陳嶽嶠：福島核電站熔融到底是怎麼回事

**【據日媒報道，日本研究者9月26日在日本物理學會發表的研究結果稱，2011年發生核事故的日本福島第一核電站2號機組內70%以上的核燃料可能已經熔融。**熔融到底是什麼意思？它是怎麼測量出來的？熔融70%意味着什麼？對周圍的環境乃至中國有沒有危害？從業八年的中核下屬核電站工程師獨家撰文解析。】

核燃料是什麼

核電站使用的核燃料由鋯合金製成的長管包裹二氧化鈾芯塊，做成長棒狀，再集束裝配而成。核燃料置於反應堆壓力容器中，由主泵將水打入壓力容器，燃料棒浸泡在水中；核燃料發生鏈式反應產生熱量，加熱壓力容器的水，繼而蒸汽發生器的水進行加熱，產生蒸汽，蒸汽再推動汽輪發電機組發電。簡單地説核燃料類似於家庭常用的“熱得快”。

鏈式反應示意圖

核燃料示意圖

核燃料熔融是怎麼一回事

核燃料熔融是核電站最嚴重的事故之一。簡單來説，核燃料熔融就是在核反應堆發生失水、失控等系列事故後，核燃料的鏈式反應失控或冷卻失敗導致的燃料急劇升温，最後熔化變形的現象。

核燃料為什麼會熔融

首先，核燃料在核電站正常運行的時候是不會熔融的。

核燃料和常規化石燃料不一樣，常規化石燃料釋放熱量的燃燒反應是越燒越弱，而核燃料是“越燒越烈”——因為鏈式反應是中子撞擊原子核——原子核分裂成較小原子核並放出中子——中子繼續撞擊較小原子核——繼續分裂和放出中子的過程，這個過程要長得多，放出的熱量會越來越多。

由此可見，核燃料如果不加以嚴格控制，温度會急劇升高，後果無法想象。核電站的安全運行必須要求核燃料在適當的温度和鏈式反應下工作。控制方法主要有：在傳熱的水裏加入吸收中子的化學藥劑；設置由吸收中子材料製成的控制棒；使用主泵驅動水循環流動以帶走核燃料的熱量。

一般核燃料熔融之前會有幾類先導事件：

1）核反應堆管道（一回路）破裂，壓力容器裏的水從破口泄漏而減少，核燃料的放出的熱量不能及時帶走；

2）一回路內水吸收中子的化學物質濃度降低，或者控制棒故障，導致鏈式反應失控，核燃料放出能量增加；

3）汽輪發電機不能百分百帶走核燃料傳遞的能量，多餘的能量積壓在核燃料裏，會使核燃料温度升高。

以上這些先兆事件可能單獨發生，也可能同時發生。接下來的發展進程就是：核燃料温度逐漸升高並超過允許範圍，壓力容器內的水加熱蒸發或泄露而不斷減少；因為壓力容器內水減少，核燃料漸漸暴露於空氣中（核電行業術語稱為：堆芯裸露），傳熱惡化，温度升高；升温的核燃料進一步加熱壓力容器內的水，加速水的蒸發，傳熱進一步惡化，核燃料温度進一步升高，形成惡性循環。最後的最後，核燃料的温度升高使核燃料的鋯合金外殼與水發生鋯水反應放出氫氣，繼而升温到超過核燃料自身材料（主要是核燃料棒的鋯合金外殼）的熔點，先是外表熔化，逐漸發展到整體熔化，最後是燃料失去剛性而坍塌。

福島核事故中出事的1、2號機組經歷的正是這樣的事件過程。海嘯摧毀了岸上的應急柴油發電機，核反應堆的主泵失去了電源而停機，壓力容器內的水失去了流動，核燃料產生的熱量無法帶走，升温失控，最後熔融。

核燃料熔融會怎樣

核燃料熔融後，因為失去了材料剛性而坍塌，類似911事件的世貿大廈。

相鄰的核燃料棒粘連在一起，類似幾根冰棍在陽光暴曬下融化粘在一起的情形。這是非常危險的情形。正常情況下核燃料棒是以一定的間隔佈置的，水可以從核燃料的間隔中流過，帶走核燃料的熱量，維持核燃料的冷卻；控制棒可以插入，吸收適量的中子，控制鏈式反應。核燃料熔融粘連在一起後，這些用於冷卻和控制的間隔被堵死，被帶走的熱量更少，核燃料温度進一步升高，並從已熔融的核燃料傳遞到未熔融的核燃料，牽連更多的核燃料熔融。最嚴重的情形是核燃料熔融成一團。

核燃料棒在壓力容器裏的佈置圖。深色部分是控制棒

核燃料熔融有什麼後果

核燃料熔融的後果有幾種情況，需要區別對待。以下是筆者個人的看法：

**輕度熔融：**只有少數幾根核燃料棒外表破損，核電站可以控制事態，在將核反應堆停下來後的大修可以將損壞的燃料棒更換（例如美國三里島事故）。

**中度熔融：**部分核燃料棒熔化、粘連，已經嚴重損壞了核反應堆的結構完整性，同時熔融放出的大量熱量、高温高壓蒸汽和鋯水反應產生的氫氣將容納核燃料的壓力容器爆破，大量放射性物質隨蒸汽外逸到安全殼中，繼而泄漏到外界。機組無法再使用（福島核事故）。

**重度熔融：**在中度熔融的基礎上進一步惡化，大部分核燃料棒熔化變形，高温甚至將壓力容器底部蝕穿，掉入地表土壤。讀者可以自行想象焊錫被加熱後滴落的情形。這種情況遠比輕度和中度熔融嚴重，因為熔融的核燃料進入土壤後無法控制，直接與土壤還有地下水接觸，造成嚴重的放射性污染。（目前未確認福島核事故是否有堆芯進入土壤）

這種情況極少出現，一些核電站在設計的時候也考慮了熔融核燃料棒（核電行業成為熔融堆芯）的掉落問題，我國的田灣核電站的早期機組也設置有堆芯捕捉器，實用性有待驗證。但不用驗證才是好事。

一旦核電站出現重度熔融事故，就意味着核事故已經超過普通的預防和應急，進入長期治理的階段，這個長期治理，恐怕將需要幾代人來買單。

核燃料熔融示意

日本福島二號機核燃料70%熔融意味着什麼？

對比之前福島第一核電站所屬的東京電力公司認為2號機組內57%以上核燃料熔融的分析，此次的數據測量手段（基本粒子探測法）更先進，得出的結果也更精確，顯示形勢嚴峻得多。筆者認為，70%熔融意味着2號機組的核燃料熔融已超出目前的控制，有進一步擴大的可能。對於已經燃料熔融的機組，因為其自身已經失去對核燃料鏈式反應的控制能力，所以引用外部水源對核反應堆進行冷卻、抑制鏈式反應將成為長期的工作。只有控制住核燃料熔融進一步發展趨勢之後，對事故機組進行封閉和屏蔽才能正式開始。

我國與日本屬於一衣帶水的關係，地理位置的臨近加上洋流因素的作用，2011年福島核事故發生時，我國沿海地區就受到來自日本的放射性塵埃和放射性污水的威脅。由此我們應當密切關注福島二號機的事態，並在需要時提供力所能及的幫助。核電領域有一句公認的話，核電行業無小事，任何一個核事故都會對全世界的核工業造成毀滅性的打擊，必須防微杜漸。

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