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主题:转载 MIT科学家:为什么不用担心日本的核电站 -- hwd99

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家园 评:美国麻省理工学院专家分析的日本核泄露最坏情况

评:美国麻省理工学院专家分析的日本核泄露最坏情况

原文来自http://mitnse.com/2011/03/17/on-worst-case-scenarios/

黄卫东翻译,以下是译文

美国麻省理工学院核能科学与工程博克收到很多提问,是关于核泄露导致的最坏情况的。这不奇怪,在媒体上,这是讨论得最深,观点变化很大的方面。本博克根据我们掌握的所有信息来解释,而不是来做预测。我们评述媒体预测中的术语,阐述政府机构和科学团体使用何种方法,来确定应该通知公众采用的对策。

熔毁

术语熔毁是指锆合金制成的安全罩和氧化铀(或混合氧化物,指混合了氧化钚,译者注)燃料棒的融化。这两个结构是阻碍核裂变是否释放辐射性物质的第一道安全机制,因为具有放射性的核裂变产物通常在固体核燃料棒内部,气体性的也在核燃料棒内部气孔中,或从核燃料棒气孔中溢出,留在锆合金安全罩内。当核反应堆关闭以后,这些裂变产物继续衰变,产生热能。开始时,它们单位时间产生的热能约为核反应堆工作时放出能量的7%,其后随着放射性同位素衰变而逐步减少。如果不能通过冷却水带走热能,核燃料棒和安全罩就会升温。当温度超过摄氏1200度,一直在进行的腐蚀锆合金安全罩的过程就会大大加快。腐蚀产物包括氧化锆,氢气(参见博文福岛1和3号电站氢爆炸解释)和热。这些产物和热将会加快腐蚀过程,核燃料棒将会继续升温。由于这个反应的自催化特性(就是产物生成以后,产物会加快反应速度,译者注), 通常安全系统会动作,阻止安全罩内温度升高到1200度。

如果多种安全机制都失灵了,如美国三里岛事故,核燃料棒继续升高到氧化铀的熔点温度,2400-2860度(该温度与燃料棒制造和工作时间相关)。当燃料棒融化成液体,就坍塌渗出,形成由核燃料氧化物,锆金属合金和钢等组成的混合物,流到核反应堆容器的底部。如果过程中遇到冷却水,就会固化落在核反应堆容器底部。

乏燃料池(存放从核反应堆中取出的用过的核燃料棒)的冷却系统发生故障以后,也会以较慢的速度发生类似的过程。

穿透:操作经验和实验

当核燃料棒温度达到或超过1200度,就有可能损坏核反应堆容器。制造核反应堆容器的材料钢的熔点是1500度。此外,容器暴露在海水中(这是一段时间内为冷却而投加的),遭到海水腐蚀而变弱。海水中氯化钠等盐加速了钢的腐蚀。通常这个腐蚀,导致容器损坏的时间是几周或几个月,不是几天。 无论如何,在这种情况下,反应堆容器存在很多不确定因素。

值得庆幸的是,我们有一些与核燃料棒熔毁相关的操作经验。三里岛事故中,约50%核燃料棒熔毁。反应堆容器9英寸(等于225mm)的壁厚,约5/8英寸厚金属腐蚀剥落了。当核燃料氧化物和金属混合物与容器底部接触时,容器局部有一个小时时间处于发红状态。长时间受热,容器金属结构发生了变化,变得硬而易碎了。在容器底部附件的仪器也被渗漏而损坏。不管怎么说,熔毁的核燃料基本还在容器内。

当产生熔融混合物以后,根据以前的经验,会有部分穿过反应堆容器,落到混凝土底座上,向四周扩散。它们与混凝土作用,产生不会凝结的气体,这种过程就是通常所说的熔毁混合物与混凝土相互作用。

三里岛事故发生以后,很多机构都通过实验研究熔毁混合物与混凝土反应堆底座的作用。这些实验用来测量混凝土消融的程度,产生非凝结气体速率。过去20年研究主要关注如何用水来熄灭熔毁混合物。

