关于日本核电站泄露事件的一些技术帖

alexqxp

今天碰到了抢盐的新闻，关心了下核泄漏问题。下面是些技术帖，由于自己不懂行，只是转载，大家自己看。
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这是我在网上看到的一篇关于目前日本核电站事态的解析文章，作者是 MIT 的研究科学家 Josef Oehmen 博士，其父在德国核工业具有深厚经验。这篇文章从浅显易懂的角度解释了目前发生在 Fukushima 福岛核电站 1 号机的事态，对于解释其他机组的状况也有指导意义。我试着翻译了这篇文章，但是因为时间仓促，加之我不是核工业方面的专家，如果文中出现科学和常识性的错误，在大家指出之后我会第一时间修正这篇译文。谢谢。

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露。
“显著泄露”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，或是喝下一杯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 的三页长度的报道，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，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。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，然后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，然后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）
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。
而现在的情况时，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，然后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。
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，他们也是毫无危害的。为什么呢？因为大约就你在读完 “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露中非常重要。
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 8 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，无论对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“辐射泄露”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。
而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。
因此在阀门旋送时，压力得以控制。而现在的问题时，如果水在一直沸腾的话，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，但是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，泄露到反应堆外。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露到了大气中。
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“计划 A”失败了——系统无法冷却，并且也没有额外的纯净水。因此“计划 B”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”。无论在发生什么样的衰变，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经被避免：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露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，然后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。
那么，目前留给我们的是什么呢？我的总结：
• 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。
• 在释放压力时同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，以确保他们可以抵抗住九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国内其他核电站可能发生的事故。短缺的电力会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。
如果你希望持续了解事实，那么就忽略那些肤浅的媒体并关注以下网站：
• http://www.world-nuclear-news.org/RS_Battle_to_stabilise_earthquake_reactors_1203111.html
• http://www.world-nuclear-news.org/RS_Venting_at_Fukushima_Daiichi_3_1303111.html
• http://bravenewclimate.com/2011/03/12/japan-nuclear-earthquake/
• http://ansnuclearcafe.org/2011/03/11/media-updates-on-nuclear-power-stations-in-japan/


原文地址：
http://morgsatlarge.wordpress.com/2011/03/13/why-i-am-not-worried-about-japans-nuclear-reactors/

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来源：草根网(www.20ju.com) - 互联网界的读者文摘

alexqxp

日本福岛核电站事故初步分析
0 事故背景
2011年3月11日下午，日本东部海域发生里氏9.0级大地震，并引发海啸。位于日本本州岛东部沿海的福岛第一核电站停堆，且若干机组发生失去冷却事故，3月12日下午，一号机组发生爆炸。3月14日，三号机组发生两次爆炸。日本经济产业省原子能安全保安院承认有放射性物质泄漏到大气中，方圆若干公里内的居民被紧急疏散（疏散范围一直在扩大）。

