福島核電站事故分析

1、福島核電站事故分析感謝供稿：銀河雙子星（原子物理博士后、旅日留學(xué)生）福島核電站結(jié)構(gòu)福島核電站屬于沸水反應(yīng)堆（簡(jiǎn)稱BWR，Boiling Water Reactors）。BWR是通過(guò)沸水來(lái)發(fā)電的，用它的蒸汽推動(dòng)渦輪實(shí)現(xiàn)發(fā)電。沸水反應(yīng)堆以輕水（普通水H2O）作為冷卻劑和中子慢化劑。反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)內(nèi)壓強(qiáng)保持在70個(gè)大氣壓。在這里，來(lái)自汽輪機(jī)的給水進(jìn)入壓力容器后，在280左右沸騰。汽水混合物經(jīng)過(guò)堆芯上方的汽水分離器和蒸汽干燥器過(guò)濾掉液態(tài)水后直接送到汽輪機(jī)。離開(kāi)汽輪機(jī)的蒸汽經(jīng)過(guò)冷凝器凝結(jié)為液態(tài)水（給水）后，回流至反應(yīng)堆，完成一個(gè)循環(huán)?？蓞⒖即司W(wǎng)站。堆中所用核燃料是鈾的氧化物。其熔點(diǎn)很高，接近2800攝氏

2、度。燃料被制成柱狀（1cm高截面直徑1cm的小圓筒）。這些柱狀物體被放入鋯錫合金（一種鋯合金）制成的長(zhǎng)管中，它的熔點(diǎn)在1200攝氏度左右，并且被嚴(yán)格密封。這種長(zhǎng)管被稱為燃料棒，包裹核燃料的鋯錫合金的這層叫做燃料包殼，包殼將放射燃料跟反應(yīng)堆其他的組成分隔開(kāi)。這些燃料棒然后被集裝到一起，這樣的幾百個(gè)集裝件共同形成反應(yīng)堆的內(nèi)核。內(nèi)核被放置在一個(gè)巨大的壓力容器中。壓力容器由很厚的鋼鐵構(gòu)成，可以在7MPa的壓力下工作（大概是1000psi），它的設(shè)計(jì)涵蓋了事故發(fā)生時(shí)產(chǎn)生高壓的情況。然后壓力容器以及水泵、冷卻劑等一并封裝在更結(jié)實(shí)的鋼筋混凝土建筑中，這一層叫做安全殼，它高度密封，形成非常厚的屏障。在這個(gè)容器

3、建筑的外圍又澆灌了一層很厚的混凝土外殼，作為它的雙重保障。這些都是為了防止核芯放射物質(zhì)出現(xiàn)高溫熔毀后出現(xiàn)泄漏。切爾諾貝利核電站發(fā)生的重大事故是因?yàn)闆](méi)有這一層安全殼導(dǎo)致的。所有這些，再加上蒸氣發(fā)電機(jī)等都建在一個(gè)更大的發(fā)應(yīng)堆建筑內(nèi)部，反應(yīng)堆建筑是整個(gè)核能源廠的外殼性建筑，以便保持廠內(nèi)恒溫，不受外界氣候變化影響?？偨Y(jié)一下，沸水式核電站由內(nèi)到外的機(jī)構(gòu)：放射性核燃料、鋯合金包殼、鋼鐵壓力容器、鋼筋混凝土安全殼、外層建筑?？磶讖埛兴磻?yīng)堆的圖吧核反應(yīng)堆工作原理反應(yīng)堆中的鈾燃料由中子誘發(fā)可以導(dǎo)致核裂變發(fā)生，其裂變產(chǎn)物為碘131、銫137等同位素，并放出中子和能量，這些能量會(huì)通過(guò)與堆內(nèi)部水的摩擦作用而變成水的

4、內(nèi)能。這些中子一部分會(huì)擊中其他鈾原子核，繼續(xù)發(fā)生裂變，并產(chǎn)生新的中子，依次類推。這就是核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)原理。為了控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)速度，反應(yīng)堆中要用到控制棒。控制棒是由能夠吸收中子的硼元素制成的。在通常狀態(tài)下，由控制棒控制，核芯中子的產(chǎn)量是穩(wěn)定的（保持?jǐn)?shù)量穩(wěn)定），反應(yīng)堆處于臨界狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生事故時(shí)，控制棒全部放下，用來(lái)關(guān)閉反應(yīng)堆，可以從100%的動(dòng)力降到7%動(dòng)力（殘留的延遲的熱量造成）。所以核電站是利用的可控核反應(yīng)，而核彈則是利用不可控的核反應(yīng)。反應(yīng)堆內(nèi)的核燃料永遠(yuǎn)不會(huì)產(chǎn)生原子彈那樣的核爆炸。在切爾諾貝利, 烏克蘭的城市 (1986 年核反應(yīng)事件的發(fā)生地)，爆炸是由于過(guò)量的壓力釋放、氫爆炸以及建筑物開(kāi)

