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                    《兵器知識》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    以普及兵器科技知識,提高中國全民國防觀念,為實現國防現代化,特別是武器現代化服務為辦刊宗旨,面向中國廣大青少年軍事愛好者,廣泛宣傳兵器科技知識,大力普及軍事高新技術,介紹世界軍事科研生產情況,展示各國武器裝備風貌,宣傳中國兵器工業發展道路和成就。

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                    柯達公司事件背后的核幽靈 淺談“中子照相技術”及核安全

                    2013-11-15 20:43:13

                    柯達公司事件背后的核幽靈

                               淺談“中子照相技術”及核安全

                    /張炳然

                     

                    20125月中旬,從美國紐約州傳出了一個爆炸性的消息——在位于該州的柯達公司總部地下室內曾放置一座核反應堆長達30余年!雖然該公司負責人一再聲稱,這只是一座微型核反應堆,不具危險性,但這一消息還是讓美國公眾大為震驚,并對美國核材料監管提出了質疑。那么,高度危險的核反應堆怎么會進入普通生活區,并長期隱瞞于公眾,其是否會對公共安全帶來危險呢?

                     

                    美國“柯達核反應堆”事件

                    從媒體調查的情況看,從1974年開始,柯達公司就在自家研究所的地下室建設了一個微型核反應堆,大小和一個單開門電冰箱差不多,里面含有大約1.5千克濃度為93.4%的高濃縮鈾。這是一種叫做“锎中子通量倍增器”的核反應堆,柯達公司使用這個反應堆的目的是為了測試“中子射線照相技術”,為研制用于醫療化工的感光材料奠定基礎。這種照相技術與我們經常接觸的X光照相類似,只是用的射線種類不一樣。其原理就是當中子經過結構不均勻的物質后,其穿過物體的速度和數量都會受到影響,特別是經過結構突變的部位比如裂縫、空洞等。經過查證,媒體發現這一反應堆是在柯達公司最輝煌的時候引進的,而隨著數碼相機技術的普及,柯達公司卻“墨守”膠片感光技術,導致其業務直線下降,其地下室內的這一反應堆也早已失去作用,并缺少資金維護,被人們逐漸淡忘,直到2007年有關部門才想起這一“定時原子彈”,在美國聯邦政府的幫助下,拆除了這一反應堆。此后的事件發展是柯達公司始料未及的。20121月,“黃色巨人”柯達公司終于由于資不抵債,負債高達68億美元而申請破產保護,今年的奧斯卡頒獎典禮舉辦地柯達劇院也掛上了杜比的牌子。

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                    柯達公司的核反應堆

                    在曾經的巨人倒下后,柯達總部所在地美國紐約州羅切斯特的《民主紀事報》將這一鮮為人知的“隱情”揭發了出來,這讓周邊的民眾和當地政府倒吸一口涼氣。人們不禁質疑,柯達公司作為商業機構,為什么要建立自己的核反應堆呢?要回答這一問題還要從所謂的“中子照相技術”談起。

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                    柯達公司建立核反應堆的原因

                    所謂“中子照相技術”是利用中子束穿透物體時的衰減情況顯示某些物體的內部結構的技術。查德威克于1932年發現了中子,到1935年,就有德國、法國和美國人獨立地提出了中子照相的專利。盡管早期的中子照相質量很糟糕,但是也展示了中子可用于成像的特性。1948年,卡爾曼發表了一篇關于中子照相的論文,他的技術沿用至今。

                    “中子照相技術”的原理  中子照相能夠獲得很多其它傳統技術不能得到的重要信息。X射線穿透物體時,受到核外電子作用而被衰減,因此其質量衰減與材料的原子序數有關系。與X射線不同,中子不帶電,能輕易穿透電子層與原子核發生核反應,因此其質量衰減系數與入射的中子能量和物質的原子核截面有關,和原子序數關系復雜。這使得中子照相比X射線具有優勢。一是中子能夠穿透重元素物質,對大部分重元素如鐵、鉛、鈾等,質量吸收系數小,也就是說較容易穿透這些物質材料而成像。二是對某些輕元素如水、碳氫化合物、硼等,質量吸收系數反而特別大,也就是不容易穿透這些物質材料,難以成像。三是可以區分同位素,即對同一種物質的不同同位素材料,可以在影像上反映出區別。四是能對強輻射物質形成較高質量的圖像,特別是能夠穿透許多金屬、重金屬而檢測內部有機物質狀況。

                    鑒于上述優點,中子照相技術從1955年開始就在質量檢測上有廣泛應用,包括武器部件的質量檢測和庫存武器的可靠性常規檢測。到20世紀70年代初,中子照相已進入工業實用階段,在核電和宇航工業中應用廣泛?,F在,中子照相作為一種常規無損檢測方法已經確立。除了工業領域以外,在農業醫學和考古等領域都有著廣泛應用。

