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福岛核电站,到底有多危险?

核电站会像原子弹一样爆炸吗?



核反应堆是不可能像原子弹那样爆炸的。这个结论的原因很简单:核反应堆的燃料铀不纯,它们没有能力产生原子弹式的爆炸。
虽然核弹和核反应堆都是以铀为原料,但两者对纯度的要求完全不同,从地下挖出来的天然铀含99.3%的铀238和只有0.7%的铀235,而只有后者是能够发生链式反应的铀。生产核弹时,你需要付出昂贵的代价去除杂质铀238,要求铀235的纯度在90%以上,而反应堆中一般只需要稍微3%左右提纯的铀,正如烈度白酒可以点燃,啤酒却不能点燃的道理一样,反应堆即使失控,也不会像原子弹那样爆炸。

不是说反应堆已经停止了,那么为什么还要降温散热?


我们通常意义上说的可控裂变在一开始关堆成功时就停止了,只是有大量的余热和同位素衰变的少量继续发热需要冷却。
如果冷却泵没坏,这点热本来根本不是问题。现在冷却泵坏了,还一直持续不断产生低水平的热量,把反应堆压力容器里的水都蒸发了,没有水冷却,这点热足够最终融化堆芯,造成烧穿反应堆压力容器的事故。 一旦烧穿压力容器,融化堆芯到了很厚(1米3混凝土加12毫米钢板)很大的安全壳里,可以用喷水的办法包住放射物质,继续降温。按设计这个时候堆芯会冷却固化,预置在安全壳里的去氢剂会把氢和氧结合生成水,减低壳内压力,最终形成稳定的状态。

如果说核电站并没有泄漏,那么测量到的放射性从何而来?


最先出事的福岛一号核电厂二号反应堆使用的反应堆是由GE设计的沸水堆,原理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。紧急降压直接排除炉内蒸汽会有放射性物质泄漏,但这都是里面的包括非常小剂量的铯和碘同位素,衰变的快中子,空气、水反应生成的氮、氩放射性同位素等,不到几秒就衰变光了,没有危害。只要堆芯没有熔化和破裂,就不会有大问题,实际上相比之下,四号反应堆的乏燃料池起火才是个更迫切的大麻烦。

放射性尘埃会吹到中国来吗?


地球自转是由西向东转的。热带气温高、寒带气温低,所以除了一般的风以外,有一个空气在低纬度上升、到高纬度下降的大对流过程。高空气流向北流动的过程中,由于低纬度线速度高,流向会偏东,形成固定西风带。出事的福岛核电站大约处于北纬38度左右,证实西风带影响范围,高空气流永远是自西向东运动,如果真的发生强力爆炸将放射性尘埃吹向高空,那么只有可能影响到人迹罕至的阿留申群岛,阿拉斯加等等,并且在气流吹动的过程中,放射性尘埃也会不断的被稀释扩散在大气层中,到达北美大陆时影响已经相当微弱。

穿白衣戴口罩喝板蓝根用茶油吃碘片能防辐射吗?


穿白衣完全没有意义,戴口罩可能能够阻止部分放射性微粒进入体内形成内照射,不过光戴口罩也没用处,还要戴防毒面具。至于中华神油板蓝根或者茶油之类的,完全没有用处,不是以讹传讹,就是别有用心。碘防御辐射的原理是甲状腺容易吸收碘,放射性尘埃中有碘141,如果被吸收很麻烦,那么就提前服用碘片,一般是碘化钾,用没有放射性的碘先让甲状腺饱和,然后就不会吸收放射性的碘同位素了,但是首先碘盐吃了没用,碘片也用处不大,其次放射性同位素不光有碘,还有铯,防住碘意义也不大。

受到大剂量辐射会有什么后果?


短期内接受1Gy也就是约1000mSv剂量以上的辐射,人体会产生急性辐射病的症状。在此剂量以下,一般不会有明显的可见的症状。切尔诺贝利有134人被确认受到了1Gy以上的严重辐射,并诊断为急性辐射病。后来有28人在3个月内去世,有14人在10年内去世。这是非常可怕的后果;但这也意味着还是有一部分人,即使受到了严重的辐射,在10年后还是存活的。全球自45年到81年的核试验,共向环境排放了960PBq的放射性铯;对比之下切尔诺贝利释放的是60PBq。如果大部分人类在这种环境中还没有受到显著危害,那么目前为止泄露量远低于切尔诺贝利的福岛核电站事故,就不值得对自身健康过度忧虑。

核电站所在地区的农作物和海鲜能否安全食用?


