陈岳峤：福岛核电站熔融到底是怎么回事

【据日媒报道，日本研究者9月26日在日本物理学会发表的研究结果称，2011年发生核事故的日本福岛第一核电站2号机组内70%以上的核燃料可能已经熔融。熔融到底是什么意思？它是怎么测量出来的？熔融70%意味着什么？对周围的环境乃至中国有没有危害？从业八年的中核下属核电站工程师独家撰文解析。】
核燃料是什么
核电站使用的核燃料由锆合金制成的长管包裹二氧化铀芯块，做成长棒状，再集束装配而成。核燃料置于反应堆压力容器中，由主泵将水打入压力容器，燃料棒浸泡在水中；核燃料发生链式反应产生热量，加热压力容器的水，继而蒸汽发生器的水进行加热，产生蒸汽，蒸汽再推动汽轮发电机组发电。简单地说核燃料类似于家庭常用的“热得快”。

链式反应示意图

核燃料示意图



核燃料熔融是怎么一回事
核燃料熔融是核电站最严重的事故之一。简单来说，核燃料熔融就是在核反应堆发生失水、失控等系列事故后，核燃料的链式反应失控或冷却失败导致的燃料急剧升温，最后熔化变形的现象。
核燃料为什么会熔融
首先，核燃料在核电站正常运行的时候是不会熔融的。
核燃料和常规化石燃料不一样，常规化石燃料释放热量的燃烧反应是越烧越弱，而核燃料是“越烧越烈”——因为链式反应是中子撞击原子核——原子核分裂成较小原子核并放出中子——中子继续撞击较小原子核——继续分裂和放出中子的过程，这个过程要长得多，放出的热量会越来越多。
由此可见，核燃料如果不加以严格控制，温度会急剧升高，后果无法想象。核电站的安全运行必须要求核燃料在适当的温度和链式反应下工作。控制方法主要有：在传热的水里加入吸收中子的化学药剂；设置由吸收中子材料制成的控制棒；使用主泵驱动水循环流动以带走核燃料的热量。
一般核燃料熔融之前会有几类先导事件：
1）核反应堆管道（一回路）破裂，压力容器里的水从破口泄漏而减少，核燃料的放出的热量不能及时带走；
2）一回路内水吸收中子的化学物质浓度降低，或者控制棒故障，导致链式反应失控，核燃料放出能量增加；
3）汽轮发电机不能百分百带走核燃料传递的能量，多余的能量积压在核燃料里，会使核燃料温度升高。
以上这些先兆事件可能单独发生，也可能同时发生。接下来的发展进程就是：核燃料温度逐渐升高并超过允许范围，压力容器内的水加热蒸发或泄露而不断减少；因为压力容器内水减少，核燃料渐渐暴露于空气中（核电行业术语称为：堆芯裸露），传热恶化，温度升高；升温的核燃料进一步加热压力容器内的水，加速水的蒸发，传热进一步恶化，核燃料温度进一步升高，形成恶性循环。最后的最后，核燃料的温度升高使核燃料的锆合金外壳与水发生锆水反应放出氢气，继而升温到超过核燃料自身材料（主要是核燃料棒的锆合金外壳）的熔点，先是外表熔化，逐渐发展到整体熔化，最后是燃料失去刚性而坍塌。
福岛核事故中出事的1、2号机组经历的正是这样的事件过程。海啸摧毁了岸上的应急柴油发电机，核反应堆的主泵失去了电源而停机，压力容器内的水失去了流动，核燃料产生的热量无法带走，升温失控，最后熔融。
核燃料熔融会怎样
核燃料熔融后，因为失去了材料刚性而坍塌，类似911事件的世贸大厦。
相邻的核燃料棒粘连在一起，类似几根冰棍在阳光暴晒下融化粘在一起的情形。这是非常危险的情形。正常情况下核燃料棒是以一定的间隔布置的，水可以从核燃料的间隔中流过，带走核燃料的热量，维持核燃料的冷却；控制棒可以插入，吸收适量的中子，控制链式反应。核燃料熔融粘连在一起后，这些用于冷却和控制的间隔被堵死，被带走的热量更少，核燃料温度进一步升高，并从已熔融的核燃料传递到未熔融的核燃料，牵连更多的核燃料熔融。最严重的情形是核燃料熔融成一团。


