cloudsforest:乏燃料池的水哪里去了?

3月11日大地震之后,福岛第一核电站很快就进入了紧急状态。由于站内外供电系统陆续失效,反应堆的散热系统无法有效地把核燃料衰变产生的余热带走。而随 后的氢气爆炸,更是把全世界的目光都集中在这几个压力舱上。但是从15日起,各个反应堆的乏燃料池开始陆续出现水位过低、甚至乏燃料棒暴露在空气中并起火 的严重问题,立刻成为了福岛核电危机中的最大焦点。

乏燃料池内储存的燃料棒远多于压力舱内的核燃料,而且除了水和四周的混凝土墙就没有任何防护,一旦暴露在空气中就很容易发生燃烧,把放射性物质直接释放到大气中。更糟糕的是由于乏燃料的燃烧,厂房内的辐射太高,工程人员无法进入进行勘察和维修,影响了后续的抢险。

由于乏燃料池在这次事故中非常关键,所以下面将提供一些乏燃料池的基本知识,并且把美国民间科学组织United Concerned Scientists(UCS)的核工程专家关于乏燃料池水位下降的分析介绍给大家。这个分析未必一定正确,但是可以提供一些新的视角。

下图是一张标准的福岛反应堆的剖面图,其中标记为3的就是乏燃料池。它的尺寸是12.2米*9.9米*11.8米(长*宽*高),而乏燃料高4米,它们被 放置在池中略高于池底的一个架子上。这样乏燃料的上方还有大约7米高的水。正常情况下,这些水会一直循环,把乏燃料池中的温度保持在40度左右;水还同时 起到了屏蔽辐射的作用。一般来说乏燃料棒要在池中保存10-20年左右,直到余热比较小、辐射比较弱的时候,才能移出各自反应堆的乏燃料池。

在实际操作中,当反应堆内的燃料耗尽后,安全壳的顶部活门会打开,反应舱(上图正中的红色罐子)顶部也将被掀开注入水。之后把反应舱与乏燃料池之间的隔离 门打开,这时厂房上方的龙门吊就可以把燃料棒从反应舱中取出来,移动到乏燃料池中。这整个过程都在水下进行,从而保证了燃料棒不会过热,也减少辐射的泄 露。

很显然,这就是为什么乏燃料池要就近建在反应舱的边上的原因,这样操作起来的危险系数最小也最容易。下面的照片是吊车移动乏燃料棒的一个场景。可以看到燃 料棒发出蓝色的荧光,画面的右下方是反应舱的顶部,而左上方蓝色的地方就是乏燃料池的入口。(这是美国的一个核电站,与福岛的有所不同,多了乏燃料的转移 通道)

可是这样的设计把一个大池子放在了工厂的最高处,一旦遇到全厂停电的情况,要把水提升到这个高度就更难了。假如资源有限,那么又该先保障谁的冷却呢,反应舱内还是乏燃料池?另外二者之间的问题会也互相影响,比如这次的情况就是乏燃料的事故严重影响了反应堆的维修。

现在大部分的分析认为由于失去了循环水,乏燃料池的温度不断上升。当水沸腾后,水位就慢慢下降了。不过UCS的专家做了一些分析,认为事情可能不是这么简 单。他们根据已知的乏燃料池尺寸,乏燃料发热的能力,推算了池中的水从停电开始达到沸腾以及蒸干(无法覆盖燃料)的时间。结果如下表:

以4号堆为例,从表中可以看出大约只需要2.7天就可以把水“煮”沸,而实际上大约花了3天,所以还是比较准确的。但是要让燃料暴露在空气中,4号堆计算 得出的结果是需要12天,这个值与实际差别很大。对所有反应堆来说,计算得到的燃料暴露所需的时间都很长。这一点告诉我们,水的消失很可能并不完全是因为 蒸发。

核工程专家Dave Lochbaum怀疑在2,3,4号堆出现了泄漏,而泄漏的位置是上文中提到的反应舱与乏燃料池之间的隔离门。这个隔离门是由混凝土制成的,它的边缘使用 了充气橡胶管来作为密封圈(就好像自行车内胎一样)。为了保证密封的效果,一个电力驱动的气泵让它始终保持充气状态。而当核电站停电的时候,气泵无法工 作,管子的气缓慢泄漏,密封性就逐渐消失,从而导致水从门缝中慢慢漏掉。

1986年12月美国乔治亚州的Hatch核电站就出现过这样的一次事故,这个反应堆与福岛的非常类似。当时提供给密封管的供气不小心被切断了。幸好在几个小时之后值守人员就发现了这个问题,没有造成严重的事故,可是池中的水已经漏掉了差不多一半,约530吨左右。

在这种类型的核电站中,这个空气泵是没有备份电源的,而这个隐患其实在很多地方的核电站中都存在着……

分析部分请参考
Possible Source of Leaks at Spent Fuel Pools at Fukushima
Where Did the Water in the Spent Fuel Pools Go?

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