福島核電站事故分析.docx

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1、福島核電站事故分析感謝供稿：銀河雙子星（原子物理博士后、旅日留學(xué)生）福島核電站結(jié)構(gòu)福島核電站屬于沸水反應(yīng)堆（簡稱BWR，BoilingWaterReactors）。BWR是通過沸水來發(fā)電的，用它的蒸汽推動渦輪實現(xiàn)發(fā)電。沸水反應(yīng)堆以輕水（普通水H2O）作為冷卻劑和中子慢化劑。反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)內(nèi)壓強保持在70個大氣壓。在這里，來自汽輪機的給水進入壓力容器后，在280℃左右沸騰。汽水混合物經(jīng)過堆芯上方的汽水分離器和蒸汽干燥器過濾掉液態(tài)水后直接送到汽輪機。離開汽輪機的蒸汽經(jīng)過冷凝器凝結(jié)為液態(tài)水（給水）后，回流至反應(yīng)堆，完成一個

2、循環(huán)。可參考此網(wǎng)站。堆中所用核燃料是鈾的氧化物。其熔點很高，接近2800攝氏度。燃料被制成柱狀（1cm高截面直徑1cm的小圓筒）。這些柱狀物體被放入鋯錫合金（一種鋯合金）制成的長管中，它的熔點在1200攝氏度左右，并且被嚴(yán)格密封。這種長管被稱為燃料棒，包裹核燃料的鋯錫合金的這層叫做燃料包殼，包殼將放射燃料跟反應(yīng)堆其他的組成分隔開。這些燃料棒然后被集裝到一起，這樣的幾百個集裝件共同形成反應(yīng)堆的內(nèi)核。內(nèi)核被放置在一個巨大的壓力容器中。壓力容器由很厚的鋼鐵構(gòu)成，可以在7MPa的壓力下工作（大概是1000psi），它的設(shè)計涵

3、蓋了事故發(fā)生時產(chǎn)生高壓的情況。然后壓力容器以及水泵、冷卻劑等一并封裝在更結(jié)實的鋼筋混凝土建筑中，這一層叫做安全殼，它高度密封，形成非常厚的屏障。在這個容器建筑的外圍又澆灌了一層很厚的混凝土外殼，作為它的雙重保障。這些都是為了防止核芯放射物質(zhì)出現(xiàn)高溫熔毀后出現(xiàn)泄漏。切爾諾貝利核電站發(fā)生的重大事故是因為沒有這一層安全殼導(dǎo)致的。所有這些，再加上蒸氣發(fā)電機等都建在一個更大的發(fā)應(yīng)堆建筑內(nèi)部，反應(yīng)堆建筑是整個核能源廠的外殼性建筑，以便保持廠內(nèi)恒溫，不受外界氣候變化影響。總結(jié)一下，沸水式核電站由內(nèi)到外的機構(gòu)：放射性核燃料、鋯合金包

4、殼、鋼鐵壓力容器、鋼筋混凝土安全殼、外層建筑?？磶讖埛兴磻?yīng)堆的圖吧核反應(yīng)堆工作原理反應(yīng)堆中的鈾燃料由中子誘發(fā)可以導(dǎo)致核裂變發(fā)生，其裂變產(chǎn)物為碘131、銫137等同位素，并放出中子和能量，這些能量會通過與堆內(nèi)部水的摩擦作用而變成水的內(nèi)能。這些中子一部分會擊中其他鈾原子核，繼續(xù)發(fā)生裂變，并產(chǎn)生新的中子，依次類推。這就是核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)原理。為了控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)速度，反應(yīng)堆中要用到控制棒?？刂瓢羰怯赡軌蛭罩凶拥呐鹪刂瞥傻摹Ｔ谕ǔ顟B(tài)下，由控制棒控制，核芯中子的產(chǎn)量是穩(wěn)定的（保持?jǐn)?shù)量穩(wěn)定），反應(yīng)堆處于臨界狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生事故時

5、，控制棒全部放下，用來關(guān)閉反應(yīng)堆，可以從100%的動力降到7%動力（殘留的延遲的熱量造成）。所以核電站是利用的可控核反應(yīng)，而核彈則是利用不可控的核反應(yīng)。反應(yīng)堆內(nèi)的核燃料永遠(yuǎn)不會產(chǎn)生原子彈那樣的核爆炸。在切爾諾貝利,烏克蘭的城市(1986年核反應(yīng)事件的發(fā)生地)，爆炸是由于過量的壓力釋放、氫爆炸以及建筑物開裂導(dǎo)致，由于沒有安全殼保護，致使放射性核芯溶解，經(jīng)爆炸流入外部環(huán)境中。所以此次日本的情況要好很多。在反應(yīng)堆停止運行后，核芯的熱量釋放并不會馬上停止。在反應(yīng)堆中，還存在有銫和碘等裂變產(chǎn)物，這些東西也要繼續(xù)衰變釋放熱量，變

6、成其他無放射性的同位素，這個過程一般需要幾天的時間。另外鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)生的中子還會撞擊堆內(nèi)的一些水分子中的氧原子核，形成氮16等放射性同位素，不過這些東西會在幾秒內(nèi)衰變，問題不大，另外還有稀有氣體氬等。所以即使停堆，熱量還是會繼續(xù)少量產(chǎn)生，這些剩余熱量要在反應(yīng)堆關(guān)閉后的很長時間內(nèi)才能減少，而且它們需要通過冷卻系統(tǒng)來轉(zhuǎn)移，以防燃料棒被過度加熱熔化導(dǎo)致泄漏。為反應(yīng)堆中延遲的熱量提供足夠的冷卻，是目前日本遭到破壞的反應(yīng)堆最主要的挑戰(zhàn)?？匆幌逻\行發(fā)電的示意圖：福島核電站事故過程分析這次地震太強了，超出核電站設(shè)計抗震極限。地震后反

7、應(yīng)堆內(nèi)控制棒插入，自動停堆。停堆后剩余熱量需要繼續(xù)轉(zhuǎn)移釋放，但外部供電電網(wǎng)因地震損毀無法供電，所以應(yīng)急備用柴油發(fā)電機開始工作，湊活能用。但隨之到來的海嘯摧毀了柴油發(fā)動機，不得不啟用第二套備用的應(yīng)急電池動力，繼續(xù)泵水冷卻。但電池只能維持八小時，之后就開始慘了。之后熱量繼續(xù)產(chǎn)生，但水泵冷卻能力趕不上了，因此壓力容器內(nèi)會有大量的水變成水蒸氣的狀態(tài)，使一回路內(nèi)部的壓力增大，超過工作壓力，溫度也不斷升高。此時壓力容器內(nèi)的溫度是550攝氏度。現(xiàn)在首要的是保持內(nèi)部溫度在1200攝氏度以下，以確保燃料棒的安全，亦即是內(nèi)部壓力處于可管

8、理的水平，否則燃料棒就會熔化。為了這個目的，水蒸氣（還有其他反應(yīng)器內(nèi)的氣體）不得不定期排放。因此，反應(yīng)器在當(dāng)初設(shè)計的時候，在壓力容器和容器建筑上預(yù)留了幾個氣體排放口。為了保證壓力容器和容器建筑的安全，為保住壓力邊界，操作員不得不定時的排放氣體以控制內(nèi)部壓力。這些排放出的水蒸汽里也含有一些氮16、氬等，但其輻射是可以忽略的，不需要考慮。接著就更慘