                    “中子照相技術”的軍事應用  據十幾年前的統計,美國當時每年要拍出熱中子照片20 000張以上。英國羅·羅航空發動機的每個葉片在生產過程中都必須經過中子照相檢測,作為其質量保證措施。許多發展中國家也開展中子照相的研究。

                    航天火箭與飛船發射的可靠性是頭等重要的。如用于飛行姿態控制的導火索和用于各級火箭分離的爆炸螺栓等均須用中子照相方法加以檢查。特別是經過長途運輸后的檢查,只能用可移動的中子照相裝置進行。清華大學用熱中子照相檢測航天部長二捆火箭導爆索,發現最小為0.12毫米的炸藥裂縫。

                    中子照相還可用于航天火箭部件的材料性能、缺陷和腐蝕情況的檢測。例如,用熱中子照相分析密封部件和推進系統的燃料情況,用快中子照相檢查大型部件,如渦輪機葉片內部被腐蝕的情況等。實時中子照相還可以觀察火箭發動機的點火過程。航空發動機葉片的內部均設有冷卻通道,以提高發動機的工作溫度。葉片在壓力鑄造后的脫芯是一項關鍵技術,若留下殘渣會在工作時形成熱點而損壞葉片。高溫下殘渣還會流動,破壞發動機的動平衡。故葉片在鑄造時,必須在型芯中加入標記物質釓。釓的熱中子吸收截面特別大,容易被中子照相檢測出來。

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                    aX照相,b為中子照相,可看出中子照相的顯像效果更好

                    中子照相還可用于飛機保養中對發動機葉片、鋁板結構件、復合材料的腐蝕和水汽等情況和缺陷的檢查。例如,飛機機翼本身就是油箱。油中含水,長期使用會使鋁材受到腐蝕,生成氫氧化鋁。用中子照相方法可以很容易測出腐蝕斑??梢苿邮街凶诱障嘞到y可以對飛機進行無損在位檢測,不需拆下部件,檢測快速、可靠、靈敏。美國等許多國家都有專用的可移動中子照相儀器用于飛機檢測,相對常規方法可大大縮短維修檢測時間,同時可延長5%的飛行時間,這也就節省了大量的資金。

                    此外,中子照相技術在核工業和武器使用中也有著廣泛用途,如用于核燃料棒的熱檢驗、檢查燃耗和燃料內部狀況等。在對核武器長期儲存壽命及狀態的研究中,由于核材料具有毒性,而且一旦拆解就無法再次使用,因此過去只能采用抽樣破壞拆解的方式,工序繁瑣、安全性差,而且造成核武器的破壞。而中子照相技術可以輕而易舉地發現核材料中的氣泡、裂紋等問題,在導彈儲存中其可用于固體燃料澆注后的質量監測,并可檢查在長期儲存后的燃料柱裂紋和脫粘情況,可為儲存延壽提供直接數據。歐共體已推廣用中子照相檢查繼電器工作狀態。國外曾有人用中子照相研究子彈發射的動態過程。結果發現,子彈頭飛離槍膛后,子彈的裝藥尚未完全燃燒,從而得出結論,該型號子彈的裝藥量可以減少??熘凶诱障噙€可用于檢查武器中的大型金屬部件的缺陷,包括長期使用或儲存后出現的缺陷。

                    核反應堆在其中的作用  由于“中子照相技術”的廣泛應用,柯達公司決定不遺余力地發展這一技術,希望以此帶來新的利潤增長點。而發展“中子照相技術”的關鍵就是中子源。中子照相系統主要由中子源、準直器和圖像探測器系統(包括中子轉換屏)三大部分構成。其中,中子源主要用來產生自由中子,其主要有四種:反應堆中子源、加速器中子源、中子管中子源和同位素中子源。

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                    上為X照相,下為中子照相,可看出中子照相對被照物體的結構探測得更清晰

                    其中,反應堆中子源是獲取高精度影像能力最強的熱中子源,也是目前能實現快速實時成像的最強熱中子源。其通常以鈾235為燃料,因此不但建造成本和運行費用高,而且設備龐大昂貴,只能依托核反應堆建造熱中子照相系統,缺乏靈活性。因此中子照相小型化成為主要課題之一。如采用中子管、加速器中子源的可移動中子照相裝置等。

                    “中子照相技術”的另一項關鍵技術就是圖像探測技術,也就是通常說的“照相”,這是柯達公司所擅長的。該技術可分兩大類,一類是直接或間接曝光技術,就是采用含乳膠層的膠片,然后分別通過沖洗等方法顯影;另一類是光電轉換技術,而這是柯達公司長期拒絕參與發展的技術方向。讓柯達公司始料不及的是,與放棄數碼照相發展的錯誤一樣,其發展“中子照相技術”中的反應堆中子源和膠片曝光技術兩個方向也均判斷錯誤,因為隨著技術發展,中子管、加速器中子源成為“中子照相技術”主流中子源,類似數碼照相的光電轉換技術也代替了膠片曝光技術,這直接導致了柯達公司“中子照相技術”發展的夭折。

                    雖然說柯達公司發展方向發生錯誤,但當初建立這一反應堆的理由還是充分的。而讓公眾疑問的是,為什么如此危險的裝置可隱藏30余年,連當地政府也不知情?美國還有多少這樣的危險裝置公眾不知情而又被政府“遺忘”呢?

