申泮文：從化學視角普及“核常識”

申泮文：中國科學院院士、無機化學家和化學教育家、南開大學教授。

　　自日本9.0級大地震誘發福島核電站危機以來，核泄漏、核輻射、核安全、核恐慌……眾多以“核”為關鍵詞的討論聲浪，在人們心中卷起層層陰云，乃至流言四起，甚而有人擔心起毀滅性的核爆炸。

　　借用日本作家村上春樹作品《當我談跑步時，我談些什么》的書名，我們不妨自我發問，當我們談論“核”時，我們究竟談些什么？原子核，對大多數人而言，依然既熟悉又陌生。

　　日前，南開大學舉辦科普講座，院士專家先后登臺為學子和公眾“科普解惑”。

　　95歲高齡的中國科學院院士、南開大學教授申泮文登上講壇，以“核輻射離我們有多遠”為主題，以化學家的眼光和視角，深入淺出地介紹核知識，并解析福島核電站危機中的重重疑云，以期揭開包裹在“核”之上的神秘面紗。

　　申泮文從原子核裂變反應所需的基本元素鈾說起。鈾是元素周期表中第92號元素，意味著鈾原子核內有92個質子。這個在自然界中能找到的最重元素，天然存在著三種同位素，占0.0056%的鈾-234，0.718%的鈾-235以及99.27%鈾-238。

　　第二次世界大戰之前，在德國工作的奧地利女科學家邁特納與其老師奧托·哈恩等人發現了原子核裂變反應，其中包括鈾-235與一個中子相撞之后裂變為兩個原子的現象。

　　鈾-235發生裂變，必須吸收一個運動速度較慢的中子，讓它慢慢地“溜”到原子核中。生成的鈾-236不穩定，立刻就分裂成兩個原子。92號元素鈾的分裂過程中，包含幾個重大問題。

　　首先，鈾-235分裂成質子數之和為92的兩個原子，變成兩種元素。例如，可以分裂成鋇（Ba，質子數56）和氪（Kr，質子數36）；氙（Xe， 質子數54）和鍶（Sr，質子數38）；銻（Sb，質子數51）和鈮（Nb，質子數41）；碘（I，質子數53）和釔（Y，質子數39）等等。而這些元素的同位素，通常具有放射性，有的放射壽命很長，有的則較短。媒體中提到的碘-131，就是裂變之后產生的一種放射性很強的碘同位素，會對人體造成放射性污染。

　　其次，裂變產生的兩個新原子核，其質量之和少于原來鈾-235的原子核質量，質量虧損將轉變為巨大的能量。依照愛因斯坦的質能方程，其產生的能量相當于化學反應熱的百萬倍。由此，“裂變能”成為原子彈的基礎，也是原子能裂變反應堆放熱的依據。

　　同時，在裂變反應中會產生2到3個多余中子，經過一定控制，將其速度減慢后則又可以“鉆進”鈾-235原子核中。這樣一來，就將引發原子核分裂的“鏈式反應”，又叫“雪崩式反應”。這同樣是原子彈所必需的條件。而對核電站而言，則需要控制中子，用控制材料“吃掉”中子以減少“鏈式反應”，從而產生穩定的熱量，這是原子能反應堆的基本原理。

　　除此之外，核裂變反應中會產生輻射，為了不讓放射性裂變材料飛逸出來造成污染，因此核電站的整個反應堆都必須密閉。

　　申泮文在講座中提到，他對原子核裂變反應的關注，始于1945年8月美軍在日本上空投下的兩顆原子彈。

　　原子彈的威力震驚了整個世界。因核裂變反應的發現對人類產生了重大影響，諾貝爾評獎委員會在1945年11月15日宣布，將1944年諾貝爾化學獎授予德國放射化學家和物理學家哈恩，而猶太人邁特納則未獲提名。申泮文介紹說，科學界沒有忘記邁特納，1994年，國際純粹化學與應用化學聯合會通過決議，將第109號元素命名為Meitnerium，以紀念核物理學家邁特納。

　　二戰結束之后，各國漸次開始對原子能和平利用的探索研究。利用核裂變能量發電，是迄今最為重要的利用方式。申泮文打開一張“壓水型原子裂變堆示意圖”，解釋核電站的核心結構部件及其運行原理。

　　由安全殼包裹的燃料棒、控制棒、重水、冷凝器、水泵、蒸汽與冷熱水循環系統等，構成反應堆的“核島”。

　　熔點高達2800攝氏度的二氧化鈾經高溫、高壓熔接形成鈾棒，作為核反應堆的燃料棒。其中所含鈾-235是經離心機等裝置特別提煉濃縮而成，二氧化鈾僅占到整個鈾燃料棒的3%到4%。鈾-235發生核裂變反應，產生核電站發電所需熱量。

　　在反應堆中，控制棒是“吃”中子的材料，通常由金屬鎘或者硼的合金制成，通過對中子的吸收來控制核裂變“鏈式反應”的速度，從而穩定釋放“裂變能”。在福島核電站危機發生后，日本方面通過直升機向反應堆噴水的同時噴撒硼酸，正是試圖用硼自然吸收中子。

　　核裂變產生的能量需要被水吸收，從而轉化為水蒸氣攜帶的熱能。由此，燃料棒、控制棒和水，均被耐高壓材料金屬鋯制成的外殼，密封在反應堆“核芯”內。這樣構成的一個“鍋爐”，需要由控制棒操縱機將水蒸氣溫度保持在300攝氏度，實現自動定溫控制。另一方面，300攝氏度的水蒸氣在密閉殼內產生的壓強將接近86個大氣壓，這成為反應堆的風險之一。

