日本福岛第一核电站退役现状

东日本大地震引发的东京电力公司福岛第一核电站事故，到2025年3月迎来14周年。2024年11月，研究团队首次成功提取出了核燃料熔化凝固后的燃料熔渣。由于发生过裂变反应，反应堆内残存的880吨核燃料熔渣包含极强的放射性物质，这些熔渣的提取成为福岛核电站退役过程中最具挑战性的工作之一。此次仅0.7克的小石块状燃料熔渣的试验性取出，意味着什么？退役工作将会如何推进？请关注我们带来的最新消息。

1  燃料熔渣取出作业流程

2024年10月30日，日本东京电力公司福岛第一核电站2号机开展了一项关键工作，这项工作对后续退役工作的开展至关重要，即进行了“燃料熔渣的试验性取出”。燃料熔渣是由熔化的核燃料等物质固化后形成的。含有放射性物质的燃料熔渣在退役进程中必须清除。为了推动碎屑的取出进程，本次工作的目标是试验性地收集一小部分燃料熔渣。

福岛第一核电站的核燃料结构称为压力容器。压力容器布置在作为密封构筑物的安全壳内。2号机的燃料熔渣分别散布在压力容器和安全壳的底部。这次取出的是安全壳底部的燃料熔渣。

那一天，工作人员通过安全壳侧下方的作业用贯通孔（见下图）逐步伸展类似钓竿的可伸缩设备。当设备伸至燃料熔渣上方时，便放下装备有摄像头和类似钳子的部件的尖端工具以抓取碎屑。通过远程操作，成功抓取了大约5毫米大小的石块状燃料熔渣。整个操作过程大约耗时两个半小时。

 沉积物堵塞了作业用贯通孔 

随后，抓住燃料熔渣的设备被逐渐拉回。在抓取燃料熔渣的3天后，也就是11月2日，设备被移至安全壳外，并将被抓取的燃料熔渣放入了一个专门用于密封存储放射性物质的金属箱中（封闭装置）。然后，在封闭装置外壳外面进行辐射剂量测量，并确认其低于可回收的标准值。确认后，于11月6日将燃料熔渣取出并安置进铝制运输箱内，再一并放回封闭装置。

然后在11月7日，从封闭装置中取出运输箱，并将其放入另一个聚乙烯制的专用容器中。这标志着东京电力公司福岛第一核电站2号机燃料熔渣的试验性取出首次成功。这是装置抓取熔渣后一周的进展。

2  人为创造的未知空间

从这个作业的步骤来看，可以明显感受到工作进行得非常谨慎。无论是机器人还是机械设备的远程操作，在太空等众多场合都已广泛应用，但在发生事故的核电站里的作业难度却超过了太空。日本东京大学的核物理学专家冈本孝司教授指出：“如果在太空中失败的话，无非是机器人损坏，但是如果在核电站失败，错误地在墙壁上开洞，就可能导致放射性物质泄漏。因为要防止放射性物质泄漏到周围环境，使用机器人进行操作确实非常困难。”

抓取燃料熔渣的操作虽然是远程进行，但安装设备和伸展钓竿的任务则需要操作员亲自在现场操作。限制操作员在现场的工作时间是导致作业耗时的一个重要原因。“现在，人们在建筑物内的工作时间已经从之前的5～10分钟增加到每天2小时。这一工作时间的延长是通过去污作业有效降低辐射水平实现的。”冈本教授如此表示。

首先，最重要的是发生事故的核电站内部是一个未知空间。在事故发生时，我们不知道内部温度升高到了多少，哪些物质熔化并流动，它们变成了什么形状，转变成了什么组成。此外，还有一个问题是，那些仍然保留下来的构筑物，它们的强度有多大。可以承受多大重量的机械和机器人在其中移动而不损坏周围环境？哪些电子设备能够在强烈的辐照等恶劣环境下正常工作。这些问题中，还有许多是未知的。此外，如果机器人在核电站内部因强烈辐射而损坏，那么它将无法被修复。

