通俗地推论日本核泄漏事故的发展及影响.doc

通俗地推论日本核泄漏事故的发展及影响
首先根据切尔若贝利核电站事故的经验，在全世界范围内来说，一个地点的核电站即便出现超大剂量的核物质泄露，对几千公里公里以外的人的生理影响是极为有限的，所以对核泄漏事件不用恐慌。 
现在说正题。
现在人类投入商业使用的核反应堆统统都是裂变堆，以放射性重元素物质铀，钚，钍为核燃料，这些核燃料都是对人体有强烈危害，并可以致人死亡的。裂变堆按照慢化剂分类，又可以分为轻水堆，重水堆和石墨堆。轻水就是普通水。轻水堆又可以分为沸水堆和压水堆。
沸水堆只有一个循环回路，简单说就是核燃料发热后，纯净水被注入反应炉，被加热以后变为蒸汽，随后通过管道推动汽轮机转动，带动发电机发电。沸水堆中的压力大约在70个大气压左右。

                                图1，沸水堆图解
压水堆则有两个循环回路，核燃料首先加热第一回路中的冷却剂，随后冷却剂通过第一回路和第二回路之间的热交换器，把能量传给第二回路。第一回路的冷却剂随后又回到反应炉中进行下一个循环。第二回路中的水在热交换器中被加热变成蒸汽以后，推动汽轮机转动继而带动发电机发电。压水堆的第一个回路中的压力在120-160个大气压左右，压力大概比沸水堆高一倍，以防沸腾。大概“压水”这个名字就是这样来的吧。
从结构上看，沸水堆少一个回路，结构上要简单一半，而且省去了容易出问题的热交换器，经济效率也不错。体积小，效率高，造价低，看起来真是轻水堆的不二人选。
但是实际上，这玩意儿有点不安全。怎么不安全？这东西的反应炉出口直接通向了汽轮机，在核燃料中被加热，带上了核辐射的水，奔着汽轮机就去了。一旦某个环节密封不好，比如汽轮机上的各种轴承阀门出了点小纰漏，泄露出来的蒸汽那都是有危险的。所以为了保险起见，还专门安装了更复杂的密封设备。
偏偏这次出事故的福岛第一核电站的一号和二号几组，都是沸水堆。
上次沸水堆出名，还是切尔若贝利核电站的时候。但是不同的地方是，切尔若贝利核电站使用的是苏联特有的石墨沸水堆，石墨做慢化剂，水做冷却剂。一个回路就直接把热能带出来。

回到正题上来。
重点是在今天福岛核电站爆炸这事上。日本政府对爆炸这事遮遮掩掩的，半天没说清楚爆炸的原因和位置，也就激发了我的好奇心，根据新闻里的只言片语，做了一次推理。
最先看到的新闻是这条：“东京电力公司3月12日说，当天下午福岛第一核电站1号机组内传出爆炸声并冒出白烟，事故导致4人受伤，初步认定为冷却用氢气爆炸。”
好，正常情况下，一个核电站的什么地方需要用到氢气冷却呢？我上面已经说了，沸水堆在原理上，是用水来冷却反应炉的，所以肯定不是在核反应堆上。
不用在核反应堆上，那还有哪里需要冷却呢？答案是汽轮机。由于汽轮机的工作转速很高，在3000转每分钟左右，因此叶片不能设计的太长，不然离心力吃不消，所以汽轮机的轴就设计的很长，多放几个叶盘，以便让蒸汽多做一点功。
因为轴太长转速又高了，所以中间的那部分散热就不太容易。有人一拍脑袋，设计了中空的轴，里面通氢气冷却。用氢气的原因是，这种气体质量小，导热率高，又省钱又高效。唯一的缺点就是，不安全。
怎么又不安全了？