　　“壓水堆”類型的核反應堆，水在其中充當傳熱介質以外，還有一個重要作用是作為中子的“減速劑”。中子與水中的氫原子質量相當，二者在碰撞中可以使得中子變慢，進而得以被鈾-235吸收持續發生鏈式核裂變。

　　在自成體系的反應堆“核芯”之外，則是一整套由水泵控制的水循環系統，通過熱量交換最終帶動發電機發電。水經過熱交換器和冷凝器等裝置，循環往復帶走反應堆中不斷產生的“裂變能”。

　　至此，控制棒在整個系統中發揮著至關重要的作用。核裂變反應增多導致溫度升高時，控制棒自動伸入燃料棒之間吸收中子；而當溫度降低，控制棒則自動拉出，以增多核裂變反應的發生。

　　申泮文說，在整個核反應堆系統中，放射性物質都被滯留在封閉安全殼內，所以核科學技術專家認為核能為清潔能源是正確的。

　　隨后，申泮文指出整個核電站的體系中，存在著三個要害部位。

　　首當其沖的要害，是控制棒的自動控制系統。如果無法操縱控制棒，中子會不斷“繁衍”，不斷的核裂變反應就會持續生成熱量。所以，控制棒是反應堆的“心臟”。

　　其次，熱量交換過程中，循環系統的兩個水泵也是整個系統的要害。申泮文形象地比喻到，如果兩個水泵停止工作，那就相當于人的“腸梗阻”，不能把熱量載運出來，那就麻煩了。

　　申泮文指出，核電站能否安全運行有三個方面的問題，一是科學技術基礎是否正確，二是規章制度是否嚴密，三是管理是否合理。而在危機發生之時，則需要找準并及時撲救關鍵險情，以防止災難的發生。

　　申泮文分析說，地震發生之后福島市的電網癱瘓是引發核電站危機的第一因素。反應堆控制棒的自動操控系統和水泵，都要依靠電力帶動，而地震引發停電之后，核電站的備用電機據稱均被海嘯沖毀。直至地震發生后的第九天，才最終接通電纜。

　　核電站反應堆不斷升高的溫度，表明控制系統確實完全“失控”。中子在不斷“繁衍”，鈾-235的核裂變反應也在不斷進行；而另一方面，水循環系統遭到破壞，使得熱量無法從“核芯”中被帶出。

　　在這種情況下，申泮文指出最緊要的就是讓中子“繁衍”停止下來。對于因停電而無法運轉的自動設備，申泮文認為“凡是自動化的東西，都應該有手動部分”，應該想辦法手動解決控制棒的操縱，從而讓中子不再生成。

　　因停電導致的水泵無法工作則是另一個關鍵問題，這使得整個核電站的冷卻系統失靈，無法將冷水注入循環系統。“其實可以用柴油發動機帶動馬達，嘗試把冷水打進去。”申泮文說，如果這個方法也無法實現，則說明在設計上存在缺陷。

　　在申泮文看來，福島的核危機持續很久未能解決，暴露出了很多技術問題和管理問題。他認為用飛機灑水等方式來處理，是不能解決“中子在里面造反的”。

　　而對于發生氫氣爆炸的原因，申泮文根據自己掌握的有限資料分析認為，從化學角度講，隨著溫度的不斷升高，1000攝氏度以上的水，就會自發分解為氫和氧。加之金屬氧化物和鋯殼的催化作用，也降低了水的分解溫度。同時，密封殼內的壓力隨溫度升高而不斷增強，因此有可能安全殼被爆出了一個小口，氫氣隨之外泄，在降溫過程中與氧氣自發結合便會產生爆炸。

　　隨著福島核電站幾臺機組先后傳出爆炸聲，人們對發生核泄漏的擔憂也不斷加重。恐慌情緒的蔓延，讓部分地區公眾出現搶購碘片、碘酒、碘鹽等行為。

　　針對吃碘片可以防輻射的說法，申泮文強調這并不完全正確。爭搶碘片、碘鹽等含碘商品的邏輯是，人的甲狀腺需要碘，為了防止核裂變后產生的碘-131這種放射性碘被人體吸收進入甲狀腺中成為一個放射源，因此，可以服用碘片使得甲狀腺中的碘達到飽和，飽和之后，放射性的碘-131就無法進入人體。

　　500克食鹽中僅有15毫克碘化合物，要想通過吃鹽的方式讓甲狀腺中的碘得到飽和，則需要吃6公斤鹽。“其實海水中的海帶、魚蝦等水生生物都有碘，甚至海風中也有碘。平常的食物、空氣、土壤中也都含碘。”申泮文表示，我們人體內并不缺碘。

　　申泮文強調說，碘僅僅是核裂變產生的眾多放射性元素中的一個，還有鍶和鋇等其他元素同樣具有放射性，如果被人體呼吸進入身體，有可能附著在骨頭中成為放射源，如此一來造成的傷害將會更為嚴重。

　　對于人們因日本核危機產生的恐慌，申泮文希望大家放心，切勿“庸人自擾”。

　　他呼吁大家以此為鑒，希望我們的核電站從此次日本核危機中總結經驗教訓，聯合專家一起研究分析真正的問題根源，并及早采取防御措施，避免將來犯同樣錯誤。

　　申泮文在講座最后表示，因為福島核電站的很多實際情況尚不明朗，他只希望個人的分析能夠與大家交換意見，以使此次事件為我們的核電站發展留下鏡鑒。