福岛核电站已经好久没给我们带来好消息了,各种稀奇古怪的故障一个接着一个,越来越多的人也在考虑“最坏情况”的可能了,这次的碘盐恐慌似乎就是被所谓的“最坏情况”吓出来的。那么最坏到底能有多坏呢?

完整的评估太过复杂,咱就从比较简单的,也是目前我们很多人最关心的问题说起:放射性物质的泄露对海水最大到底能有多大的影响。这里我们主要拿这个风头正紧的碘 131 来开刀。

泄露的碘 131 最多有多少?

福岛一号核电站的乏燃料存储,按去年三月份计算是 1760 吨,而存储总容量才 2100 吨,一年下来肯定离塞满还有一段距离。一个典型的反应堆内部核燃料最大容量约在一百吨左右,实际容量则根据每个堆的具体功率而定,一般只有几十吨。拼命往大里算的话,我们就按六个堆一共 2600 吨燃料估算,其中 2000 吨乏燃料,600 吨核燃料;它们都是相应放射性金属的二氧化物。

核电站如果使用标准的低浓度铀燃料,有效燃料(铀 235)一般只有 4% 左右,剩下的 96% 是铀 238。而如果使用目前新兴的 MOX 混合燃料,则是 7% 的钚和 93% 的铀 238,其中 7% 的钚中又只有三分之二是可裂变的(其中大部分是钚 239,有少量的钚 241),折合下来约为 4.5%。往大里估算,就统一按照 5% 来吧。而乏燃料里面的铀 235 和可裂变钚加在一起也绝不会超过 2%。这样可裂变的铀和钚的二氧化物最多也就 70 吨(5% × 600 吨 + 2% × 2000 吨)了;扣掉两个氧原子,真正的铀和钚元素质量只有大约 62 吨。

碘 131 是铀 235 和钚 239 的重要裂变产物,但论原子数只占所有裂变产物的 2.8%,考虑到碘比铀和钚轻接近一半,那质量更是只占 1.6%;而二者自发衰变的话则都不会产生碘,衰变到铅(铅 207)就停了。目前释放出来的碘 131 照理说应该都是前几天没停堆时的裂变产物,现在裂变已经几乎完全停止了,只剩下衰变;但既然是估算最坏情况,那么咱就干脆一狠心,让全部的核燃料都尽可能裂变。这样就最多能得到 1 吨碘 131(1.6% × 62 吨=0.99 吨,咱为了吉利向上取个整)。当然了,实际数字一定是远远小于此值。

1 吨哎,看起来好可怕的啊,能装一辆解放牌卡车的呢!

对海水影响有多大?

但是古人有诗曰,“大海啊,都是水⋯⋯”

太平洋的总水量估计为 6.22 亿立方千米,一立方千米的海水大约重 1.03×10 9 吨,这就是 6.4×10 17 吨啊!1 吨的碘 131 扔进进去,那质量浓度还不到 10 -17 ,要想毒害全地球,实在是力不从心啊。

好吧,拿整个太平洋来比也许是不公正的,那么我们拿日本东海岸的主要洋流——黑潮暖流来比。它是世界上第二大洋流,如果污染扩散的话它是最大危胁。黑潮的流量大约是 6500 万立方米/秒,也就是 6.7×10 7 吨/秒;其厚度 500~1000 米,宽度约 200 千米。让我们假设 1 吨的碘 131 一瞬间全丢进黑潮正中央,那进入处的鱼虾大概是死翘翘了。可碘总得扩散吧。假定碘按照半球形的方式扩散,接触到黑潮的边界就自动停止,那么到接触洋流下表 面(500 米)的时候,含碘水团质量就已经是 2.6×10 8 吨了,碘的质量浓度也可怜地只剩下不到 10 -8 。而等到接触到洋流的侧面(100 千米)的时候,含碘水团质量则是 2×10 13 吨⋯⋯呃,那质量浓度就是不到 10 -13 ⋯⋯

当然还有一个麻烦是,碘 131 的半衰期只有可怜的 8.1 天,而黑潮的平均流速只有 1~2 米/秒。在短短的 8.1 天里,拼了命能流 1400 千米。而黑潮是要一路流到加拿大才会掉头的——路上起码要花掉五六个半衰期吧。就算是 40 天(5 个半衰期),那么等流到加拿大,只剩下原来的 1/32 能幸免于衰变,要是花同样的时间再流回来,那就只剩下 1/1024 了⋯⋯

最要命的一个问题是,这点可怜的碘恐怕根本进不到海盐里!海水里本身是含有极少量的碘的,平均浓度为 0.064 ppm,也就是质量浓度为 6.4×10 -8 。可是我们吃的盐却需要人工额外添加碘,因为就算吃的是海盐,按照现在的海盐浓缩卤水制法,海水里的碘根本达不到沉淀成盐的浓度;而这次新加进去的碘 131 无论怎么算,浓度都要远远小于海水里的天然碘,没可能沉淀下来的。再说整个海盐的生产流程下来,又不知道几个 8 天过去了。

