如何看待 4 月 9 日日本政府基本决定将福岛核污水排入大海？可能会带来哪些影响？ 第2页

详细科普请见：

这里节选一点。

一、为什么要不停向反应堆注水

二、核污水辐射物质对于海洋的影响

三、核污水依旧大量产生

四、核污水处理设备

五、核污水的处理、稀释和排放分析

让数据说话是最好的。

一、为什么要不停向反应堆注水

福岛第一核电站3.11大地震正在工作的一、二、三号机（反应堆）全部发生了堆芯熔毁，堆芯熔毁的物质依旧留在反应堆里，是怎么样子的呢？下图给出了一号反应堆里熔毁物质的示意图：

图中的褐色物质代表了熔化后的燃料物质，已经从压力容器底部漏出，落入安全壳 （日语：格納容器）的底部。当初刚爆出堆芯熔毁的新闻时，人们最担心的是安全壳也无法兜住熔化的高温燃料物质，而使得放射性物质从安全壳的底部混凝土中漏出，直接渗入地下，放射性燃料在地下污染海洋和周围环境。目前看来，熔化物质依旧留在安全壳底部的混凝土里，但是离开底部金属安全壳的最近距离只有不到40厘米。

前面说到，最最危险的情况，就是熔化燃料重新积累，其质量到达一种叫做“临界质量”的阈值，造成熔化燃料进一步产生裂变反应，这将是不可控的核裂变。从目前搜集的数据来看，燃料“most likely”并没有继续裂变，而是在持续衰变中。

不过，即使只是衰变，倘若不去控制温度，那燃料的温度也会越来越高，势必熔化混凝土和安全壳的金属壳层，最后造成核泄漏的大灾难。为了预防这种现象的发生，必须向熔化燃料紧急注冷却水。注水冷却就成为了让核燃料降温的方法。

下图是二号堆的堆芯熔毁以后的状况：

其中橘红色的物质代表了熔化以后的燃料物质，已经从被烧毁的压力容器底部漏下，渗过维修用的脚手架网，落到了安全壳底部上的混凝土上。燃料虽然没有继续产生裂变反应，但是即使是燃料的衰变具有极高的辐射性，其中一点测出了每小时530西弗的辐射量！作为对比，人体如果吸收0.02西弗的辐射值，就是紧急情况，0.25西弗将会造成损害，而超过1西弗则会导致死亡。由此可见，反应堆安全壳里充满了辐射物质，绝对不能让它外泄！

而冲淡辐射物质的最佳方式，就是向反应堆的安全壳里注入大量的水。水不但用于冷却燃料物质的衰变热，也用来冲淡衰变粒子的辐射。而使用过的水因为携带有辐射物质，便是大家所说的“核污水”。

向反应堆注水可以分为几个阶段。

第一个阶段是把海水紧急注入反应堆的安全壳内，对熔化核燃料进行冷却。早在3月12日，海水已经被用来注入1号反应堆。由于海水注水会导致大量的海盐沉积在反应堆中，而海盐会进一步腐蚀堆芯内的金属，堵塞管道，甚至和铀产生副作用，于是在3月25日后开始注入淡水。美国海军曾经向福岛提供了近2000立方米的淡水，而东京电力也开始使用福岛县大熊町贮藏的淡水。3月28日开始从反应堆地下室进行排水作业，从地下室抽出了含有铯-137和碘-131等放射性元素的高辐射度核污水。虽然排出的核污水被汇聚到特殊的冷凝水库中保存，但是当时已经有不少核污水渗入了海中。

到了4月5日，东京电力把1.27万吨的核污水排入太平洋。东电的主动排水当时引起了极大的争议，我在后一节再详细讨论。

7月份以后，之前单纯的注水、排水被带有简单除污设备的水循环处理系统取代，而东京电力也终于把产生的核污水全部贮藏了起来。

反应堆的给排水循环系统的第一目标，就是要对落入安全壳底部的熔化核燃料进行冷却，而最终达到核燃料的“冷停堆”。

什么叫做冷停堆？就是使用循环水系统对已经停止核裂变反应的核燃料进行进一步冷却，除去核燃料的衰变热，使得核燃料变成常温（低于100摄氏度）。

下面是三号机压力容器底部温度从地震之后的3月19日到5月28日的示意图：

四月份后，燃料物质从最开始的几乎可以熔化混凝土和金属外壳材料的温度，被降到了200摄氏度以下，在5月中旬有反复，然后又回落到200度以下。下面是一号、二号、三号三个反应堆压力容器底部7月中旬到来年（2012年）2月的温度检测：

