美国核能专家对日本福岛核能电厂事件的看法.doc

译者前言：偶然在朋友转寄的新闻连结中看到这篇Why I am not Worried about Japans Nuclear Reactors 文章，这是由 MIT 的Dr. Josef Oehmen所写的，关于日本福岛核能电厂在震灾后发生一连串事件的看法。原文其实来自于他写给日本亲戚的 Email，但被贴在部落格上引起广大回响，因此 MIT 的核子工程科学系将全文刊登在这里，并且持续更新和回应。看完文章之后，我觉得这是目前为止我所看过对福岛核电厂危机最清楚又易懂的文章，相较于台湾记者那些连他们自己都不知道在写什么的东西，这篇文章实在是太棒了。现在这个世界上有太多人在关心这件事，所以我决定把它译成中文，与大家共享。我虽然不具核工的专业，但所译的东西都经过查证与确认，相信正确性会远比那些记者写的东西要好。如有谬误，欢迎指正。日本福岛第一核电厂。（图片来源：.au）福岛核电厂的结构福岛的核电厂是所谓的沸水式反应炉（BWR，Boiling Water Reactor）。沸水式反应炉将水煮沸，产生水蒸气，进而推动涡轮带动发电机发电。核能燃料在反应过程中产生热，利用这些热能将水煮沸、产生蒸气；蒸气推动涡轮、涡轮转动发电机发电，而最后这些蒸气再经过冷凝后变回水，水再回到反应炉内重复被加热。反应炉的工作温度在摄氏 285 度左右。第一道防线：固态燃料锭核能燃料是氧化铀。氧化铀是陶瓷状的物质，它的融点高达摄氏 2800 度。燃料被做成锭状的单位，每锭大约是直径一公分，长约一公分的圆柱体。这些燃料锭被装在用一种称为Zircaloy的锆合金所做成的管状护套中，紧紧地封住。锆合金大概在摄氏 1200 度左右会开始出问题：在这个温度下它会开始跟水发生反应。装满燃料锭的的管子称为燃料棒，数以百计的燃料棒组合在一起成为反应炉的炉心。第二道防线：锆合金护套核裂变反应会产生许多高辐射的产物，固态的燃料锭是守住核裂变产物的第一道防线，而锆合金的护套则是第二道防线，它将这些放射性物质与反应炉的其它部份隔离开来。第三道防线：压力槽反应炉的核心装在压力槽中。压力槽是由极为厚重的钢所制成的，工作环境约为7MPa（1000psi）的压力左右，并且设计成可以承受核子意外时会发生的更高压力。压力槽是阻挡放射性物质与外界接触的第三道防线。第四道防线：围阻体反应炉的整套循环管路包含压力槽、管路、和帮浦、以及管路里的冷却剂，也就是水，全部被包在称之为围阻体的结构中。围阻体是第四道防线，它是一个气密的，极厚的钢筋水泥容器。这个容器只有一个用途: 在必要的时候可以无限期地承受融毁的炉心。为了使它更可靠，在围阻体的外围还会有另一个更厚更大的混凝土结构，称之为二次围阻体。一次和二次围阻体都被包覆在反应炉建筑中。反应炉建筑只是设计用来隔绝反应炉与外界的风霜雪雨，它其实没什么强度。在福岛核电厂前几次的爆炸中，被炸毁的就是这个部份。福岛第一核电厂1号机氢气爆炸后的外壁破损状况。（图片来源：dailymail）核子反应流程核燃料产生的热来自于中子所引发的核裂变反应。铀原子在中子的撞击下，分裂成两个比较轻的原子（又称之为裂变产物），这个过程会产生热和更多的中子。当这些新产生出来的中子撞击其它的铀原子，就会引发更多的裂变反应，产生更多的中子，持续不断下去。这个过程称为连锁反应。一般的反应炉在正常全功率运转时，它里面的中子产生和消失的速率是相同的，从而使得中子的数量保持在稳定的值，此时称之为反应炉的临界状态。这里必需要说明的是，核电厂反应器中的核燃料绝不可能产生像核武器般的核子爆炸。