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译者:daiwq

发生在日本的8.9级地震(后修正为9.0级)引发了其国内众多核反应堆中至少一座的冷却问题。东京电力公司确认旗下福岛第一核电站的一号反应堆压力已经持续升高(福岛第一核电站位于日本东北海岸,是全世界最大的核电站之一),这表明冷却水无法接触到反应堆核心,导致安全壳内部充满蒸汽。根据日本媒体的报导,问题在于将冷却水泵入反应堆的电路断电。日本原子力产业协会(Japan Atomic Industrial Forum)称,提供紧急电力的备用柴油发电机发生故障,但替换的发电机已经被送入发电厂。类似的柴油发电机正在为六个所再处理工厂(Rokkasho Reprocessing Plant)供电,用以循环利用核燃料。

作为预防措施,日本政府已经宣布进入核紧急状况,将福岛核电站附近居民的疏散半径扩大到20公里。此前,政府曾下令疏散福岛两座核电站半径3公里范围内的民众,后又将半径扩展至10公里。而东京电力公司计划自保护壳建筑内部排除部分放射性蒸汽。但随后1号机组的厂房在12日下午发生氢气爆炸。

《科学美国人》与负责监控全美104座核反应堆安全情况的政府部门美国核管理委员会(NRC)的公共事务官员斯科特.布尼尔(Scott Burnell)就有关如何冷却一座反应堆的问题进行了对谈。

谈话的编辑版本如下。

一般来说,如何冷却一座反应堆?

进行冷却的措施非常简单:将水送入反应堆核心以排出热量。实际上使反应堆运行的链式反应只需几秒钟就能被关闭。而留在反应堆核心内部的放射性物质在很长时间里将继续释放热量。除非通过某种途径排出这些热量,否则它们将不断积聚,最终对放射性燃料或者反应堆造成危害。

将水送入核心一般意味着水泵要由电力驱动。如果反应堆的供电被切断将会发生什么?

会有应急柴油发电机。也可以使用电池系统来使设备保持运转,而它们也为安全系统提供动力(安全系统通过冷却反应堆核心来防止熔毁)。这些都意味着要有一个具备纵深的安全体系。首先依靠网电。如果网电不再可用,就使用发电机,发电机要是有问题,就启用备用电池。而电池组通常能够在柴油发电机开始运转前保证电力供应。

反应堆熔解前有多长时间?

这要视核电站的情形而定。要看核电站是使用沸水反应器还是压水反应器。基本上,(两类反应器)都可以利用自然界的力量,比如对流。无论如何内部都存在一个冷却回路,因此总是会有些作用,因为热水上升而冷水相应被吸入。但这并不像直接泵入冷水那样有效。说得简单一点,在恢复正常的冷却系统前有很多个小时。但“很多个小时”到底是多少则无法确定。

但是通常都短于24个小时?

可以这么说。

最坏的情形是怎样的?

我们力求避免的是核心发生损害。一旦核心遭到破坏,接下来就会释放放射性物质,进入冷却剂,从而增加了反应堆内物质外泄的可能。

未能正常冷却的日本福岛第一核电站1号反应堆使用的是沸水反应器。这和使用压水反应器的反应堆在冷却方面有什么不同?

具体来说沸水反应器相当于一个蒸汽动力系统,不需要外部动力源。冷却反应堆产生的热量制造出的蒸汽已经足以驱动涡轮,使得用以冷却核心的泵运转。这一类系统正是用来抵御地震,能在灾害发生后继续运行。这是一个自给自足的系统,确实会使用电池组来进行控制,但也可以手动操作。所以,即使遭遇全面断电的状况——一点儿动力都没有了——也可以利用蒸汽泵来继续保持冷却。

除了水之外还有其他的冷却剂吗?

基本上水就足够了。反应堆的储水池会容纳一定量的水,在纯度和化学物质构成方面适用于反应堆核心。如果情况特殊,“普通水”也行。

为何核电站需要电力来进行冷却?

核反应堆是被设计来提供网电的。它们产生的电力远远大于自身系统运行需要的电力。在美国,作为一项基础设计,核电站实际上不是自身供电的。这种设计是故意为之,因为我们不愿意看到因为核电站发生问题导致失去自身用电的情况发生。因此,为电厂运行供电的主要手段是网电。对于美国的核电站来说,通常情况下,如果不能利用网电,就会被关闭。

什么情况下备用柴油发电机会故障?

老问题总是有可能发生。这就是为什么要准备多部柴油发电机。可能发电机自身没有问题,但配电系统或者电缆出现匹配问题,结果柴油发电机产生的能量不能被核电站使用。在这种情况下发电机是不会工作的。我们说柴油发电机故障的时候,并不一定说明是发电机自己出现了问题。

冷却一座核反应堆需要多长时间?

视乎设计情形而定。对这个问题最简明的回答是核管理委员会对紧急动力供应的法规要求,必须能保持一个月的应急动力。在可行的条件下,可以在几个小时内关闭一座核电站。然而热量仍然在提高。如果在任何时刻停止排出这些热量,它们都会重新积聚。应急冷却系统必须持续运行数个星期。

原文链接:科学美国人网站: How to Cool a Nuclear Reactor

本文已发表于 果壳网 环球科技观光团

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34 Responses to “科学美国人:如何冷却核反应堆”

  1. 红泥小火炉说道:

    沙花?!!!!

