《经济学人》网站3月15日

原文:   经济学人:日本陷地综合症

两位译者:糖豆    catherine

校对:fujia

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11日日本本州东海岸附近海域发生9.0级大地震,并引发核泄露事故。如今事故的详细细节仍然很模糊,但是随着事态的进一步发展,日本当局和核电站工作人员不断发布消息,此次事件也越来越明朗。

让我们从基础知识开始讲。核能是由原子裂变而产生的。一个大原子(铀原子或钚原子)裂变成两个较小的原子,并释放能量和中子。这些中子继而引发进一步的原子裂变,形成链式反应。而中子的速度越快,所能引发的裂变就越少。这是因为只有中子被捕捉住,可以促使裂变,而快速运动的中子难以被捕捉。也就是说,如果中子的速度无法有效降低,链式反应就会逐渐停止。

然而,这一过程也需要有足够可裂变的原子(即临界质量)与中子撞击,所以铀燃料需要浓缩,因为每两个自然产生的金属同位素中,通常只有其中一个较罕见的同位素是可裂变的。在水冷堆系统(比如日本福岛第一核电站)中,慢中子和浓缩燃料经过一定的组合会引发自持链式核裂变过程,在这一过程中产生的能量用以加热水,产生蒸汽,驱动涡轮机来发电。除了用来冷却燃料,水在其中还扮演了“慢化剂”的角色,减慢中子的速度,使整个链式反应得以继续。

那么当有突发事件发生,比如日本此次的地震,影响了核电站的正常运行,那该怎么办呢?当初在设计核反应堆时,工程师们遵循了“纵深防御”的原则,即设多道防线,如果某个防御设备失败,还会有另一个来进行防御。这个原则在本次福岛核电站遭受最严重伤害时被证实失败了。当地震发生时,三个反应堆的所有防御系统全部失效。

一些防御系统只是简单的防御屏障,燃料棒由核燃料芯外部包裹着坚硬的锆合金层(允许中子自由通过)组成,反应堆芯由浸泡于水中的燃料棒组成,外部是钢制的厚壁压力容器。压力容器外部是一个更大型的钢结构,也就是主要的安全壳,安全壳外部是由钢和混凝土结构制成的次要安全结构。

还有一些防御系统虽不是防御屏障,却是一旦发生事故后可及时采取的措施,其中一些为自动措施,还有一些非自动的。一旦发生地震,第一步措施是紧急关闭,也就是将位于反应堆底部的控制棒推入反应堆芯。这些由硼之类中子吸收材料制成的控制棒会吸收多余的中子,中断整个链式反应。

但是,除了由中子引起的核反应以外,核反应堆芯内还有其他核反应。而且,由核裂变产生的其他副产品也是具有放射性的,它们的衰变可产生热能。虽然这些热能在福岛第一核电站机器中,只占整个反应堆释放出的热能的3%,但是也相当于喷气式飞机引擎以最高速运转时所释放出的热能。在缺乏冷却系统的情况下,系统升温速度将非常快。

接下来的第二步就是运行水泵,将冷水持续灌入反应堆容器内,并释放随之而产生的蒸汽。由于有备用的柴油发电机,这一切似乎应该根据计划而顺利进行,但是距离福岛第一核电站仅1万1千米的福岛第二核电站中,其冷却系统出现故障,不过这些问题已经被解决,整个核电站被完全关闭。但在第一核电站里,地震发生1小时之后,巨大海啸击溃了第一核电站内的发电机和电力系统,灾难的严重程度远远超过了当初核电站设计者的预想。最严重的问题是,重要电气开关设备被置放于地下室,因此也被洪水淹没。

来自其他地方的电池和发电机冷却系统工作并不充分,而且,由于缺乏冷却剂,福岛第一核电站的三个反应堆的反应堆芯开始升温。热量的增多意味着反应堆容器内蒸汽增多,水量减少。当水位降低到了一定的程度,本应浸泡于水中的燃料棒外露,暴露在蒸汽和其他气体中,这也就意味着升温的速度会加快,很可能会超过临界温度。而且,包裹在燃料棒外部的锆会与蒸汽发生反应,产生易燃易爆的氢气,燃料棒内部的物质会开始熔化,最终燃烧棒本身也将溶化。

这正是福岛反应堆的目前情况。上周六,日本原子力安全保安院发布报告称,一个反应堆内的温度已经高达2700摄氏度,压力也升至8个大气压,是正常情况的2倍。为了防止安全壳由于压力的增加而导致破裂和爆炸,释放出大量含放射性的烟雾,核电站工作人员通过排放蒸汽和氢气,使安全壳内的压力降低至5.5个大气压。

遭到放射性元素污染的蒸汽将会进入压力容器和周围更大的安全壳。主要安全壳外表看上去像是倒置的老式灯泡,并置于电子回旋加速器环状真空室的顶部,而反应堆的压力容器是一个悬浮在灯泡颈部的圆柱。环状真空室内部有一个大水库,释放进入安全壳的蒸汽本应冷凝于水库中,然而这种情况没有发生。

