讴歌cdx评测视频胖哥:3.15更新版为什么我不担心日本的核电站

来源:百度文库 编辑:九乡新闻网 时间:2024/03/29 07:13:35
原作:Josef OehmenMITNSE更新版
V2EX译者:Livid
更新版译者:Ent、果壳网
福岛核电站的构造
福岛核电站的反应堆属于“沸水反应堆”(Boiling Water Reactors),缩写 BWR。沸水反应堆靠沸水来发电。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,蒸汽冷却后再次回到液态,之后再把这些水送回核燃料处进行加热。反应堆的温度大约是285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2800℃的陶瓷体。燃料被制作成小圆球(直径1cm高1cm的小圆柱)。这些小圆柱被放入一个用失效温度1200℃(会被水自我催化氧化)的锆锡合金制成的长管,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,然后数百个燃料单元就组成了一个核反应堆堆芯(core)。
固体燃料小颗粒(一个氧化陶瓷基)是第一层屏障,用来限制放射性裂变反应中产生的放射性裂变产物。锆锡合金是第二层屏障,来隔绝放射性燃料与反应堆的其他部分。
之后反应核心被放到压力仓中。压力仓是个很厚的钢铁容器,工作压力大约是7MPa(约1000磅/平方英寸),设计时考虑了事故的可能,能够承受事故造成的高压。压力仓是防止核泄漏的第三道屏障。
核反应堆的整个主回路(包括压力仓、管道、泵、冷却水)装在安全壳中,它是防止核泄漏的第四道屏障。安全壳由钢铁和混凝土制成,极厚而且完全密封。它存在的目的只有一个:当反应核心熔融时,无条件将其控制在安全壳内部。为了这个目的,安全壳四周也有巨大厚重的混凝土结构,它叫做外壳安全壳。
安全壳和外壳安全壳都位于反应堆厂房中。厂房是为反应堆遮风挡雨的外壳。(厂房是在爆炸中毁坏的部分,后面还会详细解释。)
 福岛第一核电站一号机确实是通用电气的Mark I型沸水堆。新闻里露出钢筋的部分是最外部的厂房,里面的安全壳应该没事。——@铁公鸡zq
核反应的基本原理
铀燃料被中子诱导发生核裂变,从而产生热量。铀原子裂变为两个轻原子(也就是裂变产物)。这个过程会产生热量和更多的中子(中子是构成原子的微粒之一)。当一个中子击中了另一个铀原子时,铀原子会分裂,产生更多的中子,这样无限进行下去,也就是链式核反应。在正常的全功率工作状态下,一个反应核心的中子总数是恒定的,反应堆处在一种临界状态。
值得一提的是,反应堆中的核燃料绝不会引起像原子弹那样的爆炸。切尔诺贝利爆炸的危害来自过大的压力累积以及氢气爆炸,破坏了所有保护结构,融化的核心物质被抛洒到环境中。注意切尔诺贝利根本没有安全壳一类的环境屏障。日本绝不会发生切尔诺贝利那样的事故,后面还会详细解释。
为了控制链式核反应,反应堆操作者会用到控制棒。控制棒由硼制成,能够吸收中子。在沸水反应堆的正常运转中,控制棒用于保持链式反应的临界状态。控制棒也会用在反应堆的关闭过程中,将其功率从100%降到7%。
余热是由裂变产物的放射性衰变产生的。放射性衰变是裂变产物以微粒形式(α、β、γ、中子等)释放能量从而使自身达到稳态的过程。反应堆中会产生多种裂变产物,包括铯和碘。余热在反应堆关闭后会逐渐消失,但仍需要冷却系统来消除余热,防止燃料棒过热造成屏障失效、核物质泄漏。保持足够的冷却能力来消除反应堆的余热,是目前日本反应堆所面临的最大挑战。
很重要的一点是,许多裂变产物衰变得非常快,还没等你说完“放射性核物质”这个词,它们就会变得全然无害。另外一些裂变产物衰变得相对较慢,例如铯、碘、锶、氩。
福岛到底发生了什么(截止3.12,此后的更新见文末)


接下来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数倍(震级之间的放大倍数是对数关系,所以同样条件下 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)。
当地震冲击核电站时,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 7% 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严重故障之一,称为“全厂断电”。设计反应堆和它的备用系统时考虑到了这种可能性,因此核电站有备用电力系统,以维持冷却泵的运转。另外,由于反应堆已关闭,核电站本身不能产生任何电力。
地震发生后的第一小时,多组紧急备用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,淹没了所有的柴油发电机组,导致它们失灵了。