　　1 日本福岛核电站概况
　　日本福岛第一核电站（福島第一原子力発電所）位于福岛县双叶郡大熊町沿海。福岛第一核电有6台机组，1号机组439兆瓦，为BWR-3型机组，1970年下半年并网发电，1971年投入商业运行；2号至5号机组为BWR-4型，784兆瓦，1974-1978年投产；6号机组为BWR-5型，1067兆瓦，1979年投产。六台机组在同一厂址，全是沸水堆，均属于东京电力公司。
　　（以上叙述看似数据罗列，但是为事故埋下了第一个伏笔：一号机已经运行整40年了，退休正当时。）
　　
　　图中从右至左依次为1至4号机组，5、6号机组在北侧稍远。
　　
　　另有福岛第二核电站，这两天爆炸的是福岛第一核电站，与第二核电站无关，不表。
　　
　　2 沸水堆预备知识
　　考虑到中国大陆上只有压水堆（PWR）和重水堆(CANDU)，（注意是中国大陆，台湾的是沸水堆，台湾在建的龙门电厂是更先进一点的ABWR）,在此简单介绍一下沸水堆（BWR）。
　　沸水堆和压水堆都属于轻水堆，都是靠H2O做慢化剂和冷却剂。都是用低浓缩铀做燃料。目前全球400多台核电机组中，两百多压水堆，近一百台沸水堆。
　　
　　下图是福岛一号核电站一号机的原理图：
　　
　　
　　沸水堆基本运行过程：
　　来自汽轮机系统的给水（深蓝色的管子）进入反应堆压力容器后，沿堆芯围筒与容器内壁之间的环形空间下降，在喷射泵（白箭头的起点）的作用下进入堆下腔室，再折而向上流过堆芯，受热并部分汽化。汽水混合物经汽水分离器分离后（汽水分离的过程跟压水堆蒸汽发生器差不多），蒸汽（浅蓝色管道）通往汽轮发电机（几个黄色块分别为高压缸，三个低压缸，发电机，和AP1000一样），做功发电。蒸汽压力约为7MPa，干度不小于99．75%。汽轮机乏汽冷凝后经净化、加热再由给水泵送入反应堆压力容器，形成一闭合循环。再循环泵（堆芯两边的两个泵）的作用是使堆内形成强迫循环，其进水取自环形空间底部，升压后再送入反应堆容器内，成为喷射泵的驱动流。目前日立和GE开发的ABWR（Advanced BWR先进沸水堆）用堆内循环泵取代再循环泵和喷射泵。
　　和压水堆类似，沸水堆也有几道安全屏障：一、燃料包壳，与AP1000的锆铌合金不同，他用的是锆-2。二、压力容器。这个和压水堆一样。三、干井，也有叫首层安全壳的。也就是上图中黑色的梨形外壳。
　　也有把外面的方形水泥壳当成第四道边界的，其实水泥壳只是防风吹雨打的，能够起一点作用，但不是很大。
　　
　　和压水堆相比，沸水堆有以下特点：
　　1、控制棒从堆芯下方插入
　　由于堆芯上方有汽水分离器，而且上部是蒸汽为主，中子慢化不充分。但问题是不能像压水堆那样失电后靠重力落棒，未能停堆的预期瞬态事故概率增加，对控制棒驱动机构的可靠性要求更高。
　　控制棒在正常运行时是电驱动或机械驱动，失电时由备用液压把控制棒顶上去。每组控制棒，或者每两组控制棒有单独的液压驱动装置。
　　这不是沸水堆最大的特点，但在这里有必要列在第一条。因为网上有的分析提到了无法落棒等，没有那回事。根据IAEA官网上的新闻，反应堆在当时自动停堆了（All four units automatically shut down on March 11），没有提控制棒失效的事。而且如果控制棒真的实效的话，操作员没有理由不往里面注入硼水。
　　2、沸水堆的反应性不用硼做化学补偿
　　压水堆一回路中是硼酸溶液，但沸水堆流过堆芯的是清水。
　　由于平时是清水，所以一旦注入硼水，会对反应堆将来的运行带来很大的影响（当然前提是如果反应堆这次能平安无事的活下来。），说严重点，注入硼水，反应堆基本也就不能再用了。但是注入硼水的好处是在冷却的同时，保证较高的停堆裕度。比如AP1000，CMT（堆芯补水箱）硼浓度3400ppm，ACC（安注箱）2600ppm，IRWST（内置换料水箱）2600ppm，反正对压水堆来说，出事后只要需要，第一时间就向堆芯注入浓硼水。
