为什么我不担心日本的核电站

下文是Josef Oehmen 博士私人博客的文章，被MIT官方网站采用。据原载作者介绍，Josef Oehmen博士的父亲在德国核工业具有深厚的经验。原文地址有所更改，且文章中的一些内容经过了MIT一些专业人士的补充。尤其在核反应原理上，给出了比较详细的解释。

我在这里写下这些文字，是针对在日本发生的事情―核反应堆的安全问题。这篇东西很长，但是你读完之后，会比世界上任何记者都明白核反应堆究竟是怎么回事。

核泄漏确实已经发生，“显著泄露”大概会是个什么程度？打个比方说，可能比你乘坐一趟长途飞行，或是喝下一杯产自本身具有高程度自然辐射地区的啤酒，所受到的辐射要多一些。

我读了自从地震发生以来的所有新闻报道，可以说几乎没有一篇是准确或是无误的（当然也可能是因为地震发生之后日本的通讯问题）。关于“没有一篇是无误的” 我并不是指那些带有反核立场的采访，毕竟这在现在也挺常见的。我指的是其中大量的关于物理和自然规律的错误，及大量对于事实的错误解读―可能是因为写稿子的人本身并不了解核反应堆是如何建造和运营的。我读过一篇来自CNN的三页长度的报道，每一个段落都至少包含一个错误。

接下来我们会告诉大家一些关于核反应堆的基本原理，然后解释目前正在发生的是什么。

福岛核电站的构造

福岛核电站的反应堆属于“沸水反应堆”（Boiling Water Reactors），缩写BWR。沸水反应堆靠沸水来发电。核燃料对水进行加热，水沸腾后汽化，然后蒸汽驱动汽轮机产生电流，蒸汽冷却后再次回到液态，之后再把这些水送回核燃料处进行加热。反应堆的温度大约是285摄氏度。

上文提到的核燃料就是氧化铀。氧化铀是一种熔点在2800℃的陶瓷体。燃料被制作成小圆球（直径1cm高1cm的小圆柱）。这些小圆柱被放入一个用失效温度1200℃（会被水自我催化氧化）的锆锡合金制成的长管，然后密封起来。这就是一个燃料棒（fuel rod）。然后这些燃料棒被放到一起组合为一个更大的单元，然后数百个燃料单元就组成了一个核反应堆堆芯（core）。

固体燃料小颗粒（一个氧化陶瓷基）是第一层屏障，用来限制放射性裂变反应中产生的放射性裂变产物。锆锡合金是第二层屏障，来隔绝放射性燃料与反应堆的其他部分。

之后反应核心被放到压力仓中。压力仓是个很厚的钢铁容器，工作压力大约是7MPa（约1000磅/平方英寸），设计时考虑了事故的可能，能够承受事故造成的高压。压力仓是防止核泄漏的第三道屏障。

核反应堆的整个主回路（包括压力仓、管道、泵、冷却水）装在安全壳中，它是防止核泄漏的第四道屏障。安全壳由钢铁和混凝土制成，极厚而且完全密封。它存在的目的只有一个：当反应核心熔融时，无条件将其控制在安全壳内部。为了这个目的，安全壳四周也有巨大厚重的混凝土结构，它叫做外壳安全壳。

安全壳和外壳安全壳都位于反应堆厂房中。厂房是为反应堆遮风挡雨的外壳。（厂房是在爆炸中毁坏的部分，后面还会详细解释。）

福岛第一核电站一号机确实是通用电气的MarkI型沸水堆。新闻里露出钢筋的部分是最外部的厂房。

核反应的基本原理

铀燃料被中子诱导发生核裂变，从而产生热量。铀原子裂变为两个轻原子（也就是裂变产物），这个过程会产生热量和更多的中子（中子是构成原子的微粒之一）。当一个中子击中了另一个铀原子时，铀原子会分裂，产生更多的中子，这样无限进行下去，也就是链式核反应。在正常的全功率工作状态下，一个反应核心的中子总数是恒定的，反应堆处在一种临界状态。

值得一提的是，反应堆中的核燃料绝不会引起像原子弹那样的爆炸。切尔诺贝利爆炸的危害来自过大的压力累积以及氢气爆炸，破坏了所有保护结构，融化的核心物质被抛洒到环境中。注意切尔诺贝利根本没有安全壳一类的环境屏障。日本绝不会发生切尔诺贝利那样的事故，后面还会详细解释。

