通俗地推論日本核泄漏事故的發(fā)展及影響.doc

通俗地推論日本核泄漏事故的發(fā)展及影響首先根據(jù)切爾若貝利核電站事故的經(jīng)驗，在全世界范圍內(nèi)來說，一個地點的核電站即便出現(xiàn)超大劑量的核物質(zhì)泄露，對幾千公里公里以外的人的生理影響是極為有限的，所以對核泄漏事件不用恐慌。現(xiàn)在說正題。現(xiàn)在人類投入商業(yè)使用的核反應(yīng)堆統(tǒng)統(tǒng)都是裂變堆，以放射性重元素物質(zhì)鈾，钚，釷為核燃料，這些核燃料都是對人體有強烈危害，并可以致人死亡的。裂變堆按照慢化劑分類，又可以分為輕水堆，重水堆和石墨堆。輕水就是普通水。輕水堆又可以分為沸水堆和壓水堆。沸水堆只有一個循環(huán)回路，簡單說就是核燃料發(fā)熱后，純凈水被注入反應(yīng)爐，被加熱以后變?yōu)檎羝?，隨后通過管道推動汽輪機轉(zhuǎn)動，帶動發(fā)電機發(fā)電。沸水堆中的壓力大約在70個大氣壓左右。 圖1，沸水堆圖解壓水堆則有兩個循環(huán)回路，核燃料首先加熱第一回路中的冷卻劑，隨后冷卻劑通過第一回路和第二回路之間的熱交換器，把能量傳給第二回路。第一回路的冷卻劑隨后又回到反應(yīng)爐中進行下一個循環(huán)。第二回路中的水在熱交換器中被加熱變成蒸汽以后，推動汽輪機轉(zhuǎn)動繼而帶動發(fā)電機發(fā)電。壓水堆的第一個回路中的壓力在120-160個大氣壓左右，壓力大概比沸水堆高一倍，以防沸騰。大概“壓水”這個名字就是這樣來的吧。從結(jié)構(gòu)上看，沸水堆少一個回路，結(jié)構(gòu)上要簡單一半，而且省去了容易出問題的熱交換器，經(jīng)濟效率也不錯。體積小，效率高，造價低，看起來真是輕水堆的不二人選。但是實際上，這玩意兒有點不安全。怎么不安全？這東西的反應(yīng)爐出口直接通向了汽輪機，在核燃料中被加熱，帶上了核輻射的水，奔著汽輪機就去了。一旦某個環(huán)節(jié)密封不好，比如汽輪機上的各種軸承閥門出了點小紕漏，泄露出來的蒸汽那都是有危險的。所以為了保險起見，還專門安裝了更復(fù)雜的密封設(shè)備。偏偏這次出事故的福島第一核電站的一號和二號幾組，都是沸水堆。上次沸水堆出名，還是切爾若貝利核電站的時候。但是不同的地方是，切爾若貝利核電站使用的是蘇聯(lián)特有的石墨沸水堆，石墨做慢化劑，水做冷卻劑。一個回路就直接把熱能帶出來。回到正題上來。重點是在今天福島核電站爆炸這事上。日本政府對爆炸這事遮遮掩掩的，半天沒說清楚爆炸的原因和位置，也就激發(fā)了我的好奇心，根據(jù)新聞里的只言片語，做了一次推理。最先看到的新聞是這條：“東京電力公司3月12日說，當(dāng)天下午福島第一核電站1號機組內(nèi)傳出爆炸聲并冒出白煙，事故導(dǎo)致4人受傷，初步認定為冷卻用氫氣爆炸。”好，正常情況下，一個核電站的什么地方需要用到氫氣冷卻呢？我上面已經(jīng)說了，沸水堆在原理上，是用水來冷卻反應(yīng)爐的，所以肯定不是在核反應(yīng)堆上。不用在核反應(yīng)堆上，那還有哪里需要冷卻呢？答案是汽輪機。由于汽輪機的工作轉(zhuǎn)速很高，在3000轉(zhuǎn)每分鐘左右，因此葉片不能設(shè)計的太長，不然離心力吃不消，所以汽輪機的軸就設(shè)計的很長，多放幾個葉盤，以便讓蒸汽多做一點功。因為軸太長轉(zhuǎn)速又高了，所以中間的那部分散熱就不太容易。有人一拍腦袋，設(shè)計了中空的軸，里面通氫氣冷卻。用氫氣的原因是，這種氣體質(zhì)量小，導(dǎo)熱率高，又省錢又高效。唯一的缺點就是，不安全。怎么又不安全了？因為氫氣只要混入空氣中，濃度達到4%，就可以發(fā)生爆炸。最有名的氫氣爆炸，是1937年的興登堡號飛艇爆炸事故，當(dāng)時就死了36個人?