任务前的那晚,松崎健二(Kenji Matsuzaki)一直睡不着。过去一年多里,松崎一直在和一支工程师团队开发一部小型机器人,它只有一片面包大,红白相间的机身上装了五只螺旋桨,顶部是透明的半圆,前后都有摄像机,全身上下还分布着好几只照明灯和传感器。这部机器人绰号“小翻车鱼”(Little Sunfish),设计意图是在水下的全黑环境中顶着强烈的辐射工作。
经过三个月的测试、训练和调整,开发者认为它已经可以执行任务了:它将进入福岛第一核电站,找到堆芯熔毁后失踪的放射性燃料,并拍下照片。
2011年的地震和海啸重创了日本东北部,也将福岛电站震成了一片辐射废墟。当时有三座反应堆堆芯熔毁,几百吨核燃料下落不明,直到今天也没人能确定它们在哪。我们唯一知道的是,这些铀燃料因为温度过高化作了液体,熔穿了钢质容器,至于在那之后发生了什么,就要打一个大大的问号了。
它们是全都流到反应堆外了,还是仍有一些在里面?它们是堆成了一摞,铺成了一摊,还是溅到了墙上?在知道这些问题的答案之前,要制定燃料清理方案几乎是不可能的。然而又不能不清理。现在,每天都有多达165吨的地下水渗入反应堆,并被辐射污染。而且此地随时可能再发生一次地震或其他灾难,届时反应堆将再度破裂,辐射物也将溅入空气或海洋,甚至将两者一并污染。
人类无法进入福岛反应堆的核心去寻找失踪的燃料,否则就会因为吸收大剂量辐射而丧命。这项工作只能交给机器人来完成。问题是此前并没有机器人执行过这样的任务。很多试过的机器人都失败了:它们有的被碎片绊倒,有的被近一米厚的混凝土墙挡住了无线信号,还有的被辐射搞乱了微处理器和摄像元件。现在当务之急是造出一部有去有回的机器,不能像之前派去的那些一样变成反应堆里的一具具机器尸。
任务落在了松崎健二的肩上,这个眼神害羞的41岁男人是东芝公司核技术分部的高级科学家。松崎健二,小翻车鱼计划首席科学家,肩负重任的小翻车鱼花了两天工夫才把小翻车鱼及支持装备放进那座巨大的混凝土厂房,受损的反应堆就在里面。四支不同的团队轮流为小翻车鱼安装了控制面板、电缆卷轴和运行所需的其他设备。
就算穿着全套防护连身服,每队工人也只能在厂房里逗留几分钟,他们就着便携式电灯,在一片密密麻麻的机械、管道和狭窄过道中工作着。当一支团队吸收了当天允许的最大辐射量时,就必须把工作移交给另一支团队。
松崎本人就曾两次突入厂房,为小翻车鱼做最后的调试。在夏日的热气中,裹在面罩和连身服内的他汗流浃背,每当身上的便携式检测仪发出“滴滴”声,他就感到一阵紧张——这说明又到了当天可允许的辐射量。
小翻车鱼计划到里面工作三天,既要绘出残骸分布,也要寻找遗失燃料的下落。松崎会在约457米外的一间控制室内监督这个过程。他的身边将有六名高层官员,有的来自他的东家东芝公司,还有的来自这座核电站的业主、公用事业巨头东京电力。无论成功失败,结果都会每天向全世界广播。
除了解除眼前的危险,清理福岛电站还有一个关键目的,那就是重塑日本能源产业的形象。
日本在福岛灾难之后尽数关闭了国内的几十座核电站,而在那之前,它们为日本供应了大约27%的电力。为了填补这个缺口,日本不得不大量进口昂贵的化石燃料。到今天,虽然有少数几座核电站经过几年的安全升级之后获准重新运行,但福岛事故已经使核电业丧失了大量公众的支持。民调始终显示大部分民众反对核电站。有两位前首相、包括灾难当时正在执政的那一位,都已经改变了原先的支持立场,转而呼吁淘汰核电了。
这场灾难也沉重打击了全球核能产业:核能因为不像化石燃料那样释放二氧化碳,之前已经赢得了许多赞赏,就连一些环保人士都对它抱有好感。但在福岛熔毁之后,德国却宣布将逐步关闭核电站,直至完全淘汰,越南也取消了开建反应堆的计划。眼下整个产业备受责难,任谁提议新建反应堆都必须回答这个问题:你怎么保证这不会成为下一个福岛?在这样的形势下,松崎在任务开始前自然倍感压力。“我这几天老做恶梦,梦见我们失败了。
