人怕輻射太高而死 清理日本福島核危機要靠機器人

人怕輻射太高而死 清理日本福島核危機要靠機器人

2011年的地震和海嘯在日本最大福島核電站引發了毀滅性災難，核輻射的清理工作需要幾十年才能完成。然而人力有時而窮，這就需要無數機器人「獻身」。

在探測任務進行的前一天晚上，松崎健二（Kenji Matsuzaki）無法入眠。在過去一年多的時間裡，他所在的工程師團隊始終在開發一種小機器人——一小太陽魚（Little Sunfish）。這種機器人與麵包圈大小相當，顏色紅白相間，配備有五個螺旋槳、一個透明的圓頂、前置和後置攝像頭以及大量感測器。小太陽魚機器人被設計在強烈的核輻射、完全黑暗或水下環境中作業。經過三個月的測試、訓練和微調，研究人員認為它已準備好完成自己的使命，即在福島第一核電站三座堆芯融化的核反應堆中找到失蹤放射性燃料，並拍攝照片。

2011年的地震和海嘯襲擊了日本東北部，並將福島核設施及其周邊地區變成放射性廢墟，至今已經過去很多年了。在這段時間裡，沒有人能夠確定三個堆芯熔毀的核反應堆里數百噸核燃料的具體去向。這些鈾燃料由於過熱而變成了岩漿狀，並燒穿了鋼質容器泄露出去。我們只知道這麼多，在那之後發生了什麼卻一無所知。所有核燃料都從反應堆里流出來了嗎，還是有些依然留在裡面？它們是堆成一堆，攤在水坑裡，還是飛濺到牆上？如果不知道這些問題的答案，幾乎就不可能想出清理它們的計劃。

圖1：在東芝的研究設施內，工程師們正看著水池(左圖)。像太陽魚(右)這樣的機器人在被部署到核反應堆中之前，首先要在這裡進行測試?

而處理這些核燃料已經成為當務之急，每天都有多達165噸的地下水滲入反應堆中，並受到輻射污染。而且有可能再次發生地震或其他災難事件，導致反應堆再次破裂，促使輻射泄漏到空氣、海洋中。人類無法進入福島核反應堆的核心區去尋找丟失的燃料，因為我們無法忍受致命劑量輻射的威脅。為此，這項工作必須由機器人來完成。

不過，此前從來沒有機器人完成過這樣的任務。許多機器人已經嘗試過，但都以失敗告終。它們有時候會被碎片絆倒，厚厚的混凝土牆也會影響它們的無線信號傳輸，輻射甚至污染了它們的微處理器和攝像頭組件。最終，這項任務落在了松崎健二的身上。松崎健二現年41歲，是東芝(Toshiba)旗下核技術部門的資深科學家。他正幫助建造一台有用的機器，它不會像其他機器人前輩那樣成為探測核反應堆而犧牲的「屍體」。

僅僅是把小太陽魚機器人及其支持裝置送入巨大的混凝土建築內（這裡有受損的核反應堆）就用了兩天時間。四個獨立的團隊輪流設置控制面板、電纜捲筒和機器人需要的其他設備。即使是穿著全套防護服，每組工作人員也只能在建築物內呆上幾分鐘，在攜帶型照明設備的幫助下，在機器、管道和人行道的「灌木叢」中穿梭。

當一個團隊達到每日最大輻射劑量時，就會被其他團隊取代。松崎健二本人曾親自進入裡面做了兩次嘗試，對小太陽魚機器人進行最後的調試。在夏天的高溫條件下，面罩下和防護服內汗流不止。每當攜帶型顯示器上顯示，他已經達到每天能夠忍受的最大輻射劑量時，他的神經都會隨之跳動。

所有努力都是為了讓小太陽魚機器人花三天時間繪製核反應堆殘骸中的地圖，以尋找失蹤核燃料的蹤跡。松崎健二將在大約500米外的控制室監測其進展，旁邊是來自其僱主——東芝和東京電力公司(Tepco)的六位高管。東京電力公司是這家核電站的所有者。松崎健二的成功（或者失敗）將每天向全世界直播。

