福岛核电站事件发生过程

冲击核电站的地震的威力是核电站设计时所能承受的威力的五倍（里氏震级之间的放大倍数是对数关系，所以8.9 级地震的威力是8.2 级，即核电站的设计抗震威力的5 倍，而不是0.7 的差异）。

所以我们首先为日本的工程技术水平喝彩，至少一切目前是保下来了。

当8.9 级地震冲击核电站时，所有的反应堆就自动关闭了。

在地震开始后的数秒内，控制棒就插入到了核心内，链式反应即刻中止。

而此时，冷却系统就开始带走余热。

这些余热相当于反应堆正常运转时产生的3% 的热量。

地震摧毁了核反应堆的外部电力供应。

而这是核反应堆能够遇到的最严重的故障之一，因此，在设计核反应堆的备用系统时，“电站停电”是一种被高度关注的可能性。

因为核反应堆的冷却泵需要电力以维持运转。

而反应堆关闭后，核电站本身就不能产生任何电力。

在地震发生后的一小时内一切情况是平稳的。

为紧急情况而准备的多组柴油发电机中的一组启动，为冷却泵提供了所需的电力。

然后海啸来了，比核电站设计时所预料的规模要更巨大的海啸，摧毁了所有的柴油发电机组。

当柴油发电机组被冲走后，反应堆操作员将反应堆切换到使用紧急电池。

这些电池被设计为备用方案的备用方案，用于提供给冷却系统8 个小时所需的电力，并且也确实完成了任务。

而在这8 个小时内，需要为反应堆找到另外一种供电措施。

当地的输电网络已经被地震摧毁。

柴油发电机组也已经被海啸冲走。

所以最后通过卡车运来了移动式柴油发电机。

整个事件从这一刻起开始变得糟糕。

运来的柴油发电机无法连接到电站（因为接口不兼容）。

所以当电池耗尽后，余热就无法再被带走。

在这个点上反应堆操作员开始按照“冷却失灵”的紧急预案进行处理。

这是“纵深防御”中的更进一层。

理论上供电系统不至于彻底失效，但是现实如此，所以操作员们只能退到“纵深防御”中更进一层。

这一切，无论对我们看起来多么不可思议，但却是反应堆操作员的培训的一部分——从日常运营到控制一个要融化的核心。

于是在这个时候外界开始谈论可能发生的核心熔融。

因为到了最后，如果冷却系统无法恢复，核心就一定会融化（在几个小时或是几天内），然后最后一层防线——第三层护罩及护罩内的大碗，就将经受考验。

但是此时最重要的任务是在核心持续升温时控制住，并且确保第一层护罩（燃料棒的锆锡合金外壳），及第二层护罩（压力容器）能够保持完整并尽可能多工作一段时间，从而让工程师们能够有足够的时间修好冷却系统。

既然让核心冷却是那么重要的事情，因此反应堆内实际上有多个冷却系统（反应堆给水清洁系统，衰变降温系统，反应堆核心隔离冷却系统，备用水冷系统，及紧急核心冷却系统）。

而究竟哪一个失效了或是没有失效在此时无法得知。

所以想像一下，一个在炉子上的压力锅，持续地，慢慢地在进行加热。

操作员在采取各种手段去消除其中的热量，但是锅内的压力在持续上升。

于是当务之急是保住第一层护罩（熔点为2200 摄氏度的锆锡合金），及第二层护罩——压力容器。

而为了保住第二层护罩，其中的压力就需要时不时进行释放。

因为在紧急时刻进行压力释放是一件重要的事，所以反应堆共有11 个用于释放压力的阀门。

操作员开始通过时不时地旋松阀门来释放压力容器内的压力。

此时压力容器内的温度是550 摄氏度。

这就是关于“辐射泄露”的报道开始的时刻。

释放压力的同时实际上会释放第二类放射性物质（主要是N-16 和氩），放射性氮元素和氩对于人类健康没有威胁。

而就在旋松阀门的过程中，发生了爆炸。

爆炸发生在第三层护罩外部，反应堆厂房内。

反应堆厂房不具有隔绝放射性物质的功能。

虽然目前并不清楚到底发生了什么，但是这是一个很有可能的场景：操作员决定让压力容器内的蒸汽释放到厂房内，而不是直接到厂房外部（这样可以让放射性元素有更长的时间用于衰变）。

