出處:
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福島核電站的反應堆屬於「沸水反應堆」(Boiling Water Reactors),縮寫 BWR。沸水反應堆和我們平時用的蒸汽壓力鍋類似。
核燃料對水進行加熱,水沸騰后汽化,然後蒸汽驅動汽輪機產生電流,然後蒸汽冷卻后再次回到液態,然後再把這些水送回核燃料處進行加熱。
蒸汽壓力鍋內的溫度通常大約是 250 攝氏度。
上文提到的核燃料就是氧化鈾。氧化鈾是一種熔點在 3000 攝氏度的陶瓷體。燃料被製作成小圓柱(想像一下就像樂高積木尺寸的小圓柱)。
這些小圓柱被放入一個用鋯錫合金(熔點 2200 攝氏度)製成的長桶,然後密封起來。這就是一個燃料棒(fuel rod)。
然後這些燃料棒被放到一起組合為一個更大的單元,然後這些燃料單元被放入反應堆內。所有的這些,就是一個核反應堆核心(core)的內容。
鋯錫合金外殼是第一層護罩,用來將具有放射性的核燃料與世隔絕。
然後核心被放入「壓力倉」中,也就是我們之前提到的蒸汽壓力鍋的比喻。壓力倉是第二層護罩。
這是一個堅固結識的大鍋,設計用於容納一個溫度可能達到數百攝氏度的核心。在核心降溫措施恢復前,壓力倉起到一定的保護作用。
一個核反應堆的所有的這些「硬體」——壓力倉,各種管道,泵,冷卻水,然後被封裝到第三層護罩中。
第三層護罩是一個完全密封的,用最堅固的鋼和混凝土製 成的非常厚的球體。
第三層護罩的設計,建造和測試只是為了一個目的:當核心完全熔融時,將其包裹在其中。
為了實現這個目的,在壓力倉(第二層護罩)的下方,鑄造了一個非常巨大厚實的混凝土大碗,這一切都在第三層護罩的內部。
這樣的設計就像是為了「抓住核心」。如果核心熔融,壓力倉爆裂(並且也最終融化的話),這個大碗就可以裝下融化了的燃料及其他一切。
這個大碗設計成讓融化的燃料能夠向四周鋪開,從而實現散熱。
在第三層護罩的周圍包裹的是反應堆廠房。反應堆廠房是一個將各種風吹雨打擋住的外殼。(這也是在爆炸中被毀壞的部分,我們稍後再說)
核反應的一些基本原理
鈾燃料通過核分裂產生熱量。大的鈾原子分裂成更小的原子,這樣就產生熱量及中子(構成原子的一種粒子)。
當中子撞擊另外一個鈾原子時,就觸發分裂,產生更多的中子並一直繼續下去。這就是核裂變的鏈式反應。
而現在的情況時,當一堆燃料棒湊在一起時就會很快導致過熱,然後在 45 分鐘后就會導致燃料棒融化。
但是值得指出的是,在核反應堆內的燃料棒是絕對不可能導致像原子彈那樣的核爆炸的。
製造一顆原子彈實際上是相當困難的(不信你們可以去問問伊朗)。
當年切爾諾貝利的情況是,爆炸是由於大量的壓力積攢,氫氣爆炸然後摧毀了所有的護罩,然後將大量的融化的核心揮灑到了外界(就像一顆 「髒彈」)。
這樣的情況為什麼在日本沒有發生,及為什麼不會發生,請繼續看下面。
為了控制鏈式反應的發生,反應堆操作員會用到「控制棒」。控制棒可以吸收中子,從而瞬間停止鏈式反應。
一個核反應堆是這樣設計的:當一切正常運轉時,所有的控制棒是不會用到的。
冷卻水會在核心產生熱量的同時帶走熱量(並轉化為蒸汽和電力),並且在常規的 250 攝氏度的運轉溫度下還有許多餘地。
而挑戰在於將控制棒插入並停止鏈式反應后,核心依然在產生熱量。
雖然鈾元素的鏈式反應已經停止,但是在鈾元素的核裂變過程中會產生一些具有放射性的副產品,比如銫和碘同位素,
這些元素的放射性同位素會最終衰變為更小的原子,然後失去放射性。在這些元素的衰變過程中,也會產生熱量。
因為它們不會再從鈾元素中產生(在控制棒插入之後鈾元素就停止衰變了),所以它們的數量會越來越少,
然後在衰變結束的過程中,大約幾天時間內,核心就會最終冷卻下來。
目前讓人頭痛的就是這些餘熱。
核反應堆內的第一類放射性物質就是燃料棒中的鈾元素,及放射性副產物銫和碘同位素。這些物質都在燃料棒內部。
而除此之外,還存在第二類放射性物質,產生於燃料棒外部。
而首先需要說明的是,這些外部的放射性物質的半衰期都非常短,這意味著它們會在很短的時間內衰 變為沒有放射性的物質。
「很短」的意思就是幾秒。所以即使這類放射性物質被釋放到自然環境中,他們也是毫無危害的。
為什麼呢?因為大約就你在讀完 「R-A- D-I-O-N-U-C-L-I-D-E」的這幾秒內,這類物質就衰變到完全不具有放射性了。
這類放射性物質就是氮-16(N-16),也就是氮氣(構成 大氣的氣體之一)的具有放射性的同位素。另外就是一些稀有氣體比如氬。