”他向上司筑城明(Akira Tsuyuki)坦白。筑城回答:“我也是。”
2017年7月18日深夜,离任务开始只有几个小时了,松崎却还睁眼躺着,他怀疑自己这支团队的技术够不够应付福岛。清理福岛为什么这么难?2011年3月11日的那场地震是日本有史以来最大的一场,这个9级怪物摧毁了日本东北海岸,它引发的一系列海啸冲进内陆,造成了近1.6万人死亡。
海啸还切断了福岛第一核电站的电源,关闭了水泵,造成冷却水不再送入反应堆芯循环。在接下来的几天里,虽然东电的工程师们打着手电试图控制局面,但是电站的六座反应堆中,一号、二号和三号机组三座都熔毁了。破坏产生的气体发生爆炸,将一束束放射性微粒如碘、铯和钚抛进了大气。政府下令半径19公里内的人员一律撤退,最终造成了大约16.5万人流离失所。
照日本政府官员原来的估计,要打扫电站、清除周边地区污染、赔偿受害者损失,总共大约需要40年时光、500亿美元。然而到2016年12月,他们又将这笔开支上调了三倍多,变成了1880亿。福岛的清理项目在规模和复杂程度上要远远超过此前世界上最严重的那些核灾难。切尔诺贝利电站被实打实地掩盖了,苏联人用钢筋混凝土将它一裹了事。三里岛和福岛相比规模太小:熔毁的反应堆只有一座,也没有核燃料外逸。
监督三里岛清理工程的美国人莱克·巴雷特(Lake Barrett)表示:“福岛的严重程度比三里岛高了几个量级。”
福岛熔毁之后,近16.5万人被迫撤离电站周围以逃避核辐射。如今,虽然经过了广泛清扫,却仍有5万人不能回家。在堆芯刚刚熔毁后的混乱几周里,反应堆内部辐射强烈,任何人都无法在里面工作。东电手忙脚乱地派遣机器人进去评估并阻止损坏。
他们使用了iRobot公司的履带机器人、霍尼韦尔的无人机以及日本东北大学的一部救灾试验机。这些机器在布满碎石的反应堆内侦测辐射强度。还有一部经过了改装的遥控混凝土泵车,能用可伸缩喷口将水流射进反应堆,使几间过热的反应仓冷却并稳定下来。
接下来又过去了几个月,乃至几年,福岛成了各种机器人技术的交易市场和实验站,这些机器人越来越先进,都设计成可在危险环境中工作。
遥控的前端装载机、反铲挖掘机和其他重型设备纷纷投入现场,将辐射残骸打碎并装上遥控的自卸卡车。一部四足行走机器人勘察了反应堆厂房。携带3D扫描仪的机器人也被派进去搜集图像,绘出辐射强度分布。还有水下机器人去勘察了存放废弃燃料棒的水池,并拍摄了照片。但这些机器人还没有一个能突入反应堆的核心区域。
2013年8月,日本政府联合了几家公共事业公司和私人企业,开始共同为最棘手的环境开发专用机器人,三菱、日立和东芝都参与了。这个新成立的“国际核退研究所”(International Research Institute for Nuclear Decommissioning)开发了大约20台机器,都已经部署到了核电站中。
其中包括一部蛇形机器,它通过一个狭窄的入口进入一号机组,然后弯曲成较为稳固的U形继续探索。还有一部“蝎子”机器,由履带驱动,高高翘起的尾巴上装着一部摄像机,它被派进了二号机组。日本政府还拨出1亿美元,在电站附近成立了一家先进的研发中心,机器人操作工在其中的一个巨型3D全息舞台用反应堆的数字模型操练,也用真实大小的模拟物品演习。
虽然有政府的巨额投入,许多新型机器人还是无法在反应堆内完成任务。
其中有一台是进去给蝎子开路的,却在辐射作用下关闭了摄像头。等蝎子自己进去时,又被掉到地上的残骸绊倒了。蛇形机器的第一版卡在了里面,第二版表现好些,但也没有找到熔化的燃料。“那里是一片未知环境,要设计出一个能够工作的机器人是很难的。
”政府第一批求助的机器人学家、东京大学教授浅间一(Hajime Asama)说道,“在派机器人进去之前,我们不知道里面是什么情况,在派机器人进去之后,我们又没法再改装它们。”