主要安全壳中的压力持续增加,于是工作人员将富含氢气的蒸汽释放到次要安全结构,也便是置放反应堆的楼房。第一反应堆首先采取了这个措施,然后是第三反应堆。释放蒸汽时,氢气被偶然点燃,于是两个反应堆都产生了爆炸。(还有一种可能性,便是蒸汽并非来自反应堆。这种核电站里有很多地方需要使用蒸汽,所以爆炸也可能来自他处)。爆炸场面壮观且令人不安,但正如同放气措施,这总比其他情况要好。次要安全结构的设计保证了其屋顶被掀翻,保全了爆炸不对主要安全壳造成更多损伤。

由于第一机组的内层主要安全壳中仍然充满大量蒸汽,工作人员只能采用最激进的做法:将反应堆用海水完全淹没。这样就有足够多的水带走热量,并能保证反应堆完全被水覆盖,从而避免完全熔毁的发生。而且海水中也混入了硼酸作为中子吸收剂。但是这种处理方法对反应堆是一个毁灭性措施:海水的淹没会使它们受到污染,将不能再次使用。 “淹没法”还有着其他缺点:放射性蒸汽仍不断从主要安全壳的水面冒出,但由于常规的排气系统现在已经在水下,它们将很难排到安全壳外。而如果安全壳出现泄漏,带着放射性碎片的水将会流出,并污染核电站的其他部分。因此在3号机组处,核电站的管理人员决定只淹没其主要安全壳颈部的压力容器,而非整个安全壳。

2号机组的处理办法也是将海水淹没反应堆压力容器,但是干预过程出现了偏差。在某些地方,压力容器内的反应堆整个冒出了水平面之上,这说明水份被蒸发殆尽。之后,15日清晨有报道称建筑中发生爆炸,安全壳底部环状真空室遭到破坏。看来,2号机组受灾远远比其他两个严重,其安全壳已经被损,这样的话,核污染将会在站内蔓延。

事情还有可能变得更糟:如果燃料棒外部的锆熔化,嵌入其中的燃料芯块也会熔化,并沉入压力容器底部。如果足够多的熔化燃料聚集在一起,将有可能达到临界质量,重新引起裂变反应。燃料将烧穿安全壳,并将大量放射性气体持续带到空中并向周围扩散。(切尔诺贝利事件里,防御机制不完备的反应堆芯起火,便造成如此情况。)这一系列的事件就是我们常说的“熔毁”,不过这个用语并不被核工业或规则制定者认可。

到目前为止,这个严峻的后果还没发生。核电站周围的辐射水平依然很高,但是这可能是最严重的伤害了。不同于切尔诺贝利事件,福岛第一核电站并没有明显的机械故障,但如果熔化的高温燃料遇到冷水,使其迅速挥发,也有可能再次发生爆炸。

虽然核反应堆本身不会燃烧,但电厂的其他部分却是可燃的,已发生的火灾已带来目前最严重的辐射危险。3月15日,也许由于氢气泄漏,4号反应堆的外层建筑起火。这个反应堆中如5、6号反应堆一般,在地震时已停机,目前并没有燃料,但是在建筑中的贮存池中存放着核废料。火势可能蔓延到了这些本该被完全淹没在水中的核废料处,但也不一定。据推测,氢气爆炸同样波及其他建筑中的废料池。在大火扑灭后,东京电力公司将其他人员撤离,仅留下50名灌注海水的工人。

他们做出这个决定的原因,应该是火灾后核电站外部的辐射水平显著上升的事实,辐射量第一次达到了危险的指标,而且当有一些人员受到伤害,这样的辐射水平会把情况变得更糟。人们每年从天然资源中吸收约3毫西弗的背景辐射,在欧美的核电厂中,工人们一年的辐照量上限为50毫西弗,而在电厂外部周边的人们每年辐照量应小于4毫西弗。3月15日,报道称电厂的核辐射量一度达到11.9毫西弗/小时(后来降至6毫西弗),这意味着工人们在短时间内就将超过他们一年所能承受的辐照量。而在核电厂内部,这一数值是400毫西弗。

电厂周边20公里以内的人们全部撤离,居住在20~30公里处的民众被要求待在室内。工作人员甚至在更远处也检查到了较低水平的辐射。一般来说,如果只是暴露在比自然水平高几倍的辐射坏境中几个小时的话,还是无害的。这一撤离举动表明依然有进一步发生核泄漏的可能,并且如果2号机组的情况进一步严重的话,大规模核泄漏的危险并不能完全排除。

据国际原子能机构称,3座反应堆已完全被海水浸没。1号、2号机组的压力容器和安全壳内的压力暂时稳定。目前正在计划逐渐将2号机组安全壳内压力释放。但令人不安的是,核废料贮存处的状态依然难以确定。相比反应堆本身,这些核废料给周围环境造成的污染可能更加严重。

