申泮文院士:从化学视角普及“核常识”

上一篇 / 下一篇  2011-03-30 14:54:31

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  申泮文:中国科学院士、无机化学家和化学教育家、南开大学教授。

  自日本9.0级大地震诱发福岛核电站危机以来,核泄漏、核辐射、核安全、核恐慌……众多以“核”为关键词的讨论声浪,在人们心中卷起层层阴云,乃至流言四起,甚而有人担心起毁灭性的核爆炸。

  借用日本作家村上春树作品《当我谈跑步时,我谈些什么》的书名,我们不妨自我发问,当我们谈论“核”时,我们究竟谈些什么?原子核,对大多数人而言,依然既熟悉又陌生。

  日前,南开大学举办科普讲座,院士专家先后登台为学子和公众“科普解惑”。

  95岁高龄的中国科学院院士、南开大学教授申泮文登上讲坛,以“核辐射离我们有多远”为主题,以化学家的眼光和视角,深入浅出地介绍核知识,并解析福岛核电站危机中的重重疑云,以期揭开包裹在“核”之上的神秘面纱。

  细说核裂变:微小反应的庞大效应

  申泮文从原子核裂变反应所需的基本元素铀说起。铀是元素周期表中第92号元素,意味着铀原子核内有92个质子。这个在自然界中能找到的最重元素,天然存在着三种同位素,占0.0056%的铀-234,0.718%的铀-235以及99.27%铀-238。

  第二次世界大战之前,在德国工作的奥地利女科学家迈特纳与其老师奥托·哈恩等人发现了原子核裂变反应,其中包括铀-235与一个中子相撞之后裂变为两个原子的现象。

  铀-235发生裂变,必须吸收一个运动速度较慢的中子,让它慢慢地“溜”到原子核中。生成的铀-236不稳定,立刻就分裂成两个原子。92号元素铀的分裂过程中,包含几个重大问题。

  首先,铀-235分裂成质子数之和为92的两个原子,变成两种元素。例如,可以分裂成钡(Ba,质子数56)和氪(Kr,质子数36);氙(Xe, 质子数54)和锶(Sr,质子数38);锑(Sb,质子数51)和铌(Nb,质子数41);碘(I,质子数53)和钇(Y,质子数39)等等。而这些元素的同位素,通常具有放射性,有的放射寿命很长,有的则较短。媒体中提到的碘-131,就是裂变之后产生的一种放射性很强的碘同位素,会对人体造成放射性污染

  其次,裂变产生的两个新原子核,其质量之和少于原来铀-235的原子核质量,质量亏损将转变为巨大的能量。依照爱因斯坦的质能方程,其产生的能量相当于化学反应热的百万倍。由此,“裂变能”成为原子弹的基础,也是原子能裂变反应堆放热的依据。

  同时,在裂变反应中会产生2到3个多余中子,经过一定控制,将其速度减慢后则又可以“钻进”铀-235原子核中。这样一来,就将引发原子核分裂的“链式反应”,又叫“雪崩式反应”。这同样是原子弹所必需的条件。而对核电站而言,则需要控制中子,用控制材料“吃掉”中子以减少“链式反应”,从而产生稳定的热量,这是原子能反应堆的基本原理。

  除此之外,核裂变反应中会产生辐射,为了不让放射性裂变材料飞逸出来造成污染,因此核电站的整个反应堆都必须密闭。

  申泮文在讲座中提到,他对原子核裂变反应的关注,始于1945年8月美军在日本上空投下的两颗原子弹。

  原子弹的威力震惊了整个世界。因核裂变反应的发现对人类产生了重大影响,诺贝尔评奖委员会在1945年11月15日宣布,将1944年诺贝尔化学奖授予德国放射化学家和物理学家哈恩,而犹太人迈特纳则未获提名。申泮文介绍说,科学界没有忘记迈特纳,1994年,国际纯粹化学与应用化学联合会通过决议,将第109号元素命名为Meitnerium,以纪念核物理学家迈特纳。

  拆解核电站:控制系统是要害

  二战结束之后,各国渐次开始对原子能和平利用的探索研究。利用核裂变能量发电,是迄今最为重要的利用方式。申泮文打开一张“压水型原子裂变堆示意图”,解释核电站的核心结构部件及其运行原理。

  由安全壳包裹的燃料棒、控制棒、重水、冷凝器、水泵、蒸汽与冷热水循环系统等,构成反应堆的“核岛”。

  熔点高达2800摄氏度的二氧化铀经高温、高压熔接形成铀棒,作为核反应堆的燃料棒。其中所含铀-235是经离心机等装置特别提炼浓缩而成,二氧化铀仅占到整个铀燃料棒的3%到4%。铀-235发生核裂变反应,产生核电站发电所需热量。

  在反应堆中,控制棒是“吃”中子的材料,通常由金属镉或者硼的合金制成,通过对中子的吸收来控制核裂变“链式反应”的速度,从而稳定释放“裂变能”。在福岛核电站危机发生后,日本方面通过直升机向反应堆喷水的同时喷撒硼酸,正是试图用硼自然吸收中子。

  核裂变产生的能量需要被水吸收,从而转化为水蒸气携带的热能。由此,燃料棒、控制棒和水,均被耐高压材料金属锆制成的外壳,密封在反应堆“核芯”内。这样构成的一个“锅炉”,需要由控制棒操纵机将水蒸气温度保持在300摄氏度,实现自动定温控制。另一方面,300摄氏度的水蒸气在密闭壳内产生的压强将接近86个大气压,这成为反应堆的风险之一。