核燃料棒在压力容器里的布置图。深色部分是控制棒
核燃料熔融有什么后果
核燃料熔融的后果有几种情况，需要区别对待。以下是笔者个人的看法：
轻度熔融：只有少数几根核燃料棒外表破损，核电站可以控制事态，在将核反应堆停下来后的大修可以将损坏的燃料棒更换（例如美国三里岛事故）。
中度熔融：部分核燃料棒熔化、粘连，已经严重损坏了核反应堆的结构完整性，同时熔融放出的大量热量、高温高压蒸汽和锆水反应产生的氢气将容纳核燃料的压力容器爆破，大量放射性物质随蒸汽外逸到安全壳中，继而泄漏到外界。机组无法再使用（福岛核事故）。
重度熔融：在中度熔融的基础上进一步恶化，大部分核燃料棒熔化变形，高温甚至将压力容器底部蚀穿，掉入地表土壤。读者可以自行想象焊锡被加热后滴落的情形。这种情况远比轻度和中度熔融严重，因为熔融的核燃料进入土壤后无法控制，直接与土壤还有地下水接触，造成严重的放射性污染。（目前未确认福岛核事故是否有堆芯进入土壤）
这种情况极少出现，一些核电站在设计的时候也考虑了熔融核燃料棒（核电行业成为熔融堆芯）的掉落问题，我国的田湾核电站的早期机组也设置有堆芯捕捉器，实用性有待验证。但不用验证才是好事。
一旦核电站出现重度熔融事故，就意味着核事故已经超过普通的预防和应急，进入长期治理的阶段，这个长期治理，恐怕将需要几代人来买单。

核燃料熔融示意

日本福岛二号机核燃料70%熔融意味着什么？
对比之前福岛第一核电站所属的东京电力公司认为2号机组内57%以上核燃料熔融的分析，此次的数据测量手段（基本粒子探测法）更先进，得出的结果也更精确，显示形势严峻得多。笔者认为，70%熔融意味着2号机组的核燃料熔融已超出目前的控制，有进一步扩大的可能。对于已经燃料熔融的机组，因为其自身已经失去对核燃料链式反应的控制能力，所以引用外部水源对核反应堆进行冷却、抑制链式反应将成为长期的工作。只有控制住核燃料熔融进一步发展趋势之后，对事故机组进行封闭和屏蔽才能正式开始。
我国与日本属于一衣带水的关系，地理位置的临近加上洋流因素的作用，2011年福岛核事故发生时，我国沿海地区就受到来自日本的放射性尘埃和放射性污水的威胁。由此我们应当密切关注福岛二号机的事态，并在需要时提供力所能及的帮助。核电领域有一句公认的话，核电行业无小事，任何一个核事故都会对全世界的核工业造成毁灭性的打击，必须防微杜渐。

http://www.guancha.cn/ChenYueqiao/2015_10_03_336369_s.shtml【据日媒报道，日本研究者9月26日在日本物理学会发表的研究结果称，2011年发生核事故的日本福岛第一核电站2号机组内70%以上的核燃料可能已经熔融。熔融到底是什么意思？它是怎么测量出来的？熔融70%意味着什么？对周围的环境乃至中国有没有危害？从业八年的中核下属核电站工程师独家撰文解析。】
核燃料是什么
核电站使用的核燃料由锆合金制成的长管包裹二氧化铀芯块，做成长棒状，再集束装配而成。核燃料置于反应堆压力容器中，由主泵将水打入压力容器，燃料棒浸泡在水中；核燃料发生链式反应产生热量，加热压力容器的水，继而蒸汽发生器的水进行加热，产生蒸汽，蒸汽再推动汽轮发电机组发电。简单地说核燃料类似于家庭常用的“热得快”。

