《我为什么不担心日本核电站》麻省理工核科学与技术系修订版

tanzn78 · 发表于 2011-3-18 10:15

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《我为什么不担心日本核电站》是在网上流传很广的文章，比较详细地讨论了福岛核电站结构事故背景和作者Josef Oehmen的乐观预期。但根据考证，作者并非核科学家而是一个机械工程师，这篇文章最开始是给他在日本亲戚发的信，后来被他侄子转载到网上，所以有些细节并不严谨。在网上引起关注后MIT NSE（核科学与技术系）现在接管了这篇文章的编辑工作，然后有如下提示：
--“本文之前出现在 Morgsatlarge 这个网站。现在我们将它转移到这个由麻省理工核科学与技术系（NSE）维护的网站。NSE的成员对原文进行了一些修改，并且会持续跟进目前的最新发展。需要注意的是，本文的原始标题并不代表 MIT NSE 的立场。我们一直在监控事态的发展，并且将呈现这个过程中的事实。我们认为原文对于此次发生在福岛核电站的事故的背景提供了很好的介绍。”
--现在新的 MIT NSE 该文章地址如下：http://mitnse.com/2011/03/13/modified-version-of-original-post/

下面是由NSE接管编辑之后的一个翻译版本，主要订正了一些细节和数据，使得文章更为严谨。重要的删改就是原文预测性的结论基本都去掉了。表明了NSE对于原文预测结果的谨慎态度。译者：刘昕 livid@v2ex.com
我为什么不担心日本的核电站

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。

日本福岛核电站是如何建设的

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 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 摄氏度的氧化陶瓷基。燃料被制作成小圆柱（大约高 1 厘米，直径 1 厘米的小圆柱）。这些小圆柱被放入一个用锆锡合金制成的长桶，锆锡合金的失效点是 1200 摄氏度（因为锆水氧化反应）。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燃料单元，大约几百个这样的燃料单元组成反应堆的堆芯（core）。

固体燃料小圆柱（氧化陶瓷基）是第一层屏障，可以留住裂变过程中产生的大部分放射性产物。锆锡合金外壳是第二层屏障，让其中的核燃料不会释放到反应堆内的其他区域。

然后堆芯被放入“压力容器”中，这是一个非常厚的钢制容器，运行时内部压力通常在 7000 千帕。设计用于抵抗在可能的事故发生时的巨大压力。压力容器是防止放射性物质泄露的第三层屏障。

一个核反应堆的所有的这些“硬件”——压力容器，各种管道，泵，冷却水，然后被封装到反应堆的外壳结构中。外壳结构是第四层屏障。这是一个完全密封的，用最坚固的钢和混凝土制成的非常厚的结构。第四层屏障的设计，建造和测试只是为了一个目的：当堆芯完全熔融时，将其包裹在其中。为了帮助实现这个目的，在第四层屏障外部还会有一个非常厚的混凝土结构，作为第二层外壳结构。

这两层外壳结构外是反应堆机房。反应堆机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。在正常的全速运转状况下，堆芯中的中子数量是稳定的，并且反应堆会处于临界状态。

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。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屏障，然后将大量的融化的堆芯挥洒到了外界。需要注意的是，切尔诺贝利电站并没有外壳结构来阻止放射性元素挥洒到自然环境中。这样的情况为什么在日本没有发生，及为什么不会发生，我们会在接下来讨论。

为了控制链式反应的发生，反应堆操作员会用到“控制棒”。控制棒用硼制成，可以吸收中子。在沸水反应堆正常运转时，控制棒用于维持临界状态下的链式反应。同时控制棒也用于关闭反应堆，将产生的热量从 100% 降低到 7%（余热或是衰变产生的热量）。

余热来自裂变产物的放射性衰变过程。放射性衰变是裂变产物通过将能量以更小的粒子（阿尔法粒子，贝塔粒子，伽马射线，中子，等等）发射出去，从而自身趋向稳定状态的过程。在反应堆中会产生多种放射性产物，包括铯和碘同位素。这些余热会在反应堆被完全关闭后逐渐衰减，同时需要通过冷却系统带走这些余热以避免燃料棒融化从而导致核泄漏。让冷却系统能够高效地带走这些余热是震后的日本面临的主要挑战。

