【果壳地震特辑】为什么不用担心日本的核电站

核泄漏是这次日本大地震中的另一个附加危害，至于它的危害有多大，还是看一下Josef Oehmen 博士（其父在德国核工业具有深厚经验）如何说吧。

（果壳网/图）

这篇曾属于私人博客的文章，被MIT官方网站采用。原文地址有所更改，且文章中的一些内容经过了MIT一些专业人士的补充。尤其在核反应原理上，给出了比较详细的解释。本主题站会进一步跟进与此相关的内容。

我在这里写下这些文字，是为了让大家对在日本发生的事情——核反应堆的安全问题，感到放心。事态确实严重，但是已经在控制范围内。这篇东西很长！但是你读完之后，你会比世界上任何记者都明白核反应堆究竟是怎么回事。

核泄漏确实已经发生，但是在将来不会有任何显著的泄露。

“显著泄露”大概会是个什么程度？打个比方说，可能比你乘坐一趟长途飞行，或是喝下一杯产自本身具有高程度自然辐射地区的啤酒，所受到的辐射要多一些。

我读了自从地震发生以来的所有新闻报道。可以说几乎没有一篇是准确或是无误的（当然也可能是因为地震发生之后在日本的通讯问题）。关于“没有一篇是无误的” 我并不是指那些带有反核立场的采访，毕竟这在现在也挺常见的。我指的是其中大量的关于物理和自然规律的错误，及大量对于事实的错误解读——可能是因为写稿子的人本身并不了解核反应堆是如何建造和运营的。我读过一篇来自 CNN 的三页长度的报道，每一个段落都至少包含一个错误。

接下来我们会告诉大家一些关于核反应堆的基本原理，然后解释目前正在发生的是什么。

福岛核电站的反应堆属于“沸水反应堆”（Boiling Water Reactors），缩写 BWR。沸水反应堆和我们平时用的蒸汽压力锅类似。核燃料对水进行加热，水沸腾后汽化，然后蒸汽驱动汽轮机产生电流，然后蒸汽冷却后再次回到液态，然后再把这些水送回核燃料处进行加热。蒸汽压力锅内的温度通常大约是 250 摄氏度。

上文提到的核燃料就是氧化铀。氧化铀是一种熔点在 3000 摄氏度的陶瓷体。燃料被制作成小圆柱（想像一下就像乐高积木尺寸的小圆柱）。这些小圆柱被放入一个用锆锡合金（熔点 2200 摄氏度）制成的长桶，然后密封起来。这就是一个燃料棒（fuel rod）。然后这些燃料棒被放到一起组合为一个更大的单元，然后这些燃料单元被放入反应堆内。所有的这些，就是一个核反应堆核心（core）的内容。

锆锡合金外壳是第一层护罩，用来将具有放射性的核燃料与世隔绝。

然后核心被放入“压力仓”中，也就是我们之前提到的蒸汽压力锅的比喻。压力仓是第二层护罩。这是一个坚固结实的大锅，设计用于容纳一个温度可能达到数百摄氏度的核心。在核心降温措施恢复前，压力仓起到一定的保护作用。

一个核反应堆的所有的这些“硬件”——压力仓，各种管道，泵，冷却水，然后被封装到第三层护罩中。第三层护罩是一个完全密封的，用最坚固的钢和混凝土制成的非常厚的球体。第三层护罩的设计，建造和测试只是为了一个目的：当核心完全熔融时，将其包裹在其中。为了实现这个目的，在压力仓（第二层护罩）的下方，铸造了一个非常巨大厚实的混凝土大碗，这一切都在第三层护罩的内部。这样的设计就像是为了“抓住核心”。如果核心熔融，压力仓爆裂（并且也最终融化的话），这个大碗就可以装下融化了的燃料及其他一切。这个大碗设计成让融化的燃料能够向四周铺开，从而实现散热。

在第三层护罩的周围包裹的是反应堆厂房。反应堆厂房是一个将各种风吹雨打挡住的外壳。（这也是在爆炸中被毁坏的部分，我们稍后再说）

核反应的一些基本原理

铀燃料通过核分裂产生热量。大的铀原子分裂成更小的原子，这样就产生热量及中子（构成原子的一种粒子）。当中子撞击另外一个铀原子时，就触发分裂，产生更多的中子并一直继续下去。这就是核裂变的链式反应。