就目前情况,讨论福岛将如何挺过这场灾难还为时过早。大部分损失是由海啸造成柴油发动机失灵引起的,一个小失误造成了之后一系列的灾难,并且愈加严重。显然,在技术方面,增加针对这些意外事件的考虑事关重大。而在这一事件中,失误却太多:配电室(内有水电气开关设备)被淹没、备用电源系统失灵,而这些问题是在反应堆损害前便已确认。核电站在地震中保存了下来,但重要设备损坏、人员失踪受伤、大气中被释放了大量辐射物质,也是既成事实(编者按:主要是海啸引起的破坏,地震本身似乎没有带来重要设备损坏)。如果没有更进一步损失的话,这一相对较小数目的损伤算是一个胜利,但远不值得庆祝。

陷地综合症,这个名词在1971年就有了,说的是核燃料熔融后穿过地壳,从美国入地,从地球另一边的国家拱出来,大致如此,当然了首先能不能陷下去就是可疑的。1979年上映的一个电影名字就是从这个名词来的,电影放映于三里岛事故前,因三里岛事故而造成了很大的影想。这部简•方达主演的电影讲了一位女记者偶然拍到了某核电站控制室发生了名为“陷地综合症”的故障,电影设置的场景显示:液态燃料仍会继续变热,它们会熔穿反应容器,破坏容器建筑的混凝土基底,穿过地壳一直向下,“直到地球另一面的国家”。

原文发表于果壳网:【地震特辑】经济学人:日本陷地综合症

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24 Responses to “经济学人:日本陷地综合症”

  1. william H.Wei说道:

    沙发。。。。查看地球仪中,日本福岛对面是哪个国家呢。。。。。

  2. diesirae说道:

    溶穿地核?太艰难的任务了吧……

  3. jedicxl说道:

    工作这么多年,头次听见还有陷地综合征

  4. 疯和尚说道:

    就算真的能熔化地壳地幔,到了地核时,恐怕也受力均匀,留在地核里面了吧!!

  5. FlyYoung说道:

    这个‘陷地’,汗。。就算重力让一大坨铀一直熔下去,最多到达地心而已。地球上各个地方的重力都是指向地心的。又不是说我们能站在地上,是因为地球对面美国吸引着的,hoho。。

    再说地心的温度有5000度上下,比燃料棒熔融的温度还高呢。再再说,还有假说地心就是一个超级大铀球~

  6. OGC说道:

    我觉得熔穿地球不可能吧?至多受地心引力作用下沉到地心而已,难道到了地心还会反引力向上?

  7. 生命收割者说道:

    陷地综合征。。。不可能,地心引力不允许。。。不过要是熔岩爆发的话。。。现在日本那边处理不好的话,核危机还存在呢。。。

  8. kame说道:

    我的问题是:俄罗斯据说当时是8吨,那么日本到现在已经一周了,这些受到影响或者说有问题的核电站,他们一共有多少吨燃料??

  9. 且醉且歌说道:

    就算真的能熔化地壳地幔,那么地底的熔岩不是因为缺少必须的压力而爆发了吗?!那样就是剧烈的类火山喷发,核反应堆有可能被顶到几百米的高空,然后。。。。。。。。。

  10. MIMI说道:

    这个民族很顽强

  11. sokoban说道:

    “主要安全壳”译成“第一(层)安全壳“更直接明了些。

  12. 晒太阳的冰说道:

    陷地综合症是指核燃料熔融后穿过地壳从另一边的国家拱出来

    我怎么记得这个叫做China Syndrome ??

  13. 治愈系QB说道:

    头一次听说核燃料能融穿地球...地球君表示区区核燃料奈何不了咱

    这要是让那些信谣言的家伙们听到还不都疯了...

  14. 玉儿说道:

    长见识了

  15. Miu说道:

    从地球另一面穿出来不太可能的……

    理想状态下也不太可能从地球的另一面拱出来:
    1)如果地球内部是完全空的,那么这坨东西烧穿地壳之后确实会穿过地心,再冲到对面的地壳内壁上,然后再落向地心,返回原来的地方。这有点像个秋千——在地壳附近速度为零但重力势能最大,但穿过地心瞬间,重力势能为零而速度最大。
    2)如果地壳以下完全是熔融的流体,那么这坨核燃料烧穿地壳之后会落入其中,立即会受到其阻力的影响,而不能像1)中的情况那样一路自由落体直到穿过地心。由于这些流体的阻力,将使得这坨(如果它还没分散到地壳内的流体当中)核燃料在穿过地心后没有足够的动能再上升到另一面的地表。

  16. 异教徒说道:

    如果真的就陷了一个洞下去的话,会不会碰到岩浆而造成新的火山呢。。。

  17. augeta说道:

    真进了地心的话,是不是从福岛核电站开始就会出现火山了?

  18. jh7086说道:

    穿到另一边去?哪来的动力?一点常识都莫有

  19. reching说道:

    这要能穿过去,不成永动机了...

  20. 汇齐1说道:

    全融穿是定了.燃料棒停止反应余热1000至1200度.[包括乏燃料棒热度]静水不动.就算不炸.水转蒸气.余热.热度降不下来.水气化.怎么可能冷停堆.控制棒可控中子.控温.这静水控温..还达70度以下.怎么可能呢.百思不解.这事困我多半年.各位老师求求您小解答一下.万分感激.谢谢!

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