 燃料熔渣的试验性取出成功 

冈本教授表示：“事故导致出现了未知空间。如何将危险空间变得安全，使退役工作充满了挑战。”

3  利用核裂变的核能发电机制

核电站利用反应堆中铀原子核的分裂（即核裂变）过程产生的热量来加热水，生成蒸汽。这些蒸汽产生的动力会驱动涡轮发电。除了使用核裂变反应作为热源之外，其工作原理基本上与火力发电站相同。

天然铀主要分为两种同位素类型：易于发生核裂变的铀235和不易发生核裂变的铀238。在天然铀中，铀235的含量仅为0.7%。利用六氟化铀（UF6）气体中铀235与铀238的分子量差异，在高速离心机中通过惯性离心力实现两者分离，最终将铀235的含量提升至3%～5%，以此作为核燃料的主要组成部分。

所有原子均由原子核和电子构成。铀235的原子核包含143个中子和92个质子。当一个中子撞到铀235的原子核上，使得维持质子与中子之间的力变得不稳定，进而引发原子核分裂成多个小原子核，这个过程称作核裂变。核电站正是利用这种核裂变过程中释放出的巨大热能来发电。

一个原子核在发生单次核裂变过程中，平均会释放出2～3个中子，这些中子随后撞击其他铀235原子核，触发链式反应。当这种核裂变的链式反应能够以一定比例自发持续时，我们称这种状态为“临界”。核反应堆只有达到临界状态，才能实现发电。

铀235的核裂变会产生包括碘131、铯137、锶90在内的多种裂变产物。这些产物因含有过多的中子，导致原子核不稳定，为了达到稳定状态，它们会释放出强烈的辐射。这些物质极其危险。

核电站内部配备了运行所需的各种设备。核裂变停止后，乏燃料（使用过的核燃料）仍然持续释放辐射和余热。为了屏蔽辐射并进行冷却，这些乏燃料被存放在建筑物上部的水池中。

4  碎屑达到再临界的可能性很低

福岛第一核电站共有6座反应堆。地震发生后，震灾期间正在运行的1～3号机的反应堆通过将控制棒插入燃料组件之间，停止了核裂变反应，进而停止了运行。

然而，受海啸影响导致电源中断后，冷却设备停止了工作。即使核裂变已经停止，燃料还是会持续产生热量。虽然尝试通过外部注水来进行冷却，但未能有效降低反应堆核心的温度，结果温度升高，反应堆内水位下降，最终核燃料发生熔化，引发了堆芯熔毁现象。三座核电站的四重防护功能均遭到破坏。这场事故成为继1979年美国三哩岛核电站事故和1986年苏联切尔诺贝利核电站事故之后，世界上第三起核燃料熔毁事故。

在1号机和3号机中，由于燃料棒氧化产生了大量氢气，这些氢气积聚在反应堆厂房的上部，最终引发了氢气爆炸，严重破坏了厂房。2号机避免了氢气爆炸，是因为1号机氢气爆炸的冲击，导致厂房上部的部分面板打开，氢气泄漏至外部。4号机正在进行定期检查，压力容器内没有燃料，但是从3号机产生的氢气通过管道等途径流入，也发生了氢气爆炸，导致厂房受损。

 2号机的安全壳内部情况 

在高温下，燃料与堆内构件等材料发生了熔化，随后流入压力容器和安全壳的底部，在那里冷却并凝固，形成燃料熔渣。这些碎屑分布在堆内多个位置，并呈现出多种形态，包括岩石状的大块、小块，以及粉末等。处理这些碎屑极为困难，操作不慎就可能导致放射性物质的飞散，因此，包括利用机器人进行远程操作在内的作业，都需要极高的精确性，动作极为谨慎。

此外，理论上碎屑存在重返临界的风险。再临界指的是已经停止的核裂变反应再次持续性地重新开始。然而，碎屑中掺杂了使用硼作为材料的控制棒，这些控制棒能够吸收中子，因此冈本教授认为再临界的可能性极低。冈本教授表示，进入临界状态极其困难，即便偶尔发生，也会自动终止。但是，由于无法证明绝对不会发生重返临界，因此存在一定的风险。