　　其实一般沸水堆核电站，都是有硼水储备的。当事故发生后，操作员有两个选择：一是注入清水，万一侥幸逃过一劫以后还能再用，这个比较保守。二是注入硼酸，反应堆可能以后就不能再用了，但是能够比清水更好的降温，还能保证停堆裕度。
　　这个特点为后面的事故恶化埋下了第二个伏笔。
　　3、沸水堆正常工作于沸腾状态
　　这句话基本上相当于废话，沸水堆当然是沸腾态的。
　　但是这也决定了沸水堆的事故工况与正常工况有类似之外，而压水堆则正常工作于过冷状态，失水事故时发生沸腾，与正常工况差别较大。
　　这个特点，会使操作员抱有更大的侥幸心理。
　　4、卸压方式和压水堆不同
　　压水堆也有堆芯超压的问题。但是对二代压水堆来说，一回路超压，可以通过稳压器顶的先导式安全阀引入卸压箱。卸压箱虽然体积不大水量不多但还在安全壳内。对AP1000来说，一回路超压后通过稳压器顶的弹簧加载式安全阀和爆破膜通入安全壳内大气，第四级ADS爆破阀也是通向壳内大气。而如果前三级ADS动作，是通向内置换料水箱。总之，不管二代还是AP1000，卸压后，放射性还是被包容在安全壳内。
　　而沸水堆则不同。注意上图中梨形下边的torus，是一个容积约4000m³的水箱，相当于AP1000内置换料水箱的两个大。但是这个驰压水箱不在压力边界内，卸压时，蒸汽直接通过压力容器和干井这两道屏障。对半衰期长的污染物来说，几乎相当于直接排放到大气中。这个特点，为后面的事故恶化埋下了第三个伏笔。
　　5、沸水堆经济性高
　　沸水堆省去了稳压器和蒸汽发生器，节约了投资。同时由于蒸汽压力能够比压水堆高，所以热效率也更高。但是此特点与事故分析无关，纯当背景知识。不表。
　　6、汽机厂房辐射较大
　　且不说裂变产物，光活化产物N16就够人受的。所以压水堆运行时进安全壳=他杀，沸水堆运行时进汽轮机厂房=自杀。与事故无关，不表。
　　
　　其他预备知识：
　　1、关于核电厂柴油机
　　二代核电站，不管是沸水堆还是压水堆，都有一个问题。如果发生严重事故伴生全厂失电，需要应急柴油机在20秒内迅速启动，为安全相关系统提供电力。主要是安注系统，向堆内注水，保证堆芯冷却不裸露在外。
　　对柴油机的依赖，为事故的发生埋下了第四个伏笔。
　　2、关于核电站中氢气来源
　　一般来说，核电厂里的氢气有以下来源：①发电机定子铁芯和转子绕组需要氢气冷却，不过是在汽轮机厂房内。②为一回路加入氢气，以抑制氧气含量。但有常识的人都知道把氢气放的离压力容器远些，AP1000化容系统的加氢是放在辅助厂房中。③蓄电池充电时产生氢气，但量比较小。④事故后，裸露的燃料包壳锆-2和蒸汽发生锆水反应会生成比较大量的氢气。
　　这个锆水反应，为事故后爆炸埋下了第五个伏笔。甚至可以说是罪魁祸首。
　　
　　
　　3 事故发生和恶化的过程
　　1、2011年3月11日下午，地震发生，控制棒上插，反应堆安全停堆。堆芯热功率在几分钟内由正常的1400兆瓦下降到只剩余热，但仍有约4%，虽然仍在下降，但下降速度变慢。
　　2、停堆后应保证厂用电源不失，由安注系统向堆芯补水，保证堆芯冷却防止超压，但地震摧毁了电网，厂外电源不可用；应急柴油机很争气的起来了，向堆芯内注入清水。注意是清水，不是硼水，换句话说，操作员采用了比较保守的方法。
　　3、好景不长，海啸来了，柴油机房被淹，应急柴油机不可用。还好，还有蓄电池，虽然容量较小，但是在事故后8小时内还是为压力容器的冷却做了一些贡献的。
　　4、电池眼看就要耗尽，传来了好消息和坏消息：好消息是卡车运来了移动式柴油机，坏消息是柴油发电机的接口和核电站的接口不兼容！堆芯冷却暂时停止。
　　5、而为了保住压力容器，必须要卸压，防止压力容器超压爆炸。而且操作员也确实是这样做的。因此，3月12日，日本政府承认测到了放射性的碘和铯。一方面说明操作员早就开始卸压了，另一方面说明燃料包壳已经有损坏的了。