；瘜W(xué)實驗室里也偶爾做氫氣爆炸實驗，它的熱值很高，高達40200千卡/公斤(脂肪的熱量才只有約9000千卡/公斤)，所以一點氫氣炸起來就驚天動地。而這次的爆炸規(guī)模大家也看到了。如果真的如新聞里所說氫氣爆炸，那么汽輪機和發(fā)電機部分應(yīng)該已經(jīng)被炸成零件狀態(tài)了。有人說怎么不用安全的氦氣，這里要說明，因為氫氣比氦氣便宜，商業(yè)上是需要考慮成本的。危險的不僅是氫氣爆炸，而更嚴(yán)重的是，這個沸水堆只有一個回路，核反應(yīng)堆跟汽輪機是直接通過管道連通的。也就是說，那一炸，核泄漏就是必然的了，問題之在于，泄露了多少。這個我也只能估計了。水蒸氣能攜帶的核輻射有限，而且很快就在大氣層里稀釋了，沒多大危險。而新聞里說，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，反應(yīng)堆就馬上停機，一個小時以后，海嘯才摧毀了備用電源，就是說這段時間里，汽輪機里可能已經(jīng)沒有多少水蒸氣了。但是，天知道那一炸的時候，有沒有核燃料從管道里被沖擊波擠出來然后擴散開去。日本政府不說，我也只能靠還沒被限制的新聞數(shù)據(jù)里猜了。新浪新聞?wù)f：“該核電站正門附近的輻射量達到正常值70倍以上，1號機組的中央控制室則已升至約1000倍”。從我手上的一些輻射數(shù)據(jù)推算，核電站工作人員每年遭受核輻射的劑量是1.12mSv，1000倍的話就是1120mSv每年，核電廠大門外則是78.4mSv每年。而職業(yè)接受劑量的上限是50mSv每年，公眾為5mSv每年。也就是說，這玩意兒嚴(yán)重超標(biāo)了。炸個相連的汽輪機就超標(biāo)到這個份上？有可能，因為這個堆是70年代建成的老堆了，汽輪機和管道上沾染的的核輻射應(yīng)該積了不少。這一炸，什么陳年老窖都炸出來了，也就包括這積累在機器上的核輻射。不過這種核輻射是不用太擔(dān)心的，這屬于沾染式污染。我記得沒錯的話，英國的核處理工廠是把這些東西打包深埋就行了。它不是持久、高劑量的放射性污染源。只是過了沒多久，我又看到一條新的新聞：“事故原因是反應(yīng)堆堆芯產(chǎn)生的水蒸氣外泄至容器外，產(chǎn)生的氫氣和建筑物內(nèi)的氧氣發(fā)生劇烈反應(yīng)，導(dǎo)致爆炸。而不是東京電力公司說明的那樣，是由于冷卻用氫氣產(chǎn)生的爆炸?！笨吹竭@條，我頭一下就大了。第一反應(yīng)是：反應(yīng)爐里面產(chǎn)生的氫漏出來炸了，沒準(zhǔn)連爐子一塊炸飛了。以我淺薄的化學(xué)見識，核反應(yīng)爐里產(chǎn)生氫氣，有兩個可能，要么是1000度以上的高溫直接把水分子裂解成了氫原子和氧原子，隨后形成了氫氣和氧氣，要么是核燃料包殼里的金屬鋯被水蒸氣氧化，水則釋放出了氫氣。哪一個是合乎這次情況的我不知道，可能兩個都是對的，但是更偏向后一種。猜測水被直接裂解的原因是,我看到有新聞?wù)f堆芯部分融化。堆芯的外殼一般是可以耐1200度高溫的材料做成，而堆芯本身，需要2600度才能整個融掉。不管怎么樣，也超過了1000度了。但是鋯氫反應(yīng)的可能性更高，因為實現(xiàn)起來應(yīng)該會更容易。 后來我仔細又讀了一遍新聞，感覺還有另外一種可能，就是反應(yīng)爐中排出的高溫水蒸氣遇到了鋼板做的安全殼或者管道或者支架，水和鐵在高溫下，能夠生成氫氣。隨后氫氣在密封的廠房里聚集并爆炸。這樣推理的話，就符合新聞中所說的“堆芯產(chǎn)生的水蒸氣外泄至容器外，產(chǎn)生的氫氣和建筑物內(nèi)的氧氣發(fā)生劇烈反應(yīng)”。當(dāng)然這也是我的猜測?，F(xiàn)場我沒去過，有什么條件我也不知道。