日本地震及核泄漏

日本地震及核泄漏

最近忙着写论文，虽然比较关心日本地震的事，但一直没时间搜集点资料了解一下。

最近看曲哲的博客，才了解了一些相关内容。有篇文章挺好，我转载一下。另外，这次泄漏的福岛核电站也是隔震设计。

鉴于我们的民众都抢盐了，我建议大家读读这篇文章，也给自己的朋友普及一下。

我为什么不担心日本的核泄漏事件——美国MIT核能专家的看法（独家中文版）

原文/Dr Josef Oehmen（美国MIT核能工程系）译/曲哲杨京华

【按】只有无能为力的时候才求助于宗教或者奇迹，现在还没到那个时候，我们还是来求助于科学吧。虽然东京的生活暂时没有受到多少影响，但来自各个方面的纷乱信息反而助长了人们的惊慌。这些都可以归结为“对未知的恐惧”。美国麻省理工学院的Oehmen博士的这篇文章以有限的篇幅向人们阐述了他关于截止到3月12号为止所发生在福岛核电站的一切的见解，对于我们了解核电站的安全性以及事态可能的发展情况都大有帮助，更有助于消除不必要的恐慌。目前该文已经被翻译为日语、德语和西班牙语，现特将其译为中文，以供同胞们参考。专业有隔，术语不免有误，欢迎批评指正。

原文请见：https://www.360docs.net/doc/a417378829.html,/2011/03/13/why-i-am-not-worried-about-japans-nuclear-reactors/

译文如下：

我觉得现在(3月12日)有必要就日本核反应的安全问题写一点儿东西了。目前为止，形势是严峻的，但是仍在控制之中。先提醒大家，本文很长！但读了之后你所知道关于核电站的知识将比全世界的新闻记者告诉你的都要多。

总之，那里没有发生，并且也不会发生严重的辐射。

我所说的“严重的”，是指辐射的程度超过你做一次长途飞行，或喝一杯产自“自然背景辐射”程度较高地区的啤酒所受到的辐射。

看了地震后关于核泄漏事件的所有新闻报道后，我惊奇的发现没有任何一篇报道是准确无误的。我所说的“是否准确无误”并不针对那些倾向性很强的反核能主义的记者（这些天这种言论很多），而只是指那些在物理和自然规律上非常明确的错误，以及对于事实的误解。这些往往是由于缺乏核反应堆建造相关的基础知识而导致的。我读了CNN的一篇长达3页的报道，几乎每一段都至少包含一个这样的错误。

在讲解当前的事态之前，我们不得不先补一补基础知识。

福岛核电站的建造

福岛核电站使用的是所谓的“蒸汽反应堆”，或BWR。它就像是一个高压锅。核燃料将水加热煮沸并产生蒸汽，蒸汽推动涡轮机并转化出电能。然后蒸汽被冷却并重新凝结成水，然后水又被重新送回反应堆以产生蒸汽，周而复始。这个“高压锅”的正常工作温度是250摄氏度。

核燃料是铀的氧化物，它是一种熔点高达3000摄氏度的陶瓷材料。铀燃料被加工成一小块一小块的（就像小圆柱体）。这些小块儿的核燃料被密封在一个由锆合金制成的熔点为2200摄氏度的圆筒内，即称为一个燃料棒（fuel rod）。许多燃料棒分组放在一起并放入核反应堆。这些燃料棒的总和被称为“堆芯”（the core）。

锆合金外壳是核燃料的第一道容器。它将放射性燃料与周围世界隔绝开。

堆芯被放入一个“压力容器”，即我们之前说的那个“高压锅”。这个压力容器成为核燃料的第二道容器。它很结实，可以安全的承受几百摄氏度的高温，以便防冷却系统失灵时可以撑一阵子。

核反应堆的所有硬件设施，包括上面说的压力容器以及所有的管路系统和冷却剂（水）等，都被进一步装进第三道容器。第三道容器是由最强劲的钢衬砌和钢筋混凝土浇筑而成的气密性容器。它的设计、建造与测试只有一个目的，就是永久性的将堆芯熔融密封起来。为此，在第三道容器内部，压力容器（第二道容器）底部浇筑有非常厚的混凝土底座。它被称为“core catch er”。万一芯完全熔融，压力容器爆炸（并最终熔融），它将承受熔融的核燃料以及其他一切东西。

最后，在这第三道容器的外面再修建反应堆厂房。它像一般的房屋建筑一样使反应堆免受风吹雨淋。（这回爆炸的就是这个最外层的厂房）

核反应的基础知识

铀燃料通过核裂变产生热能。铀原子裂变为更小的原子，产生出热能并同时释放出中子（原子的组成部分之一）。当中子撞击到另一个铀原子时将引发其裂变并释放出更多的中子，如此形成了所谓的“链式反应”。

