用於冷卻系統的給水是非常純淨的,去除了所有礦物質的水。使用純淨水的原因在於:純淨水很大程度上不會被激活,因此可以保持相對無輻射。而如果是臟水,那麼更容易捕獲中子,進而變得更加具有放射性。這不會影響到核心——因為核心不會被冷卻水影響。但是會使得操作員更難處理這些具有輕度放射性的活化水。
但是“A計劃”失敗了——系統無法冷卻,並且也沒有額外的純淨水。因此“B計劃”被啟動。而這就是目前正在發生的:
為了避免核心融化,操作員開始使用海水來冷卻核心。我不是十分清楚,他們是用海水浸泡住壓力容器(第二層護罩),還是淹住反應堆外殼(第三層護罩)。不過這個不是我們現在要討論的。
要點在於核燃料現在確實已經冷卻下來了。因為鏈式反應早就已經停止,所以目前只有非常少量的餘熱在產生。已經使用了的大量冷卻水可以帶走這些餘熱。因為是注入了大量的水,所以目前核心已經無法再產生足夠的熱量去大幅度提升壓力。並且,海水中加入了硼酸。硼酸是一種“液體控制棒”。無論發生什麼樣的衰變,硼都可以捕獲產生的中子並進一步加速核心的冷卻。
福島核電站曾經十分接近核心融化。但是,目前最壞的情況已被避免:如果沒有將海水注入,那麼操作員就只能繼續旋鬆閥門以釋放壓力。第三層護罩必須完全密封,以避免其中發生的核心融化洩漏出任何的放射性物質,然後會經過一段等待期,等待護罩內的裂變副產品完成衰變,所有的放射性粒子會附著在護罩內壁。冷卻系統最終會被恢復,融化的核心也會冷卻至一個可控的溫度。護罩內部會被清理。然後需要做一項棘手肮臟的事情——將融化了核心移出,將凝固了的燃料棒及燃料一塊一塊地裝入運輸裝置,運送到核廢料處理廠進行處理。根據損壞狀況,核電站的這塊區域需要進行修理或是徹底拆除。
核反應堆內的第一類放射性物質就是燃料棒中的鈾元素,及放射性副產物銫和碘同位素。這些物質都在燃料棒內部。
而除此之外,還存在第二類放射性物質,產生於燃料棒外部。而首先需要說明的是,這些外部的放射性物質的半衰期都非常短,這意味著它們會在很短的時間內衰變為沒有放射性的物質。“很短”的意思就是幾秒。所以即使這類放射性物質被釋放到自然環境中,它們也是毫無危害的。為什麼呢?因為大約就在你讀完“R-A-D-I-O-N-U-C-L-I-D-E”的這幾秒內,這類物質就衰變到完全不具有放射性了。這類放射性物質就是氮-16(N-16),也就是氮氣(構成大氣的氣體之一)的具有放射性的同位素。另外就是一些稀有氣體比如氬。但是這些物質是如何產生的呢?當鈾原子裂變時,會產生一個中子。大部分的這些中子都會撞擊到其他的鈾原子,由此鏈式反應就一直持續發生。但是其中的一些會離開燃料棒並撞擊到水分子,或是冷卻水中的空氣。然後,一個不具有放射性的元素就會“捕獲”這個中子,並變得有放射性。而就如前文所述,在數秒內它就會衰變到它本來的面目。
上面所描述第二類的放射性物質在我們接下來要討論的核洩漏中非常重要。
福島到底發生了什麼
接下來我會試著去總結目前的主要事實。衝擊核電站的地震的威力是核電站設計時所能承受的威力的五倍(里氏震級之間的放大倍數是對數關係,所以8.9級地震的威力是8.2級,即核電站的設計抗震威力的5倍,而不是0.7的差異)。所以我們首先為日本的工程技術水平喝彩,至少一切目前是保下來了。
當8.9級地震衝擊核電站時,所有的反應堆就自動關閉了。在地震開始後的數秒內,控制棒就插入到了核心內,鏈式反應即刻中止。而此時,冷卻系統就開始帶走餘熱。這些餘熱相當於反應堆正常運轉時產生的3%的熱量。
地震摧毀了核反應堆的外部電力供應。而這是核反應堆能夠遇到的最嚴重的故障之一,因此,在設計核反應堆的備用系統時,“電站停電”是一種被高度關注的可能性。因為核反應堆的冷卻泵需要電力以維持運轉。而反應堆關閉後,核電站本身就不能產生任何電力。
在地震發生後的一小時內一切情況是平穩的。為緊急情況而準備的多組柴油發電機中的一組啟動,為冷卻泵提供了所需的電力。然後海嘯來了,比核電站設計時所預料的規模要更巨大的海嘯,摧毀了所有的柴油發電機組。
在設計核電站時,工程師們所遵循的一個哲學就是“縱深防禦”。這意味著你首先需要為了你能夠想象到最災難的情況設計防衛措施,然後為了你覺得可能絕對不會發生的子系統故障設計方案,以確保即使這樣的可能絕對不會發生的故障發生後,核電站依然可以安全。而一場巨大的摧毀所有柴油發電機組的海嘯就是這樣的一種極端情況。而所有的防衛的底線就是前面提到過的第三層護罩,將一切可能發生的最糟糕情況——控制棒插入或者未插入,核心融化或者未融化——容納於其中。
當柴油發電機組被衝走後,反應堆操作員將反應堆切換到使用緊急電池。這些電池被設計為備用方案的備用方案,用於提供給冷卻系統8個小時所需的電力,並且也確實完成了任務。
而在這八個小時內,需要為反應堆找到另外一種供電措施。當地的輸電網絡已經被地震摧毀。柴油發電機組也已經被海嘯衝走。所以最後通過卡車運來了移動式柴油發電機。
整個事件從這一刻起開始變得糟糕。運來的柴油發電機無法連接到電站(因為接口不兼容)。所以當電池耗盡後,餘熱就無法再被帶走。
在這個點上反應堆操作員開始按照“冷卻失靈”的緊急預案進行處理。這是“縱深防禦”中的更進一層。理論上供電系統不至於徹底失效,但是現實如此,所以操作員們只能退到“縱深防禦”中更進一層。這一切,無論我們看起來多麼不可思議,但卻是反應堆操作員的培訓的一部分——從日常運營到控制一個要融化的核心。
於是在這個時候外界開始談論可能發生的核心熔融。因為到了最後,如果冷卻系統無法恢復,核心就一定會融化(在幾個小時或是幾天內),然後最後一層防線——第三層護罩及護罩內的大碗,就將經受考驗。
但是此時最重要的任務是在核心持續升溫時控制住,並且確保第一層護罩(燃料棒的鋯錫合金外殼),及第二層護罩(壓力容器)能夠保持完整並盡可能多工作一段時間,從而讓工程師們能夠有足夠的時間修好冷卻系統。
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