申泮文：中國科學(xué)院院士、無機(jī)化學(xué)家和化學(xué)教育家、南開大學(xué)教授。
自日本9.0級大地震誘發(fā)福島核電站危機(jī)以來，核泄漏、核輻射、核安全、核恐慌……眾多以“核”為關(guān)鍵詞的討論聲浪，在人們心中卷起層層陰云，乃至流言四起，甚而有人擔(dān)心起毀滅性的核爆炸。
借用日本作家村上春樹作品《當(dāng)我談跑步時(shí)，我談些什么》的書名，我們不妨自我發(fā)問，當(dāng)我們談?wù)摗昂恕睍r(shí)，我們究竟談些什么？原子核，對大多數(shù)人而言，依然既熟悉又陌生。
日前，南開大學(xué)舉辦科普講座，院士專家先后登臺為學(xué)子和公眾“科普解惑”。
95歲高齡的中國科學(xué)院院士、南開大學(xué)教授申泮文登上講壇，以“核輻射離我們有多遠(yuǎn)”為主題，以化學(xué)家的眼光和視角，深入淺出地介紹核知識，并解析福島核電站危機(jī)中的重重疑云，以期揭開包裹在“核”之上的神秘面紗。
細(xì)說核裂變：微小反應(yīng)的龐大效應(yīng)
申泮文從原子核裂變反應(yīng)所需的基本元素鈾說起。鈾是元素周期表中第92號元素，意味著鈾原子核內(nèi)有92個(gè)質(zhì)子。這個(gè)在自然界中能找到的最重元素，天然存在著三種同位素，占0.0056%的鈾-234，0.718%的鈾-235以及99.27%鈾-238。
第二次世界大戰(zhàn)之前，在德國工作的奧地利女科學(xué)家邁特納與其老師奧托·哈恩等人發(fā)現(xiàn)了原子核裂變反應(yīng)，其中包括鈾-235與一個(gè)中子相撞之后裂變?yōu)閮蓚€(gè)原子的現(xiàn)象。
鈾-235發(fā)生裂變，必須吸收一個(gè)運(yùn)動速度較慢的中子，讓它慢慢地“溜”到原子核中。生成的鈾-236不穩(wěn)定，立刻就分裂成兩個(gè)原子。92號元素鈾的分裂過程中，包含幾個(gè)重大問題。
首先，鈾-235分裂成質(zhì)子數(shù)之和為92的兩個(gè)原子，變成兩種元素。例如，可以分裂成鋇（Ba，質(zhì)子數(shù)56）和氪（Kr，質(zhì)子數(shù)36）；氙（Xe， 質(zhì)子數(shù)54）和鍶（Sr，質(zhì)子數(shù)38）；銻（Sb，質(zhì)子數(shù)51）和鈮（Nb，質(zhì)子數(shù)41）；碘（I，質(zhì)子數(shù)53）和釔（Y，質(zhì)子數(shù)39）等等。而這些元素的同位素，通常具有放射性，有的放射壽命很長，有的則較短。媒體中提到的碘-131，就是裂變之后產(chǎn)生的一種放射性很強(qiáng)的碘同位素，會對人體造成放射性污染。
其次，裂變產(chǎn)生的兩個(gè)新原子核，其質(zhì)量之和少于原來鈾-235的原子核質(zhì)量，質(zhì)量虧損將轉(zhuǎn)變?yōu)榫薮蟮哪芰?。依照愛因斯坦的質(zhì)能方程，其產(chǎn)生的能量相當(dāng)于化學(xué)反應(yīng)熱的百萬倍。由此，“裂變能”成為原子彈的基礎(chǔ)，也是原子能裂變反應(yīng)堆放熱的依據(jù)。
同時(shí)，在裂變反應(yīng)中會產(chǎn)生2到3個(gè)多余中子，經(jīng)過一定控制，將其速度減慢后則又可以“鉆進(jìn)”鈾-235原子核中。這樣一來，就將引發(fā)原子核分裂的“鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”，又叫“雪崩式反應(yīng)”。這同樣是原子彈所必需的條件。而對核電站而言，則需要控制中子，用控制材料“吃掉”中子以減少“鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的熱量，這是原子能反應(yīng)堆的基本原理。
除此之外，核裂變反應(yīng)中會產(chǎn)生輻射，為了不讓放射性裂變材料飛逸出來造成污染，因此核電站的整個(gè)反應(yīng)堆都必須密閉。
申泮文在講座中提到，他對原子核裂變反應(yīng)的關(guān)注，始于1945年8月美軍在日本上空投下的兩顆原子彈。
