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一開始是先有這篇 為什麼不用擔心日本的核電站- V2EX 在3月14日下午所發表的版本：

「這是我在網上看到的一篇關於目前日本核電站事態的解析文章，
  作者是 MIT 的研究科學家 Josef Oehmen 博士，其父在德國核工業具有深厚經驗。

  這篇文章從淺顯易懂的角度解釋了目前發生在 Fukushima 福島核電站1號機的事態，
  對於解釋其他機組的狀況也有指導意義。」


接著麻省理工學院的核工系接管了這篇文章，並作了一些更正與修改，

以下轉錄(簡轉繁)自 劉昕(Livid) 的文章 http://www.v2ex.com/t/9714 

（更新：3月16日根據 MIT NSE 的版本重新翻譯）


之前 Josef Oehmen 博士發表的原文現在已經被 MIT NSE（麻省理工核科學與技術系）接手。

現在新的 MIT NSE 的原文地址：
http://mitnse.com/2011/03/13/why-i-am-not-worried-about-japans-nuclear-reactors/

根據之前的原文翻譯的文章可以看這裡：http://www.v2ex.com/t/9802


MIT NSE（核科學與技術系）在接管這篇文章後的提示：

本文之前出現在 Morgsatlarge 這個網站。現在我們將它轉移到這個由麻省理工核科學與
技術系（NSE）維護的網站。NSE 的成員對原文進行了一些修改，並且會持續跟進目前的最
新發展。

需要注意的是，本文的原始標題並不代表 MIT NSE 的立場。我們一直在監控事態的發展，
並且將呈現這個過程中的事實。我們認為原文對於此次發生在福島核電站的事故的背景提供
了很好的介紹。

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譯者：劉昕livid@v2ex.com

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我為什麼不擔心日本的核電站

我們會告訴大家一些關於核反應堆的基本原理，然後解釋目前正在發生的是什麼。


日本福島核電站是如何建設的


福島核電站的反應堆屬於“沸水反應堆”（Boiling Water Reactors），縮寫BWR。沸水
反應堆和我們平時用的蒸汽壓力鍋類似。核燃料對水進行加熱，水沸騰後汽化，然後蒸汽
驅動汽輪機產生電流，然後蒸汽冷卻後再次回到液態，然後再把這些水送回核燃料處進行
加熱。蒸汽壓力鍋內的溫度通常大約是 285 攝氏度。

上文提到的核燃料就是氧化鈾。氧化鈾是一種熔點在 2800 攝氏度的陶瓷體。燃料被製作
成小圓柱（大約高1厘米，直徑1厘米的小圓柱）。這些小圓柱被放入一個用鋯錫合金製成
的長桶，鋯錫合金的失效點是 1200 攝氏度（因為鋯水氧化反應）。 然後密封起來。這
就是一個燃料棒（fuel rod）。然後這些燃料棒被放到一起組合為一個更大的燃料單元，
大約幾百個這樣的燃料單元組成反應堆的堆芯（core）。

固體燃料小圓柱（氧化陶瓷基）是第一層屏障，可以留住裂變過程中產生的大部分放射性
產物。鋯錫合金外殼是第二層屏障，讓其中的核燃料不會釋放到反應堆內的其他區域。

然後堆芯被放入“壓力容器”中，這是一個非常厚的鋼製容器，運行時內部壓力通常在
 7000 千帕。設計用於抵抗在可能的事故發生時的巨大壓力。壓力容器是防止放射性物質
洩露的第三層屏障。

一個核反應堆的所有的這些“硬件”——壓力容器，各種管道，泵，冷卻水，然後被封裝
到反應堆的外殼結構中。外殼結構是第四層屏障。這是一個完全密封的，用最堅固的鋼和
混凝土製成的非常厚的結構。第四層屏障的設計，建造和測試只是為了一個目的：當堆芯
完全熔融時，將其包裹在其中。為了幫助實現這個目的，在第四層屏障外部還會有一個非
常厚的混凝土結構，作為第二層外殼結構。