在前苏联的车诺比事件中，爆炸是来自于压力槽内的高压及氢气爆炸，而将整个压力槽炸毁并将融化的炉心物质喷向四周。车诺比的反应炉根本连围阻体都没有，才会在压力槽失效时造成这么严重的灾害。接下来我们说明为什么这样的灾害不会发生在日本。最大的挑战是消除余热反应炉使用控制棒来控制连锁反应。控制棒是用硼做成的，而硼最大的本领就是吸收中子。在沸水式反应炉运转时，控制棒被用来维持反应炉刚好在临界状态。除此之外，控制棒也可以用来将反应炉关闭，使它从 100% 的功率输出降至 7% 左右的输出，这 7% 的输出来自于炉心内的材料本身衰变所产生的热，或称之为余热。余热来自于核裂变产物进行辐射衰变时所产生的能量。辐射衰变是裂变产物藉由散发能量来自我稳定的过程，而这些能量会以阿法射线、贝他射线、伽玛射线、或是中子的型态散出。核裂变的产物有很多种，在以铀为燃料的反应炉中裂变产物主要是铯和碘的同位素。在核裂变反应停止后，余热会随着时间而减少，不过仍然必需藉由冷却系统将之移除以免燃料棒护套过热而失效，导致放射性的裂变产物直接曝露。现在福岛核电厂所面临的最大挑战就是如何维持足够的冷却能力，可以将反应停止之后的余热从反应炉中移除。很重要的一点是，大部份的裂变产物它们的半衰期都很短，可能在你读完这句话的时间内就衰变完了，而某些则有较长的半衰期，像是铯，碘，锶，及氩。福岛核电厂出了什么事 （截至 2011 年 3 月 12 日为止）接着我们来看看福岛核电厂的状况。在日本所发生的地震，它的强度其实远远超过这个核电厂当初建造时所能抵挡的地震强度。（芮氏地震规模是对数级数，8.2 级和 8.9 级之间的能量差距是 5 倍，不是 0.7 倍）当地震来袭时，所有的反应炉都自动关机了。在地震发生的头几秒中，控制棒立即被插入炉心，将连锁反应停下来。从这个时候开始，冷却系统必需将炉心的余热带走，如前所述，差不多是平时运转总功率的 7%。1. 外部电力失效地震摧毁了电厂的外部供电系统，这是一般核电厂意外中最麻烦的一种，称为外部电力失效。反应炉和它的备援系统在当初设计时，就必须考虑在这个状况下，去利用备援电力维持炉心冷却系统的运作。反应炉既然已经停止了，它当然也没办法发电给自己的冷却系统使用。当地震刚发生的时候，电厂的备用柴油发电机确实有启动并供电给包括冷却系统在内的相关设备，但在随后而来的超级海啸中，这些柴油发电机也报废了。核能电厂有一个很重要的设计原则就是纵深防御。遵循这个原则设计的核电厂理应可以抵挡各种重大灾害的侵袭，甚至电厂本身的系统有多重损坏也没关系。让所有祡油发电机一次坏光光的大海啸就是这样的灾难，不过 3 月 11 日当天的海啸实在大得远超乎所有人的预期。为了对付这样的危机，工程师在设计电厂时又多加了一道防线: 把所有的东西都放在围阻体内。当柴油发电机坏掉后，电厂的作业员切换到以电池供电的紧急电力。电池供电的备援系统可以在其它所有的电源都失效时，仍然维持炉心冷却系统长达八个小时的运作，而它也确实撑了八小时。但八小时过后，电池用完了，冷却系统没办法继续将余热从炉心内移出。此时电厂的作业员开始遵循一切冷却系统都失效时的紧急作业程序，这些程序也是遵循纵深防御的原则设计的。尽管从电视上看起来似乎很惊悚，但其实这些电厂作业员应该都对这些程序很熟悉。2. 还不到炉心融毁这时大家已经开始怀疑炉心会不会融毁了。因为如果冷却系统持续失效，余热就会累积在炉心里，在几天之内就可以达到让炉心融毁的温度。在这里要强调，炉心融毁并不是个很精确的说法，也许说燃料失效会比较好。因为在燃料锭融化之前，包覆燃料棒的锆合金护套会先完蛋，也许是因为过高的压力，过多的氧化反应，或是过热。