除了迫在眉睫的危險之外，清理福島核電站仍然是修復日本能源產業形象的關鍵。在災難發生後，日本關閉了數十座核電站，儘管這些核電站提供了該國27%的電力供應。為了彌補電力供應缺口，日本不得不大量增加昂貴化石燃料的進口。在經過幾年的安全升級之後，有些核電站已經被允許重新啟動，但福島核危機卻讓該行業付出了巨大代價。民意調查一致表明，大多數公眾反對核能發電。日本兩名前首相（包括在災難發生時就職的一名首相）也已經改變態度，從支持核電轉向呼籲根除核電。

這場災難也對全球核工業造成了沉重打擊。此前，全球核工業已經獲得了許多環保人士的青睞，因為它是化石燃料的一種無碳替代品。但在災難發生後，德國宣布將逐步淘汰核電，越南放棄了新建核反應堆的計劃，整個行業都陷入了被動之中。現在提議建造核反應堆的人都必須回答這個問題：我們怎麼知道它不會成為下一個福島？

不出所料，在這次探測任務的前幾晚，松崎健二感受到了巨大壓力。他向自己的老闆Akira Tsuyuki坦承：「我做過關於失敗的噩夢。」後者回答稱「我也是」。2017年7月18日深夜，距離任務開始時間只剩下幾個小時，松崎健二躺在那裡，沒有任何睡意，他想知道自己團隊的技術是否能應對福島核危機。

圖2：福島第一核電站六個反應堆中的兩個

圖3：一號核反應堆的外部建築

2011年3月11日發生的大地震是日本有史以來最大的一次地震，震級達到里氏9.0級。它摧毀了日本東北部，引發一系列海嘯，導致近16000人死亡。海嘯還導致福島第一核電站斷電，促使反應堆核心中的循環冷卻系統失效。在接下來的幾天里，當東京電力公司的工程師們用手電筒重新恢復控制時，核電站六個反應堆中的三個（分別為一號、二號以及三號核反應堆）堆芯已經融化。損毀造成氣體爆炸，導致放射性粒子（如碘、銫和鈈等）被釋放到空氣中。日本政府下令方圓20公里範圍內的所有人撤離，最終有16.5萬人流離失所。

政府官員最初估計，清理核電站、凈化周圍地區以及補償受災者需要大約40年時間，花費高達500億美元。但在2016年12月份，花費數字增長了兩倍多，達到了1880億美元。據彭博社報道，當時日本經濟產業省大臣世耕弘成(Hiroshige Seko)在接受記者採訪時說:「我們從未經歷過像福島這樣大的災難。憑藉我們有限的知識，我們很難做出準確的預測。」

與世界上最嚴重的核災難相比，福島核電站的清理工作要多得多，也複雜得多。切爾諾貝利（Chernobyl）發生事故的核反應堆實際上被混凝土和鋼鐵包裹起來了。相比之下，三里島（Three Mile Island）核事故規模也很小。只有一個反應堆熔化了，沒有發生燃料泄漏事件。負責監督三英里島清理工作的美國人萊克·巴雷特(Lake Barrett)，從2013年開始擔任東京電力公司和日本政府顧問，他承認：「福島核電站的清理難度要大得多。」

輻射隔離區

核事故發生後，近16.5萬人不得不從福島核電站周圍區域疏散，以避免遭到核輻射。如今，即使經過大量的清理工作，仍有5萬人無法回家。在核反應堆熔毀後的最初數周內，由於輻射水平太高，任何人都無法在反應堆內工作，東京電力公司緊急部署機器人來評估和控制損壞。iRobot公司的Tractor-treaded機器人、Honeywell的無人機、東北大學的災難響應機器人，都曾試圖進入核反應堆中，以測量輻射強度。一輛遙控混凝土泵車被改造，使其可伸縮的噴口可以將水注入反應堆中，冷卻並穩定過熱的艙室。

在隨後的幾個月和幾年裡，福島成為機器人技術的試驗場，這些技術的設計目的是在危險環境中使用。遠程控制的前端裝載機、傳送帶和其他重型設備被用於分解放射性碎片，並將其裝載到遙控自卸卡車上。一個四足步行機器人調查了反應堆所在的建築。使用3D掃描儀的機器人被派去採集圖像和繪製輻射水平。游泳機器人檢查了乏燃料棒儲存的水池，並拍下照片。