原子彈的威力震驚了整個(gè)世界。因核裂變反應(yīng)的發(fā)現(xiàn)對人類產(chǎn)生了重大影響，諾貝爾評獎(jiǎng)委員會在1945年11月15日宣布，將1944年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予德國放射化學(xué)家和物理學(xué)家哈恩，而猶太人邁特納則未獲提名。申泮文介紹說，科學(xué)界沒有忘記邁特納，1994年，國際純粹化學(xué)與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會通過決議，將第109號元素命名為Meitnerium，以紀(jì)念核物理學(xué)家邁特納。
拆解核電站：控制系統(tǒng)是要害
二戰(zhàn)結(jié)束之后，各國漸次開始對原子能和平利用的探索研究。利用核裂變能量發(fā)電，是迄今最為重要的利用方式。申泮文打開一張“壓水型原子裂變堆示意圖”，解釋核電站的核心結(jié)構(gòu)部件及其運(yùn)行原理。
由安全殼包裹的燃料棒、控制棒、重水、冷凝器、水泵、蒸汽與冷熱水循環(huán)系統(tǒng)等，構(gòu)成反應(yīng)堆的“核島”。
熔點(diǎn)高達(dá)2800攝氏度的二氧化鈾經(jīng)高溫、高壓熔接形成鈾棒，作為核反應(yīng)堆的燃料棒。其中所含鈾-235是經(jīng)離心機(jī)等裝置特別提煉濃縮而成，二氧化鈾僅占到整個(gè)鈾燃料棒的3%到4%。鈾-235發(fā)生核裂變反應(yīng)，產(chǎn)生核電站發(fā)電所需熱量。
在反應(yīng)堆中，控制棒是“吃”中子的材料，通常由金屬鎘或者硼的合金制成，通過對中子的吸收來控制核裂變“鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”的速度，從而穩(wěn)定釋放“裂變能”。在福島核電站危機(jī)發(fā)生后，日本方面通過直升機(jī)向反應(yīng)堆噴水的同時(shí)噴撒硼酸，正是試圖用硼自然吸收中子。
核裂變產(chǎn)生的能量需要被水吸收，從而轉(zhuǎn)化為水蒸氣攜帶的熱能。由此，燃料棒、控制棒和水，均被耐高壓材料金屬鋯制成的外殼，密封在反應(yīng)堆“核芯”內(nèi)。這樣構(gòu)成的一個(gè)“鍋爐”，需要由控制棒操縱機(jī)將水蒸氣溫度保持在300攝氏度，實(shí)現(xiàn)自動定溫控制。另一方面，300攝氏度的水蒸氣在密閉殼內(nèi)產(chǎn)生的壓強(qiáng)將接近86個(gè)大氣壓，這成為反應(yīng)堆的風(fēng)險(xiǎn)之一。
“壓水堆”類型的核反應(yīng)堆，水在其中充當(dāng)傳熱介質(zhì)以外，還有一個(gè)重要作用是作為中子的“減速劑”。中子與水中的氫原子質(zhì)量相當(dāng)，二者在碰撞中可以使得中子變慢，進(jìn)而得以被鈾-235吸收持續(xù)發(fā)生鏈?zhǔn)胶肆炎儭?/div>
在自成體系的反應(yīng)堆“核芯”之外，則是一整套由水泵控制的水循環(huán)系統(tǒng)，通過熱量交換最終帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。水經(jīng)過熱交換器和冷凝器等裝置，循環(huán)往復(fù)帶走反應(yīng)堆中不斷產(chǎn)生的“裂變能”。
至此，控制棒在整個(gè)系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。核裂變反應(yīng)增多導(dǎo)致溫度升高時(shí)，控制棒自動伸入燃料棒之間吸收中子；而當(dāng)溫度降低，控制棒則自動拉出，以增多核裂變反應(yīng)的發(fā)生。
申泮文說，在整個(gè)核反應(yīng)堆系統(tǒng)中，放射性物質(zhì)都被滯留在封閉安全殼內(nèi)，所以核科學(xué)技術(shù)專家認(rèn)為核能為清潔能源是正確的。
隨后，申泮文指出整個(gè)核電站的體系中，存在著三個(gè)要害部位。
首當(dāng)其沖的要害，是控制棒的自動控制系統(tǒng)。如果無法操縱控制棒，中子會不斷“繁衍”，不斷的核裂變反應(yīng)就會持續(xù)生成熱量。所以，控制棒是反應(yīng)堆的“心臟”。
其次，熱量交換過程中，循環(huán)系統(tǒng)的兩個(gè)水泵也是整個(gè)系統(tǒng)的要害。申泮文形象地比喻到，如果兩個(gè)水泵停止工作，那就相當(dāng)于人的“腸梗阻”，不能把熱量載運(yùn)出來，那就麻煩了。
分析核危機(jī)：灑水擋不住“中子造反”
