福島核災(zāi)初步調(diào)查

核燃料裂變釋放的能量產(chǎn)生水蒸氣發(fā)電，大約三分之一的能量轉(zhuǎn)為電能，其余三分之二轉(zhuǎn)為廢熱釋放到環(huán)境中。核裂變產(chǎn)生的輕核不穩(wěn)定，產(chǎn)生衰變。反應(yīng)堆運(yùn)行一段時間以后，約6.5%的功率由衰變熱貢獻(xiàn)。一臺百萬千瓦核電機(jī)組，熱功率300萬千瓦，其中廢熱功率200 萬千瓦，完全停堆以后，還有約20萬千瓦衰變熱功率需要排出。大部分裂變物壽命很短，衰變熱迅速減少，停堆10分鐘后大約降低到2％，1小時后1.5%，一天后 0.4%，一周后 0.2%［1］。這就是核電站的固有缺陷，永遠(yuǎn)需要強(qiáng)制散熱，否則衰變熱可能熔化堆芯。核燃料燃燒以后的乏燃料取出反應(yīng)堆一年后，每噸產(chǎn)生10千瓦衰變熱，十年后衰減到1千瓦［1］，需要一定的冷卻。福島核事故就發(fā)生在停堆冷卻的環(huán)節(jié)上。
核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)成負(fù)功率因子，反應(yīng)堆功率超過設(shè)計(jì)功率時，水中氣泡增多、密度下降等因素會導(dǎo)致慢中子數(shù)下降，從而降低裂變功率。不使用控制棒，反應(yīng)堆也不會超過設(shè)計(jì)功率運(yùn)行［1］，這是核電站的固有安全。核反應(yīng)堆絕對不會發(fā)生核爆炸，但是會出現(xiàn)各種各樣的常規(guī)爆炸情況，造成泄漏放射性物質(zhì)，引發(fā)核污染。核武器使用的核材料通常只有幾公斤到幾十公斤，而一個核電機(jī)組一年就需要幾十噸核燃料。一座反應(yīng)堆完全泄漏會造成極其嚴(yán)重的核污染，不過，民用核材料殺傷力非常小，不能和原子彈相提并論。切爾諾貝利核事故釋放的輻射能量相當(dāng)于200顆廣島原子彈，直接死亡28人，間接死亡最悲觀的估計(jì)是數(shù)百人，直接經(jīng)濟(jì)損失大約2000億美元。按照美國法律，發(fā)生核事故以后，核電運(yùn)營商承擔(dān)100億美元的損失，其余由政府承擔(dān)。桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室1982年做出過的最悲觀估計(jì)是，一次嚴(yán)重核事故可能造成3140億美元的損失［2］，根本無法承受。日本核能委員會會議初步估計(jì)福島核事故損失740億美元。實(shí)際損失有可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過。
福島第一核電站擁有6臺核電機(jī)組，都是美國GE公司設(shè)計(jì)的單循環(huán)沸水堆。1到5號機(jī)組Mark I型，6號機(jī)組Mark II型，1號堆型BWR-3，2到5號BWR-4，6號BWR-5。1號機(jī)組1971年3月投入商業(yè)運(yùn)行。根據(jù)日本原子力產(chǎn)業(yè)協(xié)會（Japan Atomic Industrial Forum）提供的數(shù)據(jù)，1號機(jī)組400件核燃料組件，2號機(jī)組548件，3號機(jī)組548件，4到6號機(jī)組停堆檢修，4號沒有核燃料，5號548件，6號764件。乏燃料組件取出將儲存在隨堆的乏燃料池，1號機(jī)組乏燃料池儲存292件乏燃料組件，2號機(jī)組587件，3號機(jī)組514件，4號機(jī)組1331件［3］，5號機(jī)組946件，6號機(jī)組876件。乏燃料停滿18個月后，運(yùn)送到乏燃料共同儲存池儲存，福島有6375件。
沸水反應(yīng)堆以輕水（普通水）作為冷卻劑和中子慢化劑，反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)內(nèi)壓強(qiáng)7.091Mpa，輕水280攝氏度沸騰，經(jīng)堆芯上方的汽水分離器和蒸汽干燥器直接送到汽輪機(jī)。蒸汽經(jīng)過冷凝器凝結(jié)為液態(tài)水，返回反應(yīng)堆，完成一次循環(huán)。沸水堆產(chǎn)生的蒸汽直接推動汽輪機(jī)，帶有放射性。沸水堆安全性略低于壓水堆，主要因?yàn)檎羝麕в蟹派湫裕黾有孤└怕省ark I型安全殼設(shè)計(jì)存有爭議，干井體積過小，美國80年代增加了彌補(bǔ)措施。反應(yīng)堆濕井儲存1000噸水，可以冷卻堆芯數(shù)天。利用反應(yīng)堆停堆以后的衰變熱生產(chǎn)蒸汽，推動緊急渦輪發(fā)電，驅(qū)動應(yīng)急泵將濕井里的水抽入堆芯降溫。
