福岛核电究竟怎么回事？（三）

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接下来会试着去总结目前的主要事实。

福岛到底发生了什么？

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5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。QQQHU1AkRk5CA0xUCwsXAQs=
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，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。HAtVVwEhQkASBUxXXw4cVFs=
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。TAcCAARxRhwTVk0AXQkZUV0=
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。QVNRAVYjRhtOAkhUXVxNVAo=
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。GVACUwsiFx9FUB0HC10eAl0=
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。SAdRCAsjEEFDURlWCl4ZVQ0=
所以想象一下，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。GlFVBAdwSksTA0tQVlUfUF4=
这就是关于“辐射泄露”的报道开始的时刻。
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。GgMEAwt0FxhEBBpQXF8YB1g=
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。HgoEBAJxEhgTBk9TC19MUgg=
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。SgIDVFEmRhpHXh9SXlpPVQg=
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。SAYGU1ZwEE4WBRxaDVwfBV0=
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。TgBSAldyERgRVhxXVl4eBlw=
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。
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，这是一种“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。SlEBUgJ3R0ASUxkFVgwbBg8=
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。

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关键词：柴油发电机组 柴油发电机 放射性物质 福岛核电站 切尔诺贝利 核电 福岛

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