（来源：东电，https://www.tepco.co.jp/en/nu/fukushima-np/review/review2_1-e.html）

也就是说，从2011年的9月底开始，核燃料已经低于100度，衰变热已经被抑制。于是，在当年的12月16日，日本政府宣布福岛核电站已经实现了冷停堆。

冷停堆代表核电站事故的处理第一个阶段结束 。但是，接下来的问题更加复杂。最核心的问题，当然是如何处理三个反应堆里熔化的核燃料？只要核燃料还在反应堆里，放射性元素的衰变依旧会源源不断地产生辐射。但是，在解决这个问题之前，需要对反应堆里的燃料状态和分布有充足的了解，而在冷停堆的时候相关部门对此却几乎一无所知。

更首当其冲的问题是，核电站附近的地下水流经三个反应堆里依旧积存着的高辐射核污水而进入大海，所以必须阻挡和核污水混合的地下水渗入大海。另外，从反应堆里抽出的核污水贮藏在周围的容器罐里，然而贮藏容器也有泄露污水的危险。在东电和日本政府能够最后解决福岛核燃料的问题之前，核污水的排污和净化就一直会是一个重大问题。

在科普冷停堆之后的第二阶段之前，我们先来看看上述第一阶段里排入太平洋中的核污水及其产生的影响。

二、第一阶段核污水辐射物质对于海洋的影响

如果大家对2011年还有印象的话，当时各种关于日本把核污染水排入太平洋的新闻满天飞，以至于国内一时间掀起了抢购矿泉水的风潮，而盲目抢购食盐的事件也在中国和韩国上演。在此之后，各种日本排核污水的新闻不绝于耳。这里我就相关的问题做一个具体的科普。

在紧急冷却堆芯熔化后的核燃料的第一阶段时，3月28日开始从反应堆地下室抽水，排水开始。前面说过，从地下室抽出的核污水含有铯-137、铯-134、碘-131等高浓度的放射性元素。虽然排出的核污水被集中存储到特殊的容器中保存，但是也有不少核污水已经渗入了海中。比如，3月25日在核电站附近的海中测到了碘-131的辐射达到每升5万贝克勒尔（简称贝克），这是正常浓度的1250倍。

反应堆内部的核污水正在通过种种方式渗入海中。4月2日，东京电力发现核污水正在从2号机的混凝土缺口外流，需要紧急修补缺口。

（东京电力提供的图片，2011年4月初，二号堆被发现裂口，带有高含量的放射性元素正在从缺口处流入海中。几天后裂口被堵上了。）

到了4月5日，东京电力为了贮藏一批刚排出的高辐射核污水，紧急腾空之前储藏核污水的容器，把1.27万吨“辐射度较低”的核污水排入了太平洋，之前并没有知会周围国家，一时间造成了周围邻国的紧张。

与此同时，反应堆里的高辐射核污水依旧在向着太平洋泄漏。到6月初，估计总共有30万吨的核污水通过各种形式泄漏到了海洋中。

如何测量海洋中遭受的辐射污染呢？

铯-137是比较好的用来检测海水的辐射污染程度的指标。根据法国辐射保护和核防护研究所的数据，2011年从3月21到七月中旬，福岛第一核电站一共向太平洋排入了2.7万万亿贝克（27PBq）的铯-137，其中82%是4月8日以前排入的。

以下是是检测到核电站近海的铯-137浓度从地震后3月到5月初的数据，铯-137浓度最高值是在东电第一次主动排放核污水的四月初，到达100 贝克/立方厘米，比可以饮用的安全值高出至少一万倍。随后，铯-137随着在太平洋中的扩散而浓度逐渐递减，在五月初降到0.1贝克每立方厘米，依旧比饮用水的安全值高出10倍。

