評：美國麻省理工學院專家分析的日本核泄露最壞情況
原文來自http://mitnse.com/2011/03/17/on-worst-case-scenarios/
黃衛(wèi)東翻譯，以下是譯文
美國麻省理工學院核能科學與工程博克收到很多提問，是關于核泄露導致的最壞情況的。這不奇怪，在媒體上，這是討論得最深，觀點變化很大的方面。本博克根據我們掌握的所有信息來解釋，而不是來做預測。我們評述媒體預測中的術語，闡述政府機構和科學團體使用何種方法，來確定應該通知公眾采用的對策?！ ?/p>
熔毀
術語熔毀是指鋯合金制成的安全罩和氧化鈾（或混合氧化物，指混合了氧化钚，譯者注）燃料棒的融化。這兩個結構是阻礙核裂變是否釋放輻射性物質的第一道安全機制，因為具有放射性的核裂變產物通常在固體核燃料棒內部，氣體性的也在核燃料棒內部氣孔中，或從核燃料棒氣孔中溢出，留在鋯合金安全罩內。當核反應堆關閉以后，這些裂變產物繼續(xù)衰變，產生熱能。開始時，它們單位時間產生的熱能約為核反應堆工作時放出能量的7%，其后隨著放射性同位素衰變而逐步減少。如果不能通過冷卻水帶走熱能，核燃料棒和安全罩就會升溫。當溫度超過攝氏1200度，一直在進行的腐蝕鋯合金安全罩的過程就會大大加快。腐蝕產物包括氧化鋯，氫氣（參見博文福島1和3號電站氫爆炸解釋）和熱。這些產物和熱將會加快腐蝕過程，核燃料棒將會繼續(xù)升溫。由于這個反應的自催化特性（就是產物生成以后，產物會加快反應速度，譯者注）， 通常安全系統(tǒng)會動作，阻止安全罩內溫度升高到1200度。
如果多種安全機制都失靈了，如美國三里島事故，核燃料棒繼續(xù)升高到氧化鈾的熔點溫度，2400－2860度（該溫度與燃料棒制造和工作時間相關）。當燃料棒融化成液體，就坍塌滲出，形成由核燃料氧化物，鋯金屬合金和鋼等組成的混合物，流到核反應堆容器的底部。如果過程中遇到冷卻水，就會固化落在核反應堆容器底部?！ ?/p>
乏燃料池（存放從核反應堆中取出的用過的核燃料棒）的冷卻系統(tǒng)發(fā)生故障以后，也會以較慢的速度發(fā)生類似的過程。
穿透：操作經驗和實驗
當核燃料棒溫度達到或超過1200度，就有可能損壞核反應堆容器。制造核反應堆容器的材料鋼的熔點是1500度。此外，容器暴露在海水中（這是一段時間內為冷卻而投加的），遭到海水腐蝕而變弱。海水中氯化鈉等鹽加速了鋼的腐蝕。通常這個腐蝕，導致容器損壞的時間是幾周或幾個月，不是幾天。 無論如何，在這種情況下，反應堆容器存在很多不確定因素?！ ?/p>
值得慶幸的是，我們有一些與核燃料棒熔毀相關的操作經驗。三里島事故中，約50%核燃料棒熔毀。反應堆容器9英寸（等于225mm）的壁厚，約5/8英寸厚金屬腐蝕剝落了。當核燃料氧化物和金屬混合物與容器底部接觸時，容器局部有一個小時時間處于發(fā)紅狀態(tài)。長時間受熱，容器金屬結構發(fā)生了變化，變得硬而易碎了。在容器底部附件的儀器也被滲漏而損壞。不管怎么說，熔毀的核燃料基本還在容器內?！ ?/p>
當產生熔融混合物以后，根據以前的經驗，會有部分穿過反應堆容器，落到混凝土底座上，向四周擴散。它們與混凝土作用，產生不會凝結的氣體，這種過程就是通常所說的熔毀混合物與混凝土相互作用?！ ?/p>
三里島事故發(fā)生以后，很多機構都通過實驗研究熔毀混合物與混凝土反應堆底座的作用。這些實驗用來測量混凝土消融的程度，產生非凝結氣體速率。過去20年研究主要關注如何用水來熄滅熔毀混合物。
實驗中，使用非放射性氧化鈾（鈾238），鋯合金和鋼的混合熔融物，它們的比例與反應堆產生的類似。讓它們通過一個噴嘴，提高壓力，模仿反應堆容器中的壓力，讓它們落到混凝土上，通過熱電偶和照相機監(jiān)測實驗，實驗持續(xù)幾個小時，結束后，檢測固體材料。實驗表明，沒有水來熄滅，熔毀混合物在類似福島核電站情況下，將以每分鐘幾毫米速度剝落混凝土。在混凝土防護罩內產生氣體，需要通風，并對排出氣體進行過濾，阻止防護罩破裂（實際情況是，由于爆炸，混凝土外防護罩已經破裂）。
如果提供水來熄滅熔毀混合物，阻止其在混凝土板上擴散，消融速率降低到最壞情況5－7%，氣體產物基本沒有了。不斷產生混凝土消融，是熔毀混合物形成固體，固體又會內部產熱而熔融?！ ?/p>
總之，這個總結是用來解釋熔毀混合物可能發(fā)生的變化。我們不是預測，核反應堆的變化和乏燃料堆的變化。
分析：是如何做的？有什么含義？
前面闡述的實驗是用來驗證預測核反應堆和乏燃料堆的變化的計算。這些計算提供了計算的輻射源數據，從而用于獲得泄露劑量隨時間變化的計算。后面的計算包括很多因素的復雜相互作用，如：
釋放方式：爆炸，緩慢穩(wěn)定輸出？由空氣流，煙或水流帶走，離開地面多高？