但是這些物質是如何產生的呢?當鈾原子裂變時,會產生一個中子。大部分的這些中子都會撞擊到其他的鈾原子由此鏈式反應就一直持續發生。
但是其中的一些會離開燃料棒並撞擊到水分子,或是冷卻水中的空氣。然後,一個不具有放射性的元素就會「捕獲」這個中子,並變得有放射性。
而就如前文所述,在數秒內它就會衰變到它本來的面目。
上面所描述第二類的放射性物質在我們接下來要討論的核泄露中非常重要。
福島到底發生了什麼
接下來我會試著去總結目前的主要事實。衝擊核電站的地震的威力是核電站設計時所能承受的威力的五倍
(里氏震級之間的放大倍數是對數關係,所以 8.9 級地震的威力是 8.2 級,即核電站的設計抗震威力的 5 倍,而不是 0.7 的差異)。
所以我們首先為日本的工程技術水平喝彩,至少一切目前是保下來了。
當 8.9 級地震衝擊核電站時,所有的反應堆就自動關閉了。在地震開始后的數秒內,控制棒就插入到了核心內,鏈式反應即刻中止。
而此時,冷卻系統就開始帶走餘熱。這些餘熱相當於反應堆正常運轉時產生的 3% 的熱量。
地震摧毀了核反應堆的外部電力供應。而這是核反應堆能夠遇到的最嚴重的故障之一,因此,在設計核反應堆的備用系統時,「電站停電」是一種被高度關注的可能性。
因為核反應堆的冷卻泵需要電力以維持運轉。而反應堆關閉后,核電站本身就不能產生任何電力。
在地震發生后的一小時內一切情況是平穩的。為緊急情況而準備的多組柴油發電機中的一組啟動,為冷卻泵提供了所需的電力。
然後海嘯來了,比核電站設計時所預料的規模要更巨大的海嘯,摧毀了所有的柴油發電機組。
在設計核電站時,工程師們所遵循的一個哲學就是「防衛深度」。這意味著你首先需要為了你能夠想象到最災難的情況設計防衛措施,
然後為了你覺得可能絕對不會發生的子系統故障設計方案,以確保即使這樣的可能絕對不會發生的故障發生后,核電站依然可以安全。
而一場巨大的摧毀所有柴油發電機組的海嘯就是這樣的一種極端情況。而所有的防衛的底線就是前面提到過的第三層護罩,
將一切可能發生的最糟糕情況——控制棒插入或者未插入,核心融化或者未融化——容納於其中。
當柴油發電機組被沖走後,反應堆操作員將反應堆切換到使用緊急電池。這些電池被設計為備用方案的備用方案,用於提供給冷卻系統 8 個小時所需的電力,並且也確實完成了任務。
而在這 8 個小時內,需要為反應堆找到另外一種供電措施。當地的輸電網路已經被地震摧毀。柴油發電機組也已經被海嘯沖走。所以最後通過卡車運來了移動式柴油發電機。
整個事件從這一刻起開始變得糟糕。運來的柴油發電機無法連接到電站(因為介面不兼容)。所以當電池耗盡后,餘熱就無法再被帶走。
在這個點上反應堆操作員開始按照「冷卻失靈」的緊急預案進行處理。這是「防衛深度」中的更進一層。
理論上供電系統不至於徹底失效,但是現實如此,所以操作員們只能退到「防衛深度」中更進一層。
這一切,無論對我們看起來多麼不可思議,但卻是反應堆操作員的培訓的一部分——從日常運營到控制一個要融化的核心。
於是在這個時候外界開始談論可能發生的核心熔融。因為到了最後,如果冷卻系統無法恢復,
核心就一定會融化(在幾個小時或是幾天內),然後最後一層防線——第三層護罩及護罩內的大碗,就將經受考驗。
但是此時最重要的任務是在核心持續升溫時控制住,並且確保第一層護罩(燃料棒的鋯錫合金外殼),
及第二層護罩(壓力倉)能夠保持完整並儘可能多工作一段時間,從而讓工程師們能夠有足夠的時間修好冷卻系統。
既然讓核心冷卻是那麼重要的事情,因此反應堆內實際上有多個冷卻系統
(反應堆給水清潔系統,衰變降溫系統,反應堆核心隔離冷卻系統,備用水冷系統,及緊急核心冷卻系統)。
而究竟哪一個失效了或是沒有失效在此時無法得知。
所以想像一下,一個在爐子上的壓力鍋,持續地,慢慢地在進行加熱。操作員在採取各種手段去消除其中的熱量,但是鍋內的壓力在持續上升。
於是當務之急是保 住第一層護罩(熔點為 2200 攝氏度的鋯錫合金),及第二層護罩——壓力倉。
而為了保住第二層護罩,其中的壓力就需要時不時進行釋放。因為在緊急時刻進行壓力釋放是一件重要的事,所以 反應堆共有 11 個用於釋放壓力的閥門。
操作員開始通過時不時地旋松閥門來釋放壓力倉內的壓力。此時壓力倉內的溫度是 550 攝氏度。
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本帖最後由 GARY... 於 2011-3-16 02:42 AM 編輯 ]