盖格计数器非常灵敏,皮肤上沾染50到几百个放射性原子就足以让其做出反应。我不清楚目前的辐射剂量是多少,但我可以肯定即使是很低的剂量也不会逃过检测。
如果现在公布的辐射剂量是准确的,就没有必要担心这方面的问题。即使在自然环境中,也是有天然放射性物质存在的。如果情况进一步恶化下去,即使达到切尔诺贝利的水平,则会对生态造成较大的影响,相应的进出口检验环节也会建立,受辐射的作物和海产等不太可能出现在选购和食用范围内。

空气中的放射性物质会存在多久?有多危险?


如果水蒸气中含有的放射物质是N和Cs的同位素的话,会迅速降低辐射强度,随风扩散后,对较远地方影响不大。事实上,即使没有核电站,自然界中也有天然的辐射,主要来自宇宙射线,氡气,人体辐射和去医院看病需要的检查。天然的辐射和人类排放的辐射没有本质区别,只要剂量小就无危险。但是如果反应堆堆芯熔化破裂,裂变产物中,碘131半衰期约为8天,铯137半衰期约为30年,这两样尤其是后者是比较致命的放射性元素。
从核污染的严重性来说核电厂泄露比核弹爆炸更严重。 一般来说,以放射尘污染的严重程度排序,聚变弹(氢弹)< 裂变弹(原子弹)< 核电厂泄露 因为核电厂泄漏出来的很多都是超长半 衰期的放射性同位素,例如聚变产物钚,半衰期长达几百上千万年,钚有二十种放射性同位素。其中寿命最长的有钚-244(半衰期为8080万年)、钚-242(半衰期为373300年)及钚-239(半衰期为24110年)。其余的放射性同位素半衰期都低于7000年。动物组织内只要含达每公斤数毫克的钚就能致死。

到目前为止的辐射水平,会对人类造成伤害吗?


NHK的放射物质监测报告说茨城的辐射测量值为正常的100倍以上, 宇宫都、奇玉县40倍以上,多数地区浓度为正常值个位倍数,东京大约20倍左右,这些正常值的100倍、40倍的数字应该是相对本底辐射强度而言,看起来很可怕,但放射性元素会衰变,这个效应不一定是长期的。影响主要看总剂量。自然本底一年的总剂量是1~10mSv,而一年之中吸收的辐射超过这个剂量的几倍几十倍,不会造成显著的损害。只能从理论上估计增加了某些疾病的概率,并没有得到数据支持,比如你过去得肺癌的概率是10%,大概辐射之后得的概率是10.05%这个样子。

原文链接

如果中国不发展核电

日本地震、海啸引发的福岛核电站安全事故,再一次将核电的安全问题推到台前。福岛核泄漏在中国引发的各种传言,显示了部分人对于核电知识缺乏了解,希望在此作了澄清。

然而,这样的澄清被看作是为核电项目辩护,有人质问在福岛核电站事故的风头浪尖还说“核电是最安全的能源”,到底是何居心?

那么,我们不妨顺着反对的声音来,看看如果中国不发展核电会怎样。

 

事实上中国的核电发展很缓慢


发电比例:发达国家是20%,中国只有2%左右


根据中国核科技信息与经济研究院2008年提供的数据,中国大陆有11台,共906.8万千瓦的核电机组投入了商业运行,发电量仅占全国总发电量的1.9%,远低于世界平均水平。事实上,在全世界已经拥有核电站的31个国家和地区当中,中国的核电所占比例是最低的。

在核能高效利用的法国,这一数据是78%,日本是30%,世界发达国家的平均水平是20%。

 

发展慢主要是因为以前核电太贵


我国之所以在很长一段时间里没有建造新的核电站,主要原因是成本太高。按2008年的数据,即使在煤炭的运输成本和开采成本不断上升的情况下,中国煤电的上网电价仍然维持在每度电大约4毛钱左右的水平,风力发电和核电的上网电价都是5-6毛,太阳能则高达3-6元,它们暂时都无法在经济上和煤电竞争。

但是煤炭的运输成本和开采成本目前已经涨到了很高的位置,还且还在一路上涨,仅从经济角度看,核电也开始具有优势了,所以现在核电新项目也上马了不少。

 

