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切尔诺贝利的今天:巨型穹顶覆盖反应堆残骸
2012-11-28 13:23:20   编辑:上方文Q   点击可以复制本篇文章的标题和链接
 
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1、“你能说这是安全的吗?”

1986年4月26日,两声巨大的爆炸撕裂了切尔诺贝利核电站的4号机组,将反应堆重达2000吨的巨大混凝土顶盖就像一枚硬币一样抛上了天空。反应堆核心炸裂而成的白热的碎片像雨点一样砸在了附近的建筑物上,将周围变成了一片炼狱一样燃烧着熊熊大火的炽热之地。之后,反应堆核心的残骸又燃烧了10天之久,将放射性相当于400颗当年投在广岛的原子弹的烟尘释放到了大气中。

令人感到不可思议的是,尽管这次灾难产生的放射性尘埃几乎污染了整整半个地球,给人类社会造成了巨大的影响,但是在去年的日本福岛核电站灾难发生之前,切尔诺贝利核灾难几乎已经被世界所遗忘,仅仅在很少的人的脑海中还残留着这起灾难的记忆。事实上,当福岛核电站灾难发生的时候,一些观察员正在试图使切尔诺贝利的幽灵复活——他们断言,反应堆的堆芯熔融是不可能发生的,但是我们现在知道,这一恐怖的场景在福岛核电站的3座反应堆中切实地发生了,由此产生的放射性污染物不仅污染了日本的部分地区,还进入了大海。

在切尔诺比利核事故和福岛核事故之间间隔了25年,但实际上,反应堆堆芯熔融发生的频率要比这个表面上的时间跨度频繁得多。在核电工业,安全性是用“堆年”来衡量的,一堆年的意思是一座反应堆运行一整年。以美国为例,美国核能管理委员会的安全目标是每1万堆年发生1起事故。

根据自然资源保护委员会的物理学家、顾问Thomas Cochran的计算,在世界范围内,轻水反应堆的装机总量已经达到了11500堆年并发生了5起“堆芯局部熔融”事故——在福岛核电站发生了3起,另外的两起则分别发生在三里岛核电站和前东德的格赖夫斯瓦尔德核电站。(切尔诺贝利核电站之所以未算在里面,是因为它采用的是已经过时的前苏联技术,今天只有极少的核电站还在使用类似的技术。)“从历史数据来看,有1%的轻水反应堆曾发生过堆芯局部熔融,”Cochran说,“这远远超过了1万堆年1起的要求。你还能说这是安全的吗?”

实际上,全世界核电站的实际事故发生概率是美国安全标准的5倍。假如全世界目前正在运行的353座轻水反应堆真的按照这个比例发生事故的话,那么平均每6年我们就能看到一起堆芯熔融事故。用历史的眼光来看,切尔诺贝利核事故并非仅仅是发生在“冷战”时期的一起特例,而是数量日渐增多的轻水反应堆所导致的一系列事故的起始,而我们直到现在才刚刚开始知道如何处理类似的事故。

2、“一所纸牌搭成的房子”

就在日本的急救人员不顾一切地试图稳定住福岛核电站过热的反应堆的时候,在半个世界之外,乌克兰的建筑工人开始了切尔诺贝利核电站废墟清理工作的一个新阶段:清理包裹着烧焦的4号机组残骸的钢筋混凝土“坟墓”周围被污染的土壤。这座被称为“石棺”的反应堆坟墓的设计寿命为15年,但是在超过设计寿命10年之后,它依然像一座中世纪的堡垒一样阴森地矗立在那里。

“这是一所纸牌搭成的房子。”负责石棺维护的防护推进计划(SIP)的资深技术顾问Eric Schmieman说。站在距离石棺只有几百米的SIP办公室的外面,Schmieman给我介绍了前苏联的工程师如何在6个月内匆忙将其拼凑在了一起。北面的墙采用的是砂浆混凝土结构,南边的墙里面则有钢板支撑着横梁,构成顶部的钢板完全是靠重力连接在一起的。“当时就没有一个人站在那里,指挥说往这边或者那边移动几十厘米。”Schmieman,“所有的工作都是靠起重机完成的。”

