福岛核电站爆炸全过程

冲击核电站的地震（8.9级）的威力是核电站设计时所能承受的威力（8.2级）的5倍。（震级之间的放大倍数是对数关系，所以同样条件下 8.9 级地震的威力是 8.2 级的 5 倍，而不是 0.7 那么简单）。

1. 中止链式反应

当地震冲击核电站时，所有的反应堆就自动关闭了。在地震开始后的数秒内，控制棒就插入到了核心内，链式反应即刻中止。此时，冷却系统就开始带走余热。这些余热相当于反应堆正常运转时产生的 7% 的热量。

2. 全厂断电和备用电力的失灵

地震摧毁了核反应堆的外部电力供应，这是核反应堆能够遇到的严重故障之一，称为“全厂断电”。设计时考虑到了这种可能性，因此核电站有备用电力系统，以维持冷却泵的运转。

另外，由于反应堆已关闭，核电站本身不能产生任何电力。地震发生后的第一小时，多组紧急备用柴油发电机中的一组启动，为冷却泵提供了所需的电力。然后海啸来了，比核电站设计时所预料的规模要更巨大的海啸，淹没了所有的柴油发电机组，导致它们也失灵了。

3. 安全壳

在设计核电站时，一个基本原则是“纵深防御”——意味着工程师需要设计一座能够抵御严重灾害的厂房，就算好几个系统都失效了依然不能出问题。比如3月11日海啸的严重程度超过了所有的预料，为了应付这样的事件，工程师们设计了一道额外防线：把所有的结构放进一个安全壳（如前所述），设计思路就是把一切牢固地关在里面。

4. 紧急电池

当海啸袭来，柴油发电机组失灵后，反应堆操作员将反应堆切换到使用紧急电池。这些电池被设计为备用方案的备用方案，用于提供给冷却系统 8 个小时所需的电力，并且也确实完成了任务。

5、余热是由裂变产物的放射性衰变产生的。放射性衰变是裂变产物以微粒形式（α、β、γ、中子等）释放能量从而使自身达到稳态的过程。反应堆中会产生多种裂变产物，包括铯和碘。余热在反应堆关闭后会逐渐消失，但仍需要冷却系统来消除余热，防止燃料棒过热造成屏障失效、核物质泄漏。许多裂变产物衰变得非常快，还没等说完“放射性核物质”这个词就会变得全然无害。另外一些裂变产物衰变得相对较慢，例如铯、碘、锶、氩。

6、 冷却失灵

8小时后，电池用尽，残热无法再被带走。这时反应堆操作员开始按照“冷却失灵”的紧急预案进行处理。这是“纵深防御”中的更进一层。这一切，无论在我们看起来多么让人震惊，却是反应堆操作员的培训的一部分。

7、 但冷却是最重要的事

备用电池用尽后，外界开始谈论可能发生的堆芯熔化。因为到了最后，如果冷却系统无法恢复，核心几天之后迟早会融化。故当务之急是在堆芯持续升温时将之控制住，并确保燃料棒的锆锡合金外壳完整，尽可能起作用的时间更长一点。反应堆内实际上有多个独立的冷却系统组成紧急核心冷却系统，而究竟哪一个失效了或是没有失效，当时都无从知晓。冷却系统中所用的水是经过纯化和脱矿的水，目的是在反应堆正常运转时减小对冷却系统的腐蚀，注入海水之后需要花更多时间清洗设备，但可以起到救急的作用。这个过程会把燃料棒的温度降低到无害级别。由于反应堆的冷却能力有限，而反应堆中的总水量一直在下降，因此决定注入海水（其中混合了中子吸收剂硼酸）以保证燃料棒仍浸没在水中。尽管反应堆已经关闭，但以防万一仍需加入硼酸，保持反应堆的关闭状态。硼酸也能困住一部分水中的碘，防止它逃逸，但这不是硼酸的本职工作。

