福岛核电站事故分析.docx

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1、福岛核电站事故分析感谢供稿：银河双子星（原子物理博士后、旅日留学生）福岛核电站结构福岛核电站属于沸水反应堆（简称BWR，BoilingWaterReactors）。BWR是通过沸水来发电的，用它的蒸汽推动涡轮实现发电。沸水反应堆以轻水（普通水H2O）作为冷却剂和中子慢化剂。反应堆冷却系统内压强保持在70个大气压。在这里，来自汽轮机的给水进入压力容器后，在280℃左右沸腾。汽水混合物经过堆芯上方的汽水分离器和蒸汽干燥器过滤掉液态水后直接送到汽轮机。离开汽轮机的蒸汽经过冷凝器凝结为液态水（给水）后，回流至反应堆，完成一个

2、循环。可参考此网站。堆中所用核燃料是铀的氧化物。其熔点很高，接近2800摄氏度。燃料被制成柱状（1cm高截面直径1cm的小圆筒）。这些柱状物体被放入锆锡合金（一种锆合金）制成的长管中，它的熔点在1200摄氏度左右，并且被严格密封。这种长管被称为燃料棒，包裹核燃料的锆锡合金的这层叫做燃料包壳，包壳将放射燃料跟反应堆其他的组成分隔开。这些燃料棒然后被集装到一起，这样的几百个集装件共同形成反应堆的内核。内核被放置在一个巨大的压力容器中。压力容器由很厚的钢铁构成，可以在7MPa的压力下工作（大概是1000psi），它的设计涵

3、盖了事故发生时产生高压的情况。然后压力容器以及水泵、冷却剂等一并封装在更结实的钢筋混凝土建筑中，这一层叫做安全壳，它高度密封，形成非常厚的屏障。在这个容器建筑的外围又浇灌了一层很厚的混凝土外壳，作为它的双重保障。这些都是为了防止核芯放射物质出现高温熔毁后出现泄漏。切尔诺贝利核电站发生的重大事故是因为没有这一层安全壳导致的。所有这些，再加上蒸气发电机等都建在一个更大的发应堆建筑内部，反应堆建筑是整个核能源厂的外壳性建筑，以便保持厂内恒温，不受外界气候变化影响。总结一下，沸水式核电站由内到外的机构：放射性核燃料、锆合金包

4、壳、钢铁压力容器、钢筋混凝土安全壳、外层建筑。看几张沸水反应堆的图吧核反应堆工作原理反应堆中的铀燃料由中子诱发可以导致核裂变发生，其裂变产物为碘131、铯137等同位素，并放出中子和能量，这些能量会通过与堆内部水的摩擦作用而变成水的内能。这些中子一部分会击中其他铀原子核，继续发生裂变，并产生新的中子，依次类推。这就是核裂变的链式反应原理。为了控制链式反应速度，反应堆中要用到控制棒。控制棒是由能够吸收中子的硼元素制成的。在通常状态下，由控制棒控制，核芯中子的产量是稳定的（保持数量稳定），反应堆处于临界状态。当发生事故时

5、，控制棒全部放下，用来关闭反应堆，可以从100%的动力降到7%动力（残留的延迟的热量造成）。所以核电站是利用的可控核反应，而核弹则是利用不可控的核反应。反应堆内的核燃料永远不会产生原子弹那样的核爆炸。在切尔诺贝利,乌克兰的城市(1986年核反应事件的发生地)，爆炸是由于过量的压力释放、氢爆炸以及建筑物开裂导致，由于没有安全壳保护，致使放射性核芯溶解，经爆炸流入外部环境中。所以此次日本的情况要好很多。在反应堆停止运行后，核芯的热量释放并不会马上停止。在反应堆中，还存在有铯和碘等裂变产物，这些东西也要继续衰变释放热量，变

6、成其他无放射性的同位素，这个过程一般需要几天的时间。另外链式反应产生的中子还会撞击堆内的一些水分子中的氧原子核，形成氮16等放射性同位素，不过这些东西会在几秒内衰变，问题不大，另外还有稀有气体氩等。所以即使停堆，热量还是会继续少量产生，这些剩余热量要在反应堆关闭后的很长时间内才能减少，而且它们需要通过冷却系统来转移，以防燃料棒被过度加热熔化导致泄漏。为反应堆中延迟的热量提供足够的冷却，是目前日本遭到破坏的反应堆最主要的挑战。看一下运行发电的示意图：福岛核电站事故过程分析这次地震太强了，超出核电站设计抗震极限。地震后反

7、应堆内控制棒插入，自动停堆。停堆后剩余热量需要继续转移释放，但外部供电电网因地震损毁无法供电，所以应急备用柴油发电机开始工作，凑活能用。但随之到来的海啸摧毁了柴油发动机，不得不启用第二套备用的应急电池动力，继续泵水冷却。但电池只能维持八小时，之后就开始惨了。之后热量继续产生，但水泵冷却能力赶不上了，因此压力容器内会有大量的水变成水蒸气的状态，使一回路内部的压力增大，超过工作压力，温度也不断升高。此时压力容器内的温度是550摄氏度。现在首要的是保持内部温度在1200摄氏度以下，以确保燃料棒的安全，亦即是内部压力处于可管

8、理的水平，否则燃料棒就会熔化。为了这个目的，水蒸气（还有其他反应器内的气体）不得不定期排放。因此，反应器在当初设计的时候，在压力容器和容器建筑上预留了几个气体排放口。为了保证压力容器和容器建筑的安全，为保住压力边界，操作员不得不定时的排放气体以控制内部压力。这些排放出的水蒸汽里也含有一些氮16、氩等，但其辐射是可以忽略的，不需要考虑。接着就更惨