为了控制链式核反应，反应堆操作者会用到控制棒。控制棒由硼制成，能够吸收中子。在沸水反应堆的正常运转中，控制棒用于保持链式反应的临界状态。控制棒也会用在反应堆的关闭过程中，将其功率从100%降到7%。

余热是由裂变产物的放射性衰变产生的。放射性衰变是裂变产物以微粒形式（α、β、γ、中子等）释放能量从而使自身达到稳态的过程。反应堆中会产生多种裂变产物，包括铯和碘。余热在反应堆关闭后会逐渐消失及但仍需要冷却系统来消除余热，防止燃料棒过热造成屏障失效及核物质泄漏。保持足够的冷却能力来消除反应堆的余热，是目前日本反应堆所面临的最大挑战。

很重要的一点是，许多裂变产物衰变得非常快，还没等你说完“放射性核物质”这个词，它们就会变得全然无害。另外一些裂变产物衰变得相对较慢，例如铯、碘、锶、氩。

福岛到底发生了什么

接下来总结目前的主要事实。

冲击核电站地震的威力是核电站设计时所能承受的威力的数倍（震级之间的放大倍数是对数关系，所以同样条件下 8.9 级地震的威力是 8.2 级，即核电站的设计抗震威力的 5 倍，而不是 0.7 的差异）。

当地震冲击核电站时，所有的反应堆就自动关闭了。在地震开始后的数秒内，控制棒就插入到了核心内，链式反应即刻中止。而此时，冷却系统就开始带走余热。这些余热相当于反应堆正常运转时产生7%的热量。

地震摧毁了核反应堆的外部电力供应。而这是核反应堆能够遇到的严重故障之一，称为“全厂断电”。设计反应堆和它的备用系统时考虑到了这种可能性，因此核电站有备用电力系统，以维持冷却泵的运转。另外，由于反应堆已关闭，核电站本身不能产生任何电力。

地震发生后的第一小时，多组紧急备用柴油发电机中的一组启动，为冷却泵提供了所需的电力。然后海啸来了，比核电站设计时所预料的规模要更巨大的海啸，淹没了所有的柴油发电机组，导致它们失灵了。

在设计核电站时，一个基本原则是“纵深防御”。这意味着工程师需要设计一座能够抵御严重灾害的厂房，就算好几个系统都失效了依然不能出问题。一场摧毁所有柴油发电机的海啸就是这样的场景，但3月11日的海啸的严重程度超过了所有的预料。为了应付这样的事件，工程师们设计了一道额外防线：把所有的结构放进一个安全壳（如前所述），这个壳的设计思路就是把一切牢固地关在里面。

当海啸袭来，柴油发电机组失灵后，反应堆操作员将反应堆切换到使用紧急电池。这些电池被设计为备用方案的备用方案，用于提供给冷却系统8个小时所需的电力，并且也确实完成了任务。

8小时后，电池用尽，残热无法再被带走。这时反应堆操作员开始按照“冷却失灵”的紧急预案进行处理。这是“纵深防御”中的更进一层。这一切，无论在我们看起来多么让人震惊，但却是反应堆操作员培训的一部分。

于是在这个时候外界开始谈论可能发生的堆芯熔化。因为到了最后，如果冷却系统无法恢复，核心几天之后迟早会融化，可能会被包裹在安全壳中。注意，“熔化”这个词的定义很是模糊。如果要形容燃料棒外面的锆合金屏障出现问题的话，“燃料故障”是个更好的词。锆合金会先于核燃料而融化，这一现象有很多可能的原因―压力太大，氧化剂太多，温度太高，等等。

但是，熔化还要一段时间才会发生。当务之急是在堆芯持续升温时将之控制住，并确保燃料棒的锆锡合金外壳完整，尽可能起作用的时间更长一点。

既然让堆芯冷却是最重要的事情，因此反应堆内实际上有多个独立的冷却系统（反应堆给水清洁系统，衰变降温系统，反应堆核心隔离冷却系统，备用液体冷却系统，等等；这一切组成了紧急核心冷却系统）。而究竟哪一个失效了或是没有失效，在此时无法得知。

损失了能源，操作者就失去了大部分的冷却能力，只能有什么用什么，尽可能导走热量。但热的产生速度依然比散热速度快，因此越来越多的水沸腾成蒸气，内部压强也开始上升。此时优先要做的是保持温度低于1200℃以保证燃料棒合金外壳的完整，并维持系统压力不要太高。但要确保压力不太高，必须时不时把水蒸气和堆内的其它气体释放出来，一旦发生事故时，保证压力不超限是很重要的，所以反应堆压力室和安全壳都设计有好几个减压阀。