如果将许多燃料棒放在一起将很快导致过热并在45分钟之后导致燃料棒的熔融。在这里需要指出的是，核反应堆里的核燃料永远不会像原子弹那样发生核爆。制造原子弹可是件非常复杂的事儿（不信就去问问伊朗人好了）。切尔诺贝利当年的爆炸

是由压力积累、氢气爆炸以及所有容器破裂引起的，它使熔融的堆芯暴露在了环境里（dirty bomb）。为什么这种事儿不会发生在日本呢？请继续往下看。

反应堆的管理者使用一种称为“控制棒”的东西来控制核链式反应。控制棒通过吸收中子可以立即使链式反应停止。当反应堆正常运转时，所有的控制棒会被取出，冷却水带走由堆芯产生的热量（转化为蒸汽并推动涡轮发电机）。在正常运转的250摄氏度附近人们有很大的回旋余地。

问题是，即使插入控制棒并成功停止了链式反应，堆芯仍会继续产生热能。铀不再发生链式反应了，但在铀裂变的过程中会生成一些具有放射性的中间产物，最主要的就是铯和碘的放射性同位素。它们会逐渐分裂成更小的原子并最终不再具有放射性。这些元素持续衰减并产生了热能。由于不会再有新的放射性铯或者碘从铀元素中产生了（插入控制棒后铀已经停止衰减了），它们会变得越来越少，这样，大概在几天之后这些中间产物的放射性元素会被耗尽，堆芯会逐渐冷却下来。

而这些残余的热能正是目前最让人头疼的。

现在我们知道第一种放射性物质是燃料棒里的铀，再加上由铀分裂产生的中间产物，即铯或者碘等放射性元素。它们同样也位于燃料棒内部。

还有第二种放射性物质，它们位于燃料棒的外部。与第一种放射性物质的一个显著不同是，这些放射性物质的半衰期非常短，这意味着它们会很快衰减并分裂为不具有放射性的元素。如果这些放射性元素被释放到环境中，是的，放射性物质确实泄漏了，但它们一点也不危险。为什么？在你拼出“R-A-D-I-O-N-U-C-L-I-D-E”这个单词的过程中，它们已经衰减为非放射性元素从而不再具有危险了。这些放射性元素就是N-16，氮（空气）的放射性同位素。其他的还有一些惰性气体，比如氩。但它们是从哪儿来的呢？当铀分裂时，会放出中子（见上文）。大多数中子会撞到其它的铀原子从而推动链式反应。但也有一些中子会离开燃料棒而撞上外面的水分子，或者水中的空气。这样，一些非放射性的元素会“捕捉”到这些中子，从而变得具有放射性。如上所述，它们会在几秒钟之内衰减回原来不具有放射性的形态。

在我们下面讨论泄漏到环境中的辐射时，这第二种放射性物质将非常重要。

在福岛发生了什么

我将试着总结一下一些主要的事实。首先，这次地震比核电站设计时考虑到的最坏的情况还要大5倍（里氏震级是对数关系的，设计时考虑的8.2级与实际发生的8.9级并不是只差了0.7，而是差了5倍）【译者注：这一描述是不准确的。建筑物的抗震设防是不以地震的震级为依据的，可参见我的上一篇博客。https://www.360docs.net/doc/a417378829.html,/168731597.html】。但核电站的建筑挺过来了，真应该为日本的工程师们欢呼。

当此次8.9级地震发生时，所有核反应堆自动关停。地震发生后几秒钟之内，控制棒被插入了堆芯，铀的链式反应被中止了。这时，冷却系统应负责将残余的热能带走。这些残余热能大约是反应堆正常运转时的热能的3%。

然而地震摧毁了核反应堆的外部能源供应。对于核电站来说这是最严重的事故之一，因此工程师们在设计核电站停电时的备

用系统上花了很大的功夫。由于核电站自动关停，自己已经不能产生能源，因此它需要依赖外部的能源来维持冷却泵机的工作。

事发后一小时之内一切都还很顺利。一组应急柴油发电机投入使用并提供所需要的外部电力。这时海啸来了，比人们在建设核电站能所预计的还要大很多。海啸冲走了所有这些备用的柴油发电机。

设计核电站时，工程师们遵从一种“纵深式防御”策略。换句话说，人们首先按照自己所能想到的最严重的灾害来设计所有的一切相关系统，然后再采取必要的手段确保即使相关系统一个接一个的失效，仍能保证安全。海啸冲走所有的备用发电机正是假想的场景之一。最后的防线是把所有乱七八糟的东西，包括那些控制棒和熔融的堆芯，都包在第三道容器之内（见上文）。

