【果殼地震特輯】為什么不用擔心日本的核電站

核泄漏是這次日本大地震中的另一個附加危害，至于它的危害有多大，還是看一下Josef Oehmen 博士（其父在德國核工業具有深厚經驗）如何說吧。

（果殼網/圖）

這篇曾屬于私人博客的文章，被MIT官方網站采用。原文地址有所更改，且文章中的一些內容經過了MIT一些專業人士的補充。尤其在核反應原理上，給出了比較詳細的解釋。本主題站會進一步跟進與此相關的內容。

我在這里寫下這些文字，是為了讓大家對在日本發生的事情——核反應堆的安全問題，感到放心。事態確實嚴重，但是已經在控制范圍內。這篇東西很長！但是你讀完之后，你會比世界上任何記者都明白核反應堆究竟是怎么回事。

核泄漏確實已經發生，但是在將來不會有任何顯著的泄露。

“顯著泄露”大概會是個什么程度？打個比方說，可能比你乘坐一趟長途飛行，或是喝下一杯產自本身具有高程度自然輻射地區的啤酒，所受到的輻射要多一些。

我讀了自從地震發生以來的所有新聞報道?？梢哉f幾乎沒有一篇是準確或是無誤的（當然也可能是因為地震發生之后在日本的通訊問題）。關于“沒有一篇是無誤的” 我并不是指那些帶有反核立場的采訪，畢竟這在現在也挺常見的。我指的是其中大量的關于物理和自然規律的錯誤，及大量對于事實的錯誤解讀——可能是因為寫稿子的人本身并不了解核反應堆是如何建造和運營的。我讀過一篇來自 CNN 的三頁長度的報道，每一個段落都至少包含一個錯誤。

接下來我們會告訴大家一些關于核反應堆的基本原理，然后解釋目前正在發生的是什么。

福島核電站的反應堆屬于“沸水反應堆”（Boiling Water Reactors），縮寫 BWR。沸水反應堆和我們平時用的蒸汽壓力鍋類似。核燃料對水進行加熱，水沸騰后汽化，然后蒸汽驅動汽輪機產生電流，然后蒸汽冷卻后再次回到液態，然后再把這些水送回核燃料處進行加熱。蒸汽壓力鍋內的溫度通常大約是 250 攝氏度。

上文提到的核燃料就是氧化鈾。氧化鈾是一種熔點在 3000 攝氏度的陶瓷體。燃料被制作成小圓柱（想像一下就像樂高積木尺寸的小圓柱）。這些小圓柱被放入一個用鋯錫合金（熔點 2200 攝氏度）制成的長桶，然后密封起來。這就是一個燃料棒（fuel rod）。然后這些燃料棒被放到一起組合為一個更大的單元，然后這些燃料單元被放入反應堆內。所有的這些，就是一個核反應堆核心（core）的內容。

鋯錫合金外殼是第一層護罩，用來將具有放射性的核燃料與世隔絕。

然后核心被放入“壓力倉”中，也就是我們之前提到的蒸汽壓力鍋的比喻。壓力倉是第二層護罩。這是一個堅固結實的大鍋，設計用于容納一個溫度可能達到數百攝氏度的核心。在核心降溫措施恢復前，壓力倉起到一定的保護作用。

一個核反應堆的所有的這些“硬件”——壓力倉，各種管道，泵，冷卻水，然后被封裝到第三層護罩中。第三層護罩是一個完全密封的，用最堅固的鋼和混凝土制成的非常厚的球體。第三層護罩的設計，建造和測試只是為了一個目的：當核心完全熔融時，將其包裹在其中。為了實現這個目的，在壓力倉（第二層護罩）的下方，鑄造了一個非常巨大厚實的混凝土大碗，這一切都在第三層護罩的內部。這樣的設計就像是為了“抓住核心”。如果核心熔融，壓力倉爆裂（并且也最終融化的話），這個大碗就可以裝下融化了的燃料及其他一切。這個大碗設計成讓融化的燃料能夠向四周鋪開，從而實現散熱。

在第三層護罩的周圍包裹的是反應堆廠房。反應堆廠房是一個將各種風吹雨打擋住的外殼。（這也是在爆炸中被毀壞的部分，我們稍后再說）

核反應的一些基本原理

鈾燃料通過核分裂產生熱量。大的鈾原子分裂成更小的原子，這樣就產生熱量及中子（構成原子的一種粒子）。當中子撞擊另外一個鈾原子時，就觸發分裂，產生更多的中子并一直繼續下去。這就是核裂變的鏈式反應。