实验中,使用非放射性氧化铀(铀238),锆合金和钢的混合熔融物,它们的比例与反应堆产生的类似。让它们通过一个喷嘴,提高压力,模仿反应堆容器中的压力,让它们落到混凝土上,通过热电偶和照相机监测实验,实验持续几个小时,结束后,检测固体材料。实验表明,没有水来熄灭,熔毁混合物在类似福岛核电站情况下,将以每分钟几毫米速度剥落混凝土。在混凝土防护罩内产生气体,需要通风,并对排出气体进行过滤,阻止防护罩破裂(实际情况是,由于爆炸,混凝土外防护罩已经破裂)。

如果提供水来熄灭熔毁混合物,阻止其在混凝土板上扩散,消融速率降低到最坏情况5-7%,气体产物基本没有了。不断产生混凝土消融,是熔毁混合物形成固体,固体又会内部产热而熔融。

总之,这个总结是用来解释熔毁混合物可能发生的变化。我们不是预测,核反应堆的变化和乏燃料堆的变化。

分析:是如何做的?有什么含义?

前面阐述的实验是用来验证预测核反应堆和乏燃料堆的变化的计算。这些计算提供了计算的辐射源数据,从而用于获得泄露剂量随时间变化的计算。后面的计算包括很多因素的复杂相互作用,如:

释放方式:爆炸,缓慢稳定输出?由空气流,烟或水流带走,离开地面多高?

气候类型:本地和周围的气候

地形特点:本地和周围

象建模计算熔毁燃料分布一样,根据现有资料,包括切尔诺贝利发生的数据和小型实验结果,来验证模型计算核泄露所产生的后果。

政府机构将根据计算得到的辐射剂量数据,来确定是否需要疏散当地或周围的民众,下达撤离命令,让老百姓远离出事地点一定距离。这里我们推荐,核泄露地点附近的读者应根据政府签发的指令行动。

关于未来辐射剂量预测的提示:网上流传了美国西部高剂量辐射的预测图。这个预测图上标注了澳大利亚辐射服务处,实际不是。美国核协调委员会(NRC,www.nrc.gov)反驳了该图,专家们说,它类似核武器爆炸产生的辐射剂量的预测,现在并不存在。

译者评论与分析:这个分析,回避了回答人们关心的一个关键问题:熔毁过程中,放射性物质泄露量和持续时间?对熔毁后的分析也很不足和简单。

在堆芯熔毁过程中,首先是核反应堆容器内部温度增高。通常控制棒的作用很关键,所谓停堆,就是将大量控制棒插入到燃料棒之间,让控制棒吸收从燃料棒中铀235或钚239裂变产生的中子,从而中止这些中子引发其他核燃料裂变。根据MIT文章,为什么我不担心日本的核电站,核燃料被制作成小圆球(直径1cm高1cm的小圆柱)。这些小圆柱被放入一个用失效温度1200℃(会被水自我催化氧化)的锆锡合金制成的长管,然后密封起来。这就是一个燃料棒(fuel rod)。核燃料棒外壳发生熔毁以后,核燃料小球就会聚集到反应堆底部,从而使核反应堆又重新启动,也就是说,其他核燃料,包括U238又被重新活化,产生较多的裂变反应。这使放出的热能大幅度增加。更为严重的是,大量热能会导致严重熔毁,严重熔毁以后,核燃料棒材料与其他材料,包括锆合金,以及构成反应堆容器的钢材都会熔化,由于它们在密度熔点方面的不同,导致核燃料相互聚集在一起,从而发生加速裂变反应,释放各种放射性物质。在反应堆容器破裂之前,熔毁以后,容器内的裂变反应必然是接近反应堆正常工作时候的状态,而不是接近停堆时候的状态。因此,个人分析,一旦发生熔毁,除非系统其他部分都恢复正常,否则,核燃料必然从反应堆容器中流出,到达反应堆安全壳内预先设计的混凝土盆内,在更大空间弥散,才能减弱核反应。在此过程中,裂变产生的高放射性物质会大量产生,由于冷却系统不能正常工作,必然会释放出来,从而大幅度增加了泄露的放射性物质。 而且,核燃料本身所包含的自动裂变成分,即使停堆,即使用水“熄灭”,降低温度,也是不断释放放射性物质的。