但這些機器人都無法進入反應堆最深處的區域。2013年8月份，日本政府牽頭組建了由公共電力公司和私營公司參加的財團，其中包括三菱、日立和東芝，專門為最具挑戰性的環境開發機器人。它被稱為「國際核退役研究機構」（International Research Institute for?Nuclear Decommissioning），目前已經開發了大約20款被部署到輻射現場的機器人。

他們的隊伍中包括一個蛇形機器人，它能通過狹小的通道進入一號核反應堆，然後彎曲成更穩定的U型，在裡面探索。然後是蠍子（Scorpion），這是個尾部安裝了攝像頭的機器人，它被送入二號核反應堆中。日本政府正提供1億美元資金，支持在核電站附近建立最先進的研發中心。在這裡，操作員可以在巨大的3D全息核反應堆數字模型或實物大小的模型中，測試以及訓練機器人。

圖4：在核電站附近的新研發中心，這個機器人正接受測試

但即使是在政府大規模投資的情況下，許多新機器人仍無法進入核反應堆內部。曾經有配備攝像頭的機器人被派去為蠍子繪製路徑，但卻因為受到輻射而關機。蠍子本身也被掉落的碎片絆倒了。第一代蛇形機器人被卡住了，第二代表現更好，但卻沒有找到任何融化的核燃料。東京大學的教授Hajime Asama是日本政府求助的第一批機器人專家之一，他說：「在未知環境中設計機器人是非常困難的。在我們把機器人送進去之前，我們不知道裡面的環境如何。而在派出機器人之後，我們再也無法改進它。」

松崎健二已經在東芝下屬的核技術部門工作了10多年。到2016年5月被要求研發機器人去探索福島核電站三號核反應堆內部的時候，他對核電站的基本架構已經很熟悉。所有六個核反應堆都是沸水反應堆，它們是在20世紀60年代末、70年代初設計的，在世界各地都有，包括美國。循環水通過沸水反應堆的熱內核來產生電能，並將水轉化為蒸汽以用於渦輪發電機。

每個核反應堆都有三個不同的容器包容，就像俄羅斯套娃那樣的結構。其中，最小的容器是鋼質艙室，大約與網球場的長度相當，它被稱為反應堆壓力容器。這也是核裂變反應發生的地方，燃料由被烤成陶瓷球團的二氧化鈾所組成。這個艙室被封閉在主安全殼內，它是個混凝土和鋼筋組成的結構，形狀就像巨大的燈泡，可用來捕捉任何可能意外泄露的輻射。安全殼被安置在反應堆大樓內，後者是由混凝土和金屬建成的長方體，只能提供很少的輻射防護。

身穿防護裝置的技術人員可以在反應堆建築內工作很短的時間，但是他們不能進入放射性更強的安全殼中，而安全殼很可能是他們可以找到至少一部分丟失核燃料的地方。要想製造能夠進入安全殼內部、並保持機動性的機器人，存在幾個獨特的挑戰。首先，安全殼只有在反應堆大樓地面2.4米高的地方才有5.5英寸的圓形維修通道，為此機器人的體型必須足夠小巧才能進入。第二，由於安全殼裡裝滿了用來冷卻核反應堆的水，為此機器人必須能夠游泳。第三，由於水和厚牆可能阻礙無線信號傳播，為此小巧、會游泳的機器人需要足夠強大，能夠在水下拖動長達60多米的電纜。

小太陽魚機器人在東芝實驗室和政府運營的「港口與機場研究所」的巨大的模擬水池中進行了數月的研究、實驗和測試，以平衡其上述所有功能。松崎健二及其團隊嘗試了不同的螺旋槳、攝像頭以及感測器配置，提高螺旋槳發動機的功率，開發新型塗層，使電纜的移動更加順暢，並確保所有設備能夠承受極高的輻射。

