放射性玻璃珠可能讲述福岛核泄漏如何发生的 ужасная 故事

2011年3月14日和15日，爆炸从福岛第一核电站释放出无形的放射性烟羽，三天前因 日本有记录以来最强烈的地震引发大规模海啸而瘫痪。当烟羽飘过邻近的乡村时，其内容物——包括放射性铯，工厂裂变反应的副产品——落到地面和海洋上。

没有人知道或预料到的是，放射性尘埃也含有细菌大小的玻璃状珠子，其放射性铯的浓度远高于类似大小的受污染尘埃或污垢微粒。

自从2013年发现这些颗粒以来，科学家们已经从整个污染区的土壤样本和空气过滤器中采集了它们，包括远至东京的过滤器。研究人员表示，这些珠子可能构成一种未被充分认识的健康风险，因为它们足够小，可以被吸入肺部深处——而且它们的玻璃状成分意味着它们可能不易溶解或侵蚀。它们也为进行一位研究人员所称的“核法医学”提供了机会：通过分析颗粒的成分，科学家们可以更清晰地了解工厂内部白热暴力期间发生了什么，以及三个废墟中发生熔毁的反应堆的当前状况。这可能有助于为清理工厂废墟的策略提供信息。

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研究人员表示，在对日本公众普遍的核警惕以及政府希望将福岛事件抛在脑后的背景下——尤其是在东京准备主办2020年奥运会的情况下，这些不寻常的珠子的全貌正逐渐清晰。“我认为，不幸的是，日本对[珠子]这一发现的反应并不受欢迎，”斯坦福大学国际安全与合作中心联合主任、矿物学家和核材料专家罗德·尤因说。

“唯一的线索”

最初认为福岛烟羽中释放的所有放射性铯都是水溶性形式，并且会或多或少均匀地分散在环境中。但是，当当时的筑波大学气溶胶专家五十岚靖人及其同事检查了筑波气象研究所（位于福岛西南170公里处）的空气过滤器时，他们注意到该过滤器含有放射性热点。他们使用专门的成像技术，检测到高浓度的放射性铯以及铁和锌的碎片，这些碎片被包裹在直径仅为几微米的颗粒中（大约相当于普通大肠杆菌细菌的大小）。随后的研究指出，这些碎片被二氧化硅包裹，赋予它们玻璃状质地。在核电站几公里范围内发现的颗粒还含有纳米级的二氧化铀碎片，二氧化铀是核电站中使用的核燃料。

由于富含铯的颗粒在熔毁早期就已产生，因此它们为科学家们了解灾难中事件的确切顺序提供了一个重要的窗口。间接证据表明，海啸摧毁了反应堆的冷却水系统，导致核燃料升温。随着温度升高，蒸汽腐蚀了燃料棒上的金属包壳（包裹着核燃料），在此过程中释放出氢气。火花最终导致氢气爆炸，炸毁了反应堆建筑物并释放出放射性烟羽。玻璃状微粒的特定结构及其包含的元素比例构成了所发生化学反应顺序的记录。对于科学家来说，这可以帮助充实时间线，并阐明工厂熔毁反应堆中废墟的当前状态，由于高辐射水平，这些反应堆仍然是禁区。珠子是“反应堆内部剩余废墟的唯一直接证据。那是唯一的线索，”九州大学的宇都宫聪说，他研究各种纳米颗粒对环境的威胁。*

例如，珠子的成分告诉研究人员，铯（以及在熔毁期间高温下汽化的一些其他裂变产物）最终像雨滴一样凝结，附着在容器和包壳腐蚀时产生的二氧化铁和二氧化锌碎片上。颗粒的玻璃状质地表明，某些位置的温度达到了熔化和汽化二氧化硅所需的极高水平。

宇都宫认为，这种情况发生在安全壳最终失效并掉落到反应堆混凝土基座上时：混凝土中的一些二氧化硅汽化成二氧化硅，二氧化硅凝结在颗粒周围。布里斯托尔大学核材料教授汤姆·斯科特及其同事进行的一项分析表明，在更靠近工厂的地方发现的较大毫米级颗粒似乎是从反应堆冷却剂系统中的绝缘材料中获取二氧化硅的。*

