科研人员在位于安大略省乔克里弗的原子能电站内工作。(图片来源: Fox Photos/盖蒂图片社)
医用同位素图说：每年全球有大约3000万医疗成像疗程使用锝99m。世界上几乎四分之三的这类锝元素产自两家正在走向设备老化的反应堆：加拿大的乔克里弗和荷兰的佩滕>>查看大图。（制图/网易探索）
网易探索1月24日报道 2007年12月，加拿大一所核反应堆传来的消息让全世界为之屏息。这座设备老化的反应堆原定两周时间内关闭，而据新的消息透露，关闭的进程可能要拖延更长时间。作为世界上最大的医疗用、癌症和心脏病诊断检测用放射性同位素的生产商，位于加拿大安大略省的乔克里弗（Chalk River）反应堆已经被叫停，可放射科学家们还在努力寻找替代供应商，危机因此随之降临。纵观整个事件，人们不禁要问：这种情形以前难道没有人预见到吗？难道没有人想过这座已经服役半个世纪之久的反应堆有一天要被取代吗？
碰巧的确有人预料到，而且还未雨绸缪：在乔克里弗的临近地区已经设计兴建了取代它的后继。枫叶1（Maple1）和枫叶2（Maple2）这两座全新的反应堆工程总造价3500百万加元（折合3300百万美元），专用于生产医疗放射性同位素。只一座枫叶反应堆就能满足目前全世界所有的市场需要，另外一座可以作为后备，在第一座反应堆日常维修时也能保证正常供应生产。
令人遗憾的是枫叶系列反应堆未能得到政府批准运营，而且再没有获批的可能。对这个造价高昂又陷入困境的投资到底要追究谁的责任引发了一场激烈的争论。核工业的许多企业把矛头对准加拿大核能监管部门。而监管机构则认为，反应堆的施工方无法提供其原本承诺的关键性安全特质，因此该项目设计不能获得通过。
还有一些人认为，政府在关键性技术问题没有解决以前就给这个项目判了死刑。2008年5月，出乎所有人的意料，加拿大政府宣布枫叶反应堆永久关闭。安大略省滑铁卢大学的工程师杰汀•纳斯瓦尼（Jatin Nathwani）曾经向议会委员会提供相关证据，如今他在看这起事件时说：“在我看来，这完全没有意义。”现在是政府推翻从前的决定的时侯了，他说：“如果政府有意改变，只需要总理给他们去个电话，枫叶反应堆就能在6到18个月期间投入使用。”
放射性同位素在现代医学中占有重要位置。每年有4000万起医疗过程中使用它，其中大多数用于治疗诊断癌症和心脏病这类疾病。80%以上的诊断过程依靠锝99m，这种寿命期短的同位素是在反应堆内以中子轰击铀235而产生（参见图２）。
关于核安全报告
从理论上说，任何一座老反应堆都能运转，但要让它在产生中子时不发生泄露或者不扰乱正常功能就是一件冒险的事。如果反应堆中设计有缝隙，可以让物质通过防护罩进出内核，那么运转就会更安全和也更高效。
目前几乎全世界的医用同位素都产自五座反应堆（见图２）。乔克里弗的国家通用研究反应堆（NRU）是其中年代最久，也是最重要的一座。它由加拿大原子能有限公司（AECL）所属经营，生产了世界上40%的锝99m和75%的钴60，它们都用于治疗癌症。20世纪90年代初期，由于发展的需要，人们不得不去寻找生产同位素的新渠道。于是，在1996年，渥太华的同位素批发商MDS Nordion公司请AESL设计、兴建并经营两座新的反应堆和一台处理设备。AESL的工程师们提交了一个10兆瓦的小型设计――多功能应用物理点阵实验（Multipurpose Applied Physics Lattice Experiment），取头个字母缩写集合就名为“枫叶”（Maple）。建造两座这样的反应堆预算达1450万加元（折合1370万美元）。
那么这一切在哪里出了问题呢？在加拿大，如果一座核反应堆要取得经营执照，运营方就必须向加拿大核安全委员会（CNSC）提供一份“安全报告”。在那份报告里要列出所有可能发生问题的情况，并且说明提交的设计怎样取解决每个问题。枫叶反应堆的报告中包括了两套独立的关闭系统。一套是一系列的切断停止操纵杆。另一套是一个迅速从内核周围排出重水的系统。两套系统都通过在反应堆内部快速减少中子数而让分裂反应停止。