因为氢气只要混入空气中，浓度达到4%，就可以发生爆炸。最有名的氢气爆炸，是1937年的兴登堡号飞艇爆炸事故，当时就死了36个人。化学实验室里也偶尔做氢气爆炸实验，它的热值很高，高达40200千卡/公斤(脂肪的热量才只有约9000千卡/公斤)，所以一点氢气炸起来就惊天动地。
而这次的爆炸规模大家也看到了。如果真的如新闻里所说氢气爆炸，那么汽轮机和发电机部分应该已经被炸成零件状态了。
有人说怎么不用安全的氦气，这里要说明，因为氢气比氦气便宜，商业上是需要考虑成本的。
  危险的不仅是氢气爆炸，而更严重的是，这个沸水堆只有一个回路，核反应堆跟汽轮机是直接通过管道连通的。也就是说，那一炸，核泄漏就是必然的了，问题之在于，泄露了多少。
这个我也只能估计了。水蒸气能携带的核辐射有限，而且很快就在大气层里稀释了，没多大危险。而新闻里说，当地震发生时，反应堆就马上停机，一个小时以后，海啸才摧毁了备用电源，就是说这段时间里，汽轮机里可能已经没有多少水蒸气了。
但是，天知道那一炸的时候，有没有核燃料从管道里被冲击波挤出来然后扩散开去。日本政府不说，我也只能靠还没被限制的新闻数据里猜了。新浪新闻说：“该核电站正门附近的辐射量达到正常值70倍以上，1号机组的中央控制室则已升至约1000倍”。
从我手上的一些辐射数据推算，核电站工作人员每年遭受核辐射的剂量是1.12mSv，1000倍的话就是1120mSv每年，核电厂大门外则是78.4mSv每年。而职业接受剂量的上限是50mSv每年，公众为5mSv每年。
也就是说，这玩意儿严重超标了。
炸个相连的汽轮机就超标到这个份上？有可能，因为这个堆是70年代建成的老堆了，汽轮机和管道上沾染的的核辐射应该积了不少。这一炸，什么陈年老窖都炸出来了，也就包括这积累在机器上的核辐射。
不过这种核辐射是不用太担心的，这属于沾染式污染。我记得没错的话，英国的核处理工厂是把这些东西打包深埋就行了。它不是持久、高剂量的放射性污染源。
只是过了没多久，我又看到一条新的新闻：“事故原因是反应堆堆芯产生的水蒸气外泄至容器外，产生的氢气和建筑物内的氧气发生剧烈反应，导致爆炸。而不是东京电力公司说明的那样，是由于冷却用氢气产生的爆炸。”
看到这条，我头一下就大了。第一反应是：反应炉里面产生的氢漏出来炸了，没准连炉子一块炸飞了。
以我浅薄的化学见识，核反应炉里产生氢气，有两个可能，要么是1000度以上的高温直接把水分子裂解成了氢原子和氧原子，随后形成了氢气和氧气，要么是核燃料包壳里的金属锆被水蒸气氧化，水则释放出了氢气。
哪一个是合乎这次情况的我不知道，可能两个都是对的，但是更偏向后一种。猜测水被直接裂解的原因是,我看到有新闻说堆芯部分融化。堆芯的外壳一般是可以耐1200度高温的材料做成，而堆芯本身，需要2600度才能整个融掉。不管怎么样，也超过了1000度了。但是锆氢反应的可能性更高，因为实现起来应该会更容易。
后来我仔细又读了一遍新闻，感觉还有另外一种可能，就是反应炉中排出的高温水蒸气遇到了钢板做的安全壳或者管道或者支架，水和铁在高温下，能够生成氢气。随后氢气在密封的厂房里聚集并爆炸。这样推理的话，就符合新闻中所说的“堆芯产生的水蒸气外泄至容器外，产生的氢气和建筑物内的氧气发生剧烈反应”。
当然这也是我的猜测。现场我没去过，有什么条件我也不知道。但是如果爆炸的原因是这样的话，参考新闻图像里的爆炸威力，我认为，安全壳（如果这个老电厂有的话）应该已经裂了。按标准，安全壳可以承受7个大气压的压力（内抗压），而氢气爆炸，视浓度不同，可以产生大于此的压力。