让我们为核电的发展缓慢算一笔安全帐

 

安不安全是比较出来的

 

如果中国核电赶上平均水平,10年可省煤1/6以上


以2001-2010这10年为样本。中国每年的发电量,煤电占了大约75%,如果核电占发电比例在2001就赶上发达国家的平均水平——20%,那么,煤电的占比就可以下降到57%,电煤用量就可以节省近1/3。

而中国的煤炭产量,有50%以上用来发电了,就按50%计算,节省的电煤也占到了煤炭总产量的1/6。

 

这1/6的煤炭产量,至少造成矿工死亡8000多人


这10年,按照官方统计口径,煤矿工人总共死亡49167人,那么1/6就是8195人,而众所周知的是,中国煤矿死亡瞒报漏报严重,普遍认为如果算上瞒报漏报,死亡人数可能增加一倍都不止。所以说8195人是一个极其低估的数字。

 

核电发展缓慢,造成10年间采矿一项就多死6000人


当然了,核电所需的原料——铀也是需要开采的,铀矿开采也会死人,但是发同样数量的电,开采铀矿的死亡人数是煤矿的26.5%(参见《中国煤电和核电的环境影响与健康风险比较》)。也就是说,如果中国的核电发展10年前就达到占发电比例20%,那么光采矿一项就可以少死人6000人左右。

这还是只算采矿一项,把整个煤电链(开采、洗煤、运输、发电等)和核电链(开采、水冶、富集、发电等)放在一起比较,核电的安全优势更明显。那么像福岛核电站这样的堆芯熔化事故的概率是多少呢?现在世界上运营中的核电站大多是采用二代技术,而筹建的核电项目主要将使用三代技术。二代核电站的堆芯熔化率(主要事故指标)必须达到10的负5次方,也就是每10万年出现一次,全球一共有400多个核电站,算一下发生事故的概率是每250年一次。而三代核电站进一步降低了故障率,堆芯熔化率达到了惊人的10的负7次方,也就是每1000万年出现一次。

对煤电活生生的高死亡率视而不见,而对一个低概率事件耿耿于怀,是何居心呢?

 

中国不发展核电的现实难题

 

环保怎么解决、低碳怎么解决

众所周知,以前都讲究环保,也就是减少污染,现在又加了一条还要讲究低碳,就是减少温室气体的排放。中国的环境污染和温室气体排放从总量上说绝对是世界第一,中国老百姓对此也是深恶痛绝。如上面的表格,核电恰恰是实现环保和低碳的有效途径,不发展核电,我们还要不要环保、要不要低碳?

水电、风电、太阳能还难当大任

 

放弃核电,你总要找到一种可以替代煤炭发电的方式吧。水力发电可行吗?目前关于兴修水电站会不会对生态环境造成影响,各方的说法都不一,但是有一点是可以肯定的:水力发电受地域、气候影响较大,并不足以解决难题。

利用风能和太阳能发电,可以算作是最清洁最环保的发电方式了。但是,至少目前看来,太阳能的价格就是一大制约,不仅太阳能发电设备造价高昂,利用太阳能发电每度电的上网价也在三块左右,这是煤炭发电的五、六倍。至于风能,在中国,风能资源丰富的地区主要集中在草原地区,往往风能越丰富的地方对电的需求就越小,这样就造成了严重的供需不平衡。而且季节性差异也很大,中国地势西高东低,夏季风从海上吹来,不能深入大陆。

况且,水电、太阳能、风电受到的质疑就会少吗?比如水电对鱼类不好,太阳能电池的制造过程会消耗能源,污染环境,就连风电都有人反对,欧洲专门有一批NGO反对风电,理由是风力发电机太难看,破坏自然环境的美感,而且会伤害鸟类。

 

假如中国不发展核电,该怎么办呢?

