2011年3月11日發(fā)生的大地震和海嘯摧毀了日本東北部地區(qū)，造成18000多人喪生，大量人口流離失所，基礎(chǔ)設(shè)施受損，環(huán)境污染，被列為世界歷史上代價(jià)最高的自然災(zāi)害(約3000億美元)。沿海基礎(chǔ)設(shè)施破壞巨大，造成的影響包括供電損失、更換和修復(fù)由此產(chǎn)生的污染的費(fèi)用——包括70多座污水處理廠被毀和超過3300個處理石油和石化工業(yè)潛在有毒物質(zhì)的設(shè)施的損壞。然而，在國際上，這些并不為人所知，因?yàn)榇蟊姸及呀裹c(diǎn)集中在其中一起事故上——福島第一核電站反應(yīng)堆堆芯熔毀。

地震和海嘯的共同作用“上演”了一場“完美風(fēng)暴”，導(dǎo)致三座反應(yīng)堆(1-3號機(jī)組)的堆芯熔毀，以及隨后由水-包殼-燃料相互作用產(chǎn)生的氫氣爆炸(包括當(dāng)時已卸下燃料但相連的4號機(jī)組)，導(dǎo)致?lián)]發(fā)性放射性核素的釋放，這些放射性核素隨后沉積在陸地和海洋上。

區(qū)域修復(fù)

在短壽命的碘同位素衰變后，區(qū)域污染主要是銫放射性同位素Cs-134和Cs-137，其半衰期分別為2年和30年，隨著時間的推移，后者變得愈加重要。自事故發(fā)生以來，為了增進(jìn)對相關(guān)生態(tài)系統(tǒng)中銫(Cs)的環(huán)境行為的了解，凈化行動一直在持續(xù)進(jìn)行。許多組織部門的整治計(jì)劃和研究開展，得益于先進(jìn)的知識管理和通訊工具，它們是由日本原子能機(jī)構(gòu)開發(fā)的(用于深部地質(zhì)處置)，并迅速適應(yīng)了這種應(yīng)用。

整治的結(jié)果卻產(chǎn)生了大量受污染的廢料(約14Mm3)，其中大部分是不穩(wěn)定的(例如，受生物降解影響的植被和土壤)。整個地區(qū)內(nèi)設(shè)立的許多臨時廢料儲存場，是基于在三年內(nèi)可提供更好的集中式臨時儲存設(shè)施(ISF)的假設(shè)。由于技術(shù)和政治上的延誤，這些臨時設(shè)施僅在2017年底才投入使用，導(dǎo)致與從舊臨時儲存場中回收廢料相關(guān)的許多問題。ISF包括焚化和土壤分類設(shè)施，并包括在一項(xiàng)計(jì)劃中，以盡可能地回收廢料，并最終在福島縣以外的一處未確定地點(diǎn)處理剩余的廢料。事后分析，廢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關(guān)許可問題的特別限制。

加上自然劑量的減少過程(例如含銫土壤顆粒的遷移和擴(kuò)散)(所謂的“自清潔”)，整治措施已使平均劑量的減少量比單獨(dú)的放射性衰變減少了兩倍左右(圖1)。

 

自然放射性銫衰變與許多環(huán)境系統(tǒng)中實(shí)際放射性銫測量值的比較

確實(shí)，城市地區(qū)的劑量減少率較高，除了靠近福島第一核電站的地區(qū)外，目前最高劑量的地區(qū)是無法進(jìn)行去污的森林地區(qū)，預(yù)計(jì)將持續(xù)相當(dāng)長一段時間。

對于福島第一核電站(1F)周圍地區(qū)，隨著整治工作的進(jìn)行，人們返回受污染較少的地區(qū)工作取得了重大進(jìn)展。當(dāng)然，這得益于這些領(lǐng)域的新就業(yè)機(jī)會，例如非現(xiàn)場修復(fù)工作和相關(guān)的研發(fā)，以及輻射監(jiān)測，凈化行動和退役。該區(qū)域的其他工作包括1F本身(穩(wěn)定和清理行動)和其他相關(guān)設(shè)施(例如，ISF –臨時存儲設(shè)施–圖2)。

圖2:1F場地周圍沿海地區(qū)JAEA研發(fā)設(shè)施示意圖。臨時儲存設(shè)施位于1F地區(qū)周圍的深色陰影區(qū)域。

現(xiàn)場修復(fù)

盡管電視上出現(xiàn)了戲劇性的畫面，但大多數(shù)放射性物質(zhì)——以及幾乎所有毒性更大的放射性核素——都包含在反應(yīng)堆建筑內(nèi)。這使得非現(xiàn)場恢復(fù)變得更簡單，但也確實(shí)使現(xiàn)場修復(fù)變得特別具有挑戰(zhàn)性。

在事故發(fā)生后，最初的首要問題是消除三個緊急停堆反應(yīng)堆的衰變熱，之后穩(wěn)定受損的反應(yīng)堆建筑物是最重要的任務(wù)。根據(jù)美國的設(shè)計(jì)，燃料存儲池位于主安全殼的上方，這意味著它們特別容易受到余震或地震等進(jìn)一步干擾的影響。此外，為方便進(jìn)出并減少工人的受輻射劑量，必須清除散布在現(xiàn)場各處的受污染的碎片，然后才能進(jìn)行穩(wěn)定工作。