可见,碘 131 也许能对福岛核电站周围造成危害,但只要进了大海,就实在威风不起来了。

一些补充

那么放射性的铯呢?铯 137 要稍微多一点,质量在裂变产物中约占 3.7%,是碘的两倍多;此外它的半衰期要长很多,是 30.23 年。然而,多出来这么一点剂量,也并不能扭转它和海水力量对比的颓势,除了半衰期计算之外,以上其它的结果数量级依然不变。这些放射性元素集中起来确实可以对核电站周边几十千米的地区造成严重的损伤,可是一旦陷入那啥啥的汪洋大海之中,就实在是九牛一毛了。并且就凭这点浓度,也完全不足以在制盐过程中进入沉淀下来的盐里。其实在裂变的众多产物中,还有很多别的东西也都是具有放射性的,比如锶 90、锝 99 和锆 93 三种主要产物,加起来质量接近 10%;幸好它们极难挥发,现在很难像碘和铯一样,以气体形式逸出。不过就算它们也下了海,代入上面的公式算算,一样只能望洋兴叹。

当然我们也不能忘了占大头的二氧化铀和二氧化钚。如果发生最严重的堆芯熔化彻底泄露,铀和钚可能直接进入大海。不过,这两种物质都是既不挥发也不溶解于水的,一下海水就会很快沉底然后被沉积物掩埋起来,会危害本地的海底生态,却很难把伤害扩散出去,更谈不上污染整个大洋了。

最后补充一句:所谓的放射性“传染”的问题。一些原子接受强烈放射线照射后,可能自己也会发生变化,成为放射性原子;然而和疾病不同,要想新“传染”物质,需要接受极其强烈的放射性,而被“传染”的物质自身的放射性也要比原来的放射源小得多得多。既然碘和铯已经因为浓度的原因,谈不上多强的放射性了,那么再去传染别的就更不可能了。

总之,即使福岛的燃料统统下了海,我国的海盐和近海鱼遭到严重核污染的可能性实在是不大。当然,这也并不代表可以掉以轻心。沿海近期关注的将主要是核辐射的扩散物理过程,比如海洋水动力过程引起的海水扩散。而远期来看,半衰期长的放射性核素存在着通过食物链传递而一级级富集的可能。必须严格检测海鲜中的核辐射现状数据才能做到万无一失。大家可以关注临近各国海洋、渔业、环保部门定期发布的最新核辐射检测数据.

本文结尾有修改,特别鸣谢 @biodiversity

本文原版已发表于 果壳网 死理性派

参考资料:
[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Iodine-131
[2] http://en.wikipedia.org/wiki/Kuroshio_Current
[3] http://www.nirs.org/reactorwatch/accidents/6-1_powerpoint.pdf
[4] http://www.world-nuclear.org/info/inf29.html
[5] http://www.seafriends.org.nz/oceano/seawater.htm#composition

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36 Responses to “【福岛核电站】“最坏情况”有多坏?算算数字就明白”

  1. sLow说道:

    支持~30年的半衰期啊,有点怕怕。

  2. davidchin说道:

    昨天我回家時在路上遇到幾個阿婆,她們一致認同搶鹽的都是腦殘,於是我很慶幸中國人還是有常識的

  3. piao说道:

    真会计算啊,哈哈

  4. G-spots说道:

    NS方程写错了吧

  5. rockfish121说道:

    按照环境评价的一般方法,是用二维水质模型计算此类污染物扩散的。相见《海洋工程环境影响评价技术导则》

  6. 蓝蛋说道:

    内地的居民与其担心福岛不如担心罗布泊……沿海居民就甭吃大鱿鱼跟金枪鱼了

  7. moplee说道:

    日本和北美的渔业要遭殃了,北太平洋的大鲸们不知能否逃过一劫

  8. [...] 【福岛核电站】“最坏情况”有多坏?算算数字就明白 [...]

  9. yokeo说道:

    是啊,罗布泊不是更严重,离的更进。

  10. [...] 原文地址:【福岛核电站】“最坏情况”有多坏?算算数字就明白 多练几遍,我想你也可以成为CCTV的新闻主持。 [...]

  11. laoma说道:

    铀、钚、碘、铯、锶、锝、锆等放射性物质衰变后的产物是否有放射性?半衰期多少?