 

 

 

 

什么样的反应堆不会发生炉心融解

由于日本核反应堆出了问题,全世界人民瞬间对核反应啥的关注度爆棚,各种冷门的核反应堆构造都被从箱底翻出来了……

 

卵石反应堆(Pebble bed reactor, PBR)就是一种不会发生炉心融解事故的核反应堆。它是由大量(通常约38万个)这样的燃料球组成的。燃料球大小有许多型号,从小到弹珠球,大到网球都有,主要成分是石墨(减速剂),里面含有最多9克的铀。这些沙粒般大小的铀均匀分布在石墨球的内部。

 

单个燃料球能够安定地保存。想要启动 反应的话,只要将燃料球们堆放在一起,一旦超过临界质量,就开始反应发热。

 

如前面所说的,一个反应堆里有约38万个燃料球,这些燃料球并不是呆在那里静止不动的,它们是“流动”的,每30秒就会有一个球被取出反应堆,检查它是否损坏,或者内部燃料已经耗尽,如果耗尽了就换个新的(感觉好随意啊…)。这些燃料球在被换掉之前平均会在反应炉里呆好几年,总共循环10~15圈左右。

 

福岛的核反应堆用沸水炉来进行热量循环,而这种反应堆则是用氦气流过这些球,带走热量,然后进入涡轮机组发电。

 

这种反应堆非常安全,因为当铀的温度越来越高,铀原子会越来越活跃,越来越难以被中子“击中”。而这种分散式的燃料球结构使这个现象变得更加明显:就算整个核电站所有设施都停机,或者被炸掉,被淹没,被偷走,没了油,或者出了任何故障,而同时核电站所有的员工都放假回家,处于完全放任状态的反应堆也只会慢慢加热到约1600摄氏度的“待机”温度。而这个温度离能够引起融解故障的温度都还差了400度呢(而且2000度才只是低线而已),你说安全不安全?

维基百科传送门球床反应堆

 

为什么我不担心日本的核电站

日本核泄漏事故发生后,美国麻省理工学院科技政策与产业发展中心的博士Josef Oehmen撰写了一篇题为“为什么我不担心日本的核电站”的文章,以相对通俗的话语解释了核安全问题,在网络上流传甚广。不过,因为其主业为“供应链危机管理”(supply chain risk management)研究,因此文章的一些观点也引起了部分读者的质疑。刊发此文主要为读者提供更多资讯,中文译者为V2EX网站上的Livid。

赵佳峰 制图

我在这里写下这些文字,是为了让大家对在日本发生的事情——核反应堆的安全问题,感到放心。事态确实严重,但是已经在控制范围内。这篇东西很长!但是你读完之后,你会比世界上任何记者都明白核反应堆究竟是怎么回事。

核泄漏确实已经发生,但是在将来不会有任何显著的泄漏。

“显著泄漏”大概会是个什么程度?打个比方说,可能比你乘坐一趟长途飞行,或是喝下一产自本身具有高程度自然辐射地区的啤酒,所受到的辐射要多一些。

我读了自从地震发生以来的所有新闻报道。可以说几乎没有一篇是准确或是无误的(当然也可能是因为地震发生之后在日本的通讯问题)。关于“没有一篇是无误的”,我并不是指那些带有反核立场的采访,毕竟这在现在也挺常见的。我指的是其中大量的关于物理和自然规律的错误,及大量对于事实的错误解读——可能是因为写稿子的人本身并不了解核反应堆是如何建造和运营的。我读过一篇来自CNN的3页长度的报道,每一个段落都至少包含一个错误。

接下来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。

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,蒸汽冷却后再次回到液态,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250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3000摄氏度的陶瓷体。燃料被制作成小圆柱(想像一下就像乐高积木尺寸的小圆柱)。这些小圆柱被放入一个用锆锡合金(熔点2200摄氏度)制成的长桶,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,接着这些燃料单元被放入反应堆内。所有的这些,就是一个核反应堆核心(core)的内容。

锆锡合金外壳是第一层护罩,用来将具有放射性的核燃料与世隔绝。

然后,核心被放入“压力容器”中,也就是我们之前提到的蒸汽压力锅的比喻。压力容器是第二层护罩。这是一个坚固结实的大锅,设计用于容纳一个温度可能达到数百摄氏度的核心。在核心降温措施恢复前,压力容器起到一定的保护作用。

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,被封装到第三层护罩中。第三层护罩是一个完全密封的,用最坚固的钢和混凝土制成的非常厚的球体。第三层护罩的设计,建造和测试只是为了一个目的:当核心完全熔融时,将其包裹在其中。为了实现这个目的,在压力容器(第二层护罩)的下方,铸造了一个非常巨大厚实的混凝土大碗,这一切都在第三层护罩的内部。这样的设计就像是为了“抓住核心”。如果核心熔融,压力容器爆裂(并且也最终融化的话),这个大碗就可以装下融化了的燃料及其他一切。这个大碗设计成让融化的燃料能够向四周铺开,从而实现散热。

