专家解析日本福岛核泄漏发生原理

专家解析日本福岛核泄漏发生原理

2011年03月14日05:20 第一财经日报

福岛核泄漏如何发生

宋冰徐倩

关于福岛核电站目前的状况，一个正在被密集提起的词就是核心熔毁，即装有铀燃料的金属管熔化。昨日下午的新闻发布会上，日本内阁官房长官枝野幸男也表示，福岛第一核电站1号机组目前确实出现部分核心熔毁的现象，不排除会继续熔化。

何为核心熔毁

那么，到底什么是“核心熔毁”，为何本该防护严密的反应堆核心会发生熔毁？简单地说，核心熔毁的主要原因是反应堆冷却不够充分。“核心”则是指反应堆中热量发生的部分：反应堆堆芯。

在福岛，核心熔化的发生过程则很可能是这样的：由于地震的原因，核电站厂区的用电系统及备用系统都出现了故障，而备用的柴油发电机也出现故障而无法正常启动，使得冷却剂泵因断电而失效，导致冷却剂无法进入堆芯。因此，即使核反应堆在紧急情况下停止运行了，但由于反应堆仍在继续释放大量热量，冷却水被蒸发完后又没有后续进入，因此导致堆芯无法冷却而受热熔化。核心熔毁就此发生。

负责福岛核电站运营管理的东京电力公司原子力运营管理部长高桥毅在昨日的记者会上说，福岛第一核电站1号机组中，反应堆炉内的水位比反应堆燃料最高处低了50厘米，这将导致燃料过热，从而无法排除燃料受到损伤的可能性。

目前，福岛第一核电站部分机组的燃料棒所处环境的温度可能已经达到1200℃。如果核心熔毁属实，这将是日本核电站首次发生堆芯熔毁的情况。1979年的美国三里岛核电站事故中，同样发生过堆芯熔毁，当时约45%的燃料熔化，放射性物质向周边扩散。而1986年的苏联乌克兰切尔诺贝利核电站事故，“导火线”也是4号反应堆机组发生堆芯毁坏事故。

为了在紧急情况下避免核心熔毁，主要手段就是用水泵抽取大量海水(海水和核反应堆冷却剂同样含硼)来作为冷却剂。此次福岛第一核电站1号机组的控险处理，就是运来后备的柴油发电机和电池组，将海水持续注入堆芯，冷却燃料。

在冷却堆芯的同时，还有一个重要举措就是要不断地释放反应堆内部压力以保证安全壳的完整性。对于福岛第一核电站几个出现险情的反应堆，东京电力公司所做的就包括打开安全壳的卸压阀，以释放一部分压力，但这可能会对环境产生局部影响。

核泄漏如何发生

那么核心熔毁之后又会发生什么？核心熔毁与核泄漏之间到底又有什么关系？这同福岛第一核电站反应堆的防护结构有关。

从1971年开始商业运行的福岛第一核电站，使用的还是老式单层循环沸水反应堆，且只有一条冷却回路。沸水产生的蒸汽用来直接推动涡轮。那么，一旦冷却剂里的放射性物质剂量超标，沸水堆的涡轮部分就会出现放射性污染。

堆芯熔毁之后，核泄漏的过程基本可以这么还原：高温熔化了核燃料棒表面的保护壳，导致大量放射性物质从燃料棒上泄漏到外面的冷却剂中。如果承载冷却剂的冷却回路管道也出现破损，那么带有放射性物质的冷却剂将突破第二道防御关口，进入整体安全壳内。

同时，高温下燃料棒的外表锆层会发生氧化，氧化锆遇水将分解出大量的氢，一旦氢气达到一定浓度，就会发生爆炸，导致安全壳这道最后的防御线出现破裂，大规模的核泄漏就在所难免。

根据日方的说法，福岛第一核电站1号机组的核反应堆安全壳损坏程度不大，但监测数据表明，核电站周边辐射量还是在2小时内迅速升至正常值的73倍，这说明放射性物质还是向外泄漏了。

这其中的一个原因是，为了防止安全壳炸裂，只能通过释放一定气体来卸压，而这些被释放出来的气体中，部分就是含有放射性物质的冷却剂蒸汽。虽然这么操作会让一些放射性物质进入外界，但至少能够避免大规模的核泄漏。福岛第一核电站周边一定时期内骤升的辐射量，应该就是产生于这些被释放的气体。

核

反应堆是怎么工作的？

核反应堆的中心部分包括水和燃料棒，以此启动受到控制的核反应。燃料棒由锆以及铀等核燃料块组成。核反应会将水加热，产生华氏550度（约摄氏288度）的高温蒸汽，再由蒸汽驱动涡轮发电。

什么是熔解？

如果堆心过热，燃料棒可能爆裂并释放辐射性气体。在最糟糕的情况下，燃料块本身可能熔化，落到反应堆的底部，而炽热的辐射物质有可能蚀穿防护屏障，最终接触外界。

在部分熔解的情况下，核燃料或反应堆只有部分熔化，从而降低了突破密封装置的可能性。

日本核危机是什么出了问题？

日本核反应堆的设计是，一旦灾难破坏电网，反应堆将自动关闭。这次的事件中，该系统运行正常，停止了核反应。

然而，虽然核电厂停止运行，核燃料仍保持着极高温度。本来应该用备用的柴油发电机将水泵入反应堆冷却核燃料，但这套系统在震后的海啸中受损失灵。应急电池提供了部分电力，但不足以运转水泵。

水泵失灵会发生什么情况？

在没有电力推动水泵的情况下，核电厂运营商无法在反应堆内进行水循环以实现冷却。燃料棒开始将剩余的水加热、汽化，这样水面就会降低，核燃料至少会部分暴露出来。如此一来，温度就会危险地升高。

是什么引发了一号和三号反应堆爆炸？

具体细节不明，但随着燃料棒开始断裂，可能释放出气体与周围的蒸汽发生反应，生成氢气，并导致堆心压力上升，带来危险。

为了防止更为严重的损害，核电站运营商决定排出积聚的气体和蒸汽，从而释放堆心的部分压力。逸出的氢气与空气中的氧发生反应，导致爆炸，毁坏了一号和三号反应堆附近的建筑。不清楚是否有其他系统受损，但相关官员说，反应堆堆心周围的主要密封装置完好，该装置是重要的安全屏障。

各反应堆现在情况如何？

核电站运营商试图向所有三个反应堆泵入海水以冷却燃料。这会造成不可逆的损害，但人们寄希望于此举可稳定核电站情况。但工作人员在泵入海水上也有困难，原因未明。

专家认为，一号和三号反应堆的燃料棒暴露时间过长，至少引起了部分熔解。但工作人员暂时恢复了冷却水的水位，温度似乎是在下降。

二号反应堆最初的状况似乎好于其他两座反应堆。但周一水位下降，燃料棒几乎完全暴露。相关官员目前认为二号反应堆是三座反应堆中最有可能遭遇进一步损毁的，但周二清早之前未发生爆炸。（译者注：东京时间周二早晨，二号反应堆发生爆炸）

周边地区有什么风险？

工作人员释放了积聚的气体以减轻反应堆内部的压力。这至少导致一部分放射性物质泄漏到大气中，但官员说，放射性物质的水平较低，不足以危及紧邻核电站周边的人。

最糟糕的情况是发生完全熔解，在这种情况下，放射性物质会蚀穿多层防护屏障，与外界接触。许多专家认为，只要工作人员能够将海水泵入反应堆，以及密封装置保持完好，这种情