需要特别指出的是，大部分的裂变产物的衰变过程（热量产生过程）都非常迅速，在你读完“R-A- D-I-O-N-U-C-L-I-D-E”的过程这些物质就完全无害了。也有一部分的衰变过程要更漫长一些，比如铯，碘，锶和氩。

福岛到底发生了什么（截至 2011 年 3 月 12 日时）

接下来我会试着去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五倍（里氏震级之间的放大倍数是对数关系，所以 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 8.9 级地震冲击核电站时，所有的反应堆就自动关闭了。在地震开始后的数秒内，控制棒就插入到了堆芯内，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最严重的故障之一，因此，在设计核反应堆的备用系统时，“电站停电”是一种被高度关注的可能性。因为核反应堆的冷却泵需要电力以维持运转。而反应堆关闭后，核电站本身就不能产生任何电力。

在地震发生后的一小时内一切情况是平稳的。为紧急情况而准备的多组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，摧毁了所有的柴油发电机组。

在设计核电站时，工程师们所遵循的一个哲学就是“纵深防御”。这意味着你首先需要为了你能够想象到最灾难的情况设计防卫措施，然后为了你觉得可能绝对不会发生的子系统故障设计方案，以确保即使这样的可能绝对不会发生的故障发生后，核电站依然可以安全。而一场巨大的摧毁所有柴油发电机组的海啸就是这样的一种极端情况。而所有的防卫的底线就是前面提到过的外壳结构，将一切可能发生的最糟糕情况容纳于其中。

当柴油发电机组被冲走后，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。

而在这 8 个小时内，需要为反应堆找到另外一种供电措施。当地的输电网络已经被地震摧毁。柴油发电机组也已经被海啸冲走。所以最后通过卡车运来了移动式柴油发电机。

整个事件从这一刻起开始变得糟糕。运来的柴油发电机无法连接到电站（因为接口不兼容）。所以当电池耗尽后，余热就无法再被带走。

在这个点上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。理论上供电系统不至于彻底失效，但是现实如此，所以操作员们只能退到“纵深防御”中更进一层。这一切，无论对我们看起来多么不可思议，但却是反应堆操作员的培训的一部分——从日常运营到控制一个要融化的堆芯。

于是在这个时候外界开始谈论可能发生的堆芯熔融。因为到了最后，如果冷却系统无法恢复，堆芯就一定会融化（在几天后），然后这一切会发生在外壳结构内。“堆芯熔融”这个词其实有多种解释。“燃料保全失效”是描述燃料棒外壳（锆锡合金）融化更准确的说法。燃料棒外壳通常会比燃料本身先融化，并且造成来自机械，化学和热力学方面的一些恶果（压力过大，过于严重的氧化，及过热）。

然而，在目前距离融化还有一段时间，因此主要任务是确保堆芯不会持续升温，并保住燃料棒的外壳，确保外壳能够坚持尽可能多的时间。

既然让堆芯冷却是那么重要的事情，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，反应堆堆芯隔离冷却系统，备用水冷系统，及紧急堆芯冷却系统）。而究竟哪一个失效了或是没有失效在此时无法得知。

既然操作员因为没有电力而无法使用大部分的冷却手段，所以他们需要使用任何可用的手段来进行冷却。但是在冷却手段的效率低于热量产生的速度时，压力容器内压力就会开始持续升高，因为越来越多的水蒸发为了蒸汽。于是现在的主要任务就是确保压力容器内温度低于 1200 摄氏度，否则燃料棒外壳就会开始融化，同时压力容器内的压力也需要得到控制。为了让压力容器的压力可控，水蒸气（及其他反应堆内的气体）就需要时刻排出。这个步骤在事故过程中很重要，可以确保压力不至于超出容器能够容纳的最大程度，所以在压力容器和外壳结构上设计有几个用于排压的阀门。所以为了保住压力容器和外壳结构的完整性，操作员开始旋松这些阀门来排除压力。

就像上面提到的，水蒸气和其他气体开始排出。而其中的某些气体就是裂变过程的产物，但是数量很少。所以，当操作员开始旋松阀门时，一些具有放射性的气体就一种可控的方式释放了出来（数量很少，并且经过了过滤和清洁装置）。虽然这些气体具有放射性，但是不会对公众健康造成威胁，甚至不会威胁在场的工作人员的健康。释放气体是一个合理的步骤，因为和持续积攒压力所造成的威胁外壳结构完整性的恶劣后果相比，释放气体的后果很轻微。

