福岛核电站到底发生了什么_3

时间:2016-08-20 16:43:09

日本福岛核电站为何爆炸,是核燃料爆炸么?这是每一个人都会关注的问题,在强大的核能面前,人们始终存有敬畏之心。日本当局却表示,爆炸是氢气爆炸,而非反应堆爆炸;从爆炸后的辐射量监测结果显示,核反应堆的安全壳损坏程度不大,中央控制室也没有遭到破坏。这种说法令人无法相信,是不是在隐瞒事实?是不是在推委搪塞?东亚各国公众无不焦虑。

这次日本核事故是在一连串灾害的打击下引发的。核反应堆的一个特点是在停堆后仍需要对堆芯进行冷却,因为核燃料有自衰变余热,虽然比人控裂变产生的热量小的多,但是如果长时间得不到冷却,也会使得堆芯达到上千度的温度,导致核燃料棒融化,然后是烧穿外层保护的钢壳、混凝土结构等,造成核泄漏。

而在反应堆停堆的情况下,余热冷却系统的泵所需的电力就需要从外部输入。一般情况会准备多路外电网输入,同时每台机组一般有2台应急柴油发电机供电,而且同一电厂内的其他机组的应急柴油发电机也可以互相备用。

但在这次强烈地震后,日本福岛第一核电厂的外电网全部瘫痪了,自身的应急柴油发电机在运行一小时后,也因为海啸的袭击而全部丧失,这就导致失去所有外部电源供应,堆芯失去强迫冷却手段。[]

祸不单行,核燃料棒的包壳中有一种叫锆的金属元素。用核动力发电,每一百万千瓦的发电能力,一年就要消耗掉20到25吨金属锆。它具有低的热中子吸收截面,作为核燃料包壳和结构材料,它处在核反应堆核能裂变反应、核能转换成热能的释发部位,又是防止反应堆放射性裂变产物向外逸出的首道屏障。

但问题是,锆在高温下,会与水蒸汽产生剧烈的化学反应,锆将水分解为氢和氧,于是产生了大量的氢气,同时伴随着放热。这种反应通常会发生在压水堆丧失冷却事故的后期阶段,核燃料元件棒束未被冷却液浸没而处于裸露状态,就产生了锆水反应。但反应堆都会设计和安装排氢系统,以避免爆炸的产生。

日本反应堆的排氢系统已经没有能源供应或已经在地震中损毁,所以没有正常工作,于是最终引发了这场悲剧。当然,也有些观点认为是核电站汽轮机氢冷系统(大型电机空冷或水冷都不能满足需求,只能用氢冷)泄露。不过那些氢气的量较少,且远离核反应堆,对此说我们暂且存疑。[]

在地震后,日本有关方面12日努力恢复电源并派出了自卫队的核生化武器应对部队,向反应堆内输送了大量的冷却水。特别是当地时间15时20分,为加快冷却效果,日本政府下令自卫队再加大投入,从附近各地水源地取水输送到核电站现场。

但据凤凰嘉宾叶千荣的报告,正是往反应堆内加注冷却水的时候,在当地时间16时53分左右,突然发生了爆炸。很可能就正是输送大量冷却水的行为,导致了锆水反应的产生。日本在抢救时没有料到核燃料元件棒束已经处于裸露状态,输送大量冷却水产生了氢气,引发了爆炸。剧烈的混合可燃气体爆炸,炸开了核电站反应堆厂房。[]

既然福岛核电站已经爆炸,那么会造成多大程度的核泄漏?会重演切尔诺贝利么?要了解这一点,需要探究不同核电站的结构。

切尔诺贝利核电站事故是这样的一系列过程,首先是操作人员严重违反操作规程,切断了反应堆保护系统;反应堆长期强行在低功率下运行,处于不稳定状态;然后突然功率失控几秒钟内上升了几百倍;燃料包壳因过热而爆裂;导致蒸汽爆炸和压力管全部断裂;结果引起锆水反应和石墨燃烧。

切尔诺贝利的核反应堆作为最老式的核反应堆,没有设置坚固的安全壳,因而强放射性物质立刻扩散到环境和大气中。

切尔诺贝利核电站重大悲剧的来源是——他是苏联极为老旧的石墨堆叠式反应堆,既没有内层的压力安全钢壳,更没有外层的厚重的混凝土安全壳。一发生爆炸,不但核燃料立即泄露,而且石墨粉尘在火光中扶摇直上九云霄,污染了大半个欧洲。[]

美国三里岛核电厂二号堆于1979年3月28日发生的堆芯失水而熔化和放射性物质外逸的事故。这次事故是由于工人检修后未将冷却系统的一个阀门打开,致使二回路的水断流,当堆内温度和压力在此情况下升高后,反应堆就自动停堆,同时应急堆芯冷却系统自动投入。

但操作人员却判断错误,反而关闭了应急冷却系统。这一系列的管理和操作上的失误与设备上的故障交织在一起,使一次小的故障急剧扩大,造成严重事故。铀燃料虽然没有熔化,但有60%的铀棒受到损坏,反应堆最终瘫痪。

但在这次事故中,主要的工程安全设施都自动投入,同时由于反应堆有几道安全屏障(燃料包壳,一回路压力边界和安全壳等),因而无一伤亡,在事故现场,只有3人受到了略高于半年的容许剂量的照射。泄露的少量蒸汽,也不会对环境和周边居民造成实质影响。虽然三里岛事故早于切尔诺贝利,但三里岛的反应堆比切尔诺贝利先进得多,也正是目前普遍应用的压水堆。[]

日本当局加派自卫队核生化应急处理部队到现场,并将核电站的疏散距离从10公里扩大到20公里。倒塌破损的核电站反应堆厂房,震撼了东亚地区的公众,这是否又是一次切尔诺贝利呢?它会造成东亚的核事故危机么?