而現在的情況時，當一堆燃料棒湊在一起時就會很快導致過熱，然后在 45 分鐘后就會導致燃料棒融化。但是值得指出的是，在核反應堆內的燃料棒是絕對不可能導致像原子彈那樣的核爆炸的。制造一顆原子彈實際上是相當困難的（不信你們可以去問問伊朗）。當年切爾諾貝利的情況是，爆炸是由于大量的壓力積攢，氫氣爆炸然后摧毀了所有的護罩，然后將大量的融化的核心揮灑到了外界（就像一顆 “臟彈”）。這樣的情況為什么在日本沒有發生，及為什么不會發生，請繼續看下面。

為了控制鏈式反應的發生，反應堆操作員會用到“控制棒”?？刂瓢艨梢晕罩凶?，從而瞬間停止鏈式反應。一個核反應堆是這樣設計的：當一切正常運轉時，所有的控制棒是不會用到的。冷卻水會在核心產生熱量的同時帶走熱量（并轉化為蒸汽和電力），并且在常規的 250 攝氏度的運轉溫度下還有許多余地。

而挑戰在于將控制棒插入并停止鏈式反應后，核心依然在產生熱量。雖然鈾元素的鏈式反應已經停止，但是在鈾元素的核裂變過程中會產生一些具有放射性的副產品，比如銫和碘同位素，這些元素的放射性同位素會最終衰變為更小的原子，然后失去放射性。在這些元素的衰變過程中，也會產生熱量。因為它們不會再從鈾元素中產生（在控制棒插入之后鈾元素就停止衰變了），所以它們的數量會越來越少，然后在衰變結束的過程中，大約幾天時間內，核心就會最終冷卻下來。

目前讓人頭痛的就是這些余熱。

核反應堆內的第一類放射性物質就是燃料棒中的鈾元素，及放射性副產物銫和碘同位素。這些物質都在燃料棒內部。

而除此之外，還存在第二類放射性物質，產生于燃料棒外部。而首先需要說明的是，這些外部的放射性物質的半衰期都非常短，這意味著它們會在很短的時間內衰變為沒有放射性的物質。“很短”的意思就是幾秒。所以即使這類放射性物質被釋放到自然環境中，他們也是毫無危害的。為什么呢？因為大約就你在讀完“R-A- D-I-O-N-U-C-L-I-D-E”的這幾秒內，這類物質就衰變到完全不具有放射性了。這類放射性物質就是氮-16（N-16），也就是氮氣（構成大氣的氣體之一）的具有放射性的同位素。另外就是一些稀有氣體比如氬。但是這些物質是如何產生的呢？當鈾原子裂變時，會產生一個中子。大部分的這些中子都會撞擊到其他的鈾原子由此鏈式反應就一直持續發生。但是其中的一些會離開燃料棒并撞擊到水分子，或是冷卻水中的空氣。然后，一個不具有放射性的元素就會 “捕獲”這個中子，并變得有放射性。而就如前文所述，在數秒內它就會衰變到它本來的面目。

上面所描述第二類的放射性物質在我們接下來要討論的核泄露中非常重要。

福島到底發生了什么

接下來總結目前的主要事實。沖擊核電站的地震的威力是核電站設計時所能承受的威力的數倍（震級之間的放大倍數是對數關系，所以同樣條件下 8.9 級地震的威力是 8.2 級，即核電站的設計抗震威力的 5 倍，而不是 0.7 的差異）。

當地震沖擊核電站時，所有的反應堆就自動關閉了。在地震開始后的數秒內，控制棒就插入到了核心內，鏈式反應即刻中止。而此時，冷卻系統就開始帶走余熱。這些余熱相當于反應堆正常運轉時產生的 7% 的熱量。

地震摧毀了核反應堆的外部電力供應。而這是核反應堆能夠遇到的嚴重故障之一，稱為“全廠斷電”。設計反應堆和它的備用系統時考慮到了這種可能性，因此核電站有備用電力系統，以維持冷卻泵的運轉。另外，由于反應堆已關閉，核電站本身不能產生任何電力。

地震發生后的第一小時，多組緊急備用柴油發電機中的一組啟動，為冷卻泵提供了所需的電力。然后海嘯來了，比核電站設計時所預料的規模要更巨大的海嘯，淹沒了所有的柴油發電機組，導致它們失靈了。