  12. thinostrich说道:

    掉海里是算好的了,如果这2000吨都融了,再来几个氢爆把他们全送上天。这时天公不作美,来个东北风。。。日本就完了。。。当然目前看来形势逐渐稳定,如果东电没有隐瞒或者说假话的话。一个礼拜后就基本安全了。

    • Ent说道:

      氢气爆炸就送上天其实很有点难度……主要是爆炸不可持续,炸一下就完了。当年切尔诺贝利是因为石墨起火了,烧了很久,持续动力才把放射性物质送入高空的;单氢气爆炸我觉得比较难……

  13. 生命收割者说道:

    即使对人类无害,我们也还是要认真做好善后工作,免得“砸”到海里的花花草草就不好啦,祝事件完美平息,人和物都无事

  14. wrterr说道:

    太民科了吧,按你这么算切尔诺贝利也不会那么严重了。切尔诺贝利才1个堆爆掉,核燃料也没有1700吨那么多。

    • Ent说道:

      切尔诺贝利周围又没有海啊,怎么可能“按我这么算”。这只是算对海洋的影响。

    • pasternak说道:

      为了解答你的疑问,我又上维基看了看切尔诺贝利事件,大体结论如下:

      切尔诺贝利:核裂变反应激增导致蒸汽爆炸,让堆芯暴露在空气中。之后高温下的石墨冷却剂在空气中燃烧,从而导致放射性物质大量扩散到空气中。以后几天,随风吹向北欧。主要的污染物质是碘-131,锶-90和铯-137。与Ent所说相同,碘-131主要是本地的影响,而锶-90和铯-137则影响到几乎整个欧洲。总之,切尔诺贝利的主要问题在于燃烧将大量物质扩散到空气中,随后的气流又将它们吹到人口密集的欧洲。

      福岛:核裂变反应在一开始就停止了,出问题的是放射性物质的衰变热,相比切尔诺贝利已经好了很多。福岛用轻水做减速剂,即使暴露在空气中也不会象石墨那样燃烧,从而避免了燃烧将放射性物质大量扩散到空气中的可能。这阶段日本的大气环流主要是由西向东,因此空气中的少量放射性物质也被吹向太平洋,而非人口密集的日本本土以及中国、韩国。如果发生最坏情况,堆芯暴露,那也不存在大量向空气扩散的可能。至于海水中的扩散,Ent早已说过,黑潮暖流要穿过北太平洋到达加拿大,那时污染物早已扩散得可以忽略不计了。何况人们也不可能故意把整个堆芯扔到海里去。

      总之,由于设计上的安全性,福岛是不可能造成切尔诺贝利那么严重的事故的。由于大气、洋流的配合,福岛更不可能影响中国。但福岛仍然是史上最严重的几起核电事故之一。考虑到三里岛核事故(影响比福岛要小得多)让美国至今没有再建新核电厂,并且让核电的安全设计费用大涨。这次福岛事件肯定会对世界核电产业造成巨大打击,甚至导致核电从此衰落。即使核电继续发展,未来的设计需要考虑地震、海啸的联合打击,制造费用定会上涨到一个新的台阶。

      • pasternak说道:

        纠正一点:日本上空还是有放射性物质的,但中国没有。

  15. 心理学爱好者说道:

    不能那样算吧。扩散是多方向的不能只按洋流方向扩散吧

  16. zigma说道:

    实际上我听到的人都说抢盐是脑残,那么到底是谁在抢?难道是外星人。。。

  17. 叫fish的鱼说道:

    “泄露”应为“泄漏”

  18. Sheldon说道:

    赞定量分析

  19. 雞蛋頭说道:

    老實講,我希望日本人怕到不吃魚。這樣地球生態就有救了。拜托拜托拜托一定要把錯誤知識翻譯成日文嚇死日本人。

  20. doylew说道:

    看着一票一票的数据,我没时间去一一判断,但是,结论我还是很赞同的!!

  21. 简单王说道:

    有一点是可以肯定的,如果情况比作者说的坏,那么全世界关于核能的发展是会比较谨慎的,那么像作者一样的核能专家们的市场一定会不如以前。
    我进入这个网站是从前面那个麻省理工的专家的文章开始的,但后面的发展好像比那位专家描述的不大一样,有点雾水。

  22. rebabel说道:

    为什么单单只考虑碘的影响呢?铯137半衰期更长,为什么不讨论讨论?

  23. [...] 【福岛核电站】“最坏情况”有多坏?算算数字就明白 [...]

  24. 水石居说道:

    “半衰期长的放射性核素存在着通过食物链传递而一级级富集的可能”这个应该是对我们来说最有威胁的潜在危险了。

  25. liu说道:

    按上面的公式,到海水中没有威胁,如果在空气中传播呢?是不是比海水中传播的更快更广?

  26. zidanecat说道:

    我觉得 食物链才是最大的危害 日本进口的食物会因为我国入口的宽松环境而轻易将辐射食物摆上我们的餐桌 这不是瞎扯 而是对中国食品已经失去基本的信心

  27. ligand说道:

    经不起时间检验的文章

  28. 汇齐1说道:

    我觉得 食物链才是最大的危害

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