福島核電站的構(gòu)造

福島核電站的反應(yīng)堆屬于“沸水反應(yīng)堆”（Boiling Water Reactors）,，縮寫(xiě) BWR。沸水反應(yīng)堆靠沸水來(lái)發(fā)電,。核燃料對(duì)水進(jìn)行加熱,，水沸騰后汽化，然后蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)產(chǎn)生電流,，蒸汽冷卻后再次回到液態(tài)，之后再把這些水送回核燃料處進(jìn)行加熱,。反應(yīng)堆的溫度大約是285攝氏度,。

上文提到的核燃料就是氧化鈾。氧化鈾是一種熔點(diǎn)在2800℃的陶瓷體,。燃料被制作成小圓球（直徑1cm高1cm的小圓柱）,。這些小圓柱被放入一個(gè)用失效溫度1200℃（會(huì)被水自我催化氧化）的鋯錫合金制成的長(zhǎng)管，然后密封起來(lái),。這就是一個(gè)燃料棒（fuel rod）,。然后這些燃料棒被放到一起組合為一個(gè)更大的單元，然后數(shù)百個(gè)燃料單元就組成了一個(gè)核反應(yīng)堆堆芯（core）,。

固體燃料小顆粒（一個(gè)氧化陶瓷基）是第一層屏障,，用來(lái)限制放射性裂變反應(yīng)中產(chǎn)生的放射性裂變產(chǎn)物。鋯錫合金是第二層屏障,，來(lái)隔絕放射性燃料與反應(yīng)堆的其他部分,。

之后反應(yīng)核心被放到壓力倉(cāng)中。壓力倉(cāng)是個(gè)很厚的鋼鐵容器,，工作壓力大約是7MPa（約1000磅/平方英寸）,，設(shè)計(jì)時(shí)考慮了事故的可能，能夠承受事故造成的高壓,。壓力倉(cāng)是防止核泄漏的第三道屏障,。

核反應(yīng)堆的整個(gè)主回路（包括壓力倉(cāng)、管道,、泵,、冷卻水）裝在安全殼中，它是防止核泄漏的第四道屏障,。安全殼由鋼鐵和混凝土制成,，極厚而且完全密封。它存在的目的只有一個(gè)：當(dāng)反應(yīng)核心熔融時(shí),，無(wú)條件將其控制在安全殼內(nèi)部,。為了這個(gè)目的,，安全殼四周也有巨大厚重的混凝土結(jié)構(gòu)，它叫做外殼安全殼,。

安全殼和外殼安全殼都位于反應(yīng)堆廠房中,。廠房是為反應(yīng)堆遮風(fēng)擋雨的外殼。（廠房是在爆炸中毀壞的部分,，后面還會(huì)詳細(xì)解釋,。）

核反應(yīng)基本原理

鈾燃料被中子誘導(dǎo)發(fā)生核裂變，從而產(chǎn)生熱量,。鈾原子裂變?yōu)閮蓚€(gè)輕原子（也就是裂變產(chǎn)物）,。這個(gè)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生熱量和更多的中子（中子是構(gòu)成原子的微粒之一）。當(dāng)一個(gè)中子擊中了另一個(gè)鈾原子時(shí),，鈾原子會(huì)分裂,，產(chǎn)生更多的中子，這樣無(wú)限進(jìn)行下去,，也就是鏈?zhǔn)胶朔磻?yīng),。在正常的全功率工作狀態(tài)下，一個(gè)反應(yīng)核心的中子總數(shù)是恒定的,，反應(yīng)堆處在一種臨界狀態(tài),。

值得一提的是，反應(yīng)堆中的核燃料絕不會(huì)引起像原子彈那樣的爆炸,。切爾諾貝利爆炸的危害來(lái)自過(guò)大的壓力累積以及氫氣爆炸,，破壞了所有保護(hù)結(jié)構(gòu)，融化的核心物質(zhì)被拋灑到環(huán)境中,。注意切爾諾貝利根本沒(méi)有安全殼一類的環(huán)境屏障,。日本絕不會(huì)發(fā)生切爾諾貝利那樣的事故，后面還會(huì)詳細(xì)解釋,。