松崎健二在东芝的核技术部门工作超过十年,因此2016年5月,当公司把他分进一支团队去开发机器人探索福岛三号机组时,他已经对这座核电站的基本结构相当熟悉了。
电站有六座反应堆,全是沸水反应堆,这是20世纪60年代晚期到70年代早期的设计,包括美国在内的世界各地都有同类产品。它们将循环的水流注入温度极高的堆芯,再利用产生的蒸汽推动涡轮发电机发电。每座反应堆内都有三层容器,像俄罗斯套娃一般层层嵌套。其中最小的是一座钢质容器,长度约等于一片网球场,称为“反应堆压力容器”,这正是核裂变反应发生的地方,反应的燃料是烧制成瓷块的二氧化铀。
压力容器的外面是内层安全壳,这是一座钢筋混凝土建筑,造型如同一只巨大电灯泡,它的功能是挡住任何意外泄漏的辐射。安全壳再外面就是反应堆厂房了,这是一个由钢筋混凝土铸成的长方形,对辐射只有最低限度的防护。
穿上防护服的技术员可以在反应堆厂房内工作一小段时间,但是他们不能进入辐射强烈得多的安全壳,而那里可以找到至少一部分燃料。要建造一部能进入安全壳并在里面工作的机器人,就要克服几个特殊的困难。
首先,进入安全壳的唯一途径是一道圆形维修门,它位于反应堆厂房地板上方约2.4米处,直径仅14厘米,因此机器人必须做得很小。其次,由于安全壳内已经泵满了冷却用水,这部机器人还要会游泳。第三,由于积水和厚墙会阻拦无线信号,这部会游泳的小机器人的动力必须足够强大,这样它才能拖着大约59米的电缆在水下移动。
工程师们在东芝公司的实验室和政府运营的港口和机场研究所(Port and Airport Research Institute)里的一个巨型模拟舱内开展了几个月的研究、实验和测试,目的是在这部小小的机器人体内集成上述全部性能。松崎团队试验了几套螺旋桨、摄像机和传感器的组合,他们提高了螺旋桨马达的功率,开发了一种新型外皮使电缆能更顺畅的移动,他们还确保了整套装置能抵御强烈的辐射。
2017年7月18日午夜,松崎的闹钟在旅馆内响起,马上就是小翻车鱼计划第一次攻入反应堆的日子了。松崎和他的团队暂住在磐城,那是离事故地点最近的带有旅馆的城市,开车往北约一个小时就能到达电站。他们之所以在黑暗的夜色中开始一天,是因为这样才有充足的时间开到电站、穿上防护服,并在行动开始前再举行一轮会议。早起会为他们赢得大约八小时的时间,到了中午,反应堆厂房里就太热了,监测机器人的技术员是无法工作的。
大约凌晨4点30分,一队东芝的技术员穿上全套防护服冲进了反应堆厂房。他们快步走到安全壳的外墙前,沿着一道梯子爬到开口的位置,小翻车鱼和配件已经预先在那里安放好了。他们打开开口的阀门,然后将一根沉甸甸的导管推了进去,它的末端就是小翻车鱼。他们缓慢而小心地调整导管的角度,直到机器人滑进了下面的水里。里面一片漆黑。
在控制室的显示屏上,松崎和同事通过电缆操纵着小翻车鱼,他们能看见的只有小翻车鱼的灯光在前方的浑水中照出的一条狭长光带。技术员们坐在一张长桌子旁边,其中的一个正用一只游戏手柄似的控制器“驾驶”小翻车鱼。另一位负责收回或放出电缆,以确保它随时张紧,不会随着机器人的游动而纠缠打结。还有一个正竭力根据安全壳的三维软件模型推测机器人的位置。松崎监督着三人的工作,他尽量不去在意自己身后的那一排公司高管。
下水第一天,小翻车鱼大部分时间都在侦查。安全壳内的受损情况比预期还要严重。地板上到处是无法辨认的卵石大小的残骸,还有一件件损毁严重的设备。只是看不见燃料的影子。经过八小时的搜索,技术员将小翻车鱼拖回了水面。第二天他们给它放假一天,自己则讨论发现成果,并规划了接下去的几步行动。第三天早晨,他们又派小翻车鱼潜进了水里。
技术员们缓慢而小心地驾驶着它,但是那几只强大的螺旋桨时不时卷起沉积物、遮挡视线,他们只好停下来等水变清。经过几个小时的操纵,正午的死线悄悄逼近,松崎暗暗紧张了起来。就在这时,显示屏上忽然出现了惊人的图像。“这是什么?”松崎问道。大家一下子七嘴八舌地说起话来,人人都指着屏幕上的那样东西:朦胧间,只看见反应堆压力容器的底部戳出了几根钟乳石状的物件,正像蜡烛一般滴下液体——发现失踪燃料的下落了。