  2. firstrose说道:

    不错,写得很详细

  3. 思齐说道:

    学习了

  4. lovebond说道:

    我还记得高考前做过的综合模拟题,核能发电产生的污染物是什么:热水。

  5. Wicky威说道:

    根据原文,日本福岛第一核电站采用沸水反应堆,特点是冷却系统的能量是自给自足的,就算所有电力完全中止,冷却水沸腾产生的蒸汽依然可以驱动蒸汽泵来冷却核心,既然如此,为什么日本福岛核电站会出现无法冷却的情况?

  6. twopersons说道:

    图片比黑白的易懂多了。

  7. mpc说道:

    既然“即使遭遇全面断电的状况——一点儿动力都没有了——也可以利用蒸汽泵来继续保持冷却。”那为啥这次还是在冷却上出了问题?

    • jedicxl说道:

      “即使遭遇全面断电的状况——一点儿动力都没有了——也可以利用蒸汽泵来继续保持冷却”这句话是错的,即使沸水堆,在失去全部动力的时候也是无法保持冷却的。这座核电站的备用柴油发电机被海水淹没导致失效,于是最后的动力来源也没有了,冷却水无法正常补充,最终导致燃料棒发生锆水反应,产生大量的氢。当浓度超出阈值,引起爆炸。

      • 陈玉芝说道:

        你说的不对
        只要有蒸汽在,就是一种蒸汽自身的动力,这动力足够使冷却系统运转。另处还有你知道现在农村用的炉子自带的暖气吗,它不用外界任何动力,炉子产生的热量,使炉壁里面的水加热,靠水热后产生的压力使水自然循环起来,这也是反应堆冷却的原理。

  8. gzx127说道:

    有没有人说明下下,现在日本核电站一旦爆炸,会不会对我国沿海造成什么影响?这种影响有多大?

    • jedicxl说道:

      日本这座核电站,尽管发生了爆炸,但据目前了解到的信息,反应堆安全壳仍保持完整,放射性物质泄漏到外界的主要是碘131和铯的同位素,放射性尽管有,但并不太严重。对我国沿海的影响,我个人猜测,目前应该主要依靠洋流和季风的流向做判断。渤海流域的季风流向我不是很清楚。

  9. xuxianggang说道:

    因为日本的核电站是按最高8.5级地震来设计的,这次是9级,超出了设计防震范围,

    • aa12说道:

      非也,海啸才是造成主要损失的罪魁祸首

  10. error 404说道:

    恩……我们有类似于《塞先生米国人》这样的杂志么,我想订购

  11. 小正说道:

    超人~~~!

  12. aa12说道:

    第三机组也炸了
    也得灌海水了

  13. mmc说道:

    冷却要数星期 那出故障的核电站 近期不是都不可能稳定下来?

  14. ascanio说道:

    这篇文章描述的情况不适用于富岛

  15. mtjc说道:

    我想问问 我从新闻上听到和在网络上看到氢气爆炸什么回事?哪里来的氢气

  16. 心理咨询说道:

    如此说来,事情更严重了

  17. [...] 科学美国人:如何冷却核反应堆 [...]

  18. aq6268说道:

    我国的核电站是否有同样的问题,专家说我们核电站的运行方式与日本不同。
    能避免这样的事故发生吗?

    • FlyYoung说道:

      专家说我们的核电站在反应堆上方设有一大水箱。即便在所有的备用发电机组都失效的情况下,水箱中的水依靠重力,水往低处流,可以对反应堆进行冷却。

      • 王尚洋说道:

        你水箱里的水也得靠水泵泵水去补充,也需要消耗电能。

  19. no_doubt说道:

    按设计原理分析,这次事故的根源反应堆的余热无法得到及时有效导出,停堆很容易,插入控制棒后3秒左右可停堆,而剩余约7%原功率的衰减降持续,下降缓慢,因为原功率很大,所以虽然是余热但也很致命。
    另外一个恶性循环是余热无法及时导出,导致堆内气压骤增,外面注水需要很大的动力,所以有了美军运来液氮,和后面的反应堆的氢气爆炸,从目前的态势可以肯定的是,反应堆的堆芯已部分融化,所以测出了碘131和铯137。燃料UO2部分应没有融化。
    虽说核电站设计的纵深防御看似万无一失,但日本这次为何如此处理不力,这问题值得深深考虑,因为,灾难是你无法想象和模拟的。
    另外,网传日本用的燃料是铀钚化合物,不知道现在求证否?

    • FlyYoung说道:

      新闻上说只有3号机组是铀钚燃料,所以现在是抢救重点。

  20. 香烟烤肺说道:

    现在来看这篇文章,怎么感觉怪怪的?!~

  21. 弋雯说道:

    核电的设计者确实无法考虑万千, 但是冷却水的运行安全难道说就不能多套路?

  22. ihaveadream说道:

    期待受控核聚变堆早日成功,近期只有这个可能根本上解决核电安全问题

  23. [...] 科学美国人:如何冷却核反应堆 [...]

  24. OA办公软件 www.kuaipu.com.cn说道:

    学习了 VERSUGW