由于決策者的優(yōu)柔寡斷，反應(yīng)堆直到堆芯開始熔化后才被海水淹沒–這是由反應(yīng)堆操作員做出的勇敢決定。從那以后，冷卻水被泵送入主安全殼，導(dǎo)致從受損燃料中不斷浸出放射性物質(zhì)。(下圖 現(xiàn)場邊界內(nèi)的儲水罐)

雖然采用冷卻水循環(huán)的凈化系統(tǒng)(ALPS)是成功的，但限制進(jìn)水的嘗試卻帶來了嚴(yán)重的問題。所選擇的主要解決方案是在反應(yīng)堆周圍建造地下“冰墻”(制冷劑通過鋼管向下流經(jīng)至30米深)，這是一種未經(jīng)驗(yàn)證的，非常昂貴的高科技選擇，施工難度大，危險(xiǎn)程度高，需要持續(xù)維護(hù)并且未達(dá)到承諾的性能水平。

與此形成對比的是在實(shí)施前對場外方案進(jìn)行了測試和嚴(yán)格評估：冰墻的選擇過程是不透明的，基于行業(yè)游說，并沒有對許多技術(shù)專家提出的嚴(yán)重關(guān)切作出回應(yīng)。即使是現(xiàn)在，冰墻的作用也只是減少而不是阻止地下水的流入，但人們并沒有公開承認(rèn)其局限性，也沒有做出多少努力來考慮其替代方案，評估如何從擾動中恢復(fù)，或討論這將如何影響最終的現(xiàn)場退役。

穩(wěn)定受損的反應(yīng)堆建筑物，尤其是從儲存池中清除燃料的工作取得了有效進(jìn)展，即使由于現(xiàn)場工作的限制而進(jìn)展緩慢。對于1F核電站來說，問題最嚴(yán)重的是4號機(jī)組的反應(yīng)堆池，其中包含發(fā)生事故時一個完整的堆芯負(fù)荷。此后，第4號機(jī)組的燃料池已清除所有儲存的燃料(2014年12月完成)，最近于2019年4月開始從第3號機(jī)組燃料池中清除燃料，目標(biāo)是到2021年3月完成。1號和2號機(jī)組的燃料棒拆除工作將于2023年開始。此外，廣泛的技術(shù)開發(fā)還帶來了更強(qiáng)大的遠(yuǎn)程操作或自主機(jī)器人系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可用于描述乏燃料池和反應(yīng)堆主安全殼內(nèi)的高劑量率區(qū)域，特別強(qiáng)調(diào)對燃料的定位和描述，最初的總計(jì)800噸的燃料通過反應(yīng)堆壓力容器融化(通常稱為corium，但在日本的報(bào)告中與其他受損的燃料和反應(yīng)堆內(nèi)部構(gòu)件一起稱為“燃料碎片”)。每個受損反應(yīng)堆堆芯的最終信息可以使用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)以3D方式捕獲，這有助于規(guī)劃未來的退役行動(圖4)。

JAEA遠(yuǎn)程技術(shù)開發(fā)中心的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)

目前，政府的目標(biāo)是在2021年開始清除燃料碎片，這是一項(xiàng)雄心勃勃的任務(wù)，也是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)：提前制定反應(yīng)堆退役和相關(guān)廢物管理的明確計(jì)劃(預(yù)計(jì)2031年)。

放寬通道和降低現(xiàn)場劑量率導(dǎo)致了大量被污染的廢物，估計(jì)總量約為770 000m3，其中包括活躍廢物類別中的約150000 m3碎石和約90 000m3的砍伐樹木。此外，還有7000個“高完整性容器”，其中含有來自冷卻水凈化裝置的更多有毒二次廢物(泥漿、離子交換器、過濾器等)。

盡管尚未進(jìn)行詳細(xì)評估，但參考退役計(jì)劃要求福島第一核電站在事故發(fā)生后40年內(nèi)被清理到綠地的水平——這是一個極其雄心勃勃的目標(biāo)，沒有任何國際先例。進(jìn)一步假設(shè)廢物將被回收利用或在異地處置-產(chǎn)生的廢物管理費(fèi)用相當(dāng)于估計(jì)預(yù)算的80%以上(約900億美元)。除了所有表面污染外，還需要處理因漏水而引起的不確定范圍的地下水污染。確實(shí)，從純技術(shù)的角度來看，如果最終場地的最終狀態(tài)棕色地帶，并且廢物盡可能就地處理，則在降低成本，對工人的風(fēng)險(xiǎn)和環(huán)境影響方面具有巨大的潛力。事實(shí)上，如果最終狀態(tài)被定義為國家廢物管理設(shè)施，特別是考慮到日本最終需要退役的核電站數(shù)量，當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)的利益可能會受到影響(圖5和其他退役廢物的當(dāng)前和潛在未來處置方案示意圖)。

但是，此概念在政治上極為敏感，需要與當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏贤ú拍塬@得認(rèn)可。