他们控制着小翻车鱼在周边巡游了几圈,尽量多拍了几帧画面,然后将它拖出水面。当松崎宣布任务完成时,控制室里爆发出了一阵掌声。
福岛第一核电站是一处庞大的综合设施,总面积约有3.5平方千米,事到如今,它的许多部分其实已经比你想的要安全多了。这里的大多数区域已经消除了辐射,走进来时不必再穿上全套防护服。
负责净化工作的5000多名工人砍倒了几百株曾为这里带来生气的樱花树,他们还铲掉了开阔土地上的绿草,铺上水泥,并对厂房一一擦洗。他们在海岸附近的海床上铺了一层黏土,用来封锁灾后渗入海泥的铯元素。他们还用一台巨大的特制燃料处理机从四号机组中移除了几百根用尽的铀燃料棒,这座反应堆也在事故中爆炸受损,只是没有熔毁。
不过,2017年12月我和东电的美国顾问莱克·巴雷特一起访问福岛电站时,我们还是必须先戴上手套、护目镜、手术口罩,并穿上三双袜子、在鞋子外面套上塑料靴,每个人还要配一部便携式辐射探测器,然后才能获准进入设施。巴雷特今年72岁,他高大健壮,精力旺盛得令人吃惊。
我是在东京郊外的成田机场第一次和他见面的,当时他刚从家乡佛罗里达飞行了20个钟头到达此地,却连一杯咖啡都不喝就径直和我钻进了一辆轿车,从成田开到福岛县的车程是两个小时,他一路上都在兴高采烈地说话。
巴雷特说,当他刚刚听到关于福岛灾难的新闻时,他“并没往心里去”,因为“媒体对核电站总有许多大惊小怪的报道”。但接着他就看见了一号机组爆炸的照片。“我心说:‘糟了!这下事情不妙了。’我知道他们的麻烦大了。”当日本人打来电话求助时,他一点也没犹豫。“我觉得责无旁贷,”他说,“日本是唯一在三里岛事故中帮过我们的国家,我们欠他们的人情。”
我和巴雷特爬上了一座小丘,这里曾经绿草如茵,现在却被混凝土包裹。站在丘顶,我们俯瞰着那三座笨重的厂房,再远处就是湛蓝的冬日天空和太平洋。橘色和白色相间的遥控吊车在厂房上弯腰劳作着,就像一群恭敬的金属长颈鹿。这些厂房就是反应堆的所在,是灾区棘手的核心地带,也是机器人必须攻破的辐射堡垒。
每一座的受损程度和受损类型都不相同,淹没地基的水的深度也不相同。当然了,每座厂房的中心都有一大堆熔化的燃料,它们很可能已经沿着不同的方向流到了不同的地方。离这三座反应堆不到0.8公里的地方坐落着五号机组。海啸来袭时另外三座反应堆正好在关闭检修,五号机组就是其中的一座。由于它几乎没受损伤就逃过了一劫,内部结构也和受损的几座反应堆几乎相同,东电的工程师把它作为了演习场所来规划机器人任务。
我们进入五号机组,沿着曲折的道路找到了安全壳。“小翻车鱼就是从这个地方进去的。”他指着安全壳上一个不起眼的圆形开口说道。我们又进入安全壳,穿过一道狭窄的门户,来到了反应堆压力容器下方的一间仓室里。容器的下方分着一簇簇控制棒,我们必须伏低身子才能不撞到脑袋。巴雷特指着那些关键的区域和部件,一个个地为我介绍那些关于熔毁机组内部燃料情况的理论。“谁都不知道熔化的液体是垂直向下堆成了一堆,还是流到了侧面。
”他说,“炽热熔化的燃料可能掉进了水里,造成蒸汽爆炸,现在已经飞得到处都是了。”
因为小翻车鱼的功劳,东电已经对三号机组的内部情况有了一些把握。小翻车鱼拍下的照片显示,反应堆压力容器底部的控制棒结构已经分解。熔化的燃料和熔化的金属混在一起,从它们制造的开口滴下,视频里看见的钟乳石状物体大概就是这样形成的。火山熔岩一般的混合物烧穿了反应堆压力容器下方的一块钢质格栅,也烧坏了一部用来插入控制棒的冰箱大小的机器,有一部分液体还滴到了安全壳的地板上。安全壳的墙壁上似乎也溅了几团燃料。
但未知的事情依然很多。说到底,“我们到底从小翻车鱼任务中了解了什么?”巴雷特自问自答说,“我们跨出的是一小步,不是一步。我们是离答案越来越近了,但前面的路还很长很长。”眼下东电正继续努力在反应堆内部侦查。今年一月,一部探测机器人用一部连在长杆上的遥控摄像机,首次在二号机组内拍摄到了疑似的熔化燃料。