链式反应示意图

核燃料示意图



核燃料熔融是怎么一回事
核燃料熔融是核电站最严重的事故之一。简单来说，核燃料熔融就是在核反应堆发生失水、失控等系列事故后，核燃料的链式反应失控或冷却失败导致的燃料急剧升温，最后熔化变形的现象。
核燃料为什么会熔融
首先，核燃料在核电站正常运行的时候是不会熔融的。
核燃料和常规化石燃料不一样，常规化石燃料释放热量的燃烧反应是越烧越弱，而核燃料是“越烧越烈”——因为链式反应是中子撞击原子核——原子核分裂成较小原子核并放出中子——中子继续撞击较小原子核——继续分裂和放出中子的过程，这个过程要长得多，放出的热量会越来越多。
由此可见，核燃料如果不加以严格控制，温度会急剧升高，后果无法想象。核电站的安全运行必须要求核燃料在适当的温度和链式反应下工作。控制方法主要有：在传热的水里加入吸收中子的化学药剂；设置由吸收中子材料制成的控制棒；使用主泵驱动水循环流动以带走核燃料的热量。
一般核燃料熔融之前会有几类先导事件：
1）核反应堆管道（一回路）破裂，压力容器里的水从破口泄漏而减少，核燃料的放出的热量不能及时带走；
2）一回路内水吸收中子的化学物质浓度降低，或者控制棒故障，导致链式反应失控，核燃料放出能量增加；
3）汽轮发电机不能百分百带走核燃料传递的能量，多余的能量积压在核燃料里，会使核燃料温度升高。
以上这些先兆事件可能单独发生，也可能同时发生。接下来的发展进程就是：核燃料温度逐渐升高并超过允许范围，压力容器内的水加热蒸发或泄露而不断减少；因为压力容器内水减少，核燃料渐渐暴露于空气中（核电行业术语称为：堆芯裸露），传热恶化，温度升高；升温的核燃料进一步加热压力容器内的水，加速水的蒸发，传热进一步恶化，核燃料温度进一步升高，形成恶性循环。最后的最后，核燃料的温度升高使核燃料的锆合金外壳与水发生锆水反应放出氢气，继而升温到超过核燃料自身材料（主要是核燃料棒的锆合金外壳）的熔点，先是外表熔化，逐渐发展到整体熔化，最后是燃料失去刚性而坍塌。
福岛核事故中出事的1、2号机组经历的正是这样的事件过程。海啸摧毁了岸上的应急柴油发电机，核反应堆的主泵失去了电源而停机，压力容器内的水失去了流动，核燃料产生的热量无法带走，升温失控，最后熔融。
核燃料熔融会怎样
核燃料熔融后，因为失去了材料刚性而坍塌，类似911事件的世贸大厦。
相邻的核燃料棒粘连在一起，类似几根冰棍在阳光暴晒下融化粘在一起的情形。这是非常危险的情形。正常情况下核燃料棒是以一定的间隔布置的，水可以从核燃料的间隔中流过，带走核燃料的热量，维持核燃料的冷却；控制棒可以插入，吸收适量的中子，控制链式反应。核燃料熔融粘连在一起后，这些用于冷却和控制的间隔被堵死，被带走的热量更少，核燃料温度进一步升高，并从已熔融的核燃料传递到未熔融的核燃料，牵连更多的核燃料熔融。最严重的情形是核燃料熔融成一团。


核燃料棒在压力容器里的布置图。深色部分是控制棒
核燃料熔融有什么后果
核燃料熔融的后果有几种情况，需要区别对待。以下是笔者个人的看法：
轻度熔融：只有少数几根核燃料棒外表破损，核电站可以控制事态，在将核反应堆停下来后的大修可以将损坏的燃料棒更换（例如美国三里岛事故）。
中度熔融：部分核燃料棒熔化、粘连，已经严重损坏了核反应堆的结构完整性，同时熔融放出的大量热量、高温高压蒸汽和锆水反应产生的氢气将容纳核燃料的压力容器爆破，大量放射性物质随蒸汽外逸到安全壳中，继而泄漏到外界。机组无法再使用（福岛核事故）。
重度熔融：在中度熔融的基础上进一步恶化，大部分核燃料棒熔化变形，高温甚至将压力容器底部蚀穿，掉入地表土壤。读者可以自行想象焊锡被加热后滴落的情形。这种情况远比轻度和中度熔融严重，因为熔融的核燃料进入土壤后无法控制，直接与土壤还有地下水接触，造成严重的放射性污染。（目前未确认福岛核事故是否有堆芯进入土壤）
这种情况极少出现，一些核电站在设计的时候也考虑了熔融核燃料棒（核电行业成为熔融堆芯）的掉落问题，我国的田湾核电站的早期机组也设置有堆芯捕捉器，实用性有待验证。但不用验证才是好事。
一旦核电站出现重度熔融事故，就意味着核事故已经超过普通的预防和应急，进入长期治理的阶段，这个长期治理，恐怕将需要几代人来买单。

核燃料熔融示意

日本福岛二号机核燃料70%熔融意味着什么？
对比之前福岛第一核电站所属的东京电力公司认为2号机组内57%以上核燃料熔融的分析，此次的数据测量手段（基本粒子探测法）更先进，得出的结果也更精确，显示形势严峻得多。笔者认为，70%熔融意味着2号机组的核燃料熔融已超出目前的控制，有进一步扩大的可能。对于已经燃料熔融的机组，因为其自身已经失去对核燃料链式反应的控制能力，所以引用外部水源对核反应堆进行冷却、抑制链式反应将成为长期的工作。只有控制住核燃料熔融进一步发展趋势之后，对事故机组进行封闭和屏蔽才能正式开始。
我国与日本属于一衣带水的关系，地理位置的临近加上洋流因素的作用，2011年福岛核事故发生时，我国沿海地区就受到来自日本的放射性尘埃和放射性污水的威胁。由此我们应当密切关注福岛二号机的事态，并在需要时提供力所能及的帮助。核电领域有一句公认的话，核电行业无小事，任何一个核事故都会对全世界的核工业造成毁灭性的打击，必须防微杜渐。

http://www.guancha.cn/ChenYueqiao/2015_10_03_336369_s.shtml