福島核電廠到底怎麼了

因為全世界都在關注日本福島核電廠的災變, MIT 核工系的 MIT NSE Nuclear Information Hub 網站持續更新中, 並且隨著事情的發展會有根據新聞所做的說明. 經由青春永駐又美麗不老的社長學姊貼到 T 客幫的文章引起廣大迴響, 因此我決定再繼續譯下去.

不過事情每天都有新的發展, 資訊更新的速度也很快, 我沒把握可以追得上 MIT 發佈的速度…

一號機與三號機的氫氣爆炸

日本福島第一核電廠的一號機組與三號機組在地震過後幾日相繼發生爆炸, 導致這兩個機組發生爆炸的原因其實很類似. 當核電廠發生像冷卻系統失效或是電力喪失這樣的事故時, 通常第一件要做的事情就是設法讓反應爐的壓力降下來. 而降壓的方法就是打開壓力槽的洩壓閥. 洩壓閥開啟後, 水和蒸氣的混合物會順著管線往下流到稱為 "壓力控制室" 的一個池子裡. 在福島核電廠的反應爐設計中, 壓力控制室是一個長得像甜圈圈形狀的大管子, 位於壓力槽的下方. 當水和蒸氣被導入壓力控制室後, 一部份的蒸氣會冷凝成為水, 因而能幫助將壓力降下來.

藉由這樣排水排氣的過程, 可以將反應爐壓力槽內的壓力降下來, 同時當壓力槽內的壓力降下來後, 也比較容易將更多的冷卻水打入壓力槽, 幫助降溫. 地震剛發生時, 這些程序都有照規矩來. 不過隨即而來的大海嘯毀了電廠的緊急祡油發電機和配電系統. 沒有了電力就沒辦法操作輸送冷卻水的幫浦, 因此反應爐內的水溫開始上升.

隨著爐心水溫的上昇, 一部份的水開始沸騰蒸發, 使得水位下降, 讓燃料棒的頂端開始露出水面. 燃料棒外面有堅固的鋯合金的護套保護著, 但如果它太熱, 而且又有氧存在時 (氧來自水蒸氣), 它就開始反應產生氫氣. 當氫氣與氧氣混合時, 只要 4% 的濃度它就變得極為易燃, 不過如果同時混著過量的水蒸氣的話, 它還燒不起來.

隨著冷卻系統停擺的時間越來越久, 圍阻體內的壓力也越來越高. 圍阻體是阻止爐心內的放射性物質散逸到環境中的最重要防線, 因此必須不計一切代價維護它的完整. 因此當圍阻體內壓力高到一定程度時, 就會將裡面的蒸氣釋放到大氣中使得裡面的壓力在可以控制的範圍.

一號機組和三號機組究竟發生了什麼事, 目前無法精確得知, 不過基於已知的資訊, 它很有可能是這樣的: 廠方為了降低圍阻體內的壓力, 決定將圍阻體內的蒸氣藉由某些管路排放至圍阻體外, 反應爐建築內的空間. 此時排出的蒸氣和氫氣就和反應爐建築內的空氣混合了, 不過因為混合的氣體內含有大量水蒸氣, 因此它還不是那麼易燃. 但因為反應爐建築內的溫度遠低於圍阻體內的溫度, 便使得混合氣體內的水蒸氣開始凝結. 水蒸氣凝結成水後, 相對就提升了氫氣的濃度, 使得這些氣體開始變得易燃. 經過一段時間後, 只要有一點小小的火源 (像來自電氣設備的火花), 就引爆了這些氣體, 這也就是我們在一號機組和三號機組看到的爆炸. 反應爐建築的上半部被炸得面目全非, 但圍阻體的結構看起來並沒有受影響.

在爆炸之後沒多久, 廠方隨即偵測到輻射數值出現高峰, 這是因為排出的蒸氣中含有某些放射性物質. 當鋯合金的護套與水反應產生氫氣時, 它同時也會釋放出一些裂變產物. 核燃料中絕大部份的放射性物質仍然乖乖地待在燃料中, 但是一但燃料棒護套有任何的破損, 某些氣態的裂變產物, 像是氙和氪等惰性氣體, 馬上見縫就鑽逃出燃料棒. 幸好氙和氪幾乎沒有化學活性, 也不會被植物或人體吸收, 因此它們不算是很危險的放射性物質. 除此之外, 會有一小部份的裂變產物像是碘和銫, 也會進入蒸氣中. 當蒸氣從圍阻體內排放到反應爐建築內時, 這些微量的裂變產物就一起被排到建築內. 當反應爐健築被炸毀時, 這些具有放射性的裂變產物就一起跑出來了. 這就是為什麼在爆炸後, 廠方會偵測到輻射劑量突然升高的原因. 但這樣的輻射讀數隨即就降下來了, 因為圍阻體並沒有受損, 不會有更多的放射性物質逸出, 同時原本逸出的那些微量放射性物質也很快地衰變掉或是被稀釋掉, 因此輻射劑量就降回去了.

二號機的爆炸

據報福島第一核電廠的二號機所發生的爆炸損傷了它的壓力控制室. 如同前一篇文章提到的, 壓力控制室是一個位在反應爐底部的甜圈圈狀容器, 而它的用途則是用來為反應爐降壓. 壓力控制室設計成可以讓反應爐排過來的高熱蒸氣冷凝成水, 但前提是它裡面必需有足夠的冷水. 這裡特別要強調的是, 壓力控制室是一次圍阻體的一部份.

在二號機裡, 燃料棒護套氧化所產生的氫氣混著水蒸氣被排到壓力控制室中, 並且被引爆. 這跟一號機和三號機的情況不同. 一號機和三號機的爆炸發生在一次圍阻體之外, 在反應爐建築的頂部. 為什麼二號機的蒸氣沒有被排放到反應爐建築內, 而是積聚在壓力控制室中, 目前仍不清楚. 但相較於一號機和三號機的爆炸沒有破壞到圍阻體, 這個爆炸對二號機所造成的一次圍阻體損壞是比較麻煩的問題. 廠方目前仍然持續將海水打入二號機的壓力槽和圍阻體中, 幫助它降溫. 此時二號機所釋出的輻射劑量和一號機及三號機差不多.

四號機乏燃料池的火災

根據東京電力公司的報告, 3 月 15 日發生在四號機延燒兩個小時的火災, 乃是肇因於冷卻水馬達的漏油. 而 16 日早上的另一起火災, 廠方宣稱並非發生在乏燃料池, 目前原因不明.

乏燃料池

所謂 "乏燃料" 指的是用過的核燃料, 而乏燃料池則是用來儲存及冷卻從反應爐中移出的乏燃料用的. 用過的核燃料仍然會因為裂變產物的衰變而有餘熱, 它們必需放在有冷卻設被的水池中直到可以處理為止. 如果水池的冷卻能力不夠, 池水就可能沸騰, 使得水量減少, 而使得燃料棒曝露在空氣中. 隨著溫度的增加, 燃料棒護套也會跟水蒸氣反應產生氫氣, 並且被引燃. 這也會造成前面提過的燃料失效, 使得燃料棒護套破裂, 釋出放射性物質如碘, 銫, 和鍶的同位素等.

但要特別注意的是, 四號機在地震前已經停機 105 天了, 而也反應爐中的燃料也統統被移到乏燃料池中. 今天的報導指出乏燃料池的溫度在上升中.

目前也有報導指出五號機和六號機的乏燃料池溫度也在上升中.