柯达公司事件背后的核幽灵

           浅谈“中子照相技术”及核安全

文/张炳然

2012年5月中旬，从美国纽约州传出了一个爆炸性的消息——在位于该州的柯达公司总部地下室内曾放置一座核反应堆长达30余年！虽然该公司负责人一再声称，这只是一座微型核反应堆，不具危险性，但这一消息还是让美国公众大为震惊，并对美国核材料监管提出了质疑。那么，高度危险的核反应堆怎么会进入普通生活区，并长期隐瞒于公众，其是否会对公共安全带来危险呢？

美国“柯达核反应堆”事件

从媒体调查的情况看，从1974年开始，柯达公司就在自家研究所的地下室建设了一个微型核反应堆，大小和一个单开门电冰箱差不多，里面含有大约1.5千克浓度为93.4%的高浓缩铀。这是一种叫做“锎中子通量倍增器”的核反应堆，柯达公司使用这个反应堆的目的是为了测试“中子射线照相技术”，为研制用于医疗化工的感光材料奠定基础。这种照相技术与我们经常接触的X光照相类似，只是用的射线种类不一样。其原理就是当中子经过结构不均匀的物质后，其穿过物体的速度和数量都会受到影响，特别是经过结构突变的部位比如裂缝、空洞等。经过查证，媒体发现这一反应堆是在柯达公司最辉煌的时候引进的，而随着数码相机技术的普及，柯达公司却“墨守”胶片感光技术，导致其业务直线下降，其地下室内的这一反应堆也早已失去作用，并缺少资金维护，被人们逐渐淡忘，直到2007年有关部门才想起这一“定时原子弹”，在美国联邦政府的帮助下，拆除了这一反应堆。此后的事件发展是柯达公司始料未及的。2012年1月，“黄色巨人”柯达公司终于由于资不抵债，负债高达68亿美元而申请破产保护，今年的奥斯卡颁奖典礼举办地柯达剧院也挂上了杜比的牌子。

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柯达公司的核反应堆

在曾经的巨人倒下后，柯达总部所在地美国纽约州罗切斯特的《民主纪事报》将这一鲜为人知的“隐情”揭发了出来，这让周边的民众和当地政府倒吸一口凉气。人们不禁质疑，柯达公司作为商业机构，为什么要建立自己的核反应堆呢？要回答这一问题还要从所谓的“中子照相技术”谈起。

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柯达公司建立核反应堆的原因

所谓“中子照相技术”是利用中子束穿透物体时的衰减情况显示某些物体的内部结构的技术。查德威克于1932年发现了中子，到1935年，就有德国、法国和美国人独立地提出了中子照相的专利。尽管早期的中子照相质量很糟糕，但是也展示了中子可用于成像的特性。1948年，卡尔曼发表了一篇关于中子照相的论文，他的技术沿用至今。

“中子照相技术”的原理  中子照相能够获得很多其它传统技术不能得到的重要信息。X射线穿透物体时，受到核外电子作用而被衰减，因此其质量衰减与材料的原子序数有关系。与X射线不同，中子不带电，能轻易穿透电子层与原子核发生核反应，因此其质量衰减系数与入射的中子能量和物质的原子核截面有关，和原子序数关系复杂。这使得中子照相比X射线具有优势。一是中子能够穿透重元素物质，对大部分重元素如铁、铅、铀等，质量吸收系数小，也就是说较容易穿透这些物质材料而成像。二是对某些轻元素如水、碳氢化合物、硼等，质量吸收系数反而特别大，也就是不容易穿透这些物质材料，难以成像。三是可以区分同位素，即对同一种物质的不同同位素材料，可以在影像上反映出区别。四是能对强辐射物质形成较高质量的图像，特别是能够穿透许多金属、重金属而检测内部有机物质状况。

鉴于上述优点，中子照相技术从1955年开始就在质量检测上有广泛应用，包括武器部件的质量检测和库存武器的可靠性常规检测。到20世纪70年代初，中子照相已进入工业实用阶段，在核电和宇航工业中应用广泛。现在，中子照相作为一种常规无损检测方法已经确立。除了工业领域以外，在农业医学和考古等领域都有着广泛应用。

“中子照相技术”的军事应用  据十几年前的统计，美国当时每年要拍出热中子照片20 000张以上。英国罗·罗航空发动机的每个叶片在生产过程中都必须经过中子照相检测，作为其质量保证措施。许多发展中国家也开展中子照相的研究。