也就是说，整个核反应堆的内胆（姑且这么叫吧），可能已经直接暴露在外面了。日本人说反应容器还没破，但是一旦遇到第二次爆炸或者其它外力影响，就可能使得脆弱的核燃料无法停止核裂变反应，进而融毁堆芯。
这就比我前面推测的汽轮机爆炸而产生的核泄漏，严重得多。遇到这种情况，作为当地的普通人来说，还是赶紧逃命要紧，朝反方向，跑得越远越好。说不好，这就是切尔若贝利第二啊。
之后听说第二次爆炸已经发生，在中文的网站上找了的新闻，但是在BBC和日本的网站上暂时还没有看到相关消息，所以我不置可否。
如果第二次爆炸真的发生，并且原因又是反应堆附近的氢气爆炸，可能就会使得终止堆芯链式反应的操作严重推迟甚至无法进行。根据其他人的理论推测，融化的堆芯最后会穿透反应炉，落在核电站的最底层。只要熔融物出来了，泄露的剂量就会达到灾难性的程度。处理方法只能跟切尔若贝利事故一样，空投硼砂和水泥，封堆，并宣布20公里的无人区。
这对国土狭小的日本来说，不吝于是地震海啸之后的又一重大打击。
这也是核电厂所能产生的最严重后果（不一定会发生）。由于沸水堆只能使用低浓缩铀，丰度不够，所以不存在核爆炸的危险。这就像高度烈酒能被点着，但是啤酒是点不着的，一个道理。
刚刚又看到新闻说正在往反应堆里灌入海水做降温处理，这样倒是可以避免堆芯融化出现最坏的情况，但是后面的处理也很棘手。灌海水说明核电站对反应炉的控制已经在失控的边缘，镉棒可能已经无法插入燃料棒中间停止核反应。海水只能让反应堆的温度控制在一个范围内，然后慢慢让核燃料冷却下来，随后想办法封闭。这样的做法可以避免出现严重的核泄漏。不管怎么样，灌海水也比什么都做不了然后看着堆芯全部融毁要好一些。
这反应堆不管怎样是彻底废了。今天看到新闻里有日本年轻人说，要节省用电大家一起度过难关。福岛作为日本最大的核电站，在这次事故以后，可能会失去大部分发电能力，也使得日本的电力供应落到一个短缺的境地。
最后推一下日本核电站泄漏以后的可能：一是没控制住，跟切尔若贝利一样，整个烧了，全球放毒，遗祸至今；二是控制住了，像三里岛一样，损失限制在电厂和附近地区；三是介于两者之间，烧了，但是很快就封堆，在太平洋地区的影响有限。
至于有专家表示自从切尔若贝利事件以后，核电的安全性了有了很大的提高，但是我要特别说明的是，这次出事的核电站是一个比切尔若贝利还要老的核电站，它使用的技术是第一代的，而现在的主流则是二代或者三代，安全性完全不能相比。对将来的发展，在技术层面上我比较悲观。堆芯烧穿反应炉有比较大的可能出现，也可能会有比较大的核污染出现在西太平洋地区。
具体结果怎么样，要看日本甚至美国人接下来的一个礼拜是怎么处理的了。日本的核电运营史不怎么光荣，事故的消息也没有全部公开，所以结论很难下，没准只能让美国人去处理。
另外说个对中国来说是不幸中万幸的消息，最近吹的是冬季风，从中国和俄罗斯往日本吹风，所以短期以内无论如何被核污染的空气也漂不过来。日本暖流则从中国沿海往东北方向流到日本，随后遇到千岛寒流，北上受阻于是拐了个弯向东边，也就是向美国流过去.        
只是苦了在北美西海岸的人了，包括众多的中国留学生。日本在60多年前憋屈挨了两颗原子弹，现在通过这种方式“核反击”了美国一次，还是导弹无法拦截的，也算是自然用一种让人类哭笑不得的方式嘲讽人类吧。