修建石棺总共使用了约36.7万立方米混凝土和7300吨钢铁,这些材料到今天还能结合在一起,几乎完全是靠摩擦力和运气。在前苏联工人完成石棺建设的时候,石棺的墙壁上布满了落地窗大小的孔洞。泄漏的水腐蚀了支撑横梁的钢板,西面的墙上裂开了一条大口子,鸟儿从裂缝中进进出出,将放射性污染物散布到其他地方。前苏联解体后,破败不堪的石棺移交给了乌克兰政府。那个时候石棺已经变得非常危险和不稳定了,而乌克兰政府却既没有资金,也没有技术能力对其进行维修。

1997年,七国集团同意设立一笔基金,对石棺进行彻底整修。他们授权SIP去执行几十个项目,包括堵住墙上的漏洞、更换顶部、保持西面的墙壁和通风层的稳定,以及安装监控设备等。对石棺进行维修最根本的目的是让它能被安全地拆除。所有项目中最费钱、也是SIP被授权的最后一个,是一个名为新安全护罩的项目。如果一切进展顺利,这个总投资13亿美元的穹顶将彻底把石棺与外界环境隔离。

作为新安全护罩项目概念设计团队的主要人员,Schmieman曾经在世界各地解决过各种棘手的工程问题。但是这个穹顶,他说,是他曾遇到过的最具挑战性的项目,无论是它的尺寸、它的作用,还是它的修建场地下面的危险性都是前所未有的。“这就好像是让工程师们穿越回古埃及时代,去修建金字塔。”

3、“灰尘是工作中最大的问题”

作为移动性最强、同时也是可吸入的放射性污染物,灰尘到今天依然是切尔诺贝利地区存在的威胁。每一栋建筑物都安装有放射性探测门,来探测人们的脚上或者手上是否有放射性尘埃。用拖把武装的妇女们每个小时都会拖一遍地,在穹顶的建筑现场附近巡逻的洒水车不断喷水,以防止尘土四处飘散。出于同样的原因,没有人会去照料那些在街道上徘徊的野猫和野狗,因为粘在它们的皮毛上的灰尘中含有大量具有放射性的铯-137、锶-90和钚-239

碘-131是另一种在核事故中产生的放射性同位素,它会与普通的碘一样积聚在甲状腺中,在几年后导致甲状腺癌的高发。幸运的是,碘-131只要几个星期的时间就会衰变,但是铯和锶—与对人体生理功能和健康的生态系统异常重要的钾和钙类似—会在土壤和水中,在动物和植物体内存在几十年之久。在被污染的地区,让盖革计数器发出快速嘀嗒声的放射性“地表辐射”,主要就是锶衰减的产物。

制造原子弹必需的钚,对于切尔诺贝利地区的放射性水平并没有太大贡献,但却是所有可吸入放射源中最致命的。“一旦它们进入你的体内,放射性污染物就可能给健康带来严重威胁。”SIP的生物医学主管Mark Fishburn警告说,“呼吸、摄入或者是注入体内—这是放射性污染物进入我们体内的主要方式。”

在熔融过程中,切尔诺贝利核电站核心的核燃料变成了温度足以烧穿1.2米厚钢筋混凝土防护层的岩浆状物质,继而又流入到地板下的蒸汽管道,在那里它们凝固成只有在科幻电影中才能看到的玻璃状黑色团状物。科学家们把这些团状物称为“核燃料覆盖物质”,也就是FCMs。今天,有大约200吨FCMs还埋在切尔诺贝利核电站4号机组的废墟下,它们也就是含有钚的“燃料粉尘”的来源。

每一年,石棺下的粉尘消除系统—一系列在顶层下可见的喷嘴—都会向4号机组残骸喷射化学固定剂,固定住松散的灰尘。4号机组残骸的绝大多数地方都是禁止进入的,但是我获准去参观控制室。在挤过一条黑暗、狭窄的走廊后,我发现自己站在了一个类似于《星际迷航》中场景的房间里。3台上面布满了黑色控制手柄的巨大控制台被放置在由灰色金属面板构成的半圆形墙里,除了几个吊在电缆下方的模拟仪表外,所有的设备都已经消失不见。一切都被包裹在一层由灰尘和已经凝固的红色固定剂形成的硬壳里面。尽管我身上穿着防辐射服,我的乌克兰向导仍然警告我不要触摸任何东西。“钚。”他拖着长音说。

