科学家将用介子探测器寻找泄漏核燃料
时间:2017-12-07

  科学家们使用介子探测器来发现泄漏的核燃料 - News - Science Net

  四年前,日本的福岛第一核电站在一次大地震和海啸中受损,可能不是真正安全的,直到工程师可以从反应堆中移走核燃料,但首先必须能够找到燃料。方法是在发生爆炸的情况下将铀的分散位置标记出来,两组物理学家计划捕获从反应堆残骸喷出的钚,这些钚从高层大气中沉淀下来,形成一个类似于X射线的图像,使得铀可以准确找到。

  经营该工厂的东京电力公司认为,在福岛地震破坏了反应堆的冷却系统之后,福岛的大部分燃料都被熔毁了。堆芯处的反应堆压力容器熔化后,落到船底,甚至到达混凝土地面。 2号和3号反应堆已部分熔化,部分燃料可能仍在容器中。为了设计一种有效的安全去除燃料的方法,工程师需要更详细的信息来了解他们的位置和条件。对于冒险找工作的工人来说,工厂的辐射水平太高。即使使用套索机器人设备探测反应堆内部,也需要操作人员进入高辐射区域。

  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。每一分钟,地球表面都被每平方米的一万个微小颗粒所击中。而且,它们大部分都可以在干扰下流过固体物质。但少量被吸收或反映在材料的密度和厚度方面。物理学家在20世纪50年代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。在二十世纪六十年代,科学家们用相关的方法找到埃及哈夫金字塔中没有隐藏的房间。

  数十年后,日本高能加速器协会(KEK)的时间力学物理学家Kanetada Nagamine表示,该探测器捕获在宇宙射线碰撞中横向喷射的介子。他建议将这些介子用于监测火山内的岩浆通道,以加强地震预测。他还看到了核灾难地带的介子图像的潜力。

  1986年在乌克兰的切尔诺贝利核反应堆爆炸后,长门提出了用于汲取受损燃料的介子探测器的位置,但苏联政府并没有采纳这一意见。 2011年3月11日,9级地震和海啸袭击了日本,在那里发生了第二严重的核灾难,长岭准备好了。事故发生几天后,他向KEK总干事提出了使用介子影像来调查福岛核反应堆的建议,Nagamine的校友Haruo Miyadera和新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室的负责人做了同样的事建议,但是他们的设计方法是不一样的。

  然而,KEK的策略是在反应堆的两侧放置一个闪烁体探头堆栈:一个塑料棒,当带电粒子碰撞时发射光线,团队计划根据材料的密度来标记介子吸收。铀比钢铁或混凝土更致密,因此会产生较深的中介影子,使团队能够确定建筑物和反应堆容器中的残余燃料。

  领导该项目的KEK物理学家高崎文彦表示,该小组在其他核电厂对工作人员没有提供燃料位置信息的战略进行了测试。这些探针发现了燃料,结果显示这些是从核心到冷却池,分辨率足以找到第二组乏燃料棒。

  上个月,东京电力公司在受损的反应堆旁安装了两台KEK制造的探测器。高崎表示,到3月底,这些探测器可能会吸收足够的介子,以确保反应堆堆芯中没有残留燃料。但是,放置在反应堆外表面上的这些探测器将无法检测到可能流到地下室外壳底部的燃料。这将需要正在开发的机器人的帮助。

  在反应堆2和3中,燃料可以分散在堆芯,压力容器和保护性外壳中。为了克服困难,东京电力公司求助于洛斯阿拉莫斯。介子探针研究开始于20世纪90年代,当时物理学家克里斯托弗·莫里斯(Christopher Morris)和他的同事们致力于寻找非侵入性的探测核武器的方法。介子检测的图像揭示了这些粒子如何被物质中的原子核所歪曲。然而,偏转角取决于核中质子的数量,穿过介子的元素以及爆炸的位置。

  该技术已被商业化,以扫描货物集装箱和卡车,以便核材料的非法运输。这些探测器在1分钟内探测到20公斤的铀。莫里斯说。该小组在实验反应堆中测试了他们的技术,以确认它可以在福岛核电站工作,但是他们面临了在二号反应堆安装7米×7米大型探测器的长达一个世纪的问题。如何在这些反应堆附近的辐射区安装这些探测器?问莫里斯。 Miyadera说,在福岛核电站供应六座反应堆中的两座的东芝集团正在建造探测器,并将在今年年底安装。

  KEK和Los Alamos东芝团队都得到了国际核外包研究所的支持,由东京电力公司,东芝公司和其他公私合营机构共同创立,开发新技术去除福岛的剩余核辐射。该机构没有指定介子成像工作的成本。但有一件事是肯定的:与设计计划和技术的成本相比,福岛铀的资金可以忽略不计。东京电力公司表示,有关核电厂的关闭可能需要30至40年,至少成本80亿美元。 (张章)

  中国科学通报(2015-04-02第3版国际)

  阅读更多信息

  科学报告(英文)