日本福岛第一核电厂事故:氢气爆炸(hydrogen expl

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日本福岛第一核电厂事故:氢气爆炸(hydrogen explosion)

氢气爆炸 vs. 核爆
日本福岛核电厂的爆炸不是核爆而是氢气爆炸。福岛核电厂使用轻水式反应器,轻水也就是普通水;从维持核分裂連锁反应的机制來說,轻水式反应器具有自我抑制的特质,即核分裂連锁反应不会于事故中失控,于瞬间产生大量的能量,造成反应器的解体。使用轻水式反应器电厂的反应器爐心燃料只会熔毁(nuclear meltdown),不会爆炸。

启动「紧急爐心冷却系统」
根据美国核能管理委员会(Nuclear Regulatory Commission, NRC)所提供的简单說明,事故发生的时间大致情形为:地震发生后,控制棒成功插入爐心,核分裂連锁反应随即停止,反应器立即进入停机狀态。由于燃料组件本身的高温与燃料衰变生热,停机后的爐心仍有余热持续产生,必须藉由「紧急爐心冷却系统(Emergency core cooling system, ECCS)」的接续运作來移除。「紧急爐心冷却系统」主要包括四个子系统:1)「高压注水系统」(High pressure coolant injection system,HPCI), 2)「爐心喷洒系统」(Corespray system), 3)「低压注水系统」(Low pressure coolant injection system, LPCI), 和 4)「爐心隔離冷却系统」(Reactor core isolation cooling system, RCIC)。

不过,实际的情况是:海啸将输配电系统沖毁,造成厂外电源丧失(Loss of Offsite Power),幸赖紧急柴油发电机成功启动供电,ECCS 才能开始运作。但是接着的海啸(或是地震的后果)造成柴油发电机的燃料供应系统故障,柴油发电机供电一小时后即停止运转并导致电厂全黑(Station Blackout),ECCS 因交流电源丧失而无法全面运作(即三个子系统均无法运作),此时仅剩利用直流电控制且汽机带动的「爐心隔離冷却系统」正常运作,将爐心余热导入围阻体。但是约8小时后,直流电也耗尽,「爐心隔離冷却系统」因而亦无法运作,ECCS 于此时全面丧失了所有余热移除功能,导致爐心温度上升,并使爐水汽化成为水蒸汽,爐心水位因而下降,燃料棒裸露且压力槽内部压力上升。裸露的燃料棒在无法冷却的情况下,表面温度迅速窜升,锆合金材质的燃料棒护套随即与压力槽内的水蒸汽进行剧烈的氧化还原反应,产生大量氢气。

排放释压与氢气爆炸
当压力槽内的压力因水蒸汽与氢气的产生而持续上升至设定值时,具防护功能的自动释压系统(Automatic Depressurization System)立即动作,安全阀被开启并将水蒸汽、氢气与伴随的放射性物质导入一次围阻体(primary containment)的抑压池中(Pressure supression chamber)。在厂外电源与紧急备用电源依旧缺乏的情况下,包围着压力槽的一次围阻体也出现温度与压力均快速上升的现象,为了维护围阻体的完整性,运转员于是依『严重事故处理导则』执行围阻体排放措施 (Containment Venting),进行间歇式的排放释压。本项释压工作原本应将排放物质(即水蒸汽、氢气与少量的放射性物质)经过濾后直接外释至大气环境,但现场工作人员很可能因企图将欲外释的放射性物质进一步减量,因此决定将排放物质释入二次围阻体(即反应器厂房)内,再透过具有另一道过濾设备的厂房烟囱外释至大气环境,未料质量较轻的氢气蓄积于厂房天花板后,復与大气中的氧气进行剧烈化学反应而爆炸,这就是福岛1 号机与3 号机爆炸的主因。

附带一提的是2 号机的爆炸,其肇因有可能也是氢气爆炸,但也可能是水锤效应(Water Hammer),确切原因尚待调查。4 号机的爆炸则是用过燃料池中的燃料棒因冷却水不足而产生高温,并经前述相同的机制产生氢气,且蓄积于厂房中,随后与大气中的氧气作用后导致爆炸。

日本福岛第一核电厂事故:氢气爆炸(hydrogen expl

图1:典型沸水反应炉马克1号(BWR (boiling water reactor) with Mark I containment)截面图,日本福岛第一核电厂1至5号机和台湾核一厂的二座反应炉都是同类型设计。 (图片来源

参考资料:
1. 清华大学原子科学院: 有关日本福岛核电厂事故之问与答。《核能简讯》No.129 (April 2011), p.13-17。
2. 李敏: 日本福岛核电厂事故说明与评析。 《核能简讯》 No.129 (April 2011), p.7-12。
3. 中文维基百科:福岛核事故 (http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%A6%8F%E5%B3%B6%E6%A0%B8%E4%BA%8B%E6%95%85)