在第三层护罩的周围包裹的是反应堆厂房。反应堆厂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)。

福岛第一核电站1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。

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。 而现在的情况是,当一堆燃料棒凑在一起时就会很快导致过热,然后在45分钟后就会导致燃料棒融化。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。制造一颗原子弹实际上是相当困难的(不信你们可以去问问伊朗)。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护罩,接着将大量的融化的核心挥洒到了外界(就像一颗 “脏弹”)。这样的情况为什么在日本没有发生,及为什么不会发生,请继续看下面。

为了控制链式反应的发生,反应堆操作员会用到“控制棒”。控制棒可以吸收中子,从而瞬间停止链式反应。一个核反应堆是这样设计的:当一切正常运转时,所有的控制棒是不会用到的。冷却水会在核心产生热量的同时带走热量(并转化为蒸汽和电力),并且在常规的250摄氏度的运转温度下还有许多余地。

而挑战在于将控制棒插入并停止链式反应后,核心依然在产生热量。虽然铀元素的链式反应已经停止,但是在铀元素的核裂变过程中会产生一些具有放射性的副产品,比如铯和碘同位素,这些元素的放射性同位素会最终衰变为更小的原子,然后失去放射性。在这些元素的衰变过程中,也会产生热量。因为它们不会再从铀元素中产生(在控制棒插入之后铀元素就停止衰变了),所以它们的数量会越来越少,然后在衰变结束的过程中,大约几天时间内,核心就会最终冷却下来。

目前让人头痛的就是这些余热。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核心。

于是在这个时候外界开始谈论可能发生的核心熔融。因为到了最后,如果冷却系统无法恢复,核心就一定会融化(在几个小时或是几天内),然后最后一层防线——第三层护罩及护罩内的大碗,就将经受考验。

但是此时最重要的任务是在核心持续升温时控制住,并且确保第一层护罩(燃料棒的锆锡合金外壳),及第二层护罩(压力容器)能够保持完整并尽可能多工作一段时间,从而让工程师们能够有足够的时间修好冷却系统。

既然让核心冷却是那么重要的事情,因此反应堆内实际上有多个冷却系统(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,备用水冷系统,及紧急核心冷却系统)。而究竟哪一个失效了或是没有失效在此时无法得知。

所以想像一下,一个在炉子上的压力锅,持续地,慢慢地在进行加热。操作员在采取各种手段去消除其中的热量,但是锅内的压力在持续上升。于是当务之急是保住第一层护罩(熔点为2200摄氏度的锆锡合金),及第二层护罩——压力容器。而为了保住第二层护罩,其中的压力就需要时不时进行释放。因为在紧急时刻进行压力释放是一件重要的事,所以反应堆共有11个用于释放压力的阀门。操作员开始通过时不时地旋松阀门来释放压力容器内的压力。此时压力容器内的温度是550摄氏度。

这就是关于“辐射泄漏”的报道开始的时刻。我在上文中解释了为什么释放压力的同时实际上会释放第二类放射性物质(主要是N-16和氩),及为什么这样做其实毫无危险。放射性氮元素和氩对于人类健康没有威胁。

就在旋松阀门的过程中,发生了爆炸。爆炸发生在第三层护罩外部,反应堆厂房内。反应堆厂房不具有隔绝放射性物质的功能。虽然目前并不清楚到底发生了什么,但是这是一个很有可能的场景:操作员决定让压力容器内的蒸汽释放到厂房内,而不是直接到厂房外部(这样可以让放射性元素有更长的时间用于衰变)。而问题在于,由于核心内的高温,水分子会分解为氧和氢——一种易爆混合气体,于是也确实在第三层护罩外爆炸了。历史上也曾发生过一次类似的爆炸,不过是在压力容器内(因为压力容器没有设计好并且操作失误),进而导致了切尔诺贝利事件。而福岛核电站不会有这样的问题。氢氧混合气体是在设计核电站时需要考虑的一个巨大问题,因此反应堆在建造时就考虑到了不能让这样的爆炸发生在护罩内部。如果在护罩外部爆炸了,虽然也不是设想中的状况但是可以接受,因为即使爆炸了也不会对护罩产生影响。

