线撞击高层大气产生的无数介子正在流入反应堆。每分钟，地球表面都会受到每平方米大约10，000个这样微小颗粒的撞击。此外，它们中的大多数可以不受干扰地流过固体物质。然而，根据材料的密度和厚度，会吸收或反射少量的光。20世纪50年代，物理学家首次利用这一现象来研究澳大利亚地下水电设备的地质条件。20世纪60年代，科学家使用相关方法发现埃及的哈法拉金字塔中没有隐藏的密室。

几十年后，日本KEK介子物理学家菅内田永明(Kanetada Nagamine)说，探测器可以捕捉在宇宙射线碰撞中被抛到一边的介子。他建议将这些介子用于监测火山中的岩浆通道，并加强地震预测。他还看到了介子图像在核灾难地区的潜力。

1986年，在乌克兰切尔诺贝利核电站反应堆爆炸后，那加明提出建立介子探测器来绘制受损燃料的位置，但当时苏联*没有采纳这个想法。2011年3月11日，一场9级地震和海啸袭击了日本，造成了历史上第二大核灾难，长明已经准备好了。事故发生几天后，他向总干事KEK提交了一份利用介子图像调查福岛反应堆的提案。Nagamine的校友、新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室的成员Haruo Miyadera也提出了同样的建议。然而，他们设计的治疗方法是不同的。

KEK的策略是在反应堆的侧面放置一个闪烁探测器:一个塑料棒，当带电粒子撞击时会发光。研究小组计划根据介子通过的物质密度来标记介子的吸收。铀比钢或混凝土密度大，所以它给介子投下了更深的阴影，这使得团队能够判断建筑物和反应堆容器中的燃料残留物。

领导该项目的KEK物理学家高崎文彦(Fumihiko Takasaki)表示，该团队已经在其他核电站测试了该策略，这里的工作人员“没有提供任何燃料位置信息”。这些探测器发现了燃料，结果显示这些从堆芯到冷却池的物质有足够的分辨率找到第二组乏燃料棒。

上个月，TEPCO在受损的1号反应堆旁安装了两个KEK制造的探测器。高崎说，到3月底，这些探测器可能会吸收足够的介子，以确保反应堆核心没有剩余燃料。然而，这些放置在反应堆外地面上的探测器将无法探测到可能流到地下室保护壳底部的燃料。这需要正在开发的机器人的帮助。

在2号和3号反应堆中，燃料可能分散在堆芯位置、压力容器和保护壳中。为了克服相关的困难，TEPCO向洛斯阿拉莫斯团队寻求帮助。这里对介子探测器的研究始于20世纪90年代，当时物理学家克里斯多夫·莫利斯和他的同事致力于寻找探测核武器的非侵入性方法。介子探测图像可以揭示这些粒子是如何被物质中的原子核扭曲的。偏转角度取决于原子核中质子的数量，以确定介子穿过的元素和爆炸的位置。

这项技术已经商业化，并被用于扫描货物集装箱和卡车，寻找非法运输的核材料。"这些探测器可以在一分钟内探测到20公斤的铀。"莫里斯说。该团队在实验反应堆中测试了他们的技术，以确认该技术适用于福岛核电站，但他们面临一个百年老问题:在2号反应堆中安装一个7米乘7米的巨型探测器。"如何在辐射区的反应堆附近安装这些探测器？"莫里斯问道。宫田说，为福岛核电站提供六个反应堆中的两个的东芝集团正在建造探测器，并将在年底前安装。

KEK和洛斯阿拉莫斯-东芝团队都得到了国际核关闭研究所的支持，并由东京电力公司、东芝和其他公共和私营机构共同创建，旨在开发清除福岛核辐射残留物的新技术。该机构没有具体说明介子成像的成本。但有一点是肯定的:与设计清除计划和技术的成本相比，标记福岛铀残留物的成本微不足道。东电表示，有关核电站的关闭可能需要30至40年时间，耗资至少80亿美元。(张张)

中国科学新闻(2015-04-02第三版国际版)

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