对于石棺下墓穴一样的地方,科学家目前仅仅勘探了1/3。很多位于底部的房间内都充满了齐膝深的水,当它们蒸发的时候,会导致FCMs氧化并将微小的“燃料粉尘”释放到空气中。科学家估计,在石棺中大约含有33吨FCMs,这是一种每天都存在的危险,同时也是灾难的隐患。

“重力对这种微小的粒子影响有限。”Schmieman说,“它们漂浮在空气中,这是一个严重的问题。”一旦石棺崩塌,释放出的放射性尘埃云和残骸将是灾难性的。几千名在切尔诺贝利工作的工人受到的放射性辐射剂量大概是限制剂量的25倍。一旦SIP稳定住了石棺,它坍塌的可能性就会很小,但是灰尘依然会是严重的威胁。“每一件工作中最大的问题,”Schmieman说,“就是如何限制放射性尘埃四处飘散。”

4、“它要比那些东西复杂得多”

乌克兰政府曾经考虑从石棺的侧面钻一个孔,获取FCMs,但是工程师们明智地断言,由于石棺过于不稳定,这种做法是极其危险的。惟一将FCMs取出而又不让石棺坍塌的方法,就是在受控的环境下将石棺一块一块地拆除,而新安全护罩的穹顶正是要提供这种受控的环境。

穹顶完工的截止日期是今年4月,但是,获得了这一建造合同的法国Novarka集团近期才刚刚完成了大面积的地面准备工作,最新的截止日期被定在了2015年12月。SIP的的常务董事Laurin Dodd认为,这个日期仍然“过于雄心勃勃了”。从挂在他办公室墙上的电脑渲染图上看,穹顶就像是一座巨型半圆形活动房屋,宽274米、长146米、高105米,足以装下一座体育馆和自由女神像。“人们很容易将它想象成一座巨大的谷仓或者是其他什么东西。”Dodd说,“但实际上,它要比那些东西复杂得多得多。”

当年,前苏联工程师使用标准的建筑起重机建起了石棺。现在,为了拆除它,乌克兰工程师将会使用定制的、通过缆索网悬挂在穹顶上的桁架起重系统。在足球赛场,电视台利用类似的技术控制摄像机在球场上方移动。穹顶上的起重系统同样也会装备有摄像机。除了操纵臂之外,还会有两台50吨升降机、一部钻机、一部液压剪和一台10吨的真空吸尘器。建成后,操作人员将能够安全地在带有防护的控制室内,将石棺的顶部揭开—穹顶也是世界上处理放射性材料的最大的手套箱。

最大的工程挑战在于,设计一套能循环将近20万立方米空气、同时又不会让燃料粉尘飘起的通风系统。与此同时,空气的移动速度还必须足够快,以防止在穹顶内部形成雨云,让它的钢铁骨架生锈。Schmieman进行了模拟,在一套为全球气候研究和工业无尘室研究专门订制的软件上进行了“几百万几百万次的计算”。他不断改变空气的速度并改变气流流动的方式,直至在湿度控制和每一颗灰尘都会停留在地面的速度之间获得了微妙的平衡。

但是,整个项目中堪称天才构想的地方并不是穹顶的设计,而是选择在石棺以西不到300米处一个放射性较小的地方进行穹顶建造。其他公司的方案都是在石棺上方直接建造一个密封结构,但是石棺的上方放射性是相当强的,而更强的放射性意味着工人只能工作很短的时间,这就意味着需要更多的工人和更高的成本。而根据现在的方案,穹顶在建成后将会通过两根固定在巨大的混凝土“地面梁”上的不锈钢轨道,滑到石棺的上方。“一旦实现,穹顶将会是地球上最大的可移动结构。”

切尔诺贝利的今天:巨型穹顶覆盖反应堆残骸
巨变:事故发生后,曾经一尘不染的切尔诺贝利核电站四号机组控制室已经掩埋在了放射性尘土中25年。

切尔诺贝利的今天:巨型穹顶覆盖反应堆残骸
地面控制:工人们正在修建世界上最大的可移动结构的地基。建成后,这个被称为”穹顶“的结构将会向东移动约300米,覆盖在切尔诺贝利核电站4号机组残骸的上方。

切尔诺贝利的今天:巨型穹顶覆盖反应堆残骸
有毒的残骸:当年修建切尔诺贝利核电站4号机组是非常困难的,今天要把他拆除则要更加困难。

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