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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  


 
  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。

  用於冷卻系統的給水是非常純淨的,去除了所有礦物質的水。使用純淨水的原因在於:純淨水很大程度上不會被激活,因此可以保持相對無輻射。而如果是臟水,那麼更容易捕獲中子,進而變得更加具有放射性。這不會影響到核心——因為核心不會被冷卻水影響。但是會使得操作員更難處理這些具有輕度放射性的活化水。

  但是“A計劃”失敗了——系統無法冷卻,並且也沒有額外的純淨水。因此“B計劃”被啟動。而這就是目前正在發生的:

  為了避免核心融化,操作員開始使用海水來冷卻核心。我不是十分清楚,他們是用海水浸泡住壓力容器(第二層護罩),還是淹住反應堆外殼(第三層護罩)。不過這個不是我們現在要討論的。

  要點在於核燃料現在確實已經冷卻下來了。因為鏈式反應早就已經停止,所以目前只有非常少量的餘熱在產生。已經使用了的大量冷卻水可以帶走這些餘熱。因為是注入了大量的水,所以目前核心已經無法再產生足夠的熱量去大幅度提升壓力。並且,海水中加入了硼酸。硼酸是一種“液體控制棒”。無論發生什麼樣的衰變,硼都可以捕獲產生的中子並進一步加速核心的冷卻。

  福島核電站曾經十分接近核心融化。但是,目前最壞的情況已被避免:如果沒有將海水注入,那麼操作員就只能繼續旋鬆閥門以釋放壓力。第三層護罩必須完全密封,以避免其中發生的核心融化洩漏出任何的放射性物質,然後會經過一段等待期,等待護罩內的裂變副產品完成衰變,所有的放射性粒子會附著在護罩內壁。冷卻系統最終會被恢復,融化的核心也會冷卻至一個可控的溫度。護罩內部會被清理。然後需要做一項棘手肮臟的事情——將融化了核心移出,將凝固了的燃料棒及燃料一塊一塊地裝入運輸裝置,運送到核廢料處理廠進行處理。根據損壞狀況,核電站的這塊區域需要進行修理或是徹底拆除。

  ◆ 核電站會回到安全狀態並始終安全。

  ◆ 日本處於第4級別INES核緊急狀態:核電站內事故。這對於擁有電站的公司是件糟糕事情,對其他人來說沒什麼影響。

  ◆ 在釋放壓力時釋放了一些放射性物質。包括非常小劑量的銫和碘同位素。如果在釋放時你正好坐在出口上,那麼你可能需要考慮戒煙使得你的期望壽命值回歸從前。這些銫和碘同位素會被帶入海水,然後就不會再檢測得到。

  ◆ 第一層護罩出現了一些損壞,意味著一定數量的銫和碘同位素也被釋放到了冷卻水中,但是不會有鈾或是其他什麼臟東西(因為氧化鈾不溶於水)。在第三層護罩內有用於淨化水的裝置,這些具有放射性的銫和碘同位素會在那裡被去除並且存儲為核廢料。

  ◆ 用於冷卻的海水會在一定程度上被活化。但是因為控制棒已經完全插入,所以鏈式反應是不會發生的。這就意味著“主要的”核反應沒有發生,因此也就不會加劇海水的活化。鏈式反應過程的副產物(銫和碘同位素)在這個階段也基本上消失殆盡。這進一步減輕了海水的活化。因此最壞情況就是:用於冷卻的海水中會具有一定程度的放射性,但是這些海水也同樣會經由內部淨化裝置進行處理。

  ◆ 最終會用正常的冷卻水取代海水。

  ◆ 反應堆核心會需要進行拆除並運到處理廠,就像通常的燃料更換一樣。

  ◆ 燃料棒和整個核電站需要進行徹底安全檢查,以避免潛在的危險。這通常需要4到5年。

  ◆ 全日本的核電站的安全防護會進行升級,以確保它們可以抵抗住9級地震及隨之而來的海嘯(甚至更糟糕的情況)。

  ◆ 我認為更顯著的問題是隨後的全國供電。日本的55座反應堆中的11座已經全部關閉並等待進行檢查,這直接減少全國20%的核電電力,而全國30%的電力靠核電供應。我目前還沒有去考慮日本國內其他核電站可能發生的事故。短缺的電力需要依靠天然氣發電站供應,而這些電站通常只是在供電高峰時用於應急。我不是十分清楚日本國內的石油、天然氣和煤礦的能源供應鏈,及港口、煉油廠、存儲及運輸網絡在此次地震中遭受了怎樣的損失。這些都會導致電費增加,及用電高峰和重建時的電力短缺。

  ◆ 而這一切只是更大的問題的一部分。災後應急需要解決避難所,飲用水、食物、醫療、運輸、通訊設施等一系列問題,當然也包括電力供應。在一個供應鏈傾斜的時代,所有的這些領域中我們都會遇到挑戰。


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