圖5：在Naraha遠程技術開發中心的模擬設施

7月19日午夜，也就是小太陽魚機器人第一次進入反應堆的日子，松崎健二的鬧鐘在他下榻的酒店房間內響起。他和其他團隊成員住在磐城(Iwaki)，那裡是距離福島核電站以南最宜居的城市，兩地相隔約一小時車程。在漆黑的夜晚開始他們新的一天，這是讓他們能有足夠時間開車前往核電站、穿上防護裝備，並在任務開始前舉行最後一輪會議的唯一方法。這些事情要用去他們8個小時的時間。到中午時，反應堆大樓內的技術人員就會因為太熱而無法監控機器人工作。

凌晨四點半左右，穿著全套防護裝備的東芝技術人員衝進了反應堆大樓。他們快速來到安全殼的外牆處，爬上階梯，直到小太陽魚及其設備被預先放置的地方。他們把閥門打開，然後將其與沉重的導管相連，再把太陽魚放在它的頂端，一直穿到另一頭。慢慢地，小心翼翼地，他們把管子彎成斜角，直到機器人滑進下面的水裡。

裡面一片漆黑。控制室的監控器通過電纜線與太陽魚的控制系統相連，在小太陽魚攜帶的照明設備照耀下，松崎健二團隊能看到一條狹長的帶狀區域穿透渾濁的海水。坐在長桌子前，一名技術人員正用類似視頻遊戲控制器的設備「操控」小太陽魚。另一個人把它的電纜固定住，讓它繃緊，這樣在機器人四處遊動時才不會被纏住。第三個人則利用安全殼的3D軟體模型估計機器人的位置。松崎健二監督所有人的工作，甚至忘記那些監視他們的公司高管。

圖6：太陽魚機器人必須能夠游泳，且能夠通過密封容器的微小開口，同時能夠克服其他機器人遇到的挑戰

任務第一天，太陽魚機器人的大部分時間都在偵察。安全殼內的損毀比預期的更嚴重，地板上滿是卵石大小、無法辨認的碎片，殘損的設備散落在各處。但是沒有核燃料的痕迹，經過8個小時的搜尋，松崎健二團隊把太陽魚拉回了水面。第二天，他們休息了一天，並藉機討論他們的發現，以及制定下一步計劃。

第三天早上，操控團隊把太陽魚重新放回水中。這個團隊小心翼翼地駕馭著它，但是時間一長，機器人的強大螺旋槳就會攪起令人目眩的沉澱物，迫使他們只能等到水變清才能繼續行動。經過幾個小時的探索，隨著正午的臨近，松崎健二感到越來越緊張。接著，監視器上出現了一些令人吃驚的東西。松崎健二突然指著監視器問道：「那是什麼?」

每個人都立即警惕起來，並指著他們屏幕上看到的東西：從反應堆壓力容器底部流出像燭蠟一樣的東西，看起來像是鐘乳石。顯然，他們發現了失蹤核燃料的第一個跡象。在把機器人拉出來之前，他們在該區域附近操縱著太陽魚，儘可能多地記錄下更多信息。當松崎健二宣布任務完成時，控制室爆發出一片掌聲。

圖7：小太陽魚機器人項目的首席科學家松崎健二

福島第一核電站佔地約348公頃，到目前為止，其大部分區域比你想像的要安全得多。核電站中大部分地區已經被凈化到不再需要穿全身防護服的地步。負責清理這個地方的5000多名工人砍下了數百棵櫻花樹，曾經長滿青草的開闊地帶表面土層被清理走厚厚一層，許多建築的清理已經完畢。他們還用粘土覆蓋了附近海岸的海底，藉以封住災難後滲入泥中的銫。他們使用一種巨大的、專門建造的燃料處理機器，從4號反應堆中取出了數百個乏鈾燃料棒。這個反應堆在爆炸中受損，但堆芯沒有熔化。

不過，去年12月份，當記者與東京電力公司的美國顧問萊克·巴雷特(Lake Barrett)共同前往那裡時，他們不得不戴上手套、安全眼鏡、醫用口罩，穿上三雙襪子，在鞋子外層套上塑料靴，並隨身攜帶個人輻射探測器，然後才被允許進入該設施。現年72歲的巴雷特身材高大，身體健康，精力充沛。當巴雷特最初聽到關於這場災難的新聞報道時，他稱自己並沒有想太多，畢竟圍繞這樣的事情總是有很多炒作。?