但是如果爆炸的原因是這樣的話，參考新聞圖像里的爆炸威力，我認為，安全殼（如果這個老電廠有的話）應(yīng)該已經(jīng)裂了。按標(biāo)準(zhǔn)，安全殼可以承受7個大氣壓的壓力（內(nèi)抗壓），而氫氣爆炸，視濃度不同，可以產(chǎn)生大于此的壓力。也就是說，整個核反應(yīng)堆的內(nèi)膽（姑且這么叫吧），可能已經(jīng)直接暴露在外面了。日本人說反應(yīng)容器還沒破，但是一旦遇到第二次爆炸或者其它外力影響，就可能使得脆弱的核燃料無法停止核裂變反應(yīng)，進而融毀堆芯。這就比我前面推測的汽輪機爆炸而產(chǎn)生的核泄漏，嚴(yán)重得多。遇到這種情況，作為當(dāng)?shù)氐钠胀ㄈ藖碚f，還是趕緊逃命要緊，朝反方向，跑得越遠越好。說不好，這就是切爾若貝利第二啊。之后聽說第二次爆炸已經(jīng)發(fā)生，在中文的網(wǎng)站上找了的新聞，但是在BBC和日本的網(wǎng)站上暫時還沒有看到相關(guān)消息，所以我不置可否。如果第二次爆炸真的發(fā)生，并且原因又是反應(yīng)堆附近的氫氣爆炸，可能就會使得終止堆芯鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的操作嚴(yán)重推遲甚至無法進行。根據(jù)其他人的理論推測，融化的堆芯最后會穿透反應(yīng)爐，落在核電站的最底層。只要熔融物出來了，泄露的劑量就會達到災(zāi)難性的程度。處理方法只能跟切爾若貝利事故一樣，空投硼砂和水泥，封堆，并宣布20公里的無人區(qū)。這對國土狹小的日本來說，不吝于是地震海嘯之后的又一重大打擊。這也是核電廠所能產(chǎn)生的最嚴(yán)重后果（不一定會發(fā)生）。由于沸水堆只能使用低濃縮鈾，豐度不夠，所以不存在核爆炸的危險。這就像高度烈酒能被點著，但是啤酒是點不著的，一個道理。剛剛又看到新聞?wù)f正在往反應(yīng)堆里灌入海水做降溫處理，這樣倒是可以避免堆芯融化出現(xiàn)最壞的情況，但是后面的處理也很棘手。灌海水說明核電站對反應(yīng)爐的控制已經(jīng)在失控的邊緣，鎘棒可能已經(jīng)無法插入燃料棒中間停止核反應(yīng)。海水只能讓反應(yīng)堆的溫度控制在一個范圍內(nèi)，然后慢慢讓核燃料冷卻下來，隨后想辦法封閉。這樣的做法可以避免出現(xiàn)嚴(yán)重的核泄漏。不管怎么樣，灌海水也比什么都做不了然后看著堆芯全部融毀要好一些。這反應(yīng)堆不管怎樣是徹底廢了。今天看到新聞里有日本年輕人說，要節(jié)省用電，大家一起度過難關(guān)。福島作為日本最大的核電站，在這次事故以后，可能會失去大部分發(fā)電能力，也使得日本的電力供應(yīng)落到一個短缺的境地。最后推一下日本核電站泄漏以后的可能：一是沒控制住，跟切爾若貝利一樣，整個燒了，全球放毒，遺禍至今；二是控制住了，像三里島一樣，損失限制在電廠和附近地區(qū)；三是介于兩者之間，燒了，但是很快就封堆，在太平洋地區(qū)的影響有限。至于有專家表示自從切爾若貝利事件以后，核電的安全性了有了很大的提高，但是我要特別說明的是，這次出事的核電站是一個比切爾若貝利還要老的核電站，它使用的技術(shù)是第一代的，而現(xiàn)在的主流則是二代或者三代，安全性完全不能相比。對將來的發(fā)展，在技術(shù)層面上我比較悲觀。堆芯燒穿反應(yīng)爐有比較大的可能出現(xiàn)，也可能會有比較大的核污染出現(xiàn)在西太平洋地區(qū)。具體結(jié)果怎么樣，要看日本甚至美國人接下來的一個禮拜是怎么處理的了。日本的核電運營史不怎么光榮，事故的消息也沒有全部公開，所以結(jié)論很難下，沒準(zhǔn)只能讓美國人去處理。另外說個對中國來說