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麻省理工博士:為什麼我不擔心日本的核洩漏

http://www.chinareviewnews.com   2011-03-16 10:14:28  


 
  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後,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。實如此,所以操作員們只能退到“縱深防禦”中更進一層。這一切,無論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(壓力容器)能夠保持完整並盡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——壓力容器。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鬆閥門來釋放壓力容器內的壓力。此時壓力容器內的溫度是550攝氏度。

  這就是關於“輻射洩漏”的報道開始的時刻。我在上文中解釋了為什麼釋放壓力的同時實際上會釋放第二類放射性物質(主要是N-16和氬),及為什麼這樣做其實毫無危險。放射性氮元素和氬對於人類健康沒有威脅。

  就在旋鬆閥門的過程中,發生了爆炸。爆炸發生在第三層護罩外部,反應堆廠房內。反應堆廠房不具有隔絕放射性物質的功能。雖然目前並不清楚到底發生了什麼,但是這是一個很有可能的場景:操作員決定讓壓力容器內的蒸汽釋放到廠房內,而不是直接到廠房外部(這樣可以讓放射性元素有更長的時間用於衰變)。而問題在於,由於核心內的高溫,水分子會分解為氧和氫——一種易爆混合氣體,於是也確實在第三層護罩外爆炸了。歷史上也曾發生過一次類似的爆炸,不過是在壓力容器內(因為壓力容器沒有設計好並且操作失誤),進而導致了切爾諾貝利事件。而福島核電站不會有這樣的問題。氫氧混合氣體是在設計核電站時需要考慮的一個巨大問題,因此反應堆在建造時就考慮到了不能讓這樣的爆炸發生在護罩內部。如果在護罩外部爆炸了,雖然也不是設想中的狀況但是可以接受,因為即使爆炸了也不會對護罩產生影響。

  因此,在閥門被旋鬆時,壓力得以控制。而現在的問題時,如果水一直沸騰的話,那麼水位就會持續下降。核心大概被幾米深的水覆蓋,使得其能夠在空氣中暴露前堅持幾個小時或幾天。而一旦沒有水覆蓋,那麼暴露的燃料棒就會在45分鐘後達到其2200攝氏度的熔點。而這樣就會導致第一層護罩,燃料棒的鋯錫合金外殼融化。

  而這樣的事情正在開始發生。冷卻系統無法在燃料棒開始融化前恢復運轉,不過燃料棒中的核燃料此時依然是完好的,包裹燃料的鋯錫合金外殼已經開始融化。而目前正在發生的,就是一些銫和碘同位素開始隨著釋放出來的蒸汽,洩漏到反應堆外。最嚴重的問題——鈾燃料,目前依然是受控的,因為氧化鈾的熔點在 3000攝氏度。目前已經確認的是,檢測到有一部分銫和碘同位素隨著蒸汽洩漏到了大氣中。

  這似乎是一個啟動“B計劃”的信號。通過在大氣中檢測到的銫和碘同位素,操作員可以確認某一根燃料棒的外殼(第一層護罩)已經存在破損。“A計劃”在於恢復某個常規冷卻系統。為什麼這個計劃失敗目前並不清楚,而一種可能性是海嘯衝走或是污染了所有用於冷卻系統的純淨水。
 


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