因此,在阀门被旋松时,压力得以控制。而现在的问题时,如果水一直沸腾的话,那么水位就会持续下降。核心大概被几米深的水覆盖,使得其能够在空气中暴露前坚持几个小时或几天。而一旦没有水覆盖,那么暴露的燃料棒就会在45分钟后达到其2200摄氏度的熔点。而这样就会导致第一层护罩,燃料棒的锆锡合金外壳融化。

而这样的事情正在开始发生。冷却系统无法在燃料棒开始融化前恢复运转,不过燃料棒中的核燃料此时依然是完好的,包裹燃料的锆锡合金外壳已经开始融化。而目前正在发生的,就是一些铯和碘同位素开始随着释放出来的蒸汽,泄漏到反应堆外。最严重的问题——铀燃料,目前依然是受控的,因为氧化铀的熔点在 3000摄氏度。目前已经确认的是,检测到有一部分铯和碘同位素随着蒸汽泄漏到了大气中。

这似乎是一个启动“B计划”的信号。通过在大气中检测到的铯和碘同位素,操作员可以确认某一根燃料棒的外壳(第一层护罩)已经存在破损。“A计划”在于恢复某个常规冷却系统。为什么这个计划失败目前并不清楚,而一种可能性是海啸冲走或是污染了所有用于冷却系统的纯净水。

用于冷却系统的给水是非常纯净的,去除了所有矿物质的水。使用纯净水的原因在于:纯净水很大程度上不会被激活,因此可以保持相对无辐射。而如果是脏水,那么更容易捕获中子,进而变得更加具有放射性。这不会影响到核心——因为核心不会被冷却水影响。但是会使得操作员更难处理这些具有轻度放射性的活化水。

但是“A计划”失败了——系统无法冷却,并且也没有额外的纯净水。因此“B计划”被启动。而这就是目前正在发生的:

为了避免核心融化,操作员开始使用海水来冷却核心。我不是十分清楚,他们是用海水浸泡住压力容器(第二层护罩),还是淹住反应堆外壳(第三层护罩)。不过这个不是我们现在要讨论的。

要点在于核燃料现在确实已经冷却下来了。因为链式反应早就已经停止,所以目前只有非常少量的余热在产生。已经使用了的大量冷却水可以带走这些余热。因为是注入了大量的水,所以目前核心已经无法再产生足够的热量去大幅度提升压力。并且,海水中加入了硼酸。硼酸是一种“液体控制棒”。无论发生什么样的衰变,硼都可以捕获产生的中子并进一步加速核心的冷却。

福岛核电站曾经十分接近核心融化。但是,目前最坏的情况已被避免:如果没有将海水注入,那么操作员就只能继续旋松阀门以释放压力。第三层护罩必须完全密封,以避免其中发生的核心融化泄漏出任何的放射性物质,然后会经过一段等待期,等待护罩内的裂变副产品完成衰变,所有的放射性粒子会附着在护罩内壁。冷却系统最终会被恢复,融化的核心也会冷却至一个可控的温度。护罩内部会被清理。然后需要做一项棘手肮脏的事情——将融化了核心移出,将凝固了的燃料棒及燃料一块一块地装入运输装置,运送到核废料处理厂进行处理。根据损坏状况,核电站的这块区域需要进行修理或是彻底拆除。

核反应堆内的第一类放射性物质就是燃料棒中的铀元素,及放射性副产物铯和碘同位素。这些物质都在燃料棒内部。

而除此之外,还存在第二类放射性物质,产生于燃料棒外部。而首先需要说明的是,这些外部的放射性物质的半衰期都非常短,这意味着它们会在很短的时间内衰变为没有放射性的物质。“很短”的意思就是几秒。所以即使这类放射性物质被释放到自然环境中,它们也是毫无危害的。为什么呢?因为大约就在你读完“R-A-D-I-O-N-U-C-L-I-D-E”的这几秒内,这类物质就衰变到完全不具有放射性了。这类放射性物质就是氮-16(N-16),也就是氮气(构成大气的气体之一)的具有放射性的同位素。另外就是一些稀有气体比如氩。但是这些物质是如何产生的呢?当铀原子裂变时,会产生一个中子。大部分的这些中子都会撞击到其他的铀原子,由此链式反应就一直持续发生。但是其中的一些会离开燃料棒并撞击到水分子,或是冷却水中的空气。然后,一个不具有放射性的元素就会“捕获”这个中子,并变得有放射性。而就如前文所述,在数秒内它就会衰变到它本来的面目。

上面所描述第二类的放射性物质在我们接下来要讨论的核泄漏中非常重要。

 