5  即使只有0.7克，也不影响分析

2号机将多次进行试验性取出燃料熔渣的工作。取出的燃料熔渣将用于成分分析，有助于揭示事故当时压力容器和安全壳内部的情况，同时为未来退役工作的施工方法、安全措施以及燃料熔渣的储存方法研究提供支持。

此次成功取出的碎屑质量为0.7克，虽然这个质量低于最初的预期，但依然能够进行分析。“我们计划利用能够观察到1/1000毫米精度的电子显微镜对这些碎屑进行详细检查。尽管碎屑的尺寸只有5毫米，相比电子显微镜的分辨能力而言已是相当大了，因此我们预期能够获取大量有价值的信息。”冈本教授做了说明。

虽然涉及不同领域，但日本航天局（JAXA）的小行星探测器“隼鸟”号从小行星丝川带回的微粒总量达数十毫克，这些微粒大多数的直径不超过100微米。通过分析这些微粒，我们已经开始揭示了包括矿物组成在内的多种信息，以及它们含有水的证据。

然而，在燃料熔渣熔化过程中，它带入了周围的金属和混凝土等物质。因此，研究人员认为不同位置混入的物质会有所区别。这就是为什么从多个地点采集燃料熔渣显得尤为重要。冈本教授表示：“首先，我们期望能够利用此次成功使用的相同设备，再取出大约3块燃料熔渣。如果能取出几块，我们就能开始调查更多事情。”

据估计，福岛第一核电站从1号机到3号机剩余的燃料熔渣总计达880吨。相较之下，仅取出0.7克的燃料熔渣，虽然进展微小，但也是向前迈出的一小步。

此外，最近开始全面考虑3号机大规模提取过程，为了取出堆积如山的碎屑，正考虑采用一种与2号机试验性取出截然不同的方法。然而，试验性取出所获得的碎屑成分分析结果，以及在不允许失败的安全壳内部执行的机器远程操作等经验，都将为未来的退役工作提供宝贵的帮助。

6  乏燃料和污染水问题的现状

在进行碎屑的试验性取出和讨论策略的同时，乏燃料的取出和污染水对策依然是重要的议题。冈本教授在谈到乏燃料的取出方法时指出，已经确定取出方法，尽管过程耗时，但他相信将会稳步推进。

为了从1号机取出乏燃料，必须先清理屋顶的熔渣。为防止清理过程中放射性物质扩散，人们正在对1号机的整个反应堆厂房施加一个大型罩，预计该大型罩将于2025年夏季完工。针对2号机，计划在乏燃料池旁的墙面增设一个外部房间，以便在2024～2026年度开始进行燃料取出工作。目标是在2031年前完成所有核燃料的取出工作，包括5号机和6号机的乏燃料池中的核燃料。

污染水是指注入反应堆以冷却之用的含有高浓度放射性物质的水。此外，地下水流入反应堆厂房等处也会产生污染水。尽管在1～4号机组周围地下安装的防水墙等措施已经减缓了污染水增加的速度，但只要燃料熔渣存在，污染水的量就会不断增加。因此，从应对污染水的角度出发，推进燃料熔渣的取出工作极为重要。

“（核反应堆）退役虽是一座高峰，但我们已经开始看到前行的道路。”冈本教授表示。尽管还有许多问题和挑战难以在文章中一一说明，但通过汇集多种先进技术，退役进程正稳步推进。福岛第一核电站的退役工作对于震后重建的推进至关重要。我们将继续密切关注退役工作的进展情况。

撰文/梶原洵子

翻译/周晨光

责任编辑/闫凯

（感谢中国核电工程有限公司李汉辰高级工程师为本文的术语审核校对。）

燃料熔渣的大规模提取工作有哪些施工方法？退役工作现场诞生了哪些新技术？......还想了解更多关于福岛第一核电站的退役现状？欢迎阅读《科学世界》2025年第5期！