航天火箭与飞船发射的可靠性是头等重要的。如用于飞行姿态控制的导火索和用于各级火箭分离的爆炸螺栓等均须用中子照相方法加以检查。特别是经过长途运输后的检查，只能用可移动的中子照相装置进行。清华大学用热中子照相检测航天部长二捆火箭导爆索，发现最小为0.12毫米的炸药裂缝。

中子照相还可用于航天火箭部件的材料性能、缺陷和腐蚀情况的检测。例如，用热中子照相分析密封部件和推进系统的燃料情况，用快中子照相检查大型部件，如涡轮机叶片内部被腐蚀的情况等。实时中子照相还可以观察火箭发动机的点火过程。航空发动机叶片的内部均设有冷却通道，以提高发动机的工作温度。叶片在压力铸造后的脱芯是一项关键技术，若留下残渣会在工作时形成热点而损坏叶片。高温下残渣还会流动，破坏发动机的动平衡。故叶片在铸造时，必须在型芯中加入标记物质钆。钆的热中子吸收截面特别大，容易被中子照相检测出来。

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a为X照相，b为中子照相，可看出中子照相的显像效果更好

中子照相还可用于飞机保养中对发动机叶片、铝板结构件、复合材料的腐蚀和水汽等情况和缺陷的检查。例如，飞机机翼本身就是油箱。油中含水，长期使用会使铝材受到腐蚀，生成氢氧化铝。用中子照相方法可以很容易测出腐蚀斑。可移动式中子照相系统可以对飞机进行无损在位检测，不需拆下部件，检测快速、可靠、灵敏。美国等许多国家都有专用的可移动中子照相仪器用于飞机检测，相对常规方法可大大缩短维修检测时间，同时可延长5%的飞行时间，这也就节省了大量的资金。

此外，中子照相技术在核工业和武器使用中也有着广泛用途，如用于核燃料棒的热检验、检查燃耗和燃料内部状况等。在对核武器长期储存寿命及状态的研究中，由于核材料具有毒性，而且一旦拆解就无法再次使用，因此过去只能采用抽样破坏拆解的方式，工序繁琐、安全性差，而且造成核武器的破坏。而中子照相技术可以轻而易举地发现核材料中的气泡、裂纹等问题，在导弹储存中其可用于固体燃料浇注后的质量监测，并可检查在长期储存后的燃料柱裂纹和脱粘情况，可为储存延寿提供直接数据。欧共体已推广用中子照相检查继电器工作状态。国外曾有人用中子照相研究子弹发射的动态过程。结果发现，子弹头飞离枪膛后，子弹的装药尚未完全燃烧，从而得出结论，该型号子弹的装药量可以减少。快中子照相还可用于检查武器中的大型金属部件的缺陷，包括长期使用或储存后出现的缺陷。

核反应堆在其中的作用  由于“中子照相技术”的广泛应用，柯达公司决定不遗余力地发展这一技术，希望以此带来新的利润增长点。而发展“中子照相技术”的关键就是中子源。中子照相系统主要由中子源、准直器和图像探测器系统（包括中子转换屏）三大部分构成。其中，中子源主要用来产生自由中子，其主要有四种:反应堆中子源、加速器中子源、中子管中子源和同位素中子源。

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上为X照相，下为中子照相，可看出中子照相对被照物体的结构探测得更清晰

其中，反应堆中子源是获取高精度影像能力最强的热中子源，也是目前能实现快速实时成像的最强热中子源。其通常以铀235为燃料，因此不但建造成本和运行费用高，而且设备庞大昂贵，只能依托核反应堆建造热中子照相系统，缺乏灵活性。因此中子照相小型化成为主要课题之一。如采用中子管、加速器中子源的可移动中子照相装置等。

“中子照相技术”的另一项关键技术就是图像探测技术，也就是通常说的“照相”，这是柯达公司所擅长的。该技术可分两大类，一类是直接或间接曝光技术，就是采用含乳胶层的胶片，然后分别通过冲洗等方法显影；另一类是光电转换技术，而这是柯达公司长期拒绝参与发展的技术方向。让柯达公司始料不及的是，与放弃数码照相发展的错误一样，其发展“中子照相技术”中的反应堆中子源和胶片曝光技术两个方向也均判断错误，因为随着技术发展，中子管、加速器中子源成为“中子照相技术”主流中子源，类似数码照相的光电转换技术也代替了胶片曝光技术，这直接导致了柯达公司“中子照相技术”发展的夭折。