备用柴油机被冲走之后，管理者开启了备用电池系统。这些电池可谓是备份的备份。它们可能为堆芯的冷却提供8个小时的能源。这次它们确实发挥了这样的作用。

在这8个小时之内，必须找到另一个能源并将其与核电站相连。地震后电网已停止了供电。柴油发电机也被海啸冲走了。因此，移动式柴油发动机被运进了核电站。

就是在这时，情势开始变得严峻了。外部运来的发电机无法与核电站对接（插头不匹配）。这样，当电池耗尽之后，残余热能无法再被释放出了。

这时，管理者启动了应对“冷却失灵事故”的应急预案。这仍是“纵深式防御”的一步。冷却系统本不该完全丧失能源供应，但不幸的是能源确实没有了，于是管理者开始退守下一道防线。这虽然看上去很可怕，但其实是核电站管理者的日常应急训练的一部分，这种应急训练也包括对堆芯熔融的处理。

正是在这时，人们开始谈论堆芯熔融。因为如果到晚上还无法恢复冷却系统，堆芯将逐渐熔融（几小时或者几天之后）。如果那样的话，我们将不得不退守最后一道防线，即core catcher以及第三道容器。

但目前还没到那一步。人们还在试图控制住不断被加热的堆芯，以期尽量确保第一道容器（即装有核燃料的锆合金管）以及第二道容器（我们的高压锅）的安全，从而让工程师们有更多的时间来修复冷却系统。

但堆芯的冷却相当复杂。每个反应堆都拥有几个不同的冷却系统，比如反应堆冷却水的净化系统，衰减热的排出系统，反应堆芯堆隔绝冷却系统，备用液体冷却系统以及应急堆芯冷却系统等等。当时人们并搞不清楚到底是哪个系统出了问题。

现在想想我们那个不断被加热的高压锅。不管用什么样的冷却系统，总之管理者希望尽量散热，但即使能够散热，高压锅里的压力仍在不断上升。当务之急是确保第一道容器的完好（即确保燃料棒的温度底于2200摄氏度），同时确保第二道容器（高压锅）的完好。为保全高压锅（第二道容器），必须不时地释放压力。这一点非常重要，因此在设计时高压锅就有11个减压阀。于是管理者开始通过减压阀释放高压锅内的蒸汽。这时锅内温度约为550摄氏度。

正在这时，有关辐射泄漏的报道开始见诸报端。我想我在上文已经解释过了这些被释放到环境中的蒸汽确实是具有放射性的，

但我也解释了为什么它们并不危险。这些具有放射性的氮以及那些惰性气体对人们的健康没有任何威胁。

在释放蒸汽的过程中发生了一些爆炸。爆炸发生在第三道容器（即我们的最后一道防线）的外面，反应堆厂房的里面。不要忘了这些厂房并没有阻隔辐射的功能。现在还不清楚到底发生了什么，但很可能是这样的：管理者决定把蒸汽不是直接排向室外，而是排放到第三道容器和厂房之间（以便争取更多的时间让放射性物质衰减）。问题是在堆芯温度已经很高的情况下，水分子会分解为氢和氧，一种具有爆炸性的混合气体。并且它真的爆炸了，在第三道容器的外部，并破坏了反应堆厂房。在切尔诺贝利事件中，是高压锅内部的爆炸引发了核灾难。而主要是由不良的设计和管理导致的。这绝不会发生在福岛。氢氧混合物的形成在设计核电站时已经考虑到了（除非你是苏维埃），氢氧混合物的爆炸不会发生在高压锅的内部。爆炸发生在第三道容器的外部，尽管并不如人意，但是问题不大。

排气之后，压力处于控制之中了。但当我们的高压锅继续煮沸时，锅里的水位会不断下降。正常情况下堆芯是在好几米深的水下的。让燃料棒的顶部开始暴露后，它将在约45分钟后达到临界的2200摄氏度，这时我们的第一道容器，即锆合金管，将被破坏。

这真的发生了。在核燃料的第一层容器开始受损之前，冷却系统没能恢复。核燃料本身依然如故，但包裹它的锆合金管开始熔化了。这样，铀元素衰减的副产品，即那些具有放射性的铯和碘，开始混入蒸汽中。我们最大的麻烦，铀，仍然处于控制之下，因为它的熔点高达3000摄氏度。现在已经证实在周边大气中已经检测到了少量的铯和碘。