氣候類型：本地和周圍的氣候
地形特點：本地和周圍
象建模計算熔毀燃料分布一樣，根據現有資料，包括切爾諾貝利發(fā)生的數據和小型實驗結果，來驗證模型計算核泄露所產生的后果?！ ?/p>
政府機構將根據計算得到的輻射劑量數據，來確定是否需要疏散當地或周圍的民眾，下達撤離命令，讓老百姓遠離出事地點一定距離。這里我們推薦，核泄露地點附近的讀者應根據政府簽發(fā)的指令行動?！ ?/p>
關于未來輻射劑量預測的提示：網上流傳了美國西部高劑量輻射的預測圖。這個預測圖上標注了澳大利亞輻射服務處，實際不是。美國核協(xié)調委員會（NRC，www.nrc.gov）反駁了該圖，專家們說，它類似核武器爆炸產生的輻射劑量的預測，現在并不存在。
譯者評論與分析：這個分析，回避了回答人們關心的一個關鍵問題：熔毀過程中，放射性物質泄露量和持續(xù)時間？對熔毀后的分析也很不足和簡單?！ ?/p>
在堆芯熔毀過程中，首先是核反應堆容器內部溫度增高。通?？刂瓢舻淖饔煤荜P鍵，所謂停堆，就是將大量控制棒插入到燃料棒之間，讓控制棒吸收從燃料棒中鈾235或钚239裂變產生的中子，從而中止這些中子引發(fā)其他核燃料裂變。根據MIT文章，為什么我不擔心日本的核電站，核燃料被制作成小圓球（直徑1cm高1cm的小圓柱）。這些小圓柱被放入一個用失效溫度1200℃（會被水自我催化氧化）的鋯錫合金制成的長管，然后密封起來。這就是一個燃料棒（fuel rod）。核燃料棒外殼發(fā)生熔毀以后，核燃料小球就會聚集到反應堆底部，從而使核反應堆又重新啟動，也就是說，其他核燃料，包括U238又被重新活化，產生較多的裂變反應。這使放出的熱能大幅度增加。更為嚴重的是，大量熱能會導致嚴重熔毀，嚴重熔毀以后，核燃料棒材料與其他材料，包括鋯合金，以及構成反應堆容器的鋼材都會熔化，由于它們在密度熔點方面的不同，導致核燃料相互聚集在一起，從而發(fā)生加速裂變反應，釋放各種放射性物質。在反應堆容器破裂之前，熔毀以后，容器內的裂變反應必然是接近反應堆正常工作時候的狀態(tài)，而不是接近停堆時候的狀態(tài)。因此，個人分析，一旦發(fā)生熔毀，除非系統(tǒng)其他部分都恢復正常，否則，核燃料必然從反應堆容器中流出，到達反應堆安全殼內預先設計的混凝土盆內，在更大空間彌散，才能減弱核反應。在此過程中，裂變產生的高放射性物質會大量產生，由于冷卻系統(tǒng)不能正常工作，必然會釋放出來，從而大幅度增加了泄露的放射性物質。 而且，核燃料本身所包含的自動裂變成分，即使停堆，即使用水“熄滅”，降低溫度，也是不斷釋放放射性物質的?！ ?/p>
當然，上述所分析的熔毀是否發(fā)生，發(fā)生到什么程度，還沒有成為定論。有很多分析認為，至少發(fā)生了燃料棒保護罩的熔毀，如果這樣，就非常危險了。因為停堆操作至少被部分逆轉了。（個人以為，根據放射性物質泄露量是可以判斷是否完全停堆了）
我國核安全專家王法根據外電報道，在注水過程中由于堆內壓力大，注水困難，打開了泄壓閥，以降低壓力殼內壓力，這造成安全殼內壓力增高，使得抑壓池壓力提高，引起了抑壓池的損壞(爆裂)(核電站內部結構見下圖所示)，即安全殼已經與廠房內大氣通了。已經失去了安全殼對放射性物質的隔離和屏障?？墒且⒁獾綁毫み€是完整的。安全殼(格納容器)的作用是包容可能從壓力殼內外泄的放射性物質的安全容器。他的一部分失效意味著已經失去一道屏障。這是福島核電站持續(xù)長時間對外不斷排放放射性物質的主要原因。日本原子能安全委員會剛剛發(fā)布說（3月30日），福島第一核電站1至3號機組的反應堆壓力容器和安全殼都應該已經破損?！ ?/p>
由于福島電站處于壽命末期，本應在今年終止運行，在地震和海嘯作用下，王法認為，整個核電站的管道、設備、閥門、電器盤柜都受到了不同程度的損傷，使得幾乎所有的機組的冷卻功能都受到了損壞，甚至完全失效 。這也是譯者此前在網上發(fā)表的觀點。但是，反應堆中核燃料棒，以及堆存的乏燃料棒都會不斷產生放射性廢物，參見下表：
|
Yield |
Fission Product |
Half-life |
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6.8% |
cesium-133/134* |
2 years |
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6.3% |
iodine-135 / xenon-135 |
7 hours |
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6.3% |
zirconium-93 |
