核反应堆的工作原理和故障原因

周五的地震和海啸过后，日本的几座核电站，尤其是位于日本东北部的福岛内石核电站，出现了严重问题。如果你一直在关注新闻，你就会发现这座核电站发生了一些相当令人担忧的事情——诸如“爆炸”、“部分熔化”、“疏散”和“辐射暴露”等。混乱的现场细节不多，以下是你需要了解和理解日本正在发生的新闻所需的信息。

什么是核反应？

核反应最基本的原理就是发生在原子核中的反应过程。核反应通常发生在原子核被亚原子粒子（通常是“自由中子”，即不与现有原子核结合的短寿命中子）或另一个原子核撞击时。该反应产生的原子和亚原子产物不同于原来的两个粒子。为了产生我们想要的核反应，即裂变反应（原子核分裂），这两个原始粒子必须属于某一类型：一个必须是非常重的元素同位素，通常是某种形式的铀或钚，另一个必须是非常轻的“自由中子”。铀或钚同位素被称为“可裂变的”，这意味着我们可以用自由中子轰击它们来诱发裂变。

在裂变反应中，轻粒子（自由中子）与重粒子（铀或钚同位素）碰撞，重粒子分裂成两到三块。裂变产生大量能量，既有动能，也有电磁辐射。这些新碎片包括两个新原子核（副产品）、一些光子（伽马射线），但也有一些自由中子，这是使核裂变成为产生能量的良好候选者的关键。这些新产生的自由中子四处飞驰，撞击更多的铀或钚同位素，进而产生更多的能量和更多的自由中子，整个过程就这样持续下去——核裂变链式反应。

核裂变会产生大量能量，主要以热能的形式出现——这种能量比同等质量的日常燃料（如汽油）产生的能量高出数百万倍。

从裂变中获取可用能源

日本有几种类型的核裂变反应堆，但我们将重点介绍福岛内石核电站，这是该国受灾最严重的核电站。福岛核电站由东京电力公司 (TEPCO) 运营，拥有六个独立的反应堆机组，尽管 4、5 和 6 号机组在地震发生时（更重要的是，随后的海啸）因维护而关闭。1、2 和 3 号机组都是通用电气在 20 世纪 70 年代早期至中期制造的“沸水反应堆”。沸水反应堆 (BWR) 是世界上第二常见的反应堆类型。

沸水反应堆包含数千根细长 12 英尺、形似稻草的管子，即燃料棒，福岛核电站的燃料棒由锆合金制成。燃料棒内部密封着真正的燃料，即氧化铀的小陶瓷颗粒。燃料棒捆扎在一起，位于反应堆核心。在核裂变链式反应中，燃料棒会升温至极高的温度，而保证燃料棒安全的方法同时也是从燃料棒中提取有用能量的方法。燃料棒浸没在用作冷却剂的软化水中。水被保存在加压安全壳中，因此沸点约为 550 °F。即使在如此高的沸点下，燃烧的高温燃料棒也会产生大量蒸汽，这正是我们想要从整个复杂装置中得到的东西 — 高压蒸汽用于启动发电机上的涡轮机，从而产生电力。

安全

由于会产生大量热量，并生产和使用大量有害放射性物质，核电站除了使用冷却水（冷却水本身由冗余柴油发电机备份——稍后会详细介绍）外，还采取了多种安全措施。核电站的核心、燃料棒和水都装在钢制反应堆容器中。反应堆容器又装在一个巨大的钢筋混凝土外壳中，旨在防止任何放射性气体逸出。

没有“关闭”开关吗？

当然！但毋庸置疑，安全关闭和控制核反应堆并不像拔掉厨房电器的插头那么简单。这是因为在核裂变消退后，仍然存在极高的温度——主要是由于核裂变反应中固有的化学反应。

正常运行的裂变电厂采用控制棒系统，本质上是通过吸收游离中子来限制燃料棒内裂变速率的结构。通过在反应堆中插入和移除控制棒，可以控制甚至停止裂变速率。地震发生时，福岛反应堆的控制棒正常运行，停止了裂变反应。但即使裂变反应停止，燃料棒仍处于极高的温度，需要不断冷却。

