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编者按:MIT核动力委员会的成员,对Josef Oehmen的文章做了进一步的修正,并将其放到了委员会的官方网站上。本站也对此篇文章,进行了追踪。

原作:Josef Oehmen MITNSE更新版
V2EX译者:Livid
更新版译者:Ent、果壳网

福岛核电站的构造

福岛核电站的反应堆属于“沸水反应堆”(Boiling Water Reactors),缩写 BWR。沸水反应堆靠沸水来发电。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,蒸汽冷却后再次回到液态,之后再把这些水送回核燃料处进行加热。反应堆的温度大约是285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2800℃的陶瓷体。燃料被制作成小圆球(直径1cm高1cm的小圆柱)。这些小圆柱被放入一个用失效温度1200℃(会被水自我催化氧化)的锆锡合金制成的长管,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,然后数百个燃料单元就组成了一个核反应堆堆芯(core)。

固体燃料小颗粒(一个氧化陶瓷基)是第一层屏障,用来限制放射性裂变反应中产生的放射性裂变产物。锆锡合金是第二层屏障,来隔绝放射性燃料与反应堆的其他部分。

之后反应核心被放到压力仓中。压力仓是个很厚的钢铁容器,工作压力大约是7MPa(约1000磅/平方英寸),设计时考虑了事故的可能,能够承受事故造成的高压。压力仓是防止核泄漏的第三道屏障。

核反应堆的整个主回路(包括压力仓、管道、泵、冷却水)装在安全壳中,它是防止核泄漏的第四道屏障。安全壳由钢铁和混凝土制成,极厚而且完全密封。它存在的目的只有一个:当反应核心熔融时,无条件将其控制在安全壳内部。为了这个目的,安全壳四周也有巨大厚重的混凝土结构,它叫做外壳安全壳。

安全壳和外壳安全壳都位于反应堆厂房中。厂房是为反应堆遮风挡雨的外壳。(厂房是在爆炸中毁坏的部分,后面还会详细解释。)

福岛第一核电站一号机确实是通用电气的Mark I型沸水堆。新闻里露出钢筋的部分是最外部的厂房,里面的安全壳应该没事。——@铁公鸡zq

核反应的基本原理

铀燃料被中子诱导发生核裂变,从而产生热量。铀原子裂变为两个轻原子(也就是裂变产物)。这个过程会产生热量和更多的中子(中子是构成原子的微粒之一)。当一个中子击中了另一个铀原子时,铀原子会分裂,产生更多的中子,这样无限进行下去,也就是链式核反应。在正常的全功率工作状态下,一个反应核心的中子总数是恒定的,反应堆处在一种临界状态。

值得一提的是,反应堆中的核燃料绝不会引起像原子弹那样的爆炸。切尔诺贝利爆炸的危害来自过大的压力累积以及氢气爆炸,破坏了所有保护结构,融化的核心物质被抛洒到环境中。注意切尔诺贝利根本没有安全壳一类的环境屏障。日本绝不会发生切尔诺贝利那样的事故,后面还会详细解释。

为了控制链式核反应,反应堆操作者会用到控制棒。控制棒由硼制成,能够吸收中子。在沸水反应堆的正常运转中,控制棒用于保持链式反应的临界状态。控制棒也会用在反应堆的关闭过程中,将其功率从100%降到7%。

余热是由裂变产物的放射性衰变产生的。放射性衰变是裂变产物以微粒形式(α、β、γ、中子等)释放能量从而使自身达到稳态的过程。反应堆中会产生多种裂变产物,包括铯和碘。余热在反应堆关闭后会逐渐消失,但仍需要冷却系统来消除余热,防止燃料棒过热造成屏障失效、核物质泄漏。保持足够的冷却能力来消除反应堆的余热,是目前日本反应堆所面临的最大挑战。

很重要的一点是,许多裂变产物衰变得非常快,还没等你说完“放射性核物质”这个词,它们就会变得全然无害。另外一些裂变产物衰变得相对较慢,例如铯、碘、锶、氩。

福岛到底发生了什么(截止3.12,此后的更新见文末)

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