他们或许会再执行一次翻车鱼任务,不过使用的不会是在三号机组内发现燃料的那一部机器人了——虽然小翻车鱼从反应堆里全身而退,但它毕竟吸收了高浓度的危险辐射。
小翻车鱼的发现虽然有限而不精准,但它毕竟推进了事情的进展。工程师们正在考虑制作下一代机器人,让它们去执行所有任务中最复杂的一项:把熔化的燃料取出来。第一道难关是如何让机器人接近目标。巴雷特指出:“那里面空间狭窄,还塞满了好几吨重的大型设备。
要想进去,就得先把它们割成碎片并拖出来才行。”目前受到推崇的一个方案是造一根约6米长的巨大机械臂,让它沿着轨道开进反应堆厂房,然后伸进反应堆压力容器把燃料舀出来。另一种方案是送一部装有履带的机器人进去,它的体积相当于一只小冰箱,并自带切割和抓取工具,用来清理碎片。还有一部机器人负责将碎石装进容器,锁好,并放到传送带上运到外面。无论哪种方案都需要几年的开发时间;无论哪种都有失败的可能。
东电已经决定了要在2021年开始清除燃料碎片。那么整个福岛的清理需要多长时间呢?我带着这个问题请教了国际核退研究所的高级经理奥住直明(Naoaki Okuzumi)。“你问住我了。”他说,“这个谁也说不清楚。毕竟人类历史上还没有人有过这种经验。政府说要三、四十年,我觉得他们还是太乐观了。”
一边是机器人在福岛第一核电站内的工作遥遥无期,另一边,曾经生活在电站附近的人们却希望回家了。中央政府已经清除几个镇子的污染,并敦促居民返乡。然而去年十二月当我走访福岛时,还有大约337平方千米的土地禁止进入,包括距电站仅几英里之遥的大熊町(Okuma)的大部分地区。
高田义博(Yoshihiro Takada)曾是大熊町的居民,目前在负责重建的政府机关工作,他答应带我四下转转。
高田几乎一辈子都住在大熊町,当海啸来袭时,他却不得不带着妻儿和父母逃离了家乡。一家人在105公里外的一个镇子重新定居。我和高田在禁区外的一片停车场见了面。我们全身都穿着特卫强面料的防护服,戴上了面罩和手套,袜子穿了几层,鞋子外面还套了靴子,以保护自己不受铯粒子和锶粒子的攻击。只要吸进了含有这些同位素的一粒灰尘都可能带来危险。
这也是辐射之所以恐怖的一个原因:它无形、无色、无味,却能在你浑然不知的情况下置你于死地。
在福岛电站几英里外的大熊町,来访者必须穿上特卫强全身防护服,戴上面罩和手套,穿几层袜子,并在鞋子外面套一双靴子,才能在废弃的街道上行走。这里的电车站、理发店、餐厅和商店里没有一个人。居民区的那些朴实的矮房子和公寓楼都空落落的。当我们在主要街道的中间行走时,我唯一能听见的声音就是鸟鸣声,这些鸟还不知道它们选中筑巢的地方是辐射禁区。
“我记得这家店,他们的比萨好吃极了。”我们在镇里行走时,高田指着一家关闭的餐厅说道。有几家店的窗户被野猪打碎了,它们从山上来,到这个被人遗弃的小镇抢劫食物。几户住宅的车道上停着轿车,已经被疯长的野草盖住了一半。高田偶尔会来看看自家的房子。“老鼠在里面窜来窜去,到处都是鸟粪和垃圾。”他说。
福岛周围地区大部分是风景优美的田园,其间点缀着一座座树木繁茂的山丘。
但现在沿着几乎任何道路行驶,你都会在路边的田野里看到一排排巨石大小的黑色聚丙烯袋,里面装的全是被污染的泥土。这也清理工程的一部分:凡是这一带的花园、学校和田野都要刮掉一层表层土。福岛县现在散布着大约2000万只袋子,它们中的许多都会转移到福岛第一电站外围做无限期储存。东电还在不断从反应堆里泵出带辐射的水,盛放它们的罐子也在不断增加。
说到底,还没有一种技术能一举解决福岛的困境。我们只能断定这将是一个漫长的、令人沮丧的、待处理事务不断增长的过程,它甚至可能无法在松崎健二的有生之年结束。目前来说,科学家、工程师和他们的伙伴能做的不过是尽量控制辐射浓度,找到辐射源头,并试着将它捕获。不过,他们首先得造出能完成这些任务的机器人。