　　6、杯具的是，12日早，菅直人要来视察……
　　根据刚才说的预备知识，如果卸压，环境中的放射性会升高，虽然菅直人是空中视察，但这对没有穿防护服的日本首相来说仍然不是什么好事，所以，根据日本某些论坛的说法（没有得到官方证实），卸压的事由于此次视察暂时中断。但余热不等人，安全壳内温度压力仍在上升。
　　7、菅直人走后，操作员开始继续释放压力容器内部的压力。此时压力容器内的温度约为 550 摄氏度，堆芯已经裸露并产生大量氢气。所以，含有氢气的蒸汽，通过卸压水箱简单的降温和过滤就被排放到厂房大气中。
　　8、下午三点左右，随着一声巨响，反应堆厂房顶盖被爆炸完全摧毁，只剩下钢结构。
　　
　　爆炸前后
　　
　　上图为反应堆厂房示意图，中心棕褐色的为反应堆压力容器，依然完好。
　　稍外圈压力型的为干井，也叫primary containment，在爆炸后也依然完整，毕竟是15厘米厚的不锈钢外加一米厚的水泥。也就是说第三道屏障仍然完整。
　　氢气在厂房上部爆炸，使强度不是很高的厂房上部混凝土完全炸开，只剩下钢结构。
　　9、而此时，反应堆的冷却问题仍没有解决。具体遇到哪些困难目前尚不清楚原因。
　　爆炸后，利用消防水泵，直接向发生了燃料熔化的1号机组注入海水（并加入硼）进行冷却。具体海水注入那个位置不是很清楚，但可以肯定的是，只要不出现新的灾害，一号机组能够稳定下来。虽然卸压工作可能还要进行，也就是说还是要向外界排放含有碘131和铯137的蒸汽。
　　
　　一号机组的事故暂时告一段落，但是二号机组和三号机组的危机仍然没有过去。目前三号机组也发生了爆炸，后果和一号机组类似。14日晚8时，二号机组堆芯已经全部露出水面，进入干烧状态。
　　
　　
　　4 事故教训
　　1、关于采取何种措施的问题
　　在整个过程中，操作员一直在采取比较保守的冷却方式。虽然有机会，但是直到爆炸发生也没有向堆芯内注入硼水。一方面是不希望反应堆就此报废，一方面是对反应堆的承受能力抱有侥幸心理。客观的说，操作人员在最大限度的保护反应堆，但是没有在最大限度上保护公众的安全。
　　有人说这次事故是东京电力公司见利忘义的人祸，从这个角度讲，不无道理。
　　2、关于退役年限的问题
　　到今年3月26日，福岛第一核电站一号机组即将迎来他的商运40周年纪念日。按说，四十年也就意味着核电站的寿终正寝，但是东京电力公司考虑到经济利益，决定一号机组延寿二十年。而且讽刺的是，今年2月份，刚刚拿到了延寿批准。
　　虽然事故发生在40年寿命之内，和延寿无关，但此次事故为正在延寿或即将延寿的核电站敲响了警钟。因为毕竟，由于设备老化问题，一号机组近几年事故不断。
　　3、关于在役核电站冷却方式改进的问题
　　目前在役二代核电站，包括在建的三代EPR和已经投产的三代ABWR，事故后无一例外都需要应急柴油机来做安全保障。而现役核电站，包括中国的二代加，柴油机都是低位布置，甚至把油箱还放在地下，大都无法抵御海啸袭击。且不说海水退后电缆的绝缘问题，单是一台进了水的柴油机就够人头疼的了。
　　而柴油机不可用，往往也意味着离堆芯过热超压不远了。虽然把现役的电厂都改成非能动在技术上完全不可能，但是可以考虑增加其他冷却措施，或是增加备用电源。
　　4、关于辐射监测的问题
　　不知和中国一山之隔的海参崴有没有辐射监测站，但是，离中国直线距离最近的吉林延边和黑龙江牡丹江好像是没有的。长春和沈阳有，但如果大城市监测到似乎有点晚了。朝鲜核电站投产似乎也不远了，某些边境增加辐射监测点还是很有必要的。
　　5、关于外部救援的问题
　　日本核电站事故，虽然日本本土大部分核电站自顾不暇，但是美国的核航母发挥了比较大的作用。目前中国虽然核电站众多，但是堆型众多，所属公司之间交流甚少。如果某个核电站发生事故，能否组织其他核电站有序有效的救援，仍然是一个比较严峻的问题。