这通常不是问题，只要冷却系统（以及，如果冷却系统出现故障，其柴油备用发电机）仍然完好无损。但在地震中失去主要电源后，随后的海啸也摧毁了福岛的柴油备用发电机。这是一个严重的问题；即使核裂变已经停止，冷却剂仍然是保证核电站安全所必需的。

这是因为核芯中残留的热量，既来自最近被禁用但仍很热的燃料棒，也来自裂变过程的各种副产品。这些副产品包括放射性碘和铯，它们都会产生所谓的“衰变热”——这种余热消散得非常慢。如果核心不持续冷却，在“关闭”很久之后，仍然有足够的热量导致熔毁。

就福岛核电站而言，由于主冷却系统和备用冷却系统都已瘫痪，东京电力公司被迫想出办法，用掺有硼酸的海水灌满堆芯（硼酸用于在因熔化而重新启动核反应堆时阻止另一次裂变反应——下文将详细介绍）。这是一个不好的迹象——这是防止灾难发生的最后一搏，因为海水中的盐会腐蚀机器。这也是一个临时解决办法：东京电力公司每天需要向堆芯注入数千加仑海水，直到冷却系统恢复运行。如果没有它，海水法可能需要持续数周甚至长达一年，因为衰变热会慢慢消退。

可怕的崩溃

首先，“崩溃”并不是一个定义精确的术语，因此它无法用来指示发生了什么。即使是“全面崩溃”和“部分崩溃”这样的术语也没什么帮助，这也是我们编写本指南的部分原因——您将能够了解实际发生的事情，而无需依赖专家们通常不愿使用的虚假术语。

不管怎样，让我们​​先从一些不太严重（但仍然令人不安）的事情开始，当冷却液不再存在于堆芯中时，这些事情可能发生。当燃料棒被水覆盖时，它们会变得非常热——我们说的是几千摄氏度——并开始氧化或生锈。这种氧化会与剩余的水发生反应，产生高度爆炸性的氢气。福岛 1 号反应堆已经发生过这种情况（见下面的视频）。氢气可以少量排放到安全壳中，但如果他们不能足够快地排放，它就会爆炸，这正是 1 号反应堆发生的情况。请记住，这不是核反应，而是一种简单的化学爆炸，通常（如本例）会导致很少或没有放射性物质泄漏到外界。

东京电力公司宣布，爆炸发生后，核电站周围地区的辐射水平仍在“正常”范围内。这是一个重要的区别——并​​不是说核电站发生氢气爆炸是特别有趣的消息，但它远不如熔毁那样引起恐慌。

人们说“熔毁”时可能指代几种不同的事情，都可能发生在氢气爆炸之后。与“部分熔毁”相比，“全面熔毁”的定义更为普遍。全面熔毁是一种最坏的情况：锆合金燃料棒和燃料本身，以及留在核芯中的任何机器，都会熔化成一种名为堆芯的熔岩状物质。堆芯是一种非常危险的物质，由于其巨大的热量和化学力，它能够直接烧穿混凝土安全壳，当所有这些超强核物质聚集在一起时，它实际上可以重新启动裂变过程，只是速度完全无法控制。安全壳破裂可能会导致安全壳最初建造时所容纳的所有可怕的放射性垃圾被释放，这可能会导致切尔诺贝利式的破坏。

完全熔毁的问题在于，它通常是一大堆其他混乱的最终结果——爆炸、火灾、全面破坏。即使在切尔诺贝利，（现在回想起来，这真是难以置信）根本没有任何安全壳，损坏主要是由爆炸和石墨火灾导致核反应堆被毁，导致堆芯熔化，而不是核芯的物理熔化。

上周末，内阁官房长官枝野幸男有些犹豫地确认了“部分”熔毁。这是什么意思？没人知道！《纽约时报》指出，“部分”熔毁实际上并不需要涉及任何熔化才能被定义为熔毁——它可能只是意味着燃料棒长时间未冷却而腐蚀和破裂，从氢气爆炸来看，我们知道这已经发生了。但我们建议不要过分相信任何与“熔毁”有关的术语——了解实际情况会更有参考价值，而不是依赖一个模糊的笼统术语。

在东京电力努力应对地震和海啸对核电系统造成的破坏的同时，将会有大量新闻出现——可能会发生更多爆炸、大规模疏散以及更多这样或那样的“熔毁”。我们所能做的就是了解正在发生的事情，冷静思考情况，并希望东京电力最终能够重新控制核电站。