  “压水堆”类型的核反应堆,水在其中充当传热介质以外,还有一个重要作用是作为中子的“减速剂”。中子与水中的氢原子质量相当,二者在碰撞中可以使得中子变慢,进而得以被铀-235吸收持续发生链式核裂变。

  在自成体系的反应堆“核芯”之外,则是一整套由水泵控制的水循环系统,通过热量交换最终带动发电机发电。水经过热交换器和冷凝器等装置,循环往复带走反应堆中不断产生的“裂变能”。

  至此,控制棒在整个系统中发挥着至关重要的作用。核裂变反应增多导致温度升高时,控制棒自动伸入燃料棒之间吸收中子;而当温度降低,控制棒则自动拉出,以增多核裂变反应的发生。

  申泮文说,在整个核反应堆系统中,放射性物质都被滞留在封闭安全壳内,所以核科学技术专家认为核能为清洁能源是正确的。

  随后,申泮文指出整个核电站的体系中,存在着三个要害部位。

  首当其冲的要害,是控制棒的自动控制系统。如果无法操纵控制棒,中子会不断“繁衍”,不断的核裂变反应就会持续生成热量。所以,控制棒是反应堆的“心脏”。

  其次,热量交换过程中,循环系统的两个水泵也是整个系统的要害。申泮文形象地比喻到,如果两个水泵停止工作,那就相当于人的“肠梗阻”,不能把热量载运出来,那就麻烦了。

  分析核危机:洒水挡不住“中子造反”

  申泮文指出,核电站能否安全运行有三个方面的问题,一是科学技术基础是否正确,二是规章制度是否严密,三是管理是否合理。而在危机发生之时,则需要找准并及时扑救关键险情,以防止灾难的发生。

  申泮文分析说,地震发生之后福岛市的电网瘫痪是引发核电站危机的第一因素。反应堆控制棒的自动操控系统和水泵,都要依靠电力带动,而地震引发停电之后,核电站的备用电机据称均被海啸冲毁。直至地震发生后的第九天,才最终接通电缆。

  核电站反应堆不断升高的温度,表明控制系统确实完全“失控”。中子在不断“繁衍”,铀-235的核裂变反应也在不断进行;而另一方面,水循环系统遭到破坏,使得热量无法从“核芯”中被带出。

  在这种情况下,申泮文指出最紧要的就是让中子“繁衍”停止下来。对于因停电而无法运转的自动设备,申泮文认为“凡是自动化的东西,都应该有手动部分”,应该想办法手动解决控制棒的操纵,从而让中子不再生成。

  因停电导致的水泵无法工作则是另一个关键问题,这使得整个核电站的冷却系统失灵,无法将冷水注入循环系统。“其实可以用柴油发动机带动马达,尝试把冷水打进去。”申泮文说,如果这个方法也无法实现,则说明在设计上存在缺陷。

  在申泮文看来,福岛的核危机持续很久未能解决,暴露出了很多技术问题和管理问题。他认为用飞机洒水等方式来处理,是不能解决“中子在里面造反的”。

  而对于发生氢气爆炸的原因,申泮文根据自己掌握的有限资料分析认为,从化学角度讲,随着温度的不断升高,1000摄氏度以上的水,就会自发分解为氢和氧。加之金属氧化物和锆壳的催化作用,也降低了水的分解温度。同时,密封壳内的压力随温度升高而不断增强,因此有可能安全壳被爆出了一个小口,氢气随之外泄,在降温过程中与氧气自发结合便会产生爆炸。

  点评核恐慌:切勿“庸人自扰”

  随着福岛核电站几台机组先后传出爆炸声,人们对发生核泄漏的担忧也不断加重。恐慌情绪的蔓延,让部分地区公众出现抢购碘片、碘酒、碘盐等行为。

  针对吃碘片可以防辐射的说法,申泮文强调这并不完全正确。争抢碘片、碘盐等含碘商品的逻辑是,人的甲状腺需要碘,为了防止核裂变后产生的碘-131这种放射性碘被人体吸收进入甲状腺中成为一个放射源,因此,可以服用碘片使得甲状腺中的碘达到饱和,饱和之后,放射性的碘-131就无法进入人体。

  500克食盐中仅有15毫克碘化合物,要想通过吃盐的方式让甲状腺中的碘得到饱和,则需要吃6公斤盐。“其实海水中的海带、鱼虾等水生生物都有碘,甚至海风中也有碘。平常的食物、空气、土壤中也都含碘。”申泮文表示,我们人体内并不缺碘。

  申泮文强调说,碘仅仅是核裂变产生的众多放射性元素中的一个,还有锶和钡等其他元素同样具有放射性,如果被人体呼吸进入身体,有可能附着在骨头中成为放射源,如此一来造成的伤害将会更为严重。

  对于人们因日本核危机产生的恐慌,申泮文希望大家放心,切勿“庸人自扰”。

  他呼吁大家以此为鉴,希望我们的核电站从此次日本核危机中总结经验教训,联合专家一起研究分析真正的问题根源,并及早采取防御措施,避免将来犯同样错误。

  申泮文在讲座最后表示,因为福岛核电站的很多实际情况尚不明朗,他只希望个人的分析能够与大家交换意见,以使此次事件为我们的核电站发展留下镜鉴。


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