申泮文指出，核電站能否安全運(yùn)行有三個(gè)方面的問題，一是科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)是否正確，二是規(guī)章制度是否嚴(yán)密，三是管理是否合理。而在危機(jī)發(fā)生之時(shí)，則需要找準(zhǔn)并及時(shí)撲救關(guān)鍵險(xiǎn)情，以防止災(zāi)難的發(fā)生。
申泮文分析說，地震發(fā)生之后福島市的電網(wǎng)癱瘓是引發(fā)核電站危機(jī)的第一因素。反應(yīng)堆控制棒的自動操控系統(tǒng)和水泵，都要依靠電力帶動，而地震引發(fā)停電之后，核電站的備用電機(jī)據(jù)稱均被海嘯沖毀。直至地震發(fā)生后的第九天，才最終接通電纜。
核電站反應(yīng)堆不斷升高的溫度，表明控制系統(tǒng)確實(shí)完全“失控”。中子在不斷“繁衍”，鈾-235的核裂變反應(yīng)也在不斷進(jìn)行；而另一方面，水循環(huán)系統(tǒng)遭到破壞，使得熱量無法從“核芯”中被帶出。
在這種情況下，申泮文指出最緊要的就是讓中子“繁衍”停止下來。對于因停電而無法運(yùn)轉(zhuǎn)的自動設(shè)備，申泮文認(rèn)為“凡是自動化的東西，都應(yīng)該有手動部分”，應(yīng)該想辦法手動解決控制棒的操縱，從而讓中子不再生成。
因停電導(dǎo)致的水泵無法工作則是另一個(gè)關(guān)鍵問題，這使得整個(gè)核電站的冷卻系統(tǒng)失靈，無法將冷水注入循環(huán)系統(tǒng)?！捌鋵?shí)可以用柴油發(fā)動機(jī)帶動馬達(dá)，嘗試把冷水打進(jìn)去?！鄙赉恼f，如果這個(gè)方法也無法實(shí)現(xiàn)，則說明在設(shè)計(jì)上存在缺陷。
在申泮文看來，福島的核危機(jī)持續(xù)很久未能解決，暴露出了很多技術(shù)問題和管理問題。他認(rèn)為用飛機(jī)灑水等方式來處理，是不能解決“中子在里面造反的”。
而對于發(fā)生氫氣爆炸的原因，申泮文根據(jù)自己掌握的有限資料分析認(rèn)為，從化學(xué)角度講，隨著溫度的不斷升高，1000攝氏度以上的水，就會自發(fā)分解為氫和氧。加之金屬氧化物和鋯殼的催化作用，也降低了水的分解溫度。同時(shí)，密封殼內(nèi)的壓力隨溫度升高而不斷增強(qiáng)，因此有可能安全殼被爆出了一個(gè)小口，氫氣隨之外泄，在降溫過程中與氧氣自發(fā)結(jié)合便會產(chǎn)生爆炸。
點(diǎn)評核恐慌：切勿“庸人自擾”
隨著福島核電站幾臺機(jī)組先后傳出爆炸聲，人們對發(fā)生核泄漏的擔(dān)憂也不斷加重。恐慌情緒的蔓延，讓部分地區(qū)公眾出現(xiàn)搶購碘片、碘酒、碘鹽等行為。
針對吃碘片可以防輻射的說法，申泮文強(qiáng)調(diào)這并不完全正確。爭搶碘片、碘鹽等含碘商品的邏輯是，人的甲狀腺需要碘，為了防止核裂變后產(chǎn)生的碘-131這種放射性碘被人體吸收進(jìn)入甲狀腺中成為一個(gè)放射源，因此，可以服用碘片使得甲狀腺中的碘達(dá)到飽和，飽和之后，放射性的碘-131就無法進(jìn)入人體。
500克食鹽中僅有15毫克碘化合物，要想通過吃鹽的方式讓甲狀腺中的碘得到飽和，則需要吃6公斤鹽?！捌鋵?shí)海水中的海帶、魚蝦等水生生物都有碘，甚至海風(fēng)中也有碘。平常的食物、空氣、土壤中也都含碘。”申泮文表示，我們?nèi)梭w內(nèi)并不缺碘。
申泮文強(qiáng)調(diào)說，碘僅僅是核裂變產(chǎn)生的眾多放射性元素中的一個(gè)，還有鍶和鋇等其他元素同樣具有放射性，如果被人體呼吸進(jìn)入身體，有可能附著在骨頭中成為放射源，如此一來造成的傷害將會更為嚴(yán)重。
對于人們因日本核危機(jī)產(chǎn)生的恐慌，申泮文希望大家放心，切勿“庸人自擾”。
他呼吁大家以此為鑒，希望我們的核電站從此次日本核危機(jī)中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，聯(lián)合專家一起研究分析真正的問題根源，并及早采取防御措施，避免將來犯同樣錯(cuò)誤。
申泮文在講座最后表示，因?yàn)楦u核電站的很多實(shí)際情況尚不明朗，他只希望個(gè)人的分析能夠與大家交換意見，以使此次事件為我們的核電站發(fā)展留下鏡鑒。
（本稿件未經(jīng)申泮文本人審核，郝俊/整理）
《科學(xué)時(shí)報(bào)》 (2011-3-29 B4 視點(diǎn))
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