作为安全报告的另一个关键部分，AECL还承诺反应堆将有一个“负值的反应性功率系数（PCR）”。基本上，一个呈现负值的反应就能确保随着反应堆功率产出开始提升，把更多的功率挤压到外部就变得更困难。。负PCR的工作原理就像风对汽车的阻力一样：踩油门越困难，提速时风的阻力就越大。
就项目自身来说，PCR为正也不会给获批带来障碍。事实上，AECL旗下的这座无所不能的反应堆可以在特定情况下形成PCR正值并且不产生问题。
枫叶反应堆出现的第一个重大问题发生在2003年6月，当时它们已经完工，竣工时间比计划推迟，而成本几乎是原来预算的两倍。接着就进行试运转测试。让人们惊奇的是，开动后没有显示出负PCR，而是正值。原本预计分析数据为-0.84，可PCR测试结果为+0.28。核物理学家弗里德•布德（Fred Boyd）同时在为AECL和一家监管机构工作，也是一位政策制定者，他这样说：“人们认识到这个结果不是预期的，也不希望它出现。所有相关的人士都非常担心。”
因为管理机构要求AECL解决与计划出现的不一致现象，所以试运行停止。在将近三年中，AECL仔细检查了枫叶的计算过程，但结果仍然如此：如果它的反应堆运行模式无误，那么PCR就应该是负值。AECL甚至从美国布鲁克海文国家实验室（Brookhaven national laboratories）、爱达荷国家实验室（Idaho national laboratories）和阿根廷的工程设计公司INVAP请来顾问检查物理进程。“没有人能得出一个与原来完全不同的结果。由此我们得出的结论是，一定是产生了一种与模式无关的效应。”哈罗德•史密斯（Harold Smith）在议会委员会上这样说。他不仅参与了枫叶的设计，而且还是试运行的监督人。管理机构要求AECL对产生不一致的结果给出解释，可它无法对此做出说明。
更让人困惑的是，就在当时，一座名为Hanaro的30兆瓦核反应堆在韩国建成。它与枫叶反应堆有着同样的基本设计，而且运行良好。史密斯逐步确定枫叶的问题出在兴建的具体方式上。韩国的那座反应堆最初也由于燃料容器弯曲而出现问题，在坚固容器后问题就解决了。史密斯申请对枫叶进行更多的测试，以此来判断其部件是否会导致PCR正值。从2008年春开始，他已经连续进行了三次测试。然而这些测试还未结束，对AECL有所有权的加拿大政府就终止了枫叶项目。
除了承诺，还是承诺
据AECL透露，解决PCR问题的费用无法确定是这一项目被取消的关键原因。枫叶项目负责人让－皮埃尔•莱博瑞（Jean-Pierre Labrie）去年在总部多伦多的报纸《全国邮报》（National Post）的一篇社论上这样写道：“我可以确定，在我们能相信可以将枫叶反应堆带入正轨以前，为了解决重大的技术和管理问题，在最佳案例情况下也需要至少五到六年的强化研究和分析。”他把正值PCR称作一个“可能无法跨越的障碍”。
可许多核能领域公司对此完全不认同，有人还认为PCR正值对项目本身并不是很大的问题。史密斯就持有这种观点，他觉得这是可以修正的。“PCR出现正值不是什么不解之谜。它不是一个解决不了的工程问题，而是原始设计中一个小的热力机械效应，需要做简单的工程修复。”史密斯这样对议会委员会成员们说。丹尼尔 •梅内利（Daniel Meneley）曾任AECL的总工程师，他甚至不认为枫叶需要做修正，因为少量的正值很容易对运用吸收中子的控制杠进行管理。“只要这个数值很小，不管是正是负都没关系。”他这样说。
史密斯、梅内利和其他独立工程师表示，目前没有合理的技术原因来解释枫叶不能运行。他们认为，形成这种局面不是因为AECL未能按其承诺建造反应堆，而是核管理机构要求AECL应该信守承诺。
到2008年1月被总理解职以前，琳达•基恩（Linda Keen）从2001年起一直担任CNSC主席。虽然她本人不是物理学家，却并不是监管工作的新手，在食品行业和炸药工业都有工作经历。基恩说：“我把 AECL看成和其他颁发执照的机构一样的组织。”这种确保公共安全而不是推动核工业的立场正在打破50年来的官方传统，正如她所说：“过去，监管机构和核工业有着不同寻常的关系，他们是伙伴。”