　　
　　
　　5 后续影响：
　　1、首先说，这次事故对世界核能产业的影响会是相当深远的。以下只是在一个较低的层面做一个简单的分析。
　　2、世界各国反核示威增加。核电发展进程受到阻力（虽然可能不会影响某些国家的发展速度）。
　　3、由于全国政协委员兼中国电力投资集团公司总经理陆启洲在全国媒体面前给AP1000打了个形象的比喻：“‘非能动’系统就像抽水马桶一样，上面顶着大水箱，不靠能源动力。”可以预见，AP1000受到大家的认可会稍微多一些。
　　4、民众的辐射防护能力进一步加强。碘片等防辐射药品成为一些核能工作者及家属的常备药。
　　5、世界核安全历史被改写。福岛核电站将和三里岛和切尔诺贝利一起，被印在新版核电教科书上。
　　6、世界核安全监管体系进一步加强，新建核电站的防护等级进一步加强。
　　
　　
　　
　　
　　主要参考网站：
　　国际核安全中心：http://www.insc.anl.gov/cgi-bin/ ... cle_id&qval=198
　　东京电力公司官网（更新比较快，想看的话PDF需要安装日文字体）：http://www.tepco.co.jp/nu/f1-np/press_f1/2010/2010-j.html
　　IAEA（比较权威，更新比较快）：http://www.iaea.org/newscenter/news/tsunamiupdate01.html
　　世界核能新闻：http://www.world-nuclear-news.or ... actors_1203111.html
　　Bravenewclimate（我实在不知道这个网站的中文名字是什么，但这篇文章是根据一个MIT 的Phd Scientist的博客转载的，文章和图片都很棒）：http://bravenewclimate.com/2011/ ... simple-explanation/
　　
　　
　　人类的学习方式有三种：第一种是通过沉思，这是最高贵的；第二种是通过模仿，这是最容易的；第三种则是通过经历，这是最痛苦的。
　　
　　福岛核电站的事故是血的教训，愿天下核工业者共勉之。

alexqxp

关于第一个帖子的更新。
Why I am not worried about Japan’s nuclear reactors.
Posted on March 13, 2011 by morgsatlarge
This post has moved. It is now hosted and maintained by the MIT Department of Nuclear Science and Engineering. Members of the NSE community have edited the original post and will be monitoring and posting comments, updates, and new information.

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alexqxp

第一个帖子本来是不担心，但是后来又起了变化，事情最后怎样还是未知。

zccbest

不管怎么说裂变式核反应还是不安全,什么时候实现可控核聚变

wgao

也来学习下

我是555

看看
谢谢楼主

newjosh

不管怎么说裂变式核反应还是不安全,什么时候实现可控核聚变
zccbest 发表于 2011-3-18 09:44

人类对于世界的认知总是有限的，任何技术都是有风险滴。这两年三大能源技术统统出现了比较严重的事故，可控核聚变。。。。。不可能没有风险。

wyc412721

学习一下，受益匪浅

tzhdacy

好文章，对于我们是应该沉思下