為了控制鏈?zhǔn)胶朔磻?yīng),，反應(yīng)堆操作者會(huì)用到控制棒?？刂瓢粲膳鹬瞥?，能夠吸收中子。在沸水反應(yīng)堆的正常運(yùn)轉(zhuǎn)中,，控制棒用于保持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的臨界狀態(tài),。控制棒也會(huì)用在反應(yīng)堆的關(guān)閉過(guò)程中,，將其功率從100%降到7%,。

余熱是由裂變產(chǎn)物的放射性衰變產(chǎn)生的。放射性衰變是裂變產(chǎn)物以微粒形式（α,、β,、γ,、中子等）釋放能量從而使自身達(dá)到穩(wěn)態(tài)的過(guò)程。反應(yīng)堆中會(huì)產(chǎn)生多種裂變產(chǎn)物,，包括銫和碘,。余熱在反應(yīng)堆關(guān)閉后會(huì)逐漸消失，但仍需要冷卻系統(tǒng)來(lái)消除余熱,，防止燃料棒過(guò)熱造成屏障失效,、核物質(zhì)泄漏。保持足夠的冷卻能力來(lái)消除反應(yīng)堆的余熱,，是目前日本反應(yīng)堆所面臨的最大挑戰(zhàn),。

很重要的一點(diǎn)是，許多裂變產(chǎn)物衰變得非?？?，還沒(méi)等你說(shuō)完“放射性核物質(zhì)”這個(gè)詞，它們就會(huì)變得全然無(wú)害,。另外一些裂變產(chǎn)物衰變得相對(duì)較慢，例如銫,、碘,、鍶、氬,。

福島到底發(fā)生了什么 （截止到3月12日,，12日之后的更新附在末尾）

接下來(lái)總結(jié)目前的主要事實(shí)。沖擊核電站的地震的威力是核電站設(shè)計(jì)時(shí)所能承受的威力的數(shù)倍（震級(jí)之間的放大倍數(shù)是對(duì)數(shù)關(guān)系,，所以同樣條件下 8.9 級(jí)地震的威力是 8.2 級(jí),，即核電站的設(shè)計(jì)抗震威力的 5 倍，而不是 0.7 的差異）,。

當(dāng)?shù)卣饹_擊核電站時(shí),，所有的反應(yīng)堆就自動(dòng)關(guān)閉了。在地震開(kāi)始后的數(shù)秒內(nèi),，控制棒就插入到了核心內(nèi),，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)即刻中止。而此時(shí),，冷卻系統(tǒng)就開(kāi)始帶走余熱,。這些余熱相當(dāng)于反應(yīng)堆正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的 7% 的熱量。

地震摧毀了核反應(yīng)堆的外部電力供應(yīng),。而這是核反應(yīng)堆能夠遇到的嚴(yán)重故障之一,，稱為“全廠斷電”。設(shè)計(jì)反應(yīng)堆和它的備用系統(tǒng)時(shí)考慮到了這種可能性,，因此核電站有備用電力系統(tǒng),，以維持冷卻泵的運(yùn)轉(zhuǎn),。另外，由于反應(yīng)堆已關(guān)閉,，核電站本身不能產(chǎn)生任何電力,。

地震發(fā)生后的第一小時(shí)，多組緊急備用柴油發(fā)電機(jī)中的一組啟動(dòng),，為冷卻泵提供了所需的電力,。然后海嘯來(lái)了，比核電站設(shè)計(jì)時(shí)所預(yù)料的規(guī)模要更巨大的海嘯,，淹沒(méi)了所有的柴油發(fā)電機(jī)組,，導(dǎo)致它們失靈了。

在設(shè)計(jì)核電站時(shí),，一個(gè)基本原則是“縱深防御”,。這意味著工程師需要設(shè)計(jì)一座能夠抵御嚴(yán)重災(zāi)害的廠房，就算好幾個(gè)系統(tǒng)都失效了依然不能出問(wèn)題,。一場(chǎng)摧毀所有柴油發(fā)電機(jī)的海嘯就是這樣的場(chǎng)景,，但3月11日的海嘯的嚴(yán)重程度超過(guò)了所有的預(yù)料。為了應(yīng)付這樣的事件,，工程師們?cè)O(shè)計(jì)了一道額外防線：把所有的結(jié)構(gòu)放進(jìn)一個(gè)安全殼（如前所述）,，這個(gè)殼的設(shè)計(jì)思路就是把一切牢固地關(guān)在里面。