而现在的情况时，当一堆燃料棒凑在一起时就会很快导致过热，然后在 45 分钟后就会导致燃料棒融化。但是值得指出的是，在核反应堆内的燃料棒是绝对不可能导致像原子弹那样的核爆炸的。制造一颗原子弹实际上是相当困难的（不信你们可以去问问伊朗）。当年切尔诺贝利的情况是，爆炸是由于大量的压力积攒，氢气爆炸然后摧毁了所有的护罩，然后将大量的融化的核心挥洒到了外界（就像一颗 “脏弹”）。这样的情况为什么在日本没有发生，及为什么不会发生，请继续看下面。

为了控制链式反应的发生，反应堆操作员会用到“控制棒”。控制棒可以吸收中子，从而瞬间停止链式反应。一个核反应堆是这样设计的：当一切正常运转时，所有的控制棒是不会用到的。冷却水会在核心产生热量的同时带走热量（并转化为蒸汽和电力），并且在常规的 250 摄氏度的运转温度下还有许多余地。

而挑战在于将控制棒插入并停止链式反应后，核心依然在产生热量。虽然铀元素的链式反应已经停止，但是在铀元素的核裂变过程中会产生一些具有放射性的副产品，比如铯和碘同位素，这些元素的放射性同位素会最终衰变为更小的原子，然后失去放射性。在这些元素的衰变过程中，也会产生热量。因为它们不会再从铀元素中产生（在控制棒插入之后铀元素就停止衰变了），所以它们的数量会越来越少，然后在衰变结束的过程中，大约几天时间内，核心就会最终冷却下来。

目前让人头痛的就是这些余热。

核反应堆内的第一类放射性物质就是燃料棒中的铀元素，及放射性副产物铯和碘同位素。这些物质都在燃料棒内部。

而除此之外，还存在第二类放射性物质，产生于燃料棒外部。而首先需要说明的是，这些外部的放射性物质的半衰期都非常短，这意味着它们会在很短的时间内衰变为没有放射性的物质。“很短”的意思就是几秒。所以即使这类放射性物质被释放到自然环境中，他们也是毫无危害的。为什么呢？因为大约就你在读完“R-A- D-I-O-N-U-C-L-I-D-E”的这几秒内，这类物质就衰变到完全不具有放射性了。这类放射性物质就是氮-16（N-16），也就是氮气（构成大气的气体之一）的具有放射性的同位素。另外就是一些稀有气体比如氩。但是这些物质是如何产生的呢？当铀原子裂变时，会产生一个中子。大部分的这些中子都会撞击到其他的铀原子由此链式反应就一直持续发生。但是其中的一些会离开燃料棒并撞击到水分子，或是冷却水中的空气。然后，一个不具有放射性的元素就会 “捕获”这个中子，并变得有放射性。而就如前文所述，在数秒内它就会衰变到它本来的面目。

上面所描述第二类的放射性物质在我们接下来要讨论的核泄露中非常重要。

福岛到底发生了什么

接下来总结目前的主要事实。冲击核电站的地震的威力是核电站设计时所能承受的威力的数倍（震级之间的放大倍数是对数关系，所以同样条件下 8.9 级地震的威力是 8.2 级，即核电站的设计抗震威力的 5 倍，而不是 0.7 的差异）。

当地震冲击核电站时，所有的反应堆就自动关闭了。在地震开始后的数秒内，控制棒就插入到了核心内，链式反应即刻中止。而此时，冷却系统就开始带走余热。这些余热相当于反应堆正常运转时产生的 7% 的热量。

地震摧毁了核反应堆的外部电力供应。而这是核反应堆能够遇到的严重故障之一，称为“全厂断电”。设计反应堆和它的备用系统时考虑到了这种可能性，因此核电站有备用电力系统，以维持冷却泵的运转。另外，由于反应堆已关闭，核电站本身不能产生任何电力。

地震发生后的第一小时，多组紧急备用柴油发电机中的一组启动，为冷却泵提供了所需的电力。然后海啸来了，比核电站设计时所预料的规模要更巨大的海啸，淹没了所有的柴油发电机组，导致它们失灵了。