福岛到底发生了什么

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)。所以我们首先为日本的工程技术水平喝彩,至少一切目前是保下来了。

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3%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第三层护罩,将一切可能发生的最糟糕情况——控制棒插入或者未插入,核心融化或者未融化——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。

而在这八个小时内,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核心。

于是在这个时候外界开始谈论可能发生的核心熔融。因为到了最后,如果冷却系统无法恢复,核心就一定会融化(在几个小时或是几天内),然后最后一层防线——第三层护罩及护罩内的大碗,就将经受考验。

但是此时最重要的任务是在核心持续升温时控制住,并且确保第一层护罩(燃料棒的锆锡合金外壳),及第二层护罩(压力容器)能够保持完整并尽可能多工作一段时间,从而让工程师们能够有足够的时间修好冷却系统。

既然让核心冷却是那么重要的事情,因此反应堆内实际上有多个冷却系统(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,备用水冷系统,及紧急核心冷却系统)。而究竟哪一个失效了或是没有失效在此时无法得知。

所以想像一下,一个在炉子上的压力锅,持续地,慢慢地在进行加热。操作员在采取各种手段去消除其中的热量,但是锅内的压力在持续上升。于是当务之急是保住第一层护罩(熔点为2200摄氏度的锆锡合金),及第二层护罩——压力容器。而为了保住第二层护罩,其中的压力就需要时不时进行释放。因为在紧急时刻进行压力释放是一件重要的事,所以反应堆共有11个用于释放压力的阀门。操作员开始通过时不时地旋松阀门来释放压力容器内的压力。此时压力容器内的温度是550摄氏度。

这就是关于“辐射泄漏”的报道开始的时刻。我在上文中解释了为什么释放压力的同时实际上会释放第二类放射性物质(主要是N-16和氩),及为什么这样做其实毫无危险。放射性氮元素和氩对于人类健康没有威胁。

就在旋松阀门的过程中,发生了爆炸。爆炸发生在第三层护罩外部,反应堆厂房内。反应堆厂房不具有隔绝放射性物质的功能。虽然目前并不清楚到底发生了什么,但是这是一个很有可能的场景:操作员决定让压力容器内的蒸汽释放到厂房内,而不是直接到厂房外部(这样可以让放射性元素有更长的时间用于衰变)。而问题在于,由于核心内的高温,水分子会分解为氧和氢——一种易爆混合气体,于是也确实在第三层护罩外爆炸了。历史上也曾发生过一次类似的爆炸,不过是在压力容器内(因为压力容器没有设计好并且操作失误),进而导致了切尔诺贝利事件。而福岛核电站不会有这样的问题。氢氧混合气体是在设计核电站时需要考虑的一个巨大问题,因此反应堆在建造时就考虑到了不能让这样的爆炸发生在护罩内部。如果在护罩外部爆炸了,虽然也不是设想中的状况但是可以接受,因为即使爆炸了也不会对护罩产生影响。

因此,在阀门被旋松时,压力得以控制。而现在的问题时,如果水一直沸腾的话,那么水位就会持续下降。核心大概被几米深的水覆盖,使得其能够在空气中暴露前坚持几个小时或几天。而一旦没有水覆盖,那么暴露的燃料棒就会在45分钟后达到其2200摄氏度的熔点。而这样就会导致第一层护罩,燃料棒的锆锡合金外壳融化。

而这样的事情正在开始发生。冷却系统无法在燃料棒开始融化前恢复运转,不过燃料棒中的核燃料此时依然是完好的,包裹燃料的锆锡合金外壳已经开始融化。而目前正在发生的,就是一些铯和碘同位素开始随着释放出来的蒸汽,泄漏到反应堆外。最严重的问题——铀燃料,目前依然是受控的,因为氧化铀的熔点在 3000摄氏度。目前已经确认的是,检测到有一部分铯和碘同位素随着蒸汽泄漏到了大气中。

这似乎是一个启动“B计划”的信号。通过在大气中检测到的铯和碘同位素,操作员可以确认某一根燃料棒的外壳(第一层护罩)已经存在破损。“A计划”在于恢复某个常规冷却系统。为什么这个计划失败目前并不清楚,而一种可能性是海啸冲走或是污染了所有用于冷却系统的纯净水。