在設計核電站時，一個基本原則是“縱深防御”。這意味著工程師需要設計一座能夠抵御嚴重災害的廠房，就算好幾個系統都失效了依然不能出問題。一場摧 毀所有柴油發電機的海嘯就是這樣的場景，但3月11日的海嘯的嚴重程度超過了所有的預料。為了應付這樣的事件，工程師們設計了一道額外防線：把所有的結構 放進一個安全殼（如前所述），這個殼的設計思路就是把一切牢固地關在里面。

當海嘯襲來，柴油發電機組失靈后，反應堆操作員將反應堆切換到使用緊急電池。這些電池被設計為備用方案的備用方案，用于提供給冷卻系統 8 個小時所需的電力，并且也確實完成了任務。

8小時后，電池用盡，殘熱無法再被帶走。這時反應堆操作員開始按照“冷卻失靈”的緊急預案進行處理。這是“縱深防御”中的更進一層。這一切，無論在我們看起來多么讓人震驚，但卻是反應堆操作員的培訓的一部分。

于是在這個時候外界開始談論可能發生的堆芯熔化。因為到了最后，如果冷卻系統無法恢復，核心幾天之后遲早會融化，可能會被包裹在安全殼中。注意， “熔化”這個詞的定義很是模糊。如果要形容燃料棒外面的鋯合金屏障出現問題的話，“燃料故障”是個更好的詞。鋯合金會先于核燃料而融化，這一現象有很多可 能的原因——壓力太大，氧化劑太多，溫度太高，等等。

但是，熔化還要一段時間才會發生?，F在當務之急是在堆芯持續升溫時將之控制住，并確保燃料棒的鋯錫合金外殼完整，盡可能起作用的時間更長一點。

既然讓堆芯冷卻是最重要的事情，因此反應堆內實際上有多個獨立的冷卻系統（反應堆給水清潔系統，衰變降溫系統，反應堆核心隔離冷卻系統，備用液體冷系統，等等；這一切組成了緊急核心冷卻系統）。而究竟哪一個失效了或是沒有失效，在此時無法得知。

損失了能源，操作者就失去了大部分的冷卻能力，只能有什么用什么，盡可能導走熱量。但熱的產生速度依然比散熱速度快，因此越來越多的水沸騰成蒸氣， 內部壓強也開始上升。目前優先要做的是保持溫度低于1200℃以保證燃料棒合金外殼的完整，并維持系統壓力不要太高。但要確保壓力不太高，必須時不時把水 蒸氣和堆內的其它氣體釋放出來。一旦發生事故時，保證壓力不超限是很重要的，所以反應堆壓力室和安全殼都設計有好幾個減壓閥。

就像之前提到的那樣，蒸汽和其它氣體會被排走。一些氣體是放射性裂變產物，但量很小。因此，當反應堆操作者開始為系統排氣時，一些放射性氣體會在嚴 密控制下被釋放到環境中（氣體量很小，會經過過濾和洗滌）。盡管一些氣體有放射性，但它們不會對公眾安全造成威脅，即便對反應堆的工作人員也是這樣。這個 操作程序是合理的，因為比起不排氣可能造成的危險，它的造成的影響很輕。

與此同時，移動式發電機被運送到反應堆附近，恢復了一部分供電能力。然而，沸騰和排氣所消耗水的速度大于向反應堆中加水的速度，因此冷卻系統的冷卻 能力降低了。在某些排氣過程中，水位會降低到燃料棒頂端以下。無論如何，一些燃料棒的覆層溫度會上升到1200℃以上，從而在鋯合金和水之間引發化學反 應。這種氧化反應會產生氫氣，它與蒸汽混合一同被排出。這個反應在人們預料之中，但產生的氫氣總量是未知的，因為操作員不知道燃料棒的具體溫度，也不知道 水位到底多高。由于氫氣高度易燃，當足夠多的氫氣與空氣混合時，它會與氧氣反應。如果氫氣的量夠多，反應會迅速進行，產生爆炸。有時候在排氣的過程中，安 全殼內部也會積聚足夠的氫氣（而安全殼內部沒有空氣），因此一旦開始排氣，氫氣接觸到空氣就會發生爆炸。這種爆炸發生在安全殼之外、廠房之內（而廠房沒有 保障功能）。注意3號機組也發生了類似的爆炸。這次爆炸毀壞了廠房的屋頂和一部分槍斃，但沒有破壞到安全殼或壓力倉。雖說這是個意料之外的狀況，但它發生 在安全殼之外，沒有對核電站的安全結構造成威脅。