在设计核电站时，一个基本原则是“纵深防御”。这意味着工程师需要设计一座能够抵御严重灾害的厂房，就算好几个系统都失效了依然不能出问题。一场摧 毁所有柴油发电机的海啸就是这样的场景，但3月11日的海啸的严重程度超过了所有的预料。为了应付这样的事件，工程师们设计了一道额外防线：把所有的结构 放进一个安全壳（如前所述），这个壳的设计思路就是把一切牢固地关在里面。

当海啸袭来，柴油发电机组失灵后，反应堆操作员将反应堆切换到使用紧急电池。这些电池被设计为备用方案的备用方案，用于提供给冷却系统 8 个小时所需的电力，并且也确实完成了任务。

8小时后，电池用尽，残热无法再被带走。这时反应堆操作员开始按照“冷却失灵”的紧急预案进行处理。这是“纵深防御”中的更进一层。这一切，无论在我们看起来多么让人震惊，但却是反应堆操作员的培训的一部分。

于是在这个时候外界开始谈论可能发生的堆芯熔化。因为到了最后，如果冷却系统无法恢复，核心几天之后迟早会融化，可能会被包裹在安全壳中。注意， “熔化”这个词的定义很是模糊。如果要形容燃料棒外面的锆合金屏障出现问题的话，“燃料故障”是个更好的词。锆合金会先于核燃料而融化，这一现象有很多可 能的原因——压力太大，氧化剂太多，温度太高，等等。

但是，熔化还要一段时间才会发生。现在当务之急是在堆芯持续升温时将之控制住，并确保燃料棒的锆锡合金外壳完整，尽可能起作用的时间更长一点。

既然让堆芯冷却是最重要的事情，因此反应堆内实际上有多个独立的冷却系统（反应堆给水清洁系统，衰变降温系统，反应堆核心隔离冷却系统，备用液体冷系统，等等；这一切组成了紧急核心冷却系统）。而究竟哪一个失效了或是没有失效，在此时无法得知。

损失了能源，操作者就失去了大部分的冷却能力，只能有什么用什么，尽可能导走热量。但热的产生速度依然比散热速度快，因此越来越多的水沸腾成蒸气， 内部压强也开始上升。目前优先要做的是保持温度低于1200℃以保证燃料棒合金外壳的完整，并维持系统压力不要太高。但要确保压力不太高，必须时不时把水 蒸气和堆内的其它气体释放出来。一旦发生事故时，保证压力不超限是很重要的，所以反应堆压力室和安全壳都设计有好几个减压阀。

就像之前提到的那样，蒸汽和其它气体会被排走。一些气体是放射性裂变产物，但量很小。因此，当反应堆操作者开始为系统排气时，一些放射性气体会在严 密控制下被释放到环境中（气体量很小，会经过过滤和洗涤）。尽管一些气体有放射性，但它们不会对公众安全造成威胁，即便对反应堆的工作人员也是这样。这个 操作程序是合理的，因为比起不排气可能造成的危险，它的造成的影响很轻。

与此同时，移动式发电机被运送到反应堆附近，恢复了一部分供电能力。然而，沸腾和排气所消耗水的速度大于向反应堆中加水的速度，因此冷却系统的冷却 能力降低了。在某些排气过程中，水位会降低到燃料棒顶端以下。无论如何，一些燃料棒的覆层温度会上升到1200℃以上，从而在锆合金和水之间引发化学反 应。这种氧化反应会产生氢气，它与蒸汽混合一同被排出。这个反应在人们预料之中，但产生的氢气总量是未知的，因为操作员不知道燃料棒的具体温度，也不知道 水位到底多高。由于氢气高度易燃，当足够多的氢气与空气混合时，它会与氧气反应。如果氢气的量够多，反应会迅速进行，产生爆炸。有时候在排气的过程中，安 全壳内部也会积聚足够的氢气（而安全壳内部没有空气），因此一旦开始排气，氢气接触到空气就会发生爆炸。这种爆炸发生在安全壳之外、厂房之内（而厂房没有 保障功能）。注意3号机组也发生了类似的爆炸。这次爆炸毁坏了厂房的屋顶和一部分枪毙，但没有破坏到安全壳或压力仓。虽说这是个意料之外的状况，但它发生 在安全壳之外，没有对核电站的安全结构造成威胁。

