【福岛核电站】“最坏情况”有多坏？算算数字就明白

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.
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

http://songshuhui.net/archives/51894


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.
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

http://songshuhui.net/archives/51894