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(yàn)，在全世界范圍內(nèi)來(lái)說(shuō)，一個(gè)地點(diǎn)的核電站即便出現(xiàn)超大劑量的核物質(zhì)泄露，對(duì)幾千公里公里以外的人的生理影響是極為有限的，所以對(duì)核泄漏事件不用恐慌。現(xiàn)在說(shuō)正題?，F(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(duì)人體有強(qiáng)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(gè)循環(huán)回路，簡(jiǎn)單說(shuō)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(guò)管道推動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。沸水堆中的壓力大約在70個(gè)大氣壓左右。 圖1，沸水堆圖解壓水堆則有兩個(gè)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(guò)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(jìn)行下一個(gè)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(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)繼而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。壓水堆的第一個(gè)回路中的壓力在120-160個(gè)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(gè)名字就是這樣來(lái)的吧。從結(jié)構(gòu)上看，沸水堆少一個(gè)回路，結(jié)構(gòu)上要簡(jiǎn)單一半，而且省去了容易出問(wèn)題的熱交換器，經(jīng)濟(jì)效率也不錯(cuò)。體積小，效率高，造價(jià)低，看起來(lái)真是輕水堆的不二人選。但是實(shí)際上，這玩意兒有點(diǎn)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(jī)，在核燃料中被加熱，帶上了核輻射的水，奔著汽輪機(jī)就去了。一旦某個(gè)環(huán)節(jié)密封不好，比如汽輪機(jī)上的各種軸承閥門出了點(diǎn)小紕漏，泄露出來(lái)的蒸汽那都是有危險(xiǎn)的。所以為了保險(xiǎn)起見(jiàn)，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(hào)和二號(hào)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(shí)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(gè)回路就直接把熱能帶出來(lái)。回到正題上來(lái)。重點(diǎn)是在今天福島核電站爆炸這事上。日本政府對(duì)爆炸這事遮遮掩掩的，半天沒(méi)說(shuō)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(yǔ)，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(shuō)，當(dāng)天下午福島第一核電站1號(hào)機(jī)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(rèn)定為冷卻用氫氣爆炸。”好，正常情況下，一個(gè)核電站的什么地方需要用到氫氣冷卻呢？我上面已經(jīng)說(shuō)了，沸水堆在原理上，是用水來(lái)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(jī)。由于汽輪機(jī)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(jì)的太長(zhǎng)，不然離心力吃不消，所以汽輪機(jī)的軸就設(shè)計(jì)的很長(zhǎng)，多放幾個(gè)葉盤，以便讓蒸汽多做一點(diǎn)功。因?yàn)檩S太長(zhǎng)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(jì)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(diǎn)就是，不安全。怎么又不安全了？因?yàn)闅錃庵灰烊肟諝庵?，濃度達(dá)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(hào)飛艇爆炸事故，當(dāng)時(shí)就死了36個(gè)人?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)室里也偶爾做氫氣爆炸實(shí)驗(yàn)，它的熱值很高，高達(dá)40200千卡/公斤(脂肪的熱量才只有約9000千卡/公斤)，所以一點(diǎn)氫氣炸起來(lái)就驚天動(dòng)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(shuō)氫氣爆炸，那么汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)部分應(yīng)該已經(jīng)被炸成零件狀態(tài)了。有人說(shuō)怎么不用安全的氦氣，這里要說(shuō)明，因?yàn)闅錃獗群獗阋耍虡I(yè)上是需要考慮成本的。危險(xiǎn)的不僅是氫氣爆炸，而更嚴(yán)重的是，這個(gè)沸水堆只有一個(gè)回路，核反應(yīng)堆跟汽輪機(jī)是直接通過(guò)管道連通的。也就是說(shuō)，那一炸，核泄漏就是必然的了，問(wèn)題之在于，泄露了多少。這個(gè)我也只能估計(jì)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(méi)多大危險(xiǎn)。而新聞里說(shuō)，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，反應(yīng)堆就馬上停機(jī)，一個(gè)小時(shí)以后，海嘯才摧毀了備用電源，就是說(shuō)這段時(shí)間里，汽輪機(jī)里可能已經(jīng)沒(méi)有多少水蒸氣了。但是，天知道那一炸的時(shí)候，有沒(méi)有核燃料從管道里被沖擊波擠出來(lái)然后擴(kuò)散開去。日本政府不說(shuō)，我也只能靠還沒(méi)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(dá)到正常值70倍以上，1號(hào)機(jī)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(shuō)，這玩意兒嚴(yán)重超標(biāo)了。炸個(gè)相連的汽輪機(jī)就超標(biāo)到這個(gè)份上？有可能，因?yàn)檫@個(gè)堆是70年代建成的老堆了，汽輪機(jī)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(lái)了，也就包括這積累在機(jī)器上的核輻射。不過(guò)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(méi)錯(cuò)的話，英國(guó)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(guò)了沒(méi)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(shuō)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(lái)炸了，沒(méi)準(zhǔn)連爐子一塊炸飛了。以我淺薄的化學(xué)見(jiàn)識(shí)，核反應(yīng)爐里產(chǎn)生氫氣，有兩個(gè)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(gè)是合乎這次情況的我不知道，可能兩個(gè)都是對(duì)的，但是更偏向后一種。猜測(cè)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(gè)融掉。不管怎么樣，也超過(guò)了1000度了。但是鋯氫反應(yīng)的可能性更高，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)起來(lái)應(yīng)該會(huì)更容易。 后來(lái)我仔細(xì)又讀了一遍新聞，感覺(jué)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(shuō)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(cè)。現(xiàn)場(chǎng)我沒(méi)去過(guò)，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(rèn)為，安全殼（如果這個(gè)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(gè)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(shuō)，整個(gè)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(shuō)反應(yīng)容器還沒(méi)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(wú)法停止核裂變反應(yīng)，進(jìn)而融毀堆芯。這就比我前面推測(cè)的汽輪機(jī)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?lái)說(shuō)，還是趕緊逃命要緊，朝反方向，跑得越遠(yuǎn)越好。說(shuō)不好，這就是切爾若貝利第二啊。之后聽(tīng)說(shuō)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(shí)還沒(méi)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(huì)使得終止堆芯鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的操作嚴(yán)重推遲甚至無(wú)法進(jìn)行。根據(jù)其他人的理論推測(cè)，融化的堆芯最后會(huì)穿透反應(yīng)爐，落在核電站的最底層。只要熔融物出來(lái)了，泄露的劑量就會(huì)達(dá)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(wú)人區(qū)。這對(duì)國(guó)土狹小的日本來(lái)說(shuō)，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(huì)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(xiǎn)。這就像高度烈酒能被點(diǎn)著，但是啤酒是點(diǎn)不著的，一個(gè)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(shuō)明核電站對(duì)反應(yīng)爐的控制已經(jīng)在失控的邊緣，鎘棒可能已經(jīng)無(wú)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(gè)范圍內(nèi)，然后慢慢讓核燃料冷卻下來(lái)，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(shuō)，要節(jié)省用電，大家一起度過(guò)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(huì)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(gè)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(méi)控制住，跟切爾若貝利一樣，整個(gè)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(shuō)明的是，這次出事的核電站是一個(gè)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(duì)將來(lái)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(huì)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(guó)人接下來(lái)的一個(gè)禮拜是怎么處理的了。日本的核電運(yùn)營(yíng)史不怎么光榮，事故的消息也沒(méi)有全部公開，所以結(jié)論很難下，沒(méi)準(zhǔn)只能讓美國(guó)人去處理。另外說(shuō)個(gè)對(duì)中國(guó)來(lái)說(shuō)