反應(yīng)堆設(shè)計(jì)都針對當(dāng)?shù)厍闆r，強(qiáng)化某些性能。日本多地震，抗震設(shè)計(jì)得到強(qiáng)化，福島第一核電廠1號機(jī)組能承受水平向峰值加速度為0.6g的地震［4］，3號0.45g，6號0.45g。此次地震最高0.56g，超出部分機(jī)組設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。伴隨地震的發(fā)生，電網(wǎng)破壞，失去廠外供電。福島成功的抗御了9級巨震，運(yùn)行中的3臺機(jī)組都自動安全停堆，應(yīng)急柴油機(jī)、應(yīng)急冷卻系統(tǒng)啟動。地震引發(fā)的海嘯高達(dá)14米，超過福島5.7米防御高程［4］，即使東電（Tepco）擬議中的強(qiáng)化安全措施也沒有預(yù)料到此等極端情況。13臺柴油發(fā)電機(jī)提供應(yīng)急用電，隨著海嘯的到來，地震發(fā)生后55分鐘，12臺柴油機(jī)停止運(yùn)行。
設(shè)計(jì)容量8小時的蓄電池接替柴油機(jī)，對儀控供電。汽輪機(jī)驅(qū)動的堆芯隔離冷卻系統(tǒng)投入運(yùn)行，但是需要蓄電池供電，并且要求濕井溫度低于100攝氏度。1號機(jī)組蓄電池當(dāng)天16時36分就放空了，3號機(jī)組蓄電池在13日2時44分放空，2號機(jī)組14日13時25分發(fā)生泵故障，三臺機(jī)組的堆芯隔離冷卻系統(tǒng)陸續(xù)失效。堆芯輕水持續(xù)受到衰變加熱沸騰，引發(fā)反應(yīng)堆壓力容器超壓，打開安全閥門卸壓到濕井，濕井失去冷卻，溫度很快超過100攝氏度，從而使抑壓池失去冷卻作用，導(dǎo)致安全殼超壓。安全殼設(shè)計(jì)壓力4個大氣壓，實(shí)際壓力達(dá)到8個大氣壓。1號機(jī)組12日4時安全殼卸壓，2號機(jī)組13日0時卸壓，3號機(jī)組13日8時41分卸壓［4］。
壓力容器里的燃料棒露出水面就持續(xù)升溫，露出50％急劇升溫。露出三分之二時，溫度900攝氏度，燃料包殼破損，釋放放射性物質(zhì)。露出四分之三時，溫度超過1200攝氏度，燃料包殼的鋯與水化學(xué)反應(yīng)，放出氫氣和熱量。氫氣先排放到安全殼，再排放到廠房內(nèi)。排放過程中有將氫燃燒掉的裝置，因?yàn)槭щ娛Я恕S房聚集大量氫氣，濃度一定時即發(fā)生爆炸。1公斤氫氣的爆炸能量是TNT炸藥的30倍，一個反應(yīng)堆能產(chǎn)生數(shù)百公斤氫氣［1］，一旦爆炸，威力驚人。
福島失去供電即進(jìn)入不可逆狀態(tài)，除非使用額外的強(qiáng)制冷卻措施和恢復(fù)供電，主要依靠恢復(fù)供電措施。13個小時以后，移動發(fā)電機(jī)抵達(dá)，因地下室配電設(shè)備被淹，改由新接電源供電。1號機(jī)組失去27小時冷卻，2號、3號機(jī)組7小時。12日15時36分，1號機(jī)組反應(yīng)堆廠房氫爆；14日11時01分，3號廠房發(fā)生氫爆；15日6時10分，2號廠房氫爆；15日12時，4號廠房氫爆［4］。
事故導(dǎo)致1號機(jī)組核燃料大部分受損，2號機(jī)組受損35％，3號機(jī)組受損30％［3］。
福島核事故的第一個教訓(xùn)是需要考慮極小概率事件產(chǎn)生的毀滅性打擊和反應(yīng)堆固有安全缺陷的聯(lián)動。反應(yīng)堆萬年一次事故率分?jǐn)偨o500座反應(yīng)堆，20年一次事故，目前世界上的反應(yīng)堆大約運(yùn)行2萬堆年，就有兩次七級事故，可見單個核電站的極小概率事件對核電整體而言，事故概率很高。
其次是躺著中槍的附帶風(fēng)險(xiǎn)考慮不周，氫爆不可避免的對周邊產(chǎn)生影響，嚴(yán)重時，破壞周邊設(shè)施的完整性。
再次是乏燃料池安全性沒有引起足夠的重視。4號機(jī)組乏燃料池存有大量乏燃料，需要一定的冷卻，因?yàn)槭ダ鋮s，產(chǎn)生毀損，釋放放射性物質(zhì)。
福島核災(zāi)的很多情況尚不清楚，有待日后詳細(xì)調(diào)查。

［1］雷奕安（北京大學(xué)物理學(xué)院），核安全與核能社會［J］，現(xiàn)代物理知識，2011（03）。
［2］崔磊，美國核能辯論現(xiàn)狀與政策趨向分析［J］，中外能源，2011（09）。
［3］伍浩松，福島第一核電站現(xiàn)狀［J］，國外核新聞，2011（06）。
［4］葉奇蓁（中國核工業(yè)集團(tuán)公司科技委），從“福島第一核電站事故”看我國核能利用的核安全［J］，物理2011（07）。

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