果壳网:福岛核电站最坏情况分析

日本本州岛东海岸先是发生了超强地震,没过多久,令人胆颤心惊的海啸就接踵而至。福岛第一核电站一号机组的建筑物内已经发生了爆炸。3月12日美国
东部标准时间下午1点30分,美国核专家们进行了现场连线的新闻发布会。到场的许多专家讨论的是这起危机的政策方针问题,而物理学家肯.伯杰龙(Ken
Bergeron)则向我们提供了大部分与反应堆损坏有关的信息。

伯杰龙在美国新墨西哥州桑地亚国家实验室做过核反应堆事故模拟的研究,他说:“反应堆分析人员喜欢将可能发生的反应堆事故分门别类。而日本的反应堆
事故类型属于全厂断电,这意味着装置外部的交流电供应丧失(电线断了),和由此导致的现场应急电力故障(柴油发电机)。这种状况通常是不可能发生的,但是
全厂断电仍是数十年来我们所担忧的情况之一。”

为什么核电站会爆炸

“发生全厂断电的概率很难估计,其主要原因是发生共同失效事故的概率无法计算。(共同失效事故指的是厂外电源和厂内电源因同一种原因而丧失。)在日
本福岛核电站中,其诱发因素是地震和海啸。所以我们正处在概率上很难计算的陌生领域之中。希望防御放射性物质释放的屏障不会集体失效。”

伯杰龙解释了核裂变装置过热的基本原理,他说:“燃料棒是外部包裹着锆合金层的长条铀棒,它们以圆柱形阵列排布,水则浸没所有燃料棒。如果水位低导
致燃料棒外露,那么燃料棒的温度就会开始上升、锆合金层破裂、并释放出一堆裂变反应的产物,最终堆芯会开始熔化。这有点像美国三哩岛事件,但是三哩岛事件
中的反应堆压力容器并无损坏。

前美国核管理委员会成员彼得.布拉德福(Peter Bradford)补充道:“包裹在核芯外部的壳层温度高到足以与水发生反应,快速生锈,锆变成了氧化锆,反应还释放出了氢气。空气中的高浓度氢气易燃且易爆。”

“在安全壳中不一定会发生氢气燃烧,因为其内部没有氧气。但由于安全壳内的蒸汽增多,压力也正在增加,所以他们已经对它进行了卸压。而氢气随着蒸汽排放到外部,然后进入某些有氧气的地方或建筑,如一号机组发生爆炸的建筑中。”

沸水反应堆的缺点

伯杰龙讨论了由通用电气设计的沸水反应堆一号机组(BWR Mark
1),这是在日本成功商用的反应堆设计之一,也是在日本广泛使用的一种。如果你看了美国国家科学研究委员会的研究,再根据他们的计算,你就会知道与其他反
应堆相比,沸水反应堆的堆芯损伤频率相对较低(堆芯损伤频率指的着燃料发生熔化的概率)。堆芯损伤频率较低的部分原因是它有多种方式可以让水进入堆芯。而
日本方面正使用这些方法让水进入堆芯。就拿汽轮机来说吧(这里指的是用汽轮机带动水进入堆芯),汽轮机不需要电力来驱动,但还是需要使用电池来控制它们的
阀门和控制器。

从防范严重事故这方面来说,沸水反应堆确实有些优点。但是他们的缺点之一就是:所建的安全壳是个只有30或40英寸(76.2或101.6厘米)厚
钢板制成的灯泡状外壳,这厚度与三哩岛事故中使用的大型干式安全壳相比还是较小。它也不像三哩岛那样为了防止事故发生,在安全壳上添加额外的钢层。所以现
在大家很担心堆芯要是熔化了,安全壳会被损坏。如果安全壳损坏了,我们将要面对最坏的情形了。

最坏的情况是什么

日本方面正在卸压以防安全壳失效。但是如果堆芯熔化了,它就会掉至反应堆压力容器底部,很可能会直接熔透压力容器然后流到安全壳上。熔化的堆芯会像
熔岩那样移动,缓缓移动至到钢材容器的边缘然后熔透它们。用不了一天,熔化的堆芯就会导致安全壳失效。日本福岛核电站的安全壳系统比切尔诺贝利的好,这是
个好消息,但坏消息是它没有日本国内其他反应堆使用的安全壳那么好。

最后,伯杰龙总结了迄今为止所发生的事情:“就我们所了解的,反应堆已经关闭了,这就意味着所有反应堆控制棒都被嵌入反应堆中(控制棒:随着它在反
应堆内的移动,吸收的中子数有所变化从而改变反应堆的反应性),但是我们还担心的是堆芯内仍将持续多年的衰变热。为了防止铀的衰变热熔化堆芯,需要用水冷
却它,但由于使用电力的水泵已经失效,所以他们正使用一些不常用的方式将水带入堆芯内,即汽轮机–汽轮机靠反应堆产生的蒸汽运行。”

“但即便如此,汽轮机系统还需要使用电池提供的电力,系统设计的电池又不能使用那么久,所以汽轮机现在已经不能用了。现在还不知道日本方面是怎么把
水送进堆芯的,还有他们是否将足够的水带入堆芯。因为已经有铯释放,所以我们相信堆芯至少曾暴露在水位之上一段时间并且已经过热了。我们需要知道日本能使
水在堆芯内保持流动多长时间。要防止堆芯融化可不是几天就足够的。”

“我相信安全壳现在还完好无损,但是如果堆芯开始熔化,那么安全壳会失效,这一切若真的发生了,则只需要几天时间。现在重要的是恢复交流电源的供应。他们必须得使核电厂内的交流电恢复并且能够控制住堆芯熔化。我确信他们正在就此努力当中。”

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