以下是更长期的日本近海中铯-137浓度检测（注意这里换了单位，变成每立方米的贝克勒尔量）：

如果上述数据属实，则至多100天后的太平洋中铯-137含量，则回到了安全标准的百分之一 （WHO给出的饮用水安全标准是在10000贝克每立方米以下，有的国家地区给出的是5000贝克每立方，而这里给出的浓度数据是小于100贝克每立方）。但是，在这100天里对日本近海特别是海洋生物有什么影响，依旧还是目前考察的课题。

另外，铯-137会随着太平洋的洋流漂流，数年之后抵达加拿大和美国西海岸，下图是洋流的示意图：

下面是美国近海方面的检测数据：

很明显，由于洋流的影响，美国和加拿大的西部近海在2015年到2017年感受到了辐射的峰值（由Cs-137 的海洋浓度体现）。但是，这个峰值只有不到3贝克每立方米，远远地低于WHO和美国、加拿大给出的饮用水内铯浓度的安全阈值。另外，上图的右上方还有一个小图，给出了北太平洋从1950年代末期至今的北太平洋海域的辐射值。可以看到，1950年代由于美国大量的大气和水下核试验，北太平洋海域的铯-137浓度超过了10贝克每立方米，比今天海洋的铯-137浓度几乎高了一个量级。而随着核试验的减少和禁止，铯-137的浓度逐年降低，一直等到福岛核电站事故之后，北太平洋的海域辐射值才重新上升，回到4到5贝克每立方米，然而这个值依旧低于1950年代的海洋辐射值，甚至低于1980年代。由于太平洋洋流的方向性，中国近海受到的辐射影响，要低于美国和加拿大西海岸。

所以，从太平洋的平均值来说，福岛核事故第一阶段泄漏到太平洋里的核污水对于海洋的污染程度，并没有普通大众想象的那么严重，甚至还不到1980年代北太平洋的平均辐射程度。

这个结论并不是说排入海洋的福岛核污水对人类必然没有影响，比如前面给出的福岛近海的Cs-137浓度在核电站事故后400多天依旧保持在100贝克每立方的状态，虽然这个值低于饮用水的辐射安全量，但是究竟这个辐射值对于海洋生物有什么影响，是值得调查的。

下面我们来看看福岛核事件的第二个阶段，也就是从冷停堆到目前积累了超过120万吨的核污水的阶段。和第一阶段紧急给排水到冷停堆一共历时9个月相比，第二阶段持续长达10多年，更值得理性探讨。

三、核污水依旧大量产生

当核燃料冷停堆以后，大量的核污水主要是由福岛核电站附近的地下水和雨水产生的。海拔10米左右的福岛核电站一边靠着大海，一边靠山，处在低地势的区域。如果不加处理，大量的雨水和地下水从地势高处顺流而下，流经核电站反应堆地下的核污水，然后带着辐射元素流入大海。另外，雨水也会时不时地渗入反应堆地下，混着核污水和地下水流入大海。

为了避免地下水污染大海，只有两种方法，一个是“排”，一个是“堵”。所谓“排”，需要把地下水排出，并且贮藏起来。如果只是单纯地抽排水，每日的抽水量大概在三百吨到四百吨左右，那一年积累下来的排水就有11万到14万吨，而不到十年则贮藏的污水量超过百万吨，这也是为什么目前福岛已经积累了百万量级的核污水的主要原因。另外，如果遇到雨季或者台风季节，那么抽水量就激增，比如2019年10月超强台风海贝思途径福岛的时候，每日抽水量就达到了600多吨。

所谓“堵”，说的是为了减少流经反应堆地下积累的地下水量，最直接的方法是截断地下水。为了避免地下水从反应堆流入大海，在反应堆到大海一侧也要截断。于是，一个冻土墙的工程项目就此展开。下图就展示了目前福岛反应堆极其周边的剖面图：

再贴上一个信息量更充足的英文版剖面图：

高地势的地下水在流向核污水的过程中，首先被冻土墙截留一部分，经过暗渠之后再流入反应堆地下的核污染水。和核污染水混合的地下水再次顺势而流经第二道冻土墙，被截留下一部分，最后抵达海边的隔水墙。隔水墙负责把地下水、雨水和大海完全割断。而抽水设施则负责把和污染水混合的地下水和雨水排出，让污水进入到下一步的净化过程。