在设计核电站时,一个基本原则是“纵深防御”。这意味着工程师需要设计一座能够抵御严重灾害的厂房,就算好几个系统都失效了依然不能出问题。一场摧毁所有柴油发电机的海啸就是这样的场景,但3月11日的海啸的严重程度超过了所有的预料。为了应付这样的事件,工程师们设计了一道额外防线:把所有的结构放进一个安全壳(如前所述),这个壳的设计思路就是把一切牢固地关在里面。
当海啸袭来,柴油发电机组失灵后,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。
8小时后,电池用尽,残热无法再被带走。这时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。这一切,无论在我们看起来多么让人震惊,但却是反应堆操作员的培训的一部分。
于是在这个时候外界开始谈论可能发生的堆芯熔化。因为到了最后,如果冷却系统无法恢复,核心几天之后迟早会融化,可能会被包裹在安全壳中。注意,“熔化”这个词的定义很是模糊。如果要形容燃料棒外面的锆合金屏障出现问题的话,“燃料故障”是个更好的词。锆合金会先于核燃料而融化,这一现象有很多可能的原因——压力太大,氧化剂太多,温度太高,等等。
但是,熔化还要一段时间才会发生。现在当务之急是在堆芯持续升温时将之控制住,并确保燃料棒的锆锡合金外壳完整,尽可能起作用的时间更长一点。
既然让堆芯冷却是最重要的事情,因此反应堆内实际上有多个独立的冷却系统(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,备用液体冷系统,等等;这一切组成了紧急核心冷却系统)。而究竟哪一个失效了或是没有失效,在此时无法得知。
损失了能源,操作者就失去了大部分的冷却能力,只能有什么用什么,尽可能导走热量。但热的产生速度依然比散热速度快,因此越来越多的水沸腾成蒸气,内部压强也开始上升。目前优先要做的是保持温度低于1200℃以保证燃料棒合金外壳的完整,并维持系统压力不要太高。但要确保压力不太高,必须时不时把水蒸气和堆内的其它气体释放出来。一旦发生事故时,保证压力不超限是很重要的,所以反应堆压力室和安全壳都设计有好几个减压阀。
就像之前提到的那样,蒸汽和其它气体会被排走。一些气体是放射性裂变产物,但量很小。因此,当反应堆操作者开始为系统排气时,一些放射性气体会在严密控制下被释放到环境中(气体量很小,会经过过滤和洗涤)。尽管一些气体有放射性,但它们不会对公众安全造成威胁,即便对反应堆的工作人员也是这样。这个操作程序是合理的,因为比起不排气可能造成的危险,它的造成的影响很轻。
与此同时,移动式发电机被运送到反应堆附近,恢复了一部分供电能力。然而,沸腾和排气所消耗水的速度大于向反应堆中加水的速度,因此冷却系统的冷却能力降低了。在某些排气过程中,水位会降低到燃料棒顶端以下。无论如何,一些燃料棒的覆层温度会上升到1200℃以上,从而在锆合金和水之间引发化学反应。这种氧化反应会产生氢气,它与蒸汽混合一同被排出。这个反应在人们预料之中,但产生的氢气总量是未知的,因为操作员不知道燃料棒的具体温度,也不知道水位到底多高。由于氢气高度易燃,当足够多的氢气与空气混合时,它会与氧气反应。如果氢气的量够多,反应会迅速进行,产生爆炸。有时候在排气的过程中,安全壳内部也会积聚足够的氢气(而安全壳内部没有空气),因此一旦开始排气,氢气接触到空气就会发生爆炸。这种爆炸发生在安全壳之外、厂房之内(而厂房没有保障功能)。注意3号机组也发生了类似的爆炸。这次爆炸毁坏了厂房的屋顶和一部分墙壁,但没有破坏到安全壳或压力仓。虽说这是个意料之外的状况,但它发生在安全壳之外,没有对核电站的安全结构造成威胁。
由于一些燃料棒覆层温度超过了1200℃,这种破坏已经发生了。核物质本身毫发无损,但包裹它的锆合金外壳开始失去保护功能。目前,一些放射性裂变产物(铯、碘之类)开始与水和蒸汽混合。有报道说在蒸汽中已经监测到了小部分铯和碘,它们被排放到了大气中。
由于反应堆的冷却能力有限,而反应堆中的总水量一直在下降,因此工程师决定注入海水(其中混合了中子吸收剂硼酸)以保证燃料棒仍浸没在水中。尽管反应堆已经关闭,但以防万一仍需加入硼酸,保持反应堆的关闭状态。硼酸也能困住一部分水中的碘,防止它逃逸,但这不是硼酸的本职工作。
冷却系统中所用的水是经过纯化和脱矿的水。使用纯水的目的是在反应堆正常运转时减小冷却系统的腐蚀。注入海水之后需要花更多时间清洗设备,但目前可以起到救急的作用。
这个过程会把燃料棒的温度降低到无害级别。由于反应堆早已关闭,余热已经减小,因此核电站内部压力已经保持稳定,无需继续排气。
更新 – 美国东部时间3月14日晚8:15
根据东京电力公司新闻稿,1号和3号机组目前处于稳定状态,但燃料损伤程度仍是未知。也就是说,在当地时间3月14日下午2:30,福岛核电站的辐射水平已经降到了231微西弗。
更新 – 美国东部时间3月14日晚10:55
2号机组的事故细节还不确定。文章中有关2号机组的部分增加了一些最新信息。辐射水平增加了,但增加到何种程度还是未知。
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/
本文已发表于果壳网:【地震特辑】为什么不用担心日本的核电站