用于冷却系统的给水是非常纯净的,去除了所有矿物质的水。使用纯净水的原因在于:纯净水很大程度上不会被激活,因此可以保持相对无辐射。而如果是脏水,那么更容易捕获中子,进而变得更加具有放射性。这不会影响到核心——因为核心不会被冷却水影响。但是会使得操作员更难处理这些具有轻度放射性的活化水。

但是“A计划”失败了——系统无法冷却,并且也没有额外的纯净水。因此“B计划”被启动。而这就是目前正在发生的:

为了避免核心融化,操作员开始使用海水来冷却核心。我不是十分清楚,他们是用海水浸泡住压力容器(第二层护罩),还是淹住反应堆外壳(第三层护罩)。不过这个不是我们现在要讨论的。

要点在于核燃料现在确实已经冷却下来了。因为链式反应早就已经停止,所以目前只有非常少量的余热在产生。已经使用了的大量冷却水可以带走这些余热。因为是注入了大量的水,所以目前核心已经无法再产生足够的热量去大幅度提升压力。并且,海水中加入了硼酸。硼酸是一种“液体控制棒”。无论发生什么样的衰变,硼都可以捕获产生的中子并进一步加速核心的冷却。

福岛核电站曾经十分接近核心融化。但是,目前最坏的情况已被避免:如果没有将海水注入,那么操作员就只能继续旋松阀门以释放压力。第三层护罩必须完全密封,以避免其中发生的核心融化泄漏出任何的放射性物质,然后会经过一段等待期,等待护罩内的裂变副产品完成衰变,所有的放射性粒子会附着在护罩内壁。冷却系统最终会被恢复,融化的核心也会冷却至一个可控的温度。护罩内部会被清理。然后需要做一项棘手肮脏的事情——将融化了核心移出,将凝固了的燃料棒及燃料一块一块地装入运输装置,运送到核废料处理厂进行处理。根据损坏状况,核电站的这块区域需要进行修理或是彻底拆除。

Josef Oehmen博士的总结

核电站会回到安全状态并始终安全。

日本处于第4级别INES核紧急状态:核电站内事故。这对于拥有电站的公司是件糟糕事情,对其他人来说没什么影响。

在释放压力时释放了一些放射性物质。包括非常小剂量的铯和碘同位素。如果在释放时你正好坐在出口上,那么你可能需要考虑戒烟使得你的期望寿命值回归从前。这些铯和碘同位素会被带入海水,然后就不会再检测得到。

第一层护罩出现了一些损坏,意味着一定数量的铯和碘同位素也被释放到了冷却水中,但是不会有铀或是其他什么脏东西(因为氧化铀不溶于水)。在第三层护罩内有用于净化水的装置,这些具有放射性的铯和碘同位素会在那里被去除并且存储为核废料。

用于冷却的海水会在一定程度上被活化。但是因为控制棒已经完全插入,所以链式反应是不会发生的。这就意味着“主要的”核反应没有发生,因此也就不会加剧海水的活化。链式反应过程的副产物(铯和碘同位素)在这个阶段也基本上消失殆尽。这进一步减轻了海水的活化。因此最坏情况就是:用于冷却的海水中会具有一定程度的放射性,但是这些海水也同样会经由内部净化装置进行处理。

最终会用正常的冷却水取代海水。

反应堆核心会需要进行拆除并运到处理厂,就像通常的燃料更换一样。

燃料棒和整个核电站需要进行彻底安全检查,以避免潜在的危险。这通常需要4到5年。

全日本的核电站的安全防护会进行升级,以确保它们可以抵抗住9级地震及随之而来的海啸(甚至更糟糕的情况)。

 

我认为更显著的问题是随后的全国供电。日本的55座反应堆中的11座已经全部关闭并等待进行检查,这直接减少全国20%的核电电力,而全国30%的电力靠核电供应。我目前还没有去考虑日本国内其他核电站可能发生的事故。短缺的电力需要依靠天然气发电站供应,而这些电站通常只是在供电高峰时用于应急。我不是十分清楚日本国内的石油、天然气和煤矿的能源供应链,及港口、炼油厂、存储及运输网络在此次地震中遭受了怎样的损失。这些都会导致电费增加,及用电高峰和重建时的电力短缺。

而这一切只是更大的问题的一部分。灾后应急需要解决避难所,饮用水、食物、医疗、运输、通讯设施等一系列问题,当然也包括电力供应。在一个供应链倾斜的时代,所有的这些领域中我们都会遇到挑战。