以上解释,与BBC专家对熔毁以后的后果简单分析是一致的。参见:BBC:日本反应堆熔毁警报 http://songshuhui.net/archives/51621。

当然,上述所分析的熔毁是否发生,发生到什么程度,还没有成为定论。有很多分析认为,至少发生了燃料棒保护罩的熔毁,如果这样,就非常危险了。因为停堆操作至少被部分逆转了。(个人以为,根据放射性物质泄露量是可以判断是否完全停堆了)

我国核安全专家王法根据外电报道,在注水过程中由于堆内压力大,注水困难,打开了泄压阀,以降低压力壳内压力,这造成安全壳内压力增高,使得抑压池压力提高,引起了抑压池的损坏(爆裂)(核电站内部结构见下图所示),即安全壳已经与厂房内大气通了。已经失去了安全壳对放射性物质的隔离和屏障。可是要注意到压力壳还是完整的。安全壳(格纳容器)的作用是包容可能从压力壳内外泄的放射性物质的安全容器。他的一部分失效意味着已经失去一道屏障。这是福岛核电站持续长时间对外不断排放放射性物质的主要原因。日本原子能安全委员会刚刚发布说(3月30日),福岛第一核电站1至3号机组的反应堆压力容器和安全壳都应该已经破损。

由于福岛电站处于寿命末期,本应在今年终止运行,在地震和海啸作用下,王法认为,整个核电站的管道、设备、阀门、电器盘柜都受到了不同程度的损伤,使得几乎所有的机组的冷却功能都受到了损坏,甚至完全失效 。这也是译者此前在网上发表的观点。但是,反应堆中核燃料棒,以及堆存的乏燃料棒都会不断产生放射性废物,参见下表:

Yield Fission Product Half-life

6.8% cesium-133/134* 2 years

6.3% iodine-135 / xenon-135 7 hours

6.3% zirconium-93 1.5 million years

6.1% cesium-137 30 years

6.1% molybdenum-99 / technetium-99** 200,000 years

5.8% strontium-90 30 years

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.

现在很难回答,相关处理系统何时能恢复正常工作。《自然》网站认为:日本核辐射危害目前难以估量(http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2011/3/245389.shtm)。今天(3月30日),日本官方连续发表讲话,表示要废弃福岛核电站6个反应堆,考虑采用石棺来封闭核反应堆,这说明,日本相关各方,在经过近20天努力以后,终于放弃恢复系统的幻想。

不管是废弃系统,还是准备采用石棺封闭系统,为了对付乏燃料和反应堆中的核燃料释放的放射性物质,在恢复冷却系统的同时,还必须抢修和恢复核废料处理系统,以准备在相当长时间内对付现场存有的核燃料所释放的放射性物质,除非能够将现场各种核燃料清理运走。由于现在很难了解实际情况,因而难以判断,还需要多长实际完成这个修复,从而控制核泄露。从日本官方的表态来看,需要一年时间也是有可能的。在这期间,放射性物质还会不断泄露,虽然随着修复进行,应该会逐步减少。考虑到夏天临近,风向发生变化,放射性物质污染我国,产生恶劣影响是非常可能的。现在我们应当做好宣传,准备对策,防止恐慌发生。

参考:

东京电力称将废弃福岛核电站4个反应堆

http://news.sina.com.cn/w/2011-03-30/150022208889.shtml

日本官房长官:福岛核电站5号6号机组也将报废http://news.sina.com.cn/w/2011-03-30/180022209783.shtml

东电会长称石棺方式封闭反应堆也是方案之一

http://news.sina.com.cn/w/2011-03-30/175622209773.shtml

核安全专家王法:福岛核事故是复合型共模失效严重事故http://www.china5e.com/show.php?contentid=164123

科学家七年前警告:日本核赌——致命的危险游戏 http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=335071&do=blog&id=427589&from=space

图解福岛的核电站故障http://songshuhui.net/archives/51608

地震、海啸与辐射——文章列表

http://bbs.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=72090&do=blog&id=427338

日本福岛核泄漏放射量达到6级“重大事故”水平

http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2011/3/245451.shtm

福岛第一核电站1至3号机组安全壳已破损

http://news.sina.com.cn/w/2011-03-30/201222210203.shtml


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