當(dāng)海嘯襲來(lái),，柴油發(fā)電機(jī)組失靈后,，反應(yīng)堆操作員將反應(yīng)堆切換到使用緊急電池。這些電池被設(shè)計(jì)為備用方案的備用方案,，用于提供給冷卻系統(tǒng) 8 個(gè)小時(shí)所需的電力,，并且也確實(shí)完成了任務(wù)。

8小時(shí)后,，電池用盡,，殘熱無(wú)法再被帶走。這時(shí)反應(yīng)堆操作員開(kāi)始按照“冷卻失靈”的緊急預(yù)案進(jìn)行處理,。這是“縱深防御”中的更進(jìn)一層,。這一切，無(wú)論在我們看起來(lái)多么讓人震驚,，但卻是反應(yīng)堆操作員的培訓(xùn)的一部分,。

于是在這個(gè)時(shí)候外界開(kāi)始談?wù)摽赡馨l(fā)生的堆芯熔化。因?yàn)榈搅俗詈?，如果冷卻系統(tǒng)無(wú)法恢復(fù),，核心幾天之后遲早會(huì)融化，可能會(huì)被包裹在安全殼中。注意,，“熔化”這個(gè)詞的定義很是模糊,。如果要形容燃料棒外面的鋯合金屏障出現(xiàn)問(wèn)題的話，“燃料故障”是個(gè)更好的詞,。鋯合金會(huì)先于核燃料而融化,，這一現(xiàn)象有很多可能的原因——壓力太大，氧化劑太多,，溫度太高,，等等。

但是,，熔化還要一段時(shí)間才會(huì)發(fā)生?，F(xiàn)在當(dāng)務(wù)之急是在堆芯持續(xù)升溫時(shí)將之控制住，并確保燃料棒的鋯錫合金外殼完整,，盡可能起作用的時(shí)間更長(zhǎng)一點(diǎn),。

既然讓堆芯冷卻是最重要的事情，因此反應(yīng)堆內(nèi)實(shí)際上有多個(gè)獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)（反應(yīng)堆給水清潔系統(tǒng),，衰變降溫系統(tǒng),，反應(yīng)堆核心隔離冷卻系統(tǒng)，備用液體冷系統(tǒng),，等等,；這一切組成了緊急核心冷卻系統(tǒng)）。而究竟哪一個(gè)失效了或是沒(méi)有失效,，在此時(shí)無(wú)法得知。

損失了能源,，操作者就失去了大部分的冷卻能力,，只能有什么用什么，盡可能導(dǎo)走熱量,。但熱的產(chǎn)生速度依然比散熱速度快,，因此越來(lái)越多的水沸騰成蒸氣，內(nèi)部壓強(qiáng)也開(kāi)始上升,。目前優(yōu)先要做的是保持溫度低于1200℃以保證燃料棒合金外殼的完整,，并維持系統(tǒng)壓力不要太高。但要確保壓力不太高,，必須時(shí)不時(shí)把水蒸氣和堆內(nèi)的其它氣體釋放出來(lái),。一旦發(fā)生事故時(shí)，保證壓力不超限是很重要的,，所以反應(yīng)堆壓力室和安全殼都設(shè)計(jì)有好幾個(gè)減壓閥,。

就像之前提到的那樣，蒸汽和其它氣體會(huì)被排走,。一些氣體是放射性裂變產(chǎn)物,，但量很小,。因此，當(dāng)反應(yīng)堆操作者開(kāi)始為系統(tǒng)排氣時(shí),，一些放射性氣體會(huì)在嚴(yán)密控制下被釋放到環(huán)境中（氣體量很小,，會(huì)經(jīng)過(guò)過(guò)濾和洗滌）。盡管一些氣體有放射性,，但它們不會(huì)對(duì)公眾安全造成威脅,，即便對(duì)反應(yīng)堆的工作人員也是這樣。這個(gè)操作程序是合理的,，因?yàn)楸绕鸩慌艢饪赡茉斐傻奈ｋU(xiǎn),，它的造成的影響很輕。