就像之前提到的那样，蒸汽和其它气体会被排走。一些气体是放射性裂变产物，但量很小。因此，当反应堆操作者开始为系统排气时，一些放射性气体会在严密控制下被释放到环境中（气体量很小，会经过过滤和洗涤）。尽管一些气体有放射性，但它们不会对公众安全造成威胁，即便对反应堆的工作人员也是这样。这个操作程序是合理的，因为比起不排气可能造成的危险，它造成的影响很轻。

与此同时，移动式发电机被运送到反应堆附近，恢复了一部分供电能力。然而，沸腾和排气所消耗水的速度大于向反应堆中加水的速度，因此冷却系统的冷却能力降低了，在某些排气过程中，水位会降低到燃料棒顶端以下。无论如何，一些燃料棒的覆层温度会上升到1200℃以上，从而在锆合金和水之间引发化学反应。这种氧化反应会产生氢气，它与蒸汽混合一同被排出―这个反应在人们预料之中，但产生的氢气总量是未知的，因为操作员不知道燃料棒的具体温度，也不知道水位到底多高。由于氢气高度易燃，当足够多的氢气与空气混合时，它会与氧气反应。如果氢气的量够多，反应会迅速进行，产生爆炸。有时候在排气的过程中，安全壳内部也会积聚足够的氢气（而安全壳内部没有空气），因此一旦开始排气，氢气接触到空气就会发生爆炸。这种爆炸发生在安全壳之外、厂房之内（而厂房没有保障功能）。注意3号机组也发生了类似的爆炸。这次爆炸毁坏了厂房的屋顶和一部分墙壁，但没有破坏到安全壳或压力仓。虽说这是个意料之外的状况，但它发生在安全壳之外，没有对核电站的安全结构造成威胁。

由于一些燃料棒覆层温度超过了1200℃，这种破坏已经发生了。核物质本身毫发无损，但包裹它的锆合金外壳开始失去保护功能。目前，一些放射性裂变产物（铯、碘之类）开始与水和蒸汽混合。有报道说在蒸汽中已经监测到了小部分铯和碘，它们被排放到了大气中。

由于反应堆的冷却能力有限，而反应堆中的总水量一直在下降，因此工程师决定注入海水（其中混合了中子吸收剂硼酸）以保证燃料棒仍浸没在水中。尽管反应堆已经关闭，但以防万一仍需加入硼酸，保持反应堆的关闭状态。硼酸也能困住一部分水中的碘，防止它逃逸，但这不是硼酸的本职工作。

冷却系统中所用的水是经过纯化和脱矿的水。使用纯水的目的是在反应堆正常运转时减小冷却系统的腐蚀。注入海水之后需要花更多时间清洗设备，但可以起到救急的作用。

这个过程会把燃料棒的温度降低到无害级别。由于反应堆早已关闭，余热已经减小，因此核电站内部压力已经保持稳定，无需继续排气。

担忧微量辐射毫无必要

另据新华社日前消息：日本核泄漏事故发生后，美国西海岸、中国黑龙江省乃至欧洲部分国家都监测到极微量放射性物质，引起民众担忧。就此，美国核管理委员会前委员杰弗里•梅里菲尔德却认为，这种担忧毫无必要。

梅里菲尔德日前表示：“无论你身处美国还是中国，我认为，你都不会因为来自福岛的放射性物质而遭受严重后果。”

梅里菲尔德1998年至2007年担任美国核管理委员会委员，任职期间，他访问过全球半数以上的核电机组，其中也包括日本福岛第一核电站。梅里菲尔德认为，来自福岛第一核电站的大部分放射性物质都将集中在事发地周边，即便有少量放射物扩散至日本以外地区、甚至“穿越太平洋”，也会在风和海水作用下被稀释，不会影响公众健康。

梅里菲尔德表示，关于辐射，有一点需要明白：从对公众健康影响的角度而言，微量辐射“没有丝毫意义”。他举例说，1986年苏联切尔诺贝利核事故发生后，全球各地都检测到放射性物质，但水平没有高到足以引起对健康担忧的程度。切尔诺贝利事故后的第二年，美国相关部门在本土检测到一些物质辐射水平升高，但增高值只有美国人从日常辐射环境中受到辐射量的三百分之一。