再譯兩篇. 因為傳出四號機的火災是因為乏燃料池過熱起火, 因此使得大家開始對乏燃料開始有興趣. MIT 的核工系在 MIT NSE Nuclear Information Hub 網站上就解釋了什麼是乏燃料, 已及儲存乏燃料的池子, 還有不管是乏燃料還是停機後的爐心燃料都會有的衰變熱.

什麼是衰變熱 (Decay Heat)

核能發電廠和火力發電廠發電的方式其實很類似: 它們都是用熱去產生蒸氣, 再去推動渦輪轉動發電機發電. 但不同之處是熱的產生方式. 火力發電廠燃燒天然氣或煤來產生熱能, 加熱鍋爐產生水蒸氣, 而核能電廠則是利用核裂變反應來產生熱能. 福島一號核電廠是沸水式反應爐式的設計, 這種型式的反應爐直接在爐心產生用來推動渦輪的蒸氣.

在反應爐中的熱主要來自裂變材料的裂變反應, 裂變材料則是像鈾 235 或是鈽 239 這樣的同位素. 當一個中子撞擊到這樣的同素, 會使它分裂, 並且放出大量的能量. 能量則被釋放到燃料, 燃料護套, 冷卻液, 和反應爐中.  一般來說, 80% 來自裂變產生的能量會傳給裂變的產物, 而既然裂變產物仍被包在燃料棒中, 這些能量就出現在燃料棒中. 而剩下的 20% 能量則以中子或其它輻射的型式散出.

當反應爐發生緊急停機時, 所有的控制棒都會插到爐心內, 迫使裂變反應停止, 而反應爐的輸出功率可以在短短的一秒鐘內降到原來的 7% 左右. 輸出功率不會降到零是因為之前裂變反應所產生的放射性同位素仍然在衰變. 當它們在衰變時, 會放出各式各樣的輻射, 像 gamma 射線, beta 射線, 和 alpha 射線等, 這些射線的能量大部份會積在燃料中, 使得燃料發熱, 這就是所謂的衰變熱. 隨著這些放射性同位素的衰變, 它們會越來越穩定, 輻射量也會越來越低, 衰變熱就會越來越少.

衰變熱必需藉由冷卻系統移除, 否則爐心的溫度就會上升. 一般反應爐的設計有各式各樣的冷卻系統, 可以藉由冷卻水將爐心的熱帶走並在其它地方釋放. 但福島電廠的冷卻系統卻在地震和海嘯中損壞了, 使得電廠的操作員沒辦法將衰變熱由爐心移出.

我們已經很了解反應爐停機後, 經過多少時間還會發出多少衰變熱. 下面這張圖是福島電廠一號機到三號機, 在地震發生停機後的衰變熱估計. 這不是實際測量的數據, 而是由學術上建立的良好模式預測而來的.

福島核電廠的一號機有 460 百萬瓦 的電力輸出, 而二號機和三號機則有 784 百萬瓦 的電力輸出. 基於一般熱力學的原則和實務, 使用熱能發電的效率只有差不多 33%, 也就是說機組的熱輸出必需是額定電力輸出的三倍. 這個熱輸出就是電廠冷卻系統的負載, 也是圖中用來估計衰變熱的數字. 在停機一天之後, 當衰變熱只剩機組工作功率的 2% 不到時, 衰變熱降低速度就變得很緩慢了. 而經過一年之後, 衰變輸出差不多是工作功率的 0.2% 左右.

如果衰變熱沒辦法有效地從爐心移除, 反應爐内的燃料溫度就會開始上升, 導致一些不太妙的結果像是燃料護套的氧化 (發生在攝氏 1200 度左右), 燃料護套的融化 (發生在攝氏 1850 度左右), 甚至燃料本身的融化 (發生在攝氏 2400 度到 2860 度) 等.

什麼是乏燃料池

"乏燃料" 指的是在反應爐中被用過且不能再用的核燃料. 從外觀上來看, 它跟新的燃料沒兩樣: 一堆燃料錠被裝在堅固的燃料棒護套中. 唯一不同的是, 乏燃料含有裂變產物和其它放射性元素, 如鈽. 因為它具有放射性, 所以需要特別的遮蔽. 如同停機反應爐中的燃料棒一樣, 乏燃料也會有衰變熱, 因為裂變產物大部份因衰變所產生的輻射都積在燃料棒中, 最後變成熱能. 因此, 乏燃料也需要冷卻. 但相較於剛停機的反應爐, 乏燃料的發熱量極小. 因次儲存乏燃料只有兩個目的: 第一, 等它的衰變熱降低; 第二, 遮蔽它的輻射.

為了達成這兩個目的, 乏燃料通常儲存在使用空氣冷卻的大水池或是大水桶中. 這些池子通常位於反應爐附近, 以福島一號核電廠的反應爐設計來說, 乏燃料池就位在圍阻體結構的上層. 這種池子非常大, 通常有 40 呎 (約 12 公尺) 深, 或更深, 看反應爐的設計. 池子是用很厚的混凝土和不鏽鋼做的, 而乏燃料則放在池底的架子中. 燃料棒差不多有 10 呎長, 也就是說上面還覆蓋著有將近 30 呎深的水. 乏燃料通常一組一組地被含有硼的板子所隔開, 硼可以吸收中子, 因此可以確保乏燃料之間不會發生連鎖反應. 乏燃料不太可能發生連鎖反應的另一個原因是, 它裡面有用的鈾都已經在反應爐中的裂變反應中用掉了, 因此剩下的燃料很難維持有效的連鎖反應. 池子中的水足以冷卻乏燃料, 而散出來的熱則被池子中的散熱器帶走, 因此一般來說乏燃料池可以維持一個很穩定的溫度. 而水的深度也提供了很好的輻射屏障, 以確保乏燃料所釋出的輻射在經過池水的阻擋後可以降到一個夠低的安全數值, 讓工作人員可以安全地在池邊走來走去.

如果池子有漏, 或是散熱器壞了, 池水的溫度就可能上升. 如果這樣的情況持續, 池水就可能沸騰. 如果池水持續沸騰, 水位就會開始降低, 甚至有可能低到讓乏燃料頂端露出水面. 因為空氣的散熱能力不如水那麼好, 曝露在空氣中的乏燃料棒溫度會開始上升. 當燃料棒熱到一定的程度, 燃料棒護套的鋯合金就會開始與水蒸氣反應, 產生可燃的氫氣. 這會造成燃料棒護套失效, 進而釋放出具有放射性的裂變產物像是碘, 銫, 和鍶. 但這裡要強調的是, 這些意外事件包括冷卻系統失效, 池水沸騰, 乏燃料棒在空氣中過熱, 護套失效等, 都必需進行很長的一段時間才會導致最後的災害, 因此總體而言要發生這樣的災變其機率是微乎其微的.

如果這樣的災變真的發生了, 最危險的事情是: 不像反應爐有圍阻體包圍, 乏燃料池並沒有很堅固的圍阻體結構包覆. 雖然池子本身非常堅固, 但因為它是個開放式的池子, 它的屋頂相對來說比較脆弱, 而且可能已經在災變中被破壞, 也因此池子的水面會直接接觸外面的環境. 但只要池水仍然覆蓋乏燃料, 它對環境就不會有直接的危害. 如果有發生火災的話, 也許會有一小部份的裂變產物逸出, 但只要水面仍然高於所儲存的乏燃料, 大規模洩露的可能性就很低.