可是隨後，他看到了一號核反應堆爆炸的畫面。他喊道：「天啊，我知道那是什麼。」當尋求幫助的電話打來時，他沒有任何猶豫。他說：「這對我個人來說，日本是唯一在三里島事件中幫助過我們的國家，這是我們欠日本的。」

圖8：在福島核電站內，每座藍塔都裝有100個個人輻射探測器。

一座曾長滿花草的小山頂現在被混凝土包裹著，巴雷特等人調查了三幢堆芯融化的反應堆大樓，它們的輪廓在冬季的天空和後面的太平洋中被勾勒出來。遠程操作的、橙白相間的起重機就像虔誠的金屬長頸鹿那樣俯身在它們上方。這些反應堆大樓是事故區的絕對核心，機器人必須穿透它們的放射性區域。

每棟反應堆大樓都構成了一個獨特的挑戰，它們的輻射水平和類型都不相同，比如淹沒它們地基的水的深度。當然，每棟大樓的中心都有許多融化的核燃料，它們正以不同的方式流向不同的地方。在距離這三座反應堆不到800米遠的地方，還有另外三座反應堆，其中之一是在海嘯襲來時被關閉進行定期維護的反應堆。由於它基本上毫髮無損，且與受損的反應堆結構完全相同，為此東京電力公司的工程師使用它來制定機器人任務。裡面是個令人困惑的機器、管道、電纜和人行道迷宮，巴雷特嘆道：「你可以看到在這裡運行機器人有多難！」

在通往安全殼的道路上前進時，巴雷特指著容器壁上的圓形開口稱：「這就像太陽魚進入的地方一樣。」巴雷特進入安全殼，穿過狹窄的通道進入反應堆壓力容器下面的一個艙室，控制棒組件就固定在反應堆容器的底部，人們必須蹲伏身體以免撞到頭。巴雷特指出了關鍵區域和組件，幫助人們了解目前每個堆芯熔化的核反應堆的理論狀態。他說:「沒有人知道熔岩是否形成了整齊的垂直堆，或者在橫向流動。熾熱的熔融燃料可能落入水中，導致蒸汽爆炸，這將使它無處不在。」

至少在三號核反應堆是如此，多虧了太陽魚的幫助，東京電力公司對有些事情已經相當確定。太陽魚所拍攝的照片顯示，反應堆容器底部的控制桿機構已經解體。熔化的燃料與熔化的金屬混合，從它們留下的開口向下滴落，並形成了我們在視頻中看到的「鐘乳石」。這種類似熔岩的混合物在反應堆壓力容器和用於插入控制棒的冰箱大小的機器上燃燒，其有些液體滴到安全殼的底部。安全殼的牆壁上似乎也有大量的燃料。

圖9：每個反應堆都由三個容器組成，就像俄羅斯套娃那樣的結構，裡面是關鍵核設施。1.反應堆大樓：大型混凝土和鋼筋結構，作為防止輻射泄漏到外界的最後一道防線。2.主安全殼：由鋼筋和混凝土製成的密閉外殼。3.反應堆壓力容器：裝有鈾燃料的厚鋼容器，這些燃料為核反應堆提供動力。4.控制棒驅動：利用細棒加速或減緩核裂變反應的機械系統，燃料棒的工作原理是吸收引起連鎖反應的雜散中子。5.基座：支撐反應堆的圓形混凝土結構。從內部，工人可以進入控制棒驅動系統中。

不過，這裡這裡仍然留下了很多未知的東西。巴雷特問道：「在太陽魚任務結束的時候，我們從中學到了多少？這只是一小步，而不是一次飛躍。我們越來越近目標，但我們還有很長的路要走。」東京電力公司繼續努力偵查反應堆內部情況。今年1月份，一個機器人探測器利用長桿上安裝的遙控攝像頭，第一次在二號核反應堆中發現了融化的核燃料。

也許太陽魚機器人會接受另一項任務，儘管它不會是在三號核反應堆中發現燃料的機器人。儘管它毫髮無損地完成了探測任務，但其本身可能吸收了危險水平的無線電活動。東京電力公司的工程師將其密封在一個鋼桶中，並將其與核電站現場的其他放射性廢料進行混合處理。由於太陽魚的發現是有限的、不確定的，它只會幫助加強探索。工程師們已經開始思考如何構建下一代機器人，它們必須幫助完成最複雜的任務，即移除熔化的燃料。