1.5 million years |
|
6.1% |
cesium-137 |
30 years |
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6.1% |
molybdenum-99 / technetium-99** |
200,000 years |
|
5.8% |
strontium-90 |
30 years |
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2.8% |
iodine-131 |
8 days |
|
2.3% |
promethium-147 |
3 years |
|
1.1% |
samarium-149 |
not radioactive |
|
0.7% |
iodine-129 |
15 million years |
|
0.4% |
samarium-151 |
90 years |
|
0.4% |
ruthenium-106 |
1 year |
|
0.3% |
krypton-85 |
11 years |
|
0.2% |
palladium-107 |
7 million years |
*Cs-133 is stable but has a high fission yield, but it will then produce Cs-134 from absorbing neutrons in the reactor and Cs-134 is radioactive with a ~2 year half-life.
**Half-life reported in the table is for Tc-99. Mo-99 has a half-life of ~66 hours, which then decays to Tc-99m (metastable form of Tc-99) with a half-life of ~6 hours. The Tc-99m then decays to the Tc-99 with the 200,000 year half-life reported in the table.
現在很難回答，相關處理系統(tǒng)何時能恢復正常工作?！蹲匀弧肪W站認為：日本核輻射危害目前難以估量（http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2011/3/245389.shtm）。今天（3月30日），日本官方連續(xù)發(fā)表講話，表示要廢棄福島核電站6個反應堆，考慮采用石棺來封閉核反應堆，這說明，日本相關各方，在經過近20天努力以后，終于放棄恢復系統(tǒng)的幻想。
不管是廢棄系統(tǒng)，還是準備采用石棺封閉系統(tǒng)，為了對付乏燃料和反應堆中的核燃料釋放的放射性物質，在恢復冷卻系統(tǒng)的同時，還必須搶修和恢復核廢料處理系統(tǒng)，以準備在相當長時間內對付現場存有的核燃料所釋放的放射性物質，除非能夠將現場各種核燃料清理運走。由于現在很難了解實際情況，因而難以判斷，還需要多長實際完成這個修復，從而控制核泄露。從日本官方的表態(tài)來看，需要一年時間也是有可能的。在這期間，放射性物質還會不斷泄露，雖然隨著修復進行，應該會逐步減少?？紤]到夏天臨近，風向發(fā)生變化，放射性物質污染我國，產生惡劣影響是非常可能的?，F在我們應當做好宣傳，準備對策，防止恐慌發(fā)生?！ ?/p>
參考：
東京電力稱將廢棄福島核電站4個反應堆
日本官房長官:福島核電站5號6號機組也將報廢http://news.sina.com.cn/w/2011-03-30/180022209783.shtml
東電會長稱石棺方式封閉反應堆也是方案之一
http://news.sina.com.cn/w/2011-03-30/175622209773.shtml
核安全專家王法：福島核事故是復合型共模失效嚴重事故http://www.china5e.com/show.php?contentid=164123
地震、海嘯與輻射——文章列表
http://bbs.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=72090&do=blog&id=427338
日本福島核泄漏放射量達到6級“重大事故”水平
福島第一核電站1至3號機組安全殼已破損
http://news.sina.com.cn/w/2011-03-30/201222210203.shtml