5、裂導(dǎo)致，由于沒(méi)有安全殼保護(hù)，致使放射性核芯溶解，經(jīng)爆炸流入外部環(huán)境中。所以此次日本的情況要好很多。在反應(yīng)堆停止運(yùn)行后，核芯的熱量釋放并不會(huì)馬上停止。在反應(yīng)堆中，還存在有銫和碘等裂變產(chǎn)物，這些東西也要繼續(xù)衰變釋放熱量，變成其他無(wú)放射性的同位素，這個(gè)過(guò)程一般需要幾天的時(shí)間。另外鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)生的中子還會(huì)撞擊堆內(nèi)的一些水分子中的氧原子核，形成氮16等放射性同位素，不過(guò)這些東西會(huì)在幾秒內(nèi)衰變，問(wèn)題不大，另外還有稀有氣體氬等。所以即使停堆，熱量還是會(huì)繼續(xù)少量產(chǎn)生，這些剩余熱量要在反應(yīng)堆關(guān)閉后的很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)才能減少，而且它們需要通過(guò)冷卻系統(tǒng)來(lái)轉(zhuǎn)移，以防燃料棒被過(guò)度加熱熔化導(dǎo)致泄漏。為反應(yīng)堆中延遲的熱量提供足夠的

6、冷卻，是目前日本遭到破壞的反應(yīng)堆最主要的挑戰(zhàn)?？匆幌逻\(yùn)行發(fā)電的示意圖：福島核電站事故過(guò)程分析這次地震太強(qiáng)了，超出核電站設(shè)計(jì)抗震極限。地震后反應(yīng)堆內(nèi)控制棒插入，自動(dòng)停堆。停堆后剩余熱量需要繼續(xù)轉(zhuǎn)移釋放，但外部供電電網(wǎng)因地震損毀無(wú)法供電，所以應(yīng)急備用柴油發(fā)電機(jī)開(kāi)始工作，湊活能用。但隨之到來(lái)的海嘯摧毀了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，不得不啟用第二套備用的應(yīng)急電池動(dòng)力，繼續(xù)泵水冷卻。但電池只能維持八小時(shí)，之后就開(kāi)始慘了。之后熱量繼續(xù)產(chǎn)生，但水泵冷卻能力趕不上了，因此壓力容器內(nèi)會(huì)有大量的水變成水蒸氣的狀態(tài)，使一回路內(nèi)部的壓力增大，超過(guò)工作壓力，溫度也不斷升高。此時(shí)壓力容器內(nèi)的溫度是 550 攝氏度?，F(xiàn)在首要的是保持內(nèi)部溫

7、度在1200攝氏度以下，以確保燃料棒的安全，亦即是內(nèi)部壓力處于可管理的水平，否則燃料棒就會(huì)熔化。為了這個(gè)目的，水蒸氣（還有其他反應(yīng)器內(nèi)的氣體）不得不定期排放。因此，反應(yīng)器在當(dāng)初設(shè)計(jì)的時(shí)候，在壓力容器和容器建筑上預(yù)留了幾個(gè)氣體排放口。為了保證壓力容器和容器建筑的安全，為保住壓力邊界，操作員不得不定時(shí)的排放氣體以控制內(nèi)部壓力。這些排放出的水蒸汽里也含有一些氮16、氬等，但其輻射是可以忽略的，不需要考慮。接著就更慘了，電力不能穩(wěn)定供應(yīng)，水泵不能很好工作，被蒸發(fā)并排出的水遠(yuǎn)多于注入反應(yīng)堆內(nèi)的水，水越來(lái)越少，有一部分燃料棒就開(kāi)始裸露在水位之上了。我們知道金屬泡在水里則溫度可以與水溫一致，一旦離開(kāi)了水，不