這些下一代機器人面臨的第一個挑戰是，如何使機器人能夠達到它們的目標。巴雷特表示：「這些狹窄的空間里裝滿了重達數噸的巨大設備。你必須把它們切成小塊，然後把它們拉出來。」目前比較受歡迎的一個想法是建造長達6米的巨大機器人手臂，它將通過軌道進入反應堆大樓，然後進入反應堆壓力容器，並把燃料收集起來。另一種方法是為冰箱大小的機器人安裝拖拉機履帶，並配備切割和抓取工具來清理碎片。第二個機器人會把碎屑裝進容器、封好，然後放在傳送帶上送出來。

這兩種方法都需要數年才能見效，或者兩者都可能失敗。東京電力公司已將2021年定為開始清除燃料碎片的目標年，那麼整個福島的清理工作需要多長時間？國際核退役研究機構高級經理Naoaki Okuzumi說：「這是個好問題，但沒有人知道答案。在人類歷史上，我們還從未有過這樣的經歷。政府認為需要30到40年，我認為這是樂觀的估計。」

雖然福島核電站內部的機器人工作還在繼續，但曾經居住在核電站附近的人們正在等待回家。日本政府已經凈化了幾個城鎮，並敦促居民返回。然而截至去年12月份，大約337平方公里的土地仍然是禁區，包括位於離核電站幾公里遠的山丘上的Okuma鎮。當地政府負責重建工作的前居民高田義宏(Yoshihiro Takada)同意帶記者四處參觀。他的一生幾乎都在Okuma度過，當災難降臨時，他不得不與妻子、孩子以及父母一起逃離。他們已經搬遷到100公里外的另一個城鎮。

記者在隔離區外的停車場遇到了高田義宏，在那裡他們穿上了全套的防護服，包括衣服、面罩、手套、襪子和靴子，以保護他們不受輻射影響。即使吸入了其中一種同位素灰塵，也可能是非常危險的。這也是核輻射如此可怕的原因之一：你無法感覺到它，看到它，或者聞到它。它可以在你不知情的情況下，悄悄地殺死你。

圖10：距離福島核電站幾公里遠的Okuma，遊客們在被遺棄的街道上行走時，必須穿上全身防護服

圖11：在Okuma，隔離區顯得十分荒蕪

圖12：Tomioka的放射性廢物，它將被埋葬200年

火車站、理髮店、餐館或商店裡都沒有人，住宅街道上樸素的房屋和公寓樓中也都是空的。走在空蕩蕩的大街上，人們聽到的唯一的聲音就是鳥的叫聲，它們顯然沒有意識到自己選擇在輻射區築巢。高田義宏指著一家關門的餐館說：「我記得這個地方，他們的披薩太好吃了！」幾家商店的窗戶已經被從山上下來的野豬撞碎，它們洗劫了這個荒蕪的城鎮以尋找食物。汽車停放在雜草叢生的車道上。高田義宏只是偶爾回自己家裡檢查一下，他說：「老鼠在裡面到處跑，到處都是糞便和垃圾。」

福島周圍的地區大多是風景秀麗的農田，周圍長滿了茂密的樹木。但是沿著任何道路行駛，你都會路過這樣一片地方，擺滿成排的、類似大卵石的黑色塑料袋子。袋子里裝滿了被污染的土壤，它們都是從污染區的花園、學校、庭院以及田地中清除掉的。大約有2000萬個這樣的塑料袋散落在福島各地。其中許多最終將被轉移到福島第一核電站(Fukushima Daiichi)的外圍進行無限期封存，同時還有越來越多的裝有放射性水的儲罐繼續從反應堆中泵出。

最終，沒有任何技術能簡單地解決福島發生的危機。唯一可以確定的是，這將是一個緩慢的、漸進的、令人沮喪的清理過程，甚至可能窮極松崎健二的一生都無法完成。目前，所有科學家、工程師以及他們的盟友能做的就是控制放射性物質，追蹤其來源，並試圖捕捉它。但首先，他們需要製造機器人來進行試探。

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