8、 爆炸

操作者要始终保持系统的压力不超限，所以必须要时不时的将水蒸气和其它气体释放出去。然而，沸腾和排气所消耗水的速度大于向反应堆中加水的速度，因此冷却系统的冷却能力降低了。在某些排气过程中，水位会降低到燃料棒顶端以下，一些燃料棒的覆层温度会上升到1200℃以上，从而在锆合金和水之间引发反应产生氢气，与蒸汽混合一同被排出。这个反应在预料之中，由于氢气高度易燃，当足够多的氢气与空气混合时，它会与氧气反应；如果氢气的量够多，反应会迅速进行，产生爆炸。虽然有时候在排气的过程中，安全壳内部也会积聚足够的氢气，但因为安全壳内部没有空气，因此一旦开始排气，氢气接触到空气就会发生爆炸。这种爆炸发生在安全壳之外，厂房之内（3号机组也发生了类似的爆炸），虽然毁坏了厂房的屋顶和一部分墙壁，但没有破坏到安全壳或压力仓，没有对核电站的安全结构造成威胁

 

核反应的基本原理

铀燃料被中子（组成原子的粒子，还有带正电的质子和带负电的电子，中子不带电，不要问我为啥不用质子和电子做触发，我不知道……）诱导发生核裂变，变为两个轻原子（即裂变产物），同时产生热量和更多的中子。这些中子会再去击中其它铀原子使之分裂，继续产生更多的中子……这样进行下去，就是链式核反应。核反应堆在正常的全功率工作状态下是处在一种临界状态，就是核裂变产生出的新中子数量刚好满足反应堆继续裂变的需要。如果中子数过多，反应堆运行就会不稳定，严重时甚至有爆炸的危险；如果中子数过少，裂变反应则会停下来。为了避免危险，核反应堆都采取了多种措施吸收多余的中子，在冷却水中增加硼就是其中之一。为了控制链式核反应，反应堆操作者会用到控制棒。控制棒由硼制成，能够吸收中子。在沸水反应堆的正常运转中，控制棒用于保持链式反应的临界状态。控制棒也会用在反应堆的关闭过程中，将其功率从100%降到7%。

 

福岛核电站的构造

福岛核电站的反应堆属于“沸水反应堆”（Boiling Water Reactors，反应堆温度大约是285℃），靠沸水发电，——核燃料（氧化铀）将水加热至沸腾后变成水蒸气，然后用蒸汽驱动汽轮机产生电流，蒸汽冷却后变回液态水，这些水再回到核燃料处进行加热（听着特环保吧……）。

作为核燃料的氧化铀是一种熔点在2800℃的陶瓷体，被制作成直径1cm高1cm的小圆柱，这是第一层屏障，用来限制放射性裂变反应中产生的放射性裂变产物。

这些小圆柱再被放入一个锆锡合金制成的长管里密封起来，成为一个燃料棒（fuel rod），这是第二层屏障，来隔绝放射性燃料与反应堆的其他部分。

然后很多个燃料棒被放到一起组成了核反应堆堆芯（core）。反应核心被放到压力仓中。压力仓是个很厚的钢铁容器，工作压力大约是7MPa（大气压是101KPa），能够承受可能发生的事故造成的高压。这是防止核泄漏的第三道屏障。

然后，核反应堆的整个主回路（包括压力仓、管道、泵、冷却水）装在安全壳中，是防止核泄漏的第四道屏障。安全壳由钢铁和混凝土制成，极厚而且完全密封。它存在的目的只有一个：当反应核心熔融时，无条件将其控制在安全壳内部。所以，安全壳四周还有巨大厚重的混凝土结构，叫做外壳安全壳。

安全壳和外壳安全壳都位于反应堆厂房中。厂房是为反应堆遮风挡雨的外壳（厂房是在爆炸中毁坏的部分）。

 

辐射单位：

伦琴（(Roentgen,R）：在0摄氏度，760毫米汞柱气压的1立方厘米空气中造成1静电单位（3.3364×10−10库仑）正负离子的辐射强度等于1伦琴单位。

戈雷（Gy)：每公斤 物质吸收１焦耳的能量称為一戈雷。

西弗（Sv)：吸收剂量戈雷（Gy)与射质因数（Ｑ）的乘积,用于表示人体受伤害的程度。

单位换算：

1 R (仑琴) = 2.58×10-4 C•kg-1

1 Gy（戈雷） = 1 J•kg-1

1 Sv (西弗) = 1 J•kg-1

那么1Gy=1Sv

1R=8.73mGy=8730μSv