于此同时，移动发电机组运到，一部分电力开始恢复。然而，由于冷却水的蒸发量多于输入到反应堆内的冷却水，这实际上就降低了反应堆内的冷却能力。在排出蒸汽过程中的某个时间点，压力容器内的水位可能降低到了燃料棒以下，导致燃料棒部分没有接触到冷却水。于是，某些燃料棒的外壳的温度超过了 1200 摄氏度，引发了锆锡合金和水的氧化反应。这些氧化反应会产生氢气，和正在排出的水蒸汽等气体的混合物混在了一起。这种可能性是已知的，但是操作员并不清楚氢气的数量及燃料棒的温度或是水位。氢气是一种非常易爆的气体，当足够的氢气和空气混合时，氢元素就会和氧元素发生反应。如果氢气的数量很大，那么反应就会非常快速地发生，并造成爆炸。所以在排压过程中某个时间点大量的氢气在外壳结构内积攒，并且被排到了外部和空气混合，然后就导致了爆炸的发生。这次发生在外壳结构外部，反应堆机房（不具有任何安全功能）内部。在 3 号机机房也发生了类似的爆炸。这次爆炸摧毁了反应堆机房的顶部和外墙的一部分，但是没有损坏到外壳结构和压力容器。虽然这不是大家期望发生的，但是的确在外壳结构外发生不过没有对电站安全造成威胁。

因为一部分燃料棒外壳温度超过了 1200 摄氏度，所以一部分燃料棒被损坏了。其中的核物质依然是完好的，但是外部的锆锡合金开始脱落。于此同时，一部分的裂变产物（铯，碘，等等）开始混合到水和蒸汽中。外界开始报道在大气中接测到铯和碘。

因为反应堆的冷却能力有限，并且水位持续在下降，因此工程师们决定向反应堆内注入海水（混有硼酸，一种中子吸收剂）来确保水位可以覆盖住燃料棒。虽然反应堆已经彻底关闭，但是硼酸的加入可以进一步确保链式反应完全停止。硼酸同时也可以留住一部分的碘同位素使得他们不会外散，虽然这不是加入硼酸的主要目的。

冷却系统中通常所用的冷却水是非常纯净的除盐水。使用纯净水的原因是为了避免发生腐蚀。注入海水将导致事件结束后需要进行额外的清洁，但是确实在当时提供了一种冷却手段。

海水注入后燃料棒的温度得以控制。因为链式反应已经停止了很长时间，所以衰变余热也会持续减少到相当低的程度，因此也就不会再产生更多的压力，于是也就不用再排出气体了。

--- 3-14 8:15 PM EST 更新 ---

根据东京电力公司的新闻发布会，一号和三号机的状态已经稳定。但是燃料棒的损坏情况未知。福岛电站的辐射水平已经降低到 231 微西弗（根据当地时间 3 月 14 日 2:30 PM 时测得的数值）。

--- 3-14 10:55 PM EST 更新 ---

二号机的情况目前依然不清楚。我们已经在文章更新了更多关于二号机的情况。辐射水平有所增加。

tanzn78 · 发表于 2011-3-18 10:18

网上能找到的谣言，这里基本都已经传了，而且被讨论得热火朝天。这个这么好的科普帖为什么没人关注？只有mymy365在家电版转了一次原始版本。翻译内容转自http://www.v2ex.com/t/9714。

!($(!))! · 发表于 2011-3-18 13:01

网上能找到的谣言，这里基本都已经传了，而且被讨论得热火朝天。这个这么好的科普帖为什么没人关注？只有my ...
' R, z5 p7 y! R9 [1 ]tanzn78 发表于 2011-3-18 09:18

因为此人是学物流的

kiwiviwik · 发表于 2011-3-18 13:11

你这篇已经是好几天前的了，你看看时间了

hh2 · 发表于 2011-3-18 13:14

网上能找到的谣言，这里基本都已经传了，而且被讨论得热火朝天。这个这么好的科普帖为什么没人关注？只有my ...6 O: z( ]2 `3 X
tanzn78 发表于 2011-3-18 09:18

这还需要问么，谣言才是这些人的真爱，科学和事实统统要靠边站

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萍聚头条

《我为什么不担心日本核电站》麻省理工核科学与技术系修订版

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