每个反应堆装置都可能经历了略有不同的熔毁过程，从而产生了具有特征成分的颗粒。 斯科特说，查明每个反应堆出了什么问题，有助于告诉那些致力于清理工厂的人员，他们可能正在处理放射性工厂残骸中的什么，以及“更好地了解灾难中涉及的机制和促成因素”——“因为如果您了解了这一点，就可以防止它再次发生。”

更清晰的画面浮现

斯科特的小组与日本原子能机构（负责牵头研究以支持福岛清理工作）的科学家合作，并且还在利用从珠子中收集到的细节来改进工厂周围区域的污染和辐射风险地图。尽管微粒显然不像其他形式的放射性铯那样广泛分布——其中一些被吹遍全球——但它们已经出现在最受污染的地区。宇都宫及其同事在工厂附近一克土壤中发现了多达 318 个颗粒。他们还发现，颗粒比最初预期的传播得更远。在距离福岛约 240 公里的东京的一个空气过滤器中也发现了它们。

研究小组的研究结果表明，尽管落在东京的放射性铯少于靠近工厂的地区，但更大比例的总量被包裹在微粒中。然而，最初计划于 2017 年在《科学报告》上发表的描述这些发现的完整研究的发表被推迟了，原因是东京都市产业技术研究所 (TIRI) 的研究人员——该研究所向该研究的作者之一提供了空气过滤器样本——反对其他合著者使用该样本进行研究。日本几家机构于 2017 年进行的一项调查发现，没有证据表明合著者有不当行为——斯坦福大学核材料专家尤因也是该研究的合著者，他说：“在任何讨论中，都从未有人对我们的科学成果表示担忧。”

但他说，两年以来，这项研究一直“处于悬而未决的状态”。合著者表示，由于该期刊对在出版前讨论研究的限制，他们无法在本文中谈论该研究的发现——但在随后的研究（也在那里发表）中出现了对主要发现的描述。然后，上周五，该期刊（与《大众科学》属于同一母公司）撤回了对该研究的发表邀请，理由是它无法裁决样本问题。该期刊表示，如果该问题得到解决，它将重新考虑发表该作品，这是根据提供给《大众科学》的信函得出的结论。最初反对出版的 TIRI 研究人员将所有问题都转给了《科学报告》，该期刊拒绝就该研究发表具体评论，但通过一位发言人表示，期刊编辑不会解决有关数据和材料所有权等问题的争议。

了解微粒如何移动以及传播多远，包括传播到东京等地，对于评估它们可能造成的任何潜在环境和健康风险至关重要。宇都宫曾与担心颗粒的居民交谈，他正试图弄清楚这些珠子需要多长时间才能溶解在水中；它们的玻璃状外壳意味着它们可能会缓慢分解，它们的放射性成分会像定时释放的药物胶囊一样浸出，正如尤因所描述的那样。但是，如果溶解速度足够慢，则可能意味着放射性元素在颗粒完全溶解之前就衰变了。 对类似颗粒的辐射剂量计算也表明，即使吸入肺部深处，颗粒中铯的辐射暴露也几乎无需担心。但斯科特担心在某些颗粒中发现的铀，以及某些颗粒可能含有钚的可能性——两者都具有化学毒性。然而，含铀颗粒似乎仅限于非常靠近工厂的相对较小的区域，目前尚不清楚这两种元素的含量是否足以引起重大担忧。

研究人员还发现，这些颗粒会聚集在某些区域，例如河流弯道或排水管中，在那里它们在被雨水从屋顶冲刷下来后会聚集。这可能会造成热点。科学家们还想了解这些颗粒有多容易在空气中重新悬浮；斯科特说，一些研究表明，它们很快就会自然地埋藏在土壤中，这将降低它们重新悬浮的风险。了解颗粒的行为可能有助于指导净化工作，到目前为止，净化工作包括清除表层土壤和对污染区的建筑物和道路进行高压清洗。

随着对这些颗粒的研究不断积累，研究人员对它们的理解正在逐步提高——斯科特说，“比一两年前好得多。” “但仍然有未解答的问题。”

*编者注（2019年3月14日）：带星号的段落在发布后进行了编辑，以澄清对反应堆内部包壳和绝缘材料位置的引用。