由于一些燃料棒覆層溫度超過了1200℃，這種破壞已經發生了。核物質本身毫發無損，但包裹它的鋯合金外殼開始失去保護功能。目前，一些放射性裂變產物（銫、碘之類）開始與水和蒸汽混合。有報道說在蒸汽中已經監測到了小部分銫和碘，它們被排放到了大氣中。

由于反應堆的冷卻能力有限，而反應堆中的總水量一直在下降，因此工程師決定注入海水（其中混合了中子吸收劑硼酸）以保證燃料棒仍浸沒在水中。盡管反 應堆已經關閉，但以防萬一仍需加入硼酸，保持反應堆的關閉狀態。硼酸也能困住一部分水中的碘，防止它逃逸，但這不是硼酸的本職工作。

冷卻系統中所用的水是經過純化和脫礦的水。使用純水的目的是在反應堆正常運轉時減小冷卻系統的腐蝕。注入海水之后需要花更多時間清洗設備，但目前可以起到救急的作用。

這個過程會把燃料棒的溫度降低到無害級別。由于反應堆早已關閉，余熱已經減小，因此核電站內部壓力已經保持穩定，無需繼續排氣。

根據東京電力公司新聞稿，1號和3號機組目前處于穩定狀態，但燃料損傷程度仍是未知。也就是說，在當地時間3月14日下午2:30，福島核電站的輻射水平已經降到了231微西弗。

2號機組的事故細節還不確定。文章中有關2號機組的部分增加了一些最新信息。輻射水平增加了，但增加到何種程度還是未知。

那么，目前留給我們的是什么呢？我的總結：

• 核電站會回到安全狀態并始終安全
• 日本處于第 4 級別 INES 核緊急狀態：核電站內事故。這對于擁有電站的公司是件糟糕事情，對其他人來說沒什么影響。
• 在釋放壓力時同時釋放了一些放射性物質。包括非常小劑量的銫和碘同位素。如果在釋放時你正好坐在出口上，那么你可能需要考慮戒煙使得你的期望壽命值回歸從前。這些銫和碘同位素會被帶入海水，然后就不會再檢測得到。
• 第一層護罩出現了一些損壞，意味著一定數量的銫和碘同位素也被釋放到了冷卻水中，但是不會有鈾或是其他什么臟東西（因為氧化鈾不溶于水）。在第三層護罩內有用于凈化水的裝置，這些具有放射性的銫和碘同位素會在那里被去除并且存儲為核廢料。
• 用于冷卻的海水會在一定程度上被活化。但是因為控制棒已經完全插入，所以鏈式反應是不會發生的。這就意味著“主要的”核反應沒有發生，因此也就不會加劇海水的活化。鏈式反應過程的副產物（銫和碘同位素）在這個階段也基本上消失殆盡。這進一步減輕了海水的活化。因此最壞情況就是：用于冷卻的海水中會具有一定程度的放射性，但是這些海水也同樣會經由內部凈化裝置進行處理。
• 最終會用正常的冷卻水取代海水。
• 反應堆核心會需要進行拆除并運到處理廠，就像通常的燃料更換一樣。
• 燃料棒和整個核電站需要進行徹底安全檢查，以避免潛在的危險。這通常需要 4 到 5 年。
• 全日本的核電站的安全防護會進行升級，以確保他們可以抵抗住九級地震及隨之而來的海嘯（甚至更糟糕的情況）。
• 我認為更顯著的問題是隨后的全國供電。日本的 55 座反應堆中的 11 座已經全部關閉并等待進行檢查，這直接減少全國 20% 的核電電力，而全國 30% 的電力靠核電供應。我目前還沒有去考慮國內其他核電站可能發生的事故。短缺的電力會需要依靠天然氣發電站供應，而這些電站通常只是在供電高峰時用于應急。我不是十分清楚日本國內的石油，天然氣和煤礦的能源供應鏈，及港口，煉油廠，存儲及運輸網絡在此次地震中遭受了怎樣的損失。這些都會導致電費增加，及用電高峰和重建時的電力短缺。
• 而這一切只是更大的問題的一部分。災后應急需要解決避難所，飲用水，食物，醫療，運輸，通訊設施等一系列問題，當然也包括電力供應。在一個供應鏈傾斜的時代，所有的這些領域中我們都會遇到挑戰。

來源：（果殼網）