由于一些燃料棒覆层温度超过了1200℃，这种破坏已经发生了。核物质本身毫发无损，但包裹它的锆合金外壳开始失去保护功能。目前，一些放射性裂变产物（铯、碘之类）开始与水和蒸汽混合。有报道说在蒸汽中已经监测到了小部分铯和碘，它们被排放到了大气中。

由于反应堆的冷却能力有限，而反应堆中的总水量一直在下降，因此工程师决定注入海水（其中混合了中子吸收剂硼酸）以保证燃料棒仍浸没在水中。尽管反 应堆已经关闭，但以防万一仍需加入硼酸，保持反应堆的关闭状态。硼酸也能困住一部分水中的碘，防止它逃逸，但这不是硼酸的本职工作。

冷却系统中所用的水是经过纯化和脱矿的水。使用纯水的目的是在反应堆正常运转时减小冷却系统的腐蚀。注入海水之后需要花更多时间清洗设备，但目前可以起到救急的作用。

这个过程会把燃料棒的温度降低到无害级别。由于反应堆早已关闭，余热已经减小，因此核电站内部压力已经保持稳定，无需继续排气。

根据东京电力公司新闻稿，1号和3号机组目前处于稳定状态，但燃料损伤程度仍是未知。也就是说，在当地时间3月14日下午2:30，福岛核电站的辐射水平已经降到了231微西弗。

2号机组的事故细节还不确定。文章中有关2号机组的部分增加了一些最新信息。辐射水平增加了，但增加到何种程度还是未知。

那么，目前留给我们的是什么呢？我的总结：

• 核电站会回到安全状态并始终安全
• 日本处于第 4 级别 INES 核紧急状态：核电站内事故。这对于拥有电站的公司是件糟糕事情，对其他人来说没什么影响。
• 在释放压力时同时释放了一些放射性物质。包括非常小剂量的铯和碘同位素。如果在释放时你正好坐在出口上，那么你可能需要考虑戒烟使得你的期望寿命值回归从前。这些铯和碘同位素会被带入海水，然后就不会再检测得到。
• 第一层护罩出现了一些损坏，意味着一定数量的铯和碘同位素也被释放到了冷却水中，但是不会有铀或是其他什么脏东西（因为氧化铀不溶于水）。在第三层护罩内有用于净化水的装置，这些具有放射性的铯和碘同位素会在那里被去除并且存储为核废料。
• 用于冷却的海水会在一定程度上被活化。但是因为控制棒已经完全插入，所以链式反应是不会发生的。这就意味着“主要的”核反应没有发生，因此也就不会加剧海水的活化。链式反应过程的副产物（铯和碘同位素）在这个阶段也基本上消失殆尽。这进一步减轻了海水的活化。因此最坏情况就是：用于冷却的海水中会具有一定程度的放射性，但是这些海水也同样会经由内部净化装置进行处理。
• 最终会用正常的冷却水取代海水。
• 反应堆核心会需要进行拆除并运到处理厂，就像通常的燃料更换一样。
• 燃料棒和整个核电站需要进行彻底安全检查，以避免潜在的危险。这通常需要 4 到 5 年。
• 全日本的核电站的安全防护会进行升级，以确保他们可以抵抗住九级地震及随之而来的海啸（甚至更糟糕的情况）。
• 我认为更显著的问题是随后的全国供电。日本的 55 座反应堆中的 11 座已经全部关闭并等待进行检查，这直接减少全国 20% 的核电电力，而全国 30% 的电力靠核电供应。我目前还没有去考虑国内其他核电站可能发生的事故。短缺的电力会需要依靠天然气发电站供应，而这些电站通常只是在供电高峰时用于应急。我不是十分清楚日本国内的石油，天然气和煤矿的能源供应链，及港口，炼油厂，存储及运输网络在此次地震中遭受了怎样的损失。这些都会导致电费增加，及用电高峰和重建时的电力短缺。
• 而这一切只是更大的问题的一部分。灾后应急需要解决避难所，饮用水，食物，医疗，运输，通讯设施等一系列问题，当然也包括电力供应。在一个供应链倾斜的时代，所有的这些领域中我们都会遇到挑战。

来源：（果壳网）