核电站为什么会爆炸?

日本福岛核电站为何爆炸,是核燃料爆炸么?这是每一个人都会关注的问题,在强大的核能面前,人们始终存有敬畏之心。日本当局却表示,爆炸是氢气爆炸,而非反应堆爆炸;从爆炸后的辐射量监测结果显示,核反应堆的安全壳损坏程度不大,中央控制室也没有遭到破坏。这种说法令人无法相信,是不是在隐瞒事实?是不是在推委搪塞?东亚各国公众无不焦虑。

1.为什么反应堆停止工作了还会产生重大事故?

这次日本核事故是在一连串灾害的打击下引发的。核反应堆的一个特点是在停堆后仍需要对堆芯进行冷却,因为核燃料有自衰变余热,虽然比人控裂变产生的热量小的多,但是如果长时间得不到冷却,也会使得堆芯达到上千度的温度,导致核燃料棒融化,然后是烧穿外层保护的钢壳、混凝土结构等,造成核泄漏。图1展示了福岛核电站故障原理图。

图1 福岛核电站故障原理图

图片来源:http://news.sina.com.cn/z/japanearthquake0311/index.shtml

而在反应堆停堆的情况下,余热冷却系统的泵所需的电力就需要从外部输入。一般情况会准备多路外电网输入,同时每台机组一般有2台应急柴油发电机供电,而且同一电厂内的其他机组的应急柴油发电机也可以互相备用。

但在这次强烈地震后,日本福岛第一核电厂的外电网全部瘫痪了,自身的应急柴油发电机在运行一小时后,也因为海啸的袭击而全部丧失,这就导致失去所有外部电源供应,堆芯失去强迫冷却手段。

2. 核反应堆里的氢气究竟是从哪里来的?

祸不单行,核燃料棒的包壳中有一种叫锆的金属元素。用核动力发电,每一百万千瓦的发电能力,一年就要消耗掉20到25吨金属锆。它具有低的热中子吸收截面,作为核燃料包壳和结构材料,它处在核反应堆核能裂变反应、核能转换成热能的释发部位,又是防止反应堆放射性裂变产物向外逸出的首道屏障。

但问题是,锆在高温下,会与水蒸汽产生剧烈的化学反应,锆将水分解为氢和氧,于是产生了大量的氢气,同时伴随着放热。这种反应通常会发生在压水堆丧失冷却事故的后期阶段,核燃料元件棒束未被冷却液浸没而处于裸露状态,就产生了锆水反应。但反应堆都会设计和安装排氢系统,以避免爆炸的产生。

日本反应堆的排氢系统已经没有能源供应或已经在地震中损毁,所以没有正常工作,于是最终引发了这场悲剧。当然,也有些观点认为是核电站汽轮机氢冷系统(大型电机空冷或水冷都不能满足需求,只能用氢冷)泄露。不过那些氢气的量较少,且远离核反应堆,对此说我们暂且存疑。

3.发生爆炸的具体过程是怎样的?

在地震后,日本有关方面12日努力恢复电源并派出了自卫队的核生化武器应对部队,向反应堆内输送了大量的冷却水。特别是当地时间15时20分,为加快冷却效果,日本政府下令自卫队再加大投入,从附近各地水源地取水输送到核电站现场。

但据凤凰嘉宾叶千荣的报告,正是往反应堆内加注冷却水的时候,在当地时间16时53分左右,突然发生了爆炸。很可能就正是输送大量冷却水的行为,导致了锆水反应的产生。日本在抢救时没有料到核燃料元件棒束已经处于裸露状态,输送大量冷却水产生了氢气,引发了爆炸。剧烈的混合可燃气体爆炸,炸开了核电站反应堆厂房。图2为日福岛核电站1号机组冷却水外泄存爆炸风险示意图。

图2 1号机组危机示意图

图片来源:http://news.cnfol.com/110513/101,1278,9858744,00.shtml

参考来源:

[1] http://news.sina.com.cn/z/japanearthquake0311/index.shtml.

[2] http://news.cnfol.com/110513/101,1278,9858744,00.shtml.