與此同時(shí),，移動(dòng)式發(fā)電機(jī)被運(yùn)送到反應(yīng)堆附近,，恢復(fù)了一部分供電能力。然而,，沸騰和排氣所消耗水的速度大于向反應(yīng)堆中加水的速度,，因此冷卻系統(tǒng)的冷卻能力降低了。在某些排氣過(guò)程中,，水位會(huì)降低到燃料棒頂端以下,。無(wú)論如何，一些燃料棒的覆層溫度會(huì)上升到1200℃以上,，從而在鋯合金和水之間引發(fā)化學(xué)反應(yīng),。這種氧化反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生氫氣，它與蒸汽混合一同被排出,。這個(gè)反應(yīng)在人們預(yù)料之中,，但產(chǎn)生的氫氣總量是未知的，因?yàn)椴僮鲉T不知道燃料棒的具體溫度,，也不知道水位到底多高,。由于氫氣高度易燃，當(dāng)足夠多的氫氣與空氣混合時(shí),，它會(huì)與氧氣反應(yīng),。如果氫氣的量夠多，反應(yīng)會(huì)迅速進(jìn)行,，產(chǎn)生爆炸,。有時(shí)候在排氣的過(guò)程中，安全殼內(nèi)部也會(huì)積聚足夠的氫氣（而安全殼內(nèi)部沒(méi)有空氣）,，因此一旦開(kāi)始排氣,，氫氣接觸到空氣就會(huì)發(fā)生爆炸。這種爆炸發(fā)生在安全殼之外、廠房之內(nèi)（而廠房沒(méi)有保障功能）,。注意3號(hào)機(jī)組也發(fā)生了類似的爆炸,。這次爆炸毀壞了廠房的屋頂和一部分槍斃，但沒(méi)有破壞到安全殼或壓力倉(cāng),。雖說(shuō)這是個(gè)意料之外的狀況,，但它發(fā)生在安全殼之外，沒(méi)有對(duì)核電站的安全結(jié)構(gòu)造成威脅,。

由于一些燃料棒覆層溫度超過(guò)了1200℃,，這種破壞已經(jīng)發(fā)生了。核物質(zhì)本身毫發(fā)無(wú)損,，但包裹它的鋯合金外殼開(kāi)始失去保護(hù)功能,。目前，一些放射性裂變產(chǎn)物（銫,、碘之類）開(kāi)始與水和蒸汽混合,。有報(bào)道說(shuō)在蒸汽中已經(jīng)監(jiān)測(cè)到了小部分銫和碘，它們被排放到了大氣中,。

由于反應(yīng)堆的冷卻能力有限,，而反應(yīng)堆中的總水量一直在下降，因此工程師決定注入海水（其中混合了中子吸收劑硼酸）以保證燃料棒仍浸沒(méi)在水中,。盡管反應(yīng)堆已經(jīng)關(guān)閉,，但以防萬(wàn)一仍需加入硼酸，保持反應(yīng)堆的關(guān)閉狀態(tài),。硼酸也能困住一部分水中的碘,，防止它逃逸，但這不是硼酸的本職工作,。

冷卻系統(tǒng)中所用的水是經(jīng)過(guò)純化和脫礦的水,。使用純水的目的是在反應(yīng)堆正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)減小冷卻系統(tǒng)的腐蝕。注入海水之后需要花更多時(shí)間清洗設(shè)備,，但目前可以起到救急的作用。

這個(gè)過(guò)程會(huì)把燃料棒的溫度降低到無(wú)害級(jí)別,。由于反應(yīng)堆早已關(guān)閉,，余熱已經(jīng)減小，因此核電站內(nèi)部壓力已經(jīng)保持穩(wěn)定,，無(wú)需繼續(xù)排氣,。

更新 - 美國(guó)東部時(shí)間3月14日晚8:15

根據(jù)東京電力公司新聞稿，1號(hào)和3號(hào)機(jī)組目前處于穩(wěn)定狀態(tài),，但燃料損傷程度仍是未知,。也就是說(shuō)，在當(dāng)?shù)貢r(shí)間3月14日下午2:30，福島核電站的輻射水平已經(jīng)降到了231微西弗,。

更新 - 美國(guó)東部時(shí)間3月14日晚10:55

2號(hào)機(jī)組的事故細(xì)節(jié)還不確定,。文章中有關(guān)2號(hào)機(jī)組的部分增加了一些最新信息。輻射水平增加了,，但增加到何種程度還是未知,。

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