冻土墙计划是日本政府在2013年推出的、耗资320万美金的工程项目，建成了深30米、周长1.5公里、环绕一号到四号机的地下围墙。原本的计划是让冻土墙隔断地下水，但是冻土墙建成后的效果并不好，目前每天依旧有平均180吨的地下水流经反应堆的地下，并没有达成冻土墙计划的少于70吨每天的目标。

为了处理以每天几百吨速度积累的核污水，核污水的贮藏和净化就成为了一个新的工程。这就是下面要谈到的多核种除去设备（ALPS）和污水净化处理。

四、核污水处理设备

源源不断流经一到四号反应堆的地下水也源源不断地被抽出。这些被污染的地下水里，除了含有我在前面提到的铯-137、铯-134和碘-131外，其它的放射性元素（同位素）包括了：

H-3（氚），C-14（碳），Co-60（钴），Ni-63（镍），Se-79（硒），Sr-90（锶），Sb-125（锑），I-129（碘），Te-132（碲），Pu-238（钚）

等等，至少有63种放射性元素。

如何从多达120多万吨的污染水里除去这些放射性同位素呢？以下是目前建成的福岛核电站污水处理的示意图。

可以看到福岛核电站的污水处理系统分为两个部分：

第一个部分是反应堆下的高辐射核污水（上图的褐红色部分）和铯、锶过滤装置（上图的粉红色部分）之间的循环系统。流经反应堆的地下水和雨水成为核污水，经过铯、锶过滤装置首先被出去放射性元素铯和锶的同位素，并且过滤掉海盐，然后部分处理过的水被重新送回反应堆用来维持冷却反应堆的熔化燃料（目前熔化燃料保持在20-40摄氏度之间，即冷停堆状态）。

绝大部分被铯锶过滤装置处理过的水进入到第二个部分，即“多核种除去设备”（ALPS）。理论上，ALPS可以把水中的63中放射性元素中的62中去除，而只留下放射性的氚元素。被ALPS处理过的水被贮藏在核电站周边的一千多个水箱里。

下图是更详细的东电官方给出的核污水处理流程图：

上图包含了更多的细节，比如铯锶过滤装置一共有两个（KURION和SARRY），而多核种除去设备（ALPS）一共有三层，包括ALPS，升级ALPS和高性能ALPS。不过三层ALPS直到2019年才开始fully functional。

ALPS的提供商是东芝（Toshiba）和日立（Hitachi）公司，而客户则是东京电力。值得一提的是，早在东芝提供ALPS，有一家叫做Purolite的美国小公司也曾经竞标核污水的净化处理，这是它家给出的净化方案:

按照Purolite公司的方案，核电站的污水首先经过软化处理，然后经过铯、锶过滤装置，去掉重金属后，再经过碘、锝过滤装置等等，最终可以净化水中的辐射元素。Purolite的过滤净化装置得到了东京电力对62种放射元素的验收标准，但是东京电力最终还是选择了东芝和日立的ALPS，其中如何的政治和利益考量，就不得而知了。Purolite试图通过日本当地的法院进行上诉，宣称天下只有自己才能达到东电要求的净化水平，把62种辐射同位素降到“测不到”的低浓度，而日立和东芝可能剽窃了自己的技术，但是最终因为证据不足而官司不了了之。

五、核污水的处理、稀释和排放分析

我们再来看看ALPS目前达到的净化效果。

截止到2021年3月18日，福岛核电站贮藏的核污水已经到达125万吨，其中经过铯锶过滤装置处理过的核污水为22.7万吨，再次经过ALPS装置处理过的含氚水为123万吨，如下图：

在123万吨经过ALPS处理过的核污水里，其中29%到达了规定的标准，而其余71%需要再次净化处理。至于所谓的“规定标准”，还有各类蓄水箱里放射元素浓度的检测，可以参考下面的数据（由于禁止转载，所以直接给原始链接）：

https://www. tepco.co.jp/en/decommis sion/progress/watertreatment/images/tankarea_en.pdf

从上面的数据我们可以展开讨论一下，我们先来看29%达到法定标准浓度的处理水。

首先，被ALPS处理过的核污水并不能被直接饮用。下面是WHO给出的饮用水中辐射元素的安全浓度上限（只是建议，而各国各地可能给出不同的限制）