虽然说柯达公司发展方向发生错误，但当初建立这一反应堆的理由还是充分的。而让公众疑问的是，为什么如此危险的装置可隐藏30余年，连当地政府也不知情？美国还有多少这样的危险装置公众不知情而又被政府“遗忘”呢？

核“滥用”与核恐怖

实际上回答这些问题还要回到那个“核疯狂”的年代。上世纪60年代，随着核电站等民用核技术的成功，越来越多的人开始迷恋上“核”。当时不但政府设计了军用核潜艇、核轮船、核飞机甚至核卫星，更有一些科学家设想利用“核弹”开凿运河、围堵黑海、融化北极冰等。一些企业也开始涉足核领域，例如美国福特公司曾设计了一种微型核反应堆动力的汽车。当时人们设想将核反应堆引入家庭，满足人们的日常能源需要。这一想法即使在今天仍大有市场，只是安全性大大提高了。例如，日本东芝公司在2007年12月曾宣布正在开发一种家用微型核反应堆，高为20英尺，直径为6英尺，可提供200千瓦电能。对核的疯狂迷恋甚至像今天电脑黑客一样成为发烧友显示技能的领域。美国犹他州洛根市一名中学生就曾通过从核工厂垃圾堆上捡来的废弃零件，在自己家中组装成一台功能齐全的“核反应堆”，并宣称他是全美第一个制造出核反应堆的中学生。即使今天仍有大量民间“核反应堆俱乐部”。2009年3月，台湾媒体就曾报道台北县新庄的萧姓老师在没有任何赞助与支持之下，独自在家中花了2年时间制造出小型核反应堆。

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弹药（上）和火箭部件（下）的中子照相

不过上述私人反应堆基本都是采用所谓的“核融合反应堆”，辐射剂量较小，相对安全性较高。而上世纪留下的种种“核遗迹”就没那么幸运了。例如，上世纪60年代，苏联在开发冰天雪地的西伯利亚时，为解决取暖问题，曾用很简陋的方法制造了简单的“核反应堆”。他们将许多放射性物质投入容器，然后加上防护层，容器发热后，就成为一个热电偶。虽然这样很不安全，但在当时为了仓促应付与美国随时可能爆发的战争，一切都因陋就简，置安全于脑后了，而直到上世纪90年代伐木工人在河水发现了仍发出高温的核金属棒，被遗忘的核幽灵才被掀开瓶塞放了出来，当时造成多名工人患放射病身亡。按照俄罗斯大使对国际原子能机构的通告，苏联曾制造了1 000个核放射源，而其中超过100个不在俄罗斯。这种可以用于军事的放射性物质从没有被登记过，也没人知道它们现在何处，而他们很可能就在我们的身边正逐步伤害着我们的健康。

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对集装箱卡车的γ射线照相，可看见里面的偷渡客。γ射线照相与中子照相相比，穿透性更强，但对细节的探测能力稍差

在上世纪七八十年代，美国曾出现了许多以研究为目的的小反应堆。根据美国政府的数据，核监管委员会共监控了31个研究用反应堆，大部分位于大学中，也有的位于像柯达公司这样的私人企业中。媒体透露，在柯达公司反应堆中有1.5千克的高浓缩铀。虽然柯达公司专家声称，这些铀距离制造原子弹的数量还相去甚远，但是他们忽略了一个事实：即使几克放射性材料也可能制造核恐怖事件，而1.5千克高浓缩铀足以制造2~3颗所谓“脏弹”，使纽约的某个区在近百年内不适宜人类居住。例如，1987年伊拉克萨达姆政权曾试验过一种将锆、铀混合的“放射性炸弹”。2002年5月，美国FBI在芝加哥的奥黑尔国际机场逮捕了核恐怖分子琼斯，其罪名即是企图偷窃核材料制造“脏弹”。专家在研究琼斯的设计和使用方法后认为，如果按琼斯的方案，利用大风天气在纽约高层建筑顶上爆炸1颗核电站的废燃料棒与炸药制成的“放射性炸弹”，放射性物质将散布到数个街区，使这里不再适宜人类居住，并造成上千人受到沾染，在未来5年内逐步患各种癌症死亡，恐怖的居民将大量迁出纽约城，使这里荒芜、衰败而废弃。

从柯达公司事件来看，这并不是假想，只能庆幸美国的“琼斯们”也不知道柯达公司地下室内有足以制造2~3颗这样炸弹的放射性材料。事实上，美国对全球的核材料监管十分重视，在2010年4月的核峰会上，其要求46个国家对核材料安全与监管作出承诺，并提出发展核材料检测技术，但却忽视了自身的监管，为世界核安全敲响了警钟。