8、斷加熱，溫度就會(huì)迅速上升?？梢韵胂笠惶?hào)堆三號(hào)堆中都出現(xiàn)了這種情況。溫度超過(guò)1200攝氏度，燃料包殼的鋯錫合金有一部分失水熔化了（也可能沒(méi)有熔化，但起碼已經(jīng)達(dá)到發(fā)應(yīng)溫度了，但既然監(jiān)測(cè)到了碘和銫外泄，那就是包殼熔化了），這么高溫度下鋯可以與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生氧化鋯和氫氣。這些產(chǎn)生的氫氣就在不定期排放氣體的過(guò)程中釋放到了安全殼之外，但工作人員很有犧牲精神，沒(méi)有直接排放到外層建筑廠房的外邊，原因是減少外泄核輻射。因?yàn)榇藭r(shí)要么什么都沒(méi)發(fā)生，要么是包殼鋯錫合金已經(jīng)熔化了，熔化后里面的銫、碘等就可以溶在水蒸汽里在不定期的排氣時(shí)一并釋放出來(lái)，所以據(jù)報(bào)道也就監(jiān)測(cè)到了外邊有碘131和銫137的泄漏了。需要注意的

9、是根據(jù)12號(hào)一號(hào)機(jī)組爆炸的報(bào)道，沒(méi)有中子輻射，那么也就沒(méi)有核燃料鈾的泄漏，因?yàn)槎趸櫴遣蝗苡谒奈镔|(zhì)，所以不會(huì)隨水蒸氣排放泄漏。氫氣積累到一定濃度，與空氣中氧氣反應(yīng)，因此發(fā)生了外層建筑的爆炸，要注意，這個(gè)爆炸是外層建筑，安全殼里面應(yīng)該沒(méi)有問(wèn)題。而安全殼里面的問(wèn)題是，水還在越來(lái)越少，溫度如果繼續(xù)升高的話，燃料棒溫度到達(dá)3000攝氏度（這個(gè)數(shù)字有待核實(shí)），那么就完蛋了，陶瓷二氧化鈾燃料球芯塊也要熔化了，這叫“核芯熔毀”事故，整個(gè)核燃料就變成一堆液體，燒穿鋼鐵壓力容器，也可能破壞安全殼，從而泄漏到外邊嚴(yán)重影響大氣。所以工作人員不得不保持水位降溫，純凈水不夠了，實(shí)在沒(méi)辦法，只能用海水了。海水有一定腐

10、蝕性，同時(shí)受到輻射變成活化水有一定的微量輻射，但已經(jīng)顧不上了，反應(yīng)堆報(bào)廢就報(bào)廢吧。海水注入，盡力覆蓋燃料棒，同時(shí)注入的還有硼酸，這是用來(lái)吸收剩余中子的，也可吸收一部分碘。如果順利的話，那么一直這么操作下去，保持水位，那么反應(yīng)堆就最終會(huì)冷卻下來(lái)。但問(wèn)題是如果持續(xù)的水循環(huán)不能保證，那就慘了。這也是今天二號(hào)機(jī)組的情況。水泵泵不上去水，是有原因的，里面壓力那么高，而且繼續(xù)升高，高壓下想注入水談何容易。又出現(xiàn)減壓閥打不開(kāi)的情況，無(wú)法泄氣減壓，禍不單行啊。今早二號(hào)機(jī)組爆炸，可能是壓力太大后導(dǎo)致破壞外部的水泵、渦輪機(jī) 、儲(chǔ)存罐等造成的，壓力容器可能也有破壞，這樣的話放射性的水就會(huì)大量流出，造成泄漏。核芯可能也有部分熔毀，危險(xiǎn)仍未消除。四號(hào)機(jī)組和一號(hào)三號(hào)差不多，都是氫氣爆炸，影響不大，主要問(wèn)題是它里面存放的核廢料比較多，這樣反而看起來(lái)輻射劑量要多一些?，F(xiàn)在事故已經(jīng)很大程度上造成了人們的恐慌，大家謹(jǐn)慎的同時(shí)還是要保持冷靜，畢竟媒體報(bào)道的東西有的欠妥當(dāng)不準(zhǔn)確，要客觀一點(diǎn)看待影響，雖說(shuō)東京等地已經(jīng)測(cè)量到核輻射，但要說(shuō)明的是這個(gè)劑量還比不上拍一次X光片，減少出門就行。另外值得注意的是，東京電力過(guò)去有很多隱瞞不報(bào)和修改數(shù)據(jù)的不良記錄，而日本政府在這件事情上也一再遲疑，整個(gè)事情的解釋需要更透