這兩層外殼結構外是反應堆機房。反應堆機房是一個將各種風吹雨打擋住的外殼。（這也
是在爆炸中被毀壞的部分，我們稍後再說）


核反應的一些基本原理


鈾燃料通過核分裂產生熱量。大的鈾原子分裂成更小的原子，這樣就產生熱量及中子（構
成原子的一種粒子）。當中子撞擊另外一個鈾原子時，就觸發分裂，產生更多的中子並一
直繼續下去。這就是核裂變的鍊式反應。在正常的全速運轉狀況下，堆芯中的中子數量是
穩定的，並且反應堆會處於臨界狀態。

但是值得指出的是，在核反應堆內的燃料棒是絕對不可能導致像原子彈那樣的核爆炸的。
當年切爾諾貝利的情況是，爆炸是由於大量的壓力積攢，氫氣爆炸然後摧毀了所有的屏障，
然後將大量的融化的堆芯揮灑到了外界。需要注意的是，切爾諾貝利電站並沒有外殼結構
來阻止放射性元素揮灑到自然環境中。這樣的情況為什麼在日本沒有發生，及為什麼不會
發生，我們會在接下來討論。

為了控制鍊式反應的發生，反應堆操作員會用到“控制棒”。控制棒用硼製成，可以吸收
中子。在沸水反應堆正常運轉時，控制棒用於維持臨界狀態下的鍊式反應。同時控制棒也
用於關閉反應堆，將產生的熱量從 100% 降低到 7%（餘熱或是衰變產生的熱量）。

餘熱來自裂變產物的放射性衰變過程。放射性衰變是裂變產物通過將能量以更小的粒子
（阿爾法粒子，貝塔粒子，伽馬例子，中子，等等）發射出去，從而自身趨向穩定狀態的
過程。在反應堆中會產生多種放射性產物，包括銫和碘同位素。這些餘熱會在反應堆被完
全關閉後逐漸衰減，同時需要通過冷卻系統帶走這些餘熱以避免燃料棒融化從而導致核洩
漏。讓冷卻系統能夠高效地帶走這些餘熱是震後的日本面臨的主要挑戰。

需要特別指出的是，大部分的裂變產物的衰變過程（熱量產生過程）都非常迅速，在你讀
完“RA- DIONUCLIDE”的過程這些物質就完全無害了。也有一部分的衰變過程要更漫長一
些，比如銫，碘，鍶和氬。


福島到底發生了什麼（截至2011年3月12日時）


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）。

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
棒就插入到了堆芯內，鍊式反應即刻中止。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 7% 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。然后海嘯來了，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
了你能夠想像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外殼結構，將一切可能發生的最糟糕情況容納於其中。

當柴油發電機組被沖走後，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 8 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沖走。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）。
所以當電池耗儘後，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，無論對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堆芯。

於是在這個時候外界開始談論可能發生的堆芯熔融。因為到了最後，如果冷卻系統無法恢
復，堆芯就一定會融化（在幾天后），然後這一切會發生在外殼結構內。“堆芯熔融”這
個詞其實有多種解釋。“燃料保全失效”是描述燃料棒外殼（鋯錫合金）融化更準確的說
法。燃料棒外殼通常會比燃料本身先融化，並且造成來自機械，化學和熱力學方面的一些
惡果（壓力過大，過於嚴重的氧化，及過熱）。

然而，在目前距離融化還有一段時間，因此主要任務是確保堆芯不會持續升溫，並保住燃
料棒的外殼，確保外殼能夠堅持盡可能多的時間。

既然讓堆芯冷卻是那麼重要的事情，因此反應堆內實際上有多個獨立的冷卻系統（反應堆
給水清潔系統，衰變降溫系統，反應堆堆芯隔離冷卻系統，備用水冷系統，及緊急堆芯冷
卻系統）。而究竟哪一個失效了或是沒有失效在此時無法得知。

既然操作員因為沒有電力而無法使用大部分的冷卻手段，所以他們需要使用任何可用的手
段來進行冷卻。但是在冷卻手段的效率低於熱量產生的速度時，壓力容器內壓力就會開始
持續升高，因為越來越多的水蒸發為了蒸汽。於是現在的主要任務就是確保壓力容器內溫
度低於 1200 攝氏度，否則燃料棒外殼就會開始融化，同時壓力容器內的壓力也需要得到
控制。為了讓壓力容器的壓力可控，水蒸氣（及其他反應堆內的氣體）就需要時刻排出。
這個步驟在事故過程中很重要，可以確保壓力不至於超出容器能夠容納的最大程度，所以
在壓力容器和外殼結構上設計有幾個用於排壓的閥門。所以為了保住壓力容器和外殼結構
的完整性，操作員開始旋松這些閥門來排除壓力。

