福岛核电事故之后的修复之路

2011年3月11日发生的大地震和海啸摧毁了日本东北部地区，造成18000多人丧生，大量人口流离失所，基础设施受损，环境污染，被列为世界历史上代价最高的自然灾害(约3000亿美元)。沿海基础设施破坏巨大，造成的影响包括供电损失、更换和修复由此产生的污染的费用——包括70多座污水处理厂被毁和超过3300个处理石油和石化工业潜在有毒物质的设施的损坏。然而，在国际上，这些并不为人所知，因为大众都把焦点集中在其中一起事故上——福岛第一核电站反应堆堆芯熔毁。

地震和海啸的共同作用“上演”了一场“完美风暴”，导致三座反应堆(1-3号机组)的堆芯熔毁，以及随后由水-包壳-燃料相互作用产生的氢气爆炸(包括当时已卸下燃料但相连的4号机组)，导致挥发性放射性核素的释放，这些放射性核素随后沉积在陆地和海洋上。

区域修复

在短寿命的碘同位素衰变后，区域污染主要是铯放射性同位素Cs-134和Cs-137，其半衰期分别为2年和30年，随着时间的推移，后者变得愈加重要。自事故发生以来，为了增进对相关生态系统中铯(Cs)的环境行为的了解，净化行动一直在持续进行。许多组织部门的整治计划和研究开展，得益于先进的知识管理和通讯工具，它们是由日本原子能机构开发的(用于深部地质处置)，并迅速适应了这种应用。

整治的结果却产生了大量受污染的废料(约14Mm3)，其中大部分是不稳定的(例如，受生物降解影响的植被和土壤)。整个地区内设立的许多临时废料储存场，是基于在三年内可提供更好的集中式临时储存设施(ISF)的假设。由于技术和政治上的延误，这些临时设施仅在2017年底才投入使用，导致与从旧临时储存场中回收废料相关的许多问题。ISF包括焚化和土壤分类设施，并包括在一项计划中，以尽可能地回收废料，并最终在福岛县以外的一处未确定地点处理剩余的废料。事后分析，废料管理一直是整治措施中最不具有成本效益，且仍受到政治原因和相关许可问题的特别限制。

加上自然剂量的减少过程(例如含铯土壤颗粒的迁移和扩散)(所谓的“自清洁”)，整治措施已使平均剂量的减少量比单独的放射性衰变减少了两倍左右(图1)。

 

自然放射性铯衰变与许多环境系统中实际放射性铯测量值的比较

确实，城市地区的剂量减少率较高，除了靠近福岛第一核电站的地区外，目前最高剂量的地区是无法进行去污的森林地区，预计将持续相当长一段时间。

对于福岛第一核电站(1F)周围地区，随着整治工作的进行，人们返回受污染较少的地区工作取得了重大进展。当然，这得益于这些领域的新就业机会，例如非现场修复工作和相关的研发，以及辐射监测，净化行动和退役。该区域的其他工作包括1F本身(稳定和清理行动)和其他相关设施(例如，ISF –临时存储设施–图2)。

图2:1F场地周围沿海地区JAEA研发设施示意图。临时储存设施位于1F地区周围的深色阴影区域。

现场修复

尽管电视上出现了戏剧性的画面，但大多数放射性物质——以及几乎所有毒性更大的放射性核素——都包含在反应堆建筑内。这使得非现场恢复变得更简单，但也确实使现场修复变得特别具有挑战性。

在事故发生后，最初的首要问题是消除三个紧急停堆反应堆的衰变热，之后稳定受损的反应堆建筑物是最重要的任务。根据美国的设计，燃料存储池位于主安全壳的上方，这意味着它们特别容易受到余震或地震等进一步干扰的影响。此外，为方便进出并减少工人的受辐射剂量，必须清除散布在现场各处的受污染的碎片，然后才能进行稳定工作。

由于决策者的优柔寡断，反应堆直到堆芯开始熔化后才被海水淹没–这是由反应堆操作员做出的勇敢决定。从那以后，冷却水被泵送入主安全壳，导致从受损燃料中不断浸出放射性物质。(下图 现场边界内的储水罐)

虽然采用冷却水循环的净化系统(ALPS)是成功的，但限制进水的尝试却带来了严重的问题。所选择的主要解决方案是在反应堆周围建造地下“冰墙”(制冷剂通过钢管向下流经至30米深)，这是一种未经验证的，非常昂贵的高科技选择，施工难度大，危险程度高，需要持续维护并且未达到承诺的性能水平。

与此形成对比的是在实施前对场外方案进行了测试和严格评估：冰墙的选择过程是不透明的，基于行业游说，并没有对许多技术专家提出的严重关切作出回应。即使是现在，冰墙的作用也只是减少而不是阻止地下水的流入，但人们并没有公开承认其局限性，也没有做出多少努力来考虑其替代方案，评估如何从扰动中恢复，或讨论这将如何影响最终的现场退役。

稳定受损的反应堆建筑物，尤其是从储存池中清除燃料的工作取得了有效进展，即使由于现场工作的限制而进展缓慢。对于1F核电站来说，问题最严重的是4号机组的反应堆池，其中包含发生事故时一个完整的堆芯负荷。此后，第4号机组的燃料池已清除所有储存的燃料(2014年12月完成)，最近于2019年4月开始从第3号机组燃料池中清除燃料，目标是到2021年3月完成。1号和2号机组的燃料棒拆除工作将于2023年开始。此外，广泛的技术开发还带来了更强大的远程操作或自主机器人系统，这些系统可用于描述乏燃料池和反应堆主安全壳内的高剂量率区域，特别强调对燃料的定位和描述，最初的总计800吨的燃料通过反应堆压力容器融化(通常称为corium，但在日本的报告中与其他受损的燃料和反应堆内部构件一起称为“燃料碎片”)。每个受损反应堆堆芯的最终信息可以使用虚拟现实系统以3D方式捕获，这有助于规划未来的退役行动(图4)。

JAEA远程技术开发中心的虚拟现实系统

目前，政府的目标是在2021年开始清除燃料碎片，这是一项雄心勃勃的任务，也是一项艰巨的任务：提前制定反应堆退役和相关废物管理的明确计划(预计2031年)。

放宽通道和降低现场剂量率导致了大量被污染的废物，估计总量约为770 000m3，其中包括活跃废物类别中的约150000 m3碎石和约90 000m3的砍伐树木。此外，还有7000个“高完整性容器”，其中含有来自冷却水净化装置的更多有毒二次废物(泥浆、离子交换器、过滤器等)。

尽管尚未进行详细评估，但参考退役计划要求福岛第一核电站在事故发生后40年内被清理到绿地的水平——这是一个极其雄心勃勃的目标，没有任何国际先例。进一步假设废物将被回收利用或在异地处置-产生的废物管理费用相当于估计预算的80%以上(约900亿美元)。除了所有表面污染外，还需要处理因漏水而引起的不确定范围的地下水污染。确实，从纯技术的角度来看，如果最终场地的最终状态棕色地带，并且废物尽可能就地处理，则在降低成本，对工人的风险和环境影响方面具有巨大的潜力。事实上，如果最终状态被定义为国家废物管理设施，特别是考虑到日本最终需要退役的核电站数量，当地社区的利益可能会受到影响(图5和其他退役废物的当前和潜在未来处置方案示意图)。

但是，此概念在政治上极为敏感，需要与当地社区进行适当的沟通才能获得认可。