不过在此时，距离炉心融毁应该还有很长的一段路。现在的主要目标是维持炉心的稳定，避免燃料护套破损。因为冷却炉心乃是第一要务，反应炉设计有很多套不同的冷却系统，不过福岛核电厂到底坏了哪些冷却系统，目前尚不清楚。3. 泄压是必要程序因为断电的关系导致电厂绝大多数的冷却系统失效，他们会尽可能利用剩余可以运作的冷却系统，避免余热在炉心累积。但如果冷却系统的能力小于炉心内余热产生的速度，炉心内的冷却水会被煮沸，导致水蒸气在炉心内累积，进而升高炉心内的压力。此时的要务是要避免炉心的温度超过摄氏 1200 度，以免燃料棒护套破坏，同时也要维持炉心内的压力在可容许的范围内。为了避免压力过大，他们必需不定时地打开泄压阀让高压蒸气和反应炉内的其它气体释放出去。在这样的意外中，泄压是很重要的程序，它可以避免压力槽内的压力过高而损坏压力槽的完整性，通常在设计时也会为压力槽预留许多套不同的泄压管道。如前所述，高压蒸气和其它炉心内的气体经由泄压阀释放到大气中，其中某些气体会含有放射性的核裂变产物，但含量极低。而且这些气体在释放的过程中也经过一定程序的过滤和处理，以确保释放到大气中的放射性物质是在可接受的范围。即使存在这些微量的放射性物质，也不会对公共安全造成影响，甚至对于在核电厂工作的人来说都很安全。相较于让这些气体在槽内累积以致于让压力升高，透过泄压程序把它们排放掉，维持压力槽的完整其实会更好。4. 爆炸的起因就在此时，备援的发电机运到电厂了，而且部份的电力也恢复了。然而在炉心内被煮沸、蒸发的水比加进去的水多，导致冷却系统内的水越来越少，进而影响它的冷却能力。在泄压的某些程序中，炉内的水位甚至可能低到让燃料棒顶端露出水面。当燃料棒的温度超过摄氏 1200 度时，护套的锆合金开始跟水发生氧化反应。这个反应会释出氢气，而这些氢气就混在水蒸气中一起在泄压时排出。这是预期中的反应，但我们不知道究竟有多少氢气会混在泄压的气体中一起释出，因为燃料棒的精确温度和炉内的水位并不容易掌握。氢气极为易燃，当排出的高温氢气与空气混合时，它会与空气中的氧气剧烈反应导致爆炸。如果某次泄压时排出的氢气量比较多，就会发生这样的爆炸。不过爆炸发生在围阻体外， 反应炉建筑内（因为围阻体内没有空气），对围阻体的结构安全不会有影响，但可能会破坏反应炉建筑。稍早发生在三号机组的爆炸应该就是这类的反应，它摧毁了三号机组的建筑物顶部和侧面的一些墙面，但对于压力槽或围阻体则不会造成损害。仅管这算是个意外，但它不会影响反应炉的结构安全。随着某些燃料棒的温度超过摄氏 1200 度，某些燃料棒开始被破坏。燃料锭本身的结构仍然完好，但锆合金的护套则开始损坏。此时，某些燃料锭中的裂变产物，像是铯及碘的同位素，会开始混在冷却水和蒸气中。这也是为什么在排出的蒸气中可以测到这两种元素存在的原因。因为水量减少使得冷却系统的能力受限，而且电厂本身的储水量也可能不够，为了确保燃料棒可以全部浸在冷却水中，他们决定开始灌海水进去。海水里面加了硼酸做为中子吸收剂。连锁反应已经因为控制棒插入而停下来了，但加入硼酸则可以更进一步确保反应炉内的连锁反应不会再起。硼酸也可以用来抓住一部份被释放到水中的碘同位素以减少它们被排出的机会，不过这不是加入硼酸的主要目的。一般来说，冷却系统使用的是过滤过的纯水，以避免冷却系统任何部位的锈蚀。灌海水进去会让以后的清理变得很麻烦，不过在冷却水不足的时候也只能这样搞了。以上的程序可以将燃料棒的温度降到安全的范围，而且随着反应炉停机的时间越来越长，炉心的余热会越来越少，压力和温度都稳定下来后，就不须要再做泄压的动作了。福