                     

                    核“濫用”與核恐怖

                    實際上回答這些問題還要回到那個“核瘋狂”的年代。上世紀60年代,隨著核電站等民用核技術的成功,越來越多的人開始迷戀上“核”。當時不但政府設計了軍用核潛艇、核輪船、核飛機甚至核衛星,更有一些科學家設想利用“核彈”開鑿運河、圍堵黑海、融化北極冰等。一些企業也開始涉足核領域,例如美國福特公司曾設計了一種微型核反應堆動力的汽車。當時人們設想將核反應堆引入家庭,滿足人們的日常能源需要。這一想法即使在今天仍大有市場,只是安全性大大提高了。例如,日本東芝公司在200712月曾宣布正在開發一種家用微型核反應堆,高為20英尺,直徑為6英尺,可提供200千瓦電能。對核的瘋狂迷戀甚至像今天電腦黑客一樣成為發燒友顯示技能的領域。美國猶他州洛根市一名中學生就曾通過從核工廠垃圾堆上撿來的廢棄零件,在自己家中組裝成一臺功能齊全的“核反應堆”,并宣稱他是全美第一個制造出核反應堆的中學生。即使今天仍有大量民間“核反應堆俱樂部”。20093月,臺灣媒體就曾報道臺北縣新莊的蕭姓老師在沒有任何贊助與支持之下,獨自在家中花了2年時間制造出小型核反應堆。

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                    彈藥(上)和火箭部件(下)的中子照相

                    不過上述私人反應堆基本都是采用所謂的“核融合反應堆”,輻射劑量較小,相對安全性較高。而上世紀留下的種種“核遺跡”就沒那么幸運了。例如,上世紀60年代,蘇聯在開發冰天雪地的西伯利亞時,為解決取暖問題,曾用很簡陋的方法制造了簡單的“核反應堆”。他們將許多放射性物質投入容器,然后加上防護層,容器發熱后,就成為一個熱電偶。雖然這樣很不安全,但在當時為了倉促應付與美國隨時可能爆發的戰爭,一切都因陋就簡,置安全于腦后了,而直到上世紀90年代伐木工人在河水發現了仍發出高溫的核金屬棒,被遺忘的核幽靈才被掀開瓶塞放了出來,當時造成多名工人患放射病身亡。按照俄羅斯大使對國際原子能機構的通告,蘇聯曾制造了1 000個核放射源,而其中超過100個不在俄羅斯。這種可以用于軍事的放射性物質從沒有被登記過,也沒人知道它們現在何處,而他們很可能就在我們的身邊正逐步傷害著我們的健康。

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                    對集裝箱卡車的γ射線照相,可看見里面的偷渡客。γ射線照相與中子照相相比,穿透性更強,但對細節的探測能力稍差

                    在上世紀七八十年代,美國曾出現了許多以研究為目的的小反應堆。根據美國政府的數據,核監管委員會共監控了31個研究用反應堆,大部分位于大學中,也有的位于像柯達公司這樣的私人企業中。媒體透露,在柯達公司反應堆中有1.5千克的高濃縮鈾。雖然柯達公司專家聲稱,這些鈾距離制造原子彈的數量還相去甚遠,但是他們忽略了一個事實:即使幾克放射性材料也可能制造核恐怖事件,而1.5千克高濃縮鈾足以制造2~3顆所謂“臟彈”,使紐約的某個區在近百年內不適宜人類居住。例如,1987年伊拉克薩達姆政權曾試驗過一種將鋯、鈾混合的“放射性炸彈”。20025月,美國FBI在芝加哥的奧黑爾國際機場逮捕了核恐怖分子瓊斯,其罪名即是企圖偷竊核材料制造“臟彈”。專家在研究瓊斯的設計和使用方法后認為,如果按瓊斯的方案,利用大風天氣在紐約高層建筑頂上爆炸1顆核電站的廢燃料棒與炸藥制成的“放射性炸彈”,放射性物質將散布到數個街區,使這里不再適宜人類居住,并造成上千人受到沾染,在未來5年內逐步患各種癌癥死亡,恐怖的居民將大量遷出紐約城,使這里荒蕪、衰敗而廢棄。

                    從柯達公司事件來看,這并不是假想,只能慶幸美國的“瓊斯們”也不知道柯達公司地下室內有足以制造2~3顆這樣炸彈的放射性材料。事實上,美國對全球的核材料監管十分重視,在20104月的核峰會上,其要求46個國家對核材料安全與監管作出承諾,并提出發展核材料檢測技術,但卻忽視了自身的監管,為世界核安全敲響了警鐘。








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