据安大略省汉密尔顿市麦克马斯特大学的核工程专业名誉教授比尔•葛兰（Bill Garland）回忆，监管机构过去一般都会通过努力解决问题来应对这类情况：“他们知道在什么样的状况下会导致让人难过的结局，也会和行业的公司一道确保反应堆真正安全，不只是让他们服从管理而已。”而随着2000年《核安全与管制法》简介的推行，监管机构的工作内容改变了。基恩清楚地知道，CNSC的工作不只是帮助解决问题，而要保护加拿大国民的安全。她指出，就枫叶项目而言，问题不在于PCR正值本身。“CNSC并没有表示不可以得出正的PCR值。我们说的是：‘你做过承诺。既然你的安全分析就以此为基础，那么就告诉我们你的安全分析是什么内容。’”
基恩的这一说法就深入到问题的核心，蒙特利尔理工学院的核工程师让•科奇拉斯（Jean Koclas）如是认为。“PCR值是正是负并不是问题所在。问题在于你不能计算出这个结果，”他在议会委员会上说，“当你发现自己处于一种不能以功率性系数这种简单的方式来预测的形势，你能相信基于这种系数计算数据的核安全分析是正确无误的吗？”
小规模，大困难
尽管如此，梅内利争辩称PCR计算起来很简单，尤其在象枫叶那样的小型反应堆设计中。对一个大型反应堆来说，一小部分中子未被计入核算不会给结果带来影响，而在一个小型反应堆核算时，在许多小部件上出现温度或者位置上很小的误差就能让结果出错。“这几乎是计算不出的，”他说，“认为一个如此易受影响的系数能有很高的计算精确度，这种想法实在很天真。”
也是在2009年5月，乔克里弗反应堆开始出现重水泄露现象，被迫再次关闭。当在荷兰佩滕（Petten）的另一个世界主要同位素生产反应堆由于重要维修而停工六个月以后，世界各地的医生和病人如今都希望乔克里弗能在今年三月以前修复。这两家反应堆生产的锝99m保证了全球70%的市场需求。它们中任何一家延长关闭期都会导致同位素短缺，使诊断测试无法进行，并且推迟数百万病人的关键性治疗进程。
随着医用同位素短缺的危机蔓延全球，其他国家开始展开行动。11月，美国众议院投票通过五年间花费1630万美元对开发医用同位素的国内生产供应问题进行调查，其中包括分析有无可能修理位于密苏里大学的一座正在运转的反应堆。就在11月当月末，荷兰决定推进在设备老化的佩滕反应堆同一地点兴建替代项目。新的反应堆名为Pallas，预计将在2016年以前可以全面运行。
一个专家组也在11月发布了报告，它为保护加拿大医用同位素，尤其是对锝99m的供应进行的调研方式此前遭到了指责。这份报告有怎样的推荐结论呢？它认为应该从头兴建一座新的多功能反应堆，预计将耗资120亿加元。枫叶反应堆关闭的噩运似乎就是板上钉钉了。
负值的价值
一座裂变反应堆需要在可控的核裂变中运转。首先，铀原子核吸引了中子，于是导致其原子核分裂产生裂变，由此释放热量和更多中子。然后其他铀原子核又吸引了裂变释放出的部分中子，那些原子核接下来也会分裂，产生比前一次裂变更多的中子。
如果任这一连锁反应发展下去，最终就会产生核爆炸。反应堆的设计旨在将这种反应控制在一个预期的稳定水平上，如此一来就不仅可以知道燃料吸引了多少中子，还能了解冷却剂、厂房的钢铁部件和无数其他组件吸引到的中子数。
PCR是一座反应堆的核中子数会在反应堆能量增加后增加或减少的衡量标志。如果中子数增加，那么PCR就是正值，反之，PCR值就为负。
任何突然出现的过量中子数会加速裂变反应，增加反应堆能量输出。这也就是PCR呈现负值会出现的情况。因为PCR负值的反应堆会自动限制穿越反应堆的中子数，所以会在短暂的能量增加后减慢增长速度。
枫叶反应堆以产生少量负值PCR为设计目的：这被认为是它的安全特质之一，而反应堆也是据此而获准经营。一旦反应堆开始运转，经营者又测出PCR值为正，可制造厂商一直未能对这一现象做出解释。这才是经营许可申请被拒绝的原因。
作者/艾利森•莫特卢克（Alison Motluk）是居住于加拿大多伦多的科学作家。本文译自/新科学家 译/若离 译言网供网易探索独家稿件，未经许可请勿转载。
本文来源：网易探索
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