这次核电站爆炸的新闻报道和评述中出现了很多值得一提的错误,如不少核专家在看到厂房被炸开之后,忧心忡忡地说,完蛋了,切尔诺贝利又重演了。很多有科学素养的公众,也按照惯常的经验,特别是切尔诺贝利经验,日本故障核反应堆最关键的最后一道防线已经在爆炸中损毁,放射性物质已经直接与环境相接触。而且反应堆堆芯很大程度上已经融毁。感觉到严重的、真正的核泄漏事故已经发生,感到异常恐慌、忧心忡忡。

不过,按日本政府公布的消息,核反应堆安全壳尚完好。这其中有什么区别么?

原来,中国大陆的反应堆都是新式的压水堆,这种安全措施相对较老的沸水堆其实中国也不是没有——在海峡对岸的台湾。在安全措施上,压水堆的安全壳是厚实的圆穹顶混凝土耐压围壳,这是公众习惯的核电站反应堆结构形状。

而日本福岛沸水堆的设计建造年代较早,按当时的安全认识和要求,安全壳只是一个相对较小的、安置在非耐压厂房内的钢壳而已。不少专研压水堆的专家对此也并不熟悉。

而此次氢气爆炸,发生在安全钢壳和厂房之间,摧毁了非耐压的厂房外壳。所以看上去很像切尔诺贝利。不过,切尔诺贝利是既无外安全壳,也无内安全壳,福岛沸水堆所幸还有内安全壳,这也就是此次核事故有惊胆至今还无险的原因。顺便说一句,很多媒体所制作、引用的示意图,都把压水堆和沸水堆的结构图给搞错了。[]

在放射医学和人体辐射防护中,辐射剂量的单位有多种衡量模式和计量单位。较为完整的衡量模式是“当量剂量”,是反映各种射线或粒子被吸收后引起的生物效应强弱的辐射量。其国际标准单位是希沃特,记作Sv。定义是每公斤(千克、kg)人体组织吸收1焦耳(J),为1希沃特。

希沃特是个非常大的单位,因此通常使用毫希沃特(mSv),1mSv=0.001Sv。此外还有微希沃特(μSv),1μSv=0.001mSv。福岛核电站泄漏,在最严重的12日下午,监测到的数据是每小时1015μSv,即1.015mSv。这约相当于每个人半年内接受的天然辐射,10次X光检查接受的辐射。

这些微量核辐射,主要是在释放水蒸气过程中所带出的,恰与爆炸并无关连,这也说明爆炸并为伤及核心密闭结构。不过在新闻传播的过程中,不知为何搞错了单位,微希被报道成毫希,1小时1000毫希已经是轻微辐射病剂量,因而引发了一定程度的恐慌。[]

实际上,此次失事的日本核电站是60年代设计、1971年建成的老式核电站,其安全理念和防护措施介于切尔诺贝利和中国核电站的压水堆之间。由于缺乏外部厚实安全壳,只有内部钢安全壳。让其在极端情况下的安全防护措施仍存在一定问题。而且选址、备用电源等设计也欠缺妥善的考虑。

中国最早的核电站浙江秦山核电站和广东大亚湾核电站也是引进80年代的法国压水堆技术,既有内部钢密闭安全壳,也有外部混凝土防爆安全壳。构成了这种中国公众熟悉的核电站形象。

安全壳是坚固的90厘米厚混凝土外墙,安全壳里面衬有防辐射金属材料,是核反应堆的最后一道防线,也是最重要的安全保障措施。切尔诺贝利核电站就是安全壳结构缺失的最佳反例。

即使在最坏的情况下,压水堆核电站的反应堆机组核燃料棒融化,彻底损毁。密闭的反应堆安全壳也能把绝大部分的放射性物质都控制起来。对周围环境和人员也基本没有任何影响。这种事故已经有发生的实例,那就是美国三里岛核电站事故,对周边的居民辐射量仅相当于一次X光拍片。[]

从安全角度(仅从安全角度,非其他角度),切尔诺贝利可算作第一代核电站——石墨反应堆,既无内安全壳,更无外安全壳;福岛可算第二代核电站,有内安全壳,但无外安全壳。中国大陆现有和在建的核电站可算作第三代核电站,内外安全壳兼有,可以说,这一代核电站,才是足够安全的核电站。(这种说法不够严谨科学,但比较通俗易懂,可以暂且这么分类。)

总体来说,中国现有和在建核电站还是足够安全的,在各种事故条件下,能够保证将核物质封闭在一回路里,封闭在耐压容器里,封闭在混凝土安全壳里。

而且,目前中国已经引进了最先进的新一代核电站Ap1000并实现国产化,这一代核电站的安全理念使用了被动安全的概念。例如在停堆散热的问题上,在反应堆顶部就建有一个数千吨的硼酸水箱了;一旦发生像福岛这样备用电源全部丧失的极端事故,仍可让可终止核反应的硼酸水直接倾斜而下,浸没核燃料棒,实现停止核反应的降温目的。而其他的更先进、更安全的核电站种类,世界各国也在不断探索和研制。

这一次日本40年前建造的、濒临退役的老式核电站事故,并非说明核电站越来越不安全,而是从另一个反面说明了,核电站将会更加安全。[]

简而言之,这次失事的日本核电站是老旧的、濒临退役的、安全理念不够完善的核电站,目前世界上商业主流运营的、带有加厚防护外安全壳的核电站已解决了事故时最基本的安全性问题。这背后是切尔诺贝利和三里岛,以及世界上众多核事故血的教训和经验总结,就如同每一次空难调查和反思都会使我们的民航客机更加安全一样——人类就是这样在曲折中付出代价,从而不断进步的。