就像上面提到的，水蒸氣和其他氣體開始排出。而其中的某些氣體就是裂變過程的產物，
但是數量很少。所以，當操作員開始旋松閥門時，一些具有放射性的氣體就一種可控的方
式釋放了出來（數量很少，並且經過了過濾和清潔裝置）。雖然這些氣體具有放射性，但
是不會對公眾健康造成威脅，甚至不會威脅在場的工作人員的健康。釋放氣體是一個合理
的步驟，因為和持續積攢壓力所造成的威脅外殼結構完整性的惡劣後果相比，釋放氣體的
後果很輕微。

於此同時，移動發電機組運到，一部分電力開始恢復。然而，由於冷卻水的蒸發量多於輸
入到反應堆內的冷卻水，這實際上就​​降低了反應堆內的冷卻能力。在排出蒸汽過程中的某
個時間點，壓力容器內的水位可能降低到了燃料棒以下，導致燃料棒暴露在了空氣中。於
是，某些燃料棒的外殼的溫度超過了 1200 攝氏度，引發了鋯錫合金和水的氧化反應。這
些氧化反應會產生氫氣，氫氣進而和蒸汽及其他氣體混合在了一起。這種可能性是已知的，
但是操作員並不清楚氫氣的數量及燃料棒的溫度或是水位。氫氣是一種非常易爆的氣體，
當大量的氫氣和空氣混合時，氫元素就會和氧元素發生反應。如果氫氣的數量很大，那麼
反應就會非常快速地發生，並造成爆炸。所以在排壓過程中某個時間點大量的氫氣在外殼
結構內積攢，並且被排到了外部和空氣混合，然後就導致了爆炸的發生。這次發生在外殼
結構外部，反應堆機房（不具有任何安全功能）內部。在 3 號機機房也發生了類似的爆炸。
這次爆炸摧毀了反應堆機房的頂部和外牆的一部分，但是沒有損壞到外殼結構和壓力容器。
雖然這不是大家期望發生的，但是的確在外殼結構外發生不過沒有對電站安全造成威脅。

因為一部分燃料棒外殼溫度超過了 1200 攝氏度，所以一部分燃料棒被損壞了。其中的核
物質依然是完好的，但是外部的鋯錫合金開始脫落。於此同時，一部分的裂變產物（銫，
碘，等等）開始混合到水和蒸汽中。外界開始報導在大氣中接測到銫和碘。

因為反應堆的冷卻能力有限，並且水位持續在下降，因此工程師們決定向反應堆內註入海水
（混有硼酸，一種中子吸收劑）來確保水位可以覆蓋住燃料棒。雖然反應堆已經徹底關閉，
但是硼酸的加入可以進一步確保鍊式反應完全停止。硼酸同時也可以留住一部分的碘同位素
使得他們不會外散，雖然這不是加入硼酸的主要目的。

冷卻系統中通常所用的冷卻水是非常純淨的除鹽水。使用純淨水的原因是為了避免發生
腐蝕。注入海水將導致事件結束後需要進行額外的清潔，但是確實在當時提供了一種冷
卻手段。

海水注入后燃料棒的温度得以控制。海水注入後燃料棒的溫度得以控制。因為鍊式反應
已經停止了很長時間，所以衰變餘熱也會持續減少到相當低的程度，因此也就不會再產
生更多的壓力，於是也就不用再排出氣體了。


--- 3-14 8:15 PM EST 更新---

根據東京電力公司的新聞發布會，一號和三號機的狀態已經穩定。但是燃料棒的損壞情況
未知。福島電站的輻射水平已經降低到 231 微西弗（根據當地時間3月14日 2:30 PM 時
測得的數值）。


--- 3-14 10:55 PM EST 更新---

二號機的情況目前依然不清楚。我們已經在文章更新了更多關於二號機的情況。
輻射水平有所增加。


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※ 作者: fah  時間: 2011-03-16 05:32:46  來自: ppp-70-225-172-247.dsl.chmpil.ameritech.net