看起来现在是执行B计划的时候了。检测到的少量的铯告诉核电站的管理者，堆芯的某些燃料棒的第一道容器已经撑不住了。A计划是修复堆芯的冷却系统。现在不清楚为什么A计划会失败。一个可能的解释是海啸同时冲走或者污染了正常冷却系统所需的清水。

冷却系统使用的是非常干净的纯净水（像蒸馏水一样）。使用清水的原因正是上面说过到的铀分裂所释放的中子的活动：清水不那么容易被激活，所以不太容易具有放射性。水中的灰尘或者盐会更快的吸收中子从而使水更具放射性。但这与堆芯没有什么关系，它才不管自己是被什么介质冷却的呢。但使用清水可以让在反应堆内工作的人员更加安全。

但计划A失败了——冷却系统或清水供应失败了。于是，B计划登台亮相。看上去发生的事情是这样的：

为了防止堆芯熔融，管理者开始使用海水冷却堆芯。我不清楚他们是把海水注入了高压锅（第二道容器），还是把海水直接注入了第三道容器，从而把高压锅给淹了。无论如何这都不重要。

重要的是现在核燃料被冷却了。因为链式反应已经停止很久了，现在的残余热能已经不那么多了。目前使用的大量冷却水已经足以带走这些热能了。因为水很多，堆芯已经产生不了太大的压力了。此外，日本人在海水中掺入了硼酸。硼酸可谓是“液态的控制棒”。不论还在发生什么样的衰减，硼都会将中子捕获，从而进一步加快堆芯的冷却。

核电站已经接近堆芯熔融了。但最坏的情况已经被避免了：如果没有使用海水，管理者可能会继续排气以防压力过高。同时第三道容器可能会被完全密封，以保证即使堆芯熔融也不会有放射性物质泄漏。熔融后，可能需要等一段时间以使中间放射性物质在反应堆内衰减，并让所有的放射性微粒落到容器的内表面。冷却系统最终可能会被修好，堆芯会被冷却到一个易于控制

的温度。然后就要开始一项很麻烦的工作了：把熔融的堆芯从容器中取出来，将核燃料分组打包以便运输到加工工厂。之后，根据核电站受损程度，它要么被修复，要么被废弃。

现在来看看我们都说了些什么。我的判断是：

?福岛核电站是安全的，并且将一直安全下去。

?日本目前关注的是一起INES-4级事故，即具有区域性后果的核事故。这并不会对除了拥有核电站的公司之外的任何人有什么不利的影响。

?从压力容气中排气时泄漏了一些放射性物质。放射性蒸汽中的所有放射性同位素很快就衰减了。少量的铯和碘也泄漏了。

如果在排气时你正坐在核电站的烟囱上，你可以需要立即戒烟以使你的寿命不致于缩短。这些铯和碘都被带到了海里，再也不会回来了。

?第一道容器遭受了一些损伤。这意味着一些放射性的铯和碘泄漏到了冷却水中，但没有铀或其它更糟的东西会泄漏到水中（铀的氧化物不溶于水）。有专门用于处理第三道容器中的冷却水的设施，以去掉冷却水中的放射性铯和碘，并将这些放射性废物永久性的存贮起来。

?海水可能也染上一些放射性。由于控制棒被完全插入，铀的链式反应已经停止。这意味着没有主要的核反应，因此也不会引起海水的放射性化。中间放射性产物（铯和碘）也基本上不见了，因为铀的衰减已经停止很久了，这将近一步减小对海水的放射性。底线是，会有一些具有放射性的海水，它们同样会被上面提到的设施进行处理。

?随后会用正常的冷却水来替换海水。

?反应堆的堆芯会被拆除并运到加工工厂，就像正常的更换堆芯一样。

?会对燃料棒以及整个核电站做损伤鉴定，这可能会花4-5年的时间。

?全日本核电站的安全等级会提高以应用9.0级的地震及其引发的海啸（或者更大的地震）。

如果你想了解事态的发展，与其去看新闻，还不如参考一下下列的网站：

?https://www.360docs.net/doc/a417378829.html,/

?https://www.360docs.net/doc/a417378829.html,/default.aspx

?https://www.360docs.net/doc/a417378829.html,/RS_Battle_to_stabilise_earthquake_reactors_1203111.html

?https://www.360docs.net/doc/a417378829.html,/RS_Venting_at_Fukushima_Daiichi_3_1303111.html

?https://www.360docs.net/doc/a417378829.html,/2011/03/12/japan-nuclear-earthquake/

?https://www.360docs.net/doc/a417378829.html,/2011/03/11/media-updates-on-nuclear-power-stations-in-japan/