而问题在于，由于核心内的高温，水分子会分解为氧和氢——一种易爆混合气体，于是也确实在第三层护罩外爆炸了。

历史上也曾发生过一次类似的爆炸，不过是在压力容器内（因为压力容器没有设计好并且操作失误），进而导致了切尔诺贝利事件。

而福岛核电站不会有这样的问题。

氢氧混合气体是在设计核电站时需要考虑的一个巨大问题，因此反应堆在建造时就考虑到了不能让这样的爆炸发生护罩内部。

如果在护罩外部爆炸了，虽然也不是设想中的状况但是可以接受，因为即使爆炸了也不会对护罩产生影响。

因此在阀门旋送时，压力得以控制。

而现在的问题时，如果水在一直沸腾的话，那么水位就会持续下降。

核心大概被几米深的水覆盖，使得其能够在空气中暴露前坚持几个小时或几天。

而一旦没有水覆盖，那么暴露的燃料棒就会在45 分钟后达到其2200 摄氏度的熔点。

而这样就会导致第一层护罩，燃料棒的锆锡合金外壳融化。

而这样的事情正在开始发生。

冷却系统无法在燃料棒开始融化前恢复运转，不过燃料棒中的核燃料此时依然是完好的，但是包裹燃料的锆锡合金外壳已经开始融化。

而目前正在发生的，就是一些铯和碘同位素开始随着释放出来的蒸汽，泄露到反应堆外。

最严重的问题——铀燃料，目前依然是受控的，因为氧化铀的熔点在3000 摄氏度。

目前已经确认的是，检测到有一部分铯和碘同位素随着蒸汽泄露到了大气中。

这似乎是一个启动“B 计划”的信号。

通过在大气中检测到的铯和碘同位素，操作员可以确认某一根燃料棒的外壳（第一层护罩）已经存在破损。

“A 计划”在于恢复某个常规冷却系统。

为什么这个计划失败目前并不清楚，而一种可能性是海啸冲走或是污染了所有用于冷却系统的纯净水。

用于冷却系统的给水是非常纯净的，去除了所有矿物质的水。

使用纯净水的原因在于：纯净水很大程度上不会被激活，因此可以保持相对无辐射。

而如果是脏水，那么更容易捕获中子，进而变得更加具有放射性。

这不会影响到核心——因为核心不会被冷却水影响。

但是会使得操作员更难处理这些具有轻度放射性的活化水。

但是“计划A”失败了——系统无法冷却，并且也没有额外的纯净水。

因此“计划B”被启动。

而这就是目前正在发生的：为了避免核心融化，操作员开始使用海水来冷却核心。

我不是十分清楚，他们是用海水浸泡住压力容器（第二层护罩），还是淹住反应堆外壳（第三层护罩）。

不过这个不是我们现在要讨论的。

要点在于核燃料现在确实已经冷却下来了。

因为链式反应早就已经停止，所以目前只有非常少量的余热在产生。

已经使用了的大量冷却水可以带走这些余热。

因为是注入了大量的水，所以目前核心已经无法再产生足够的热量去大幅度提升压力。

并且，海水中加入了硼酸。

硼酸是一种“液体控制棒”。

无论在发生什么样的衰变，硼都可以捕获产生的中子并进一步加速核心的冷却。

福岛核电站曾经十分接近核心融化。

但是目前最坏的情况已经被避免：如果没有将海水注入，那么操作员就只能继续旋松阀门以释放压力。

第三层护罩必须完全密封，以避免其中发生的核心融化泄露出任何的放射性物质，然后会经过一段等待期，等待护罩内的裂变副产品完成衰变，所有的放射性粒子会附着在护罩内壁。

冷却系统最终会被恢复，融化的核心也会冷却至一个可控的温度。

护罩内部会被清理。

然后需要做一项棘手肮脏的事情——将融化了核心移出，将凝固了的燃料棒及燃料一块一块地装入运输装置，然后运送到核废料处理厂进行处理。

根据损坏状况，核电站的这块区域需要进行修理或是彻底拆除。

那么，目前留给我们的是什么呢？• 核电站会回到安全状态并始终安全• 日本处于第4 级别INES 核紧急状态：核电站内事故。

这对于拥有电站的公司是件糟糕事情，对其他人来说没什么影响。

• 在释放压力时同时释放了一些放射性物质。

包括非常小剂量的铯和碘同位素。

如果在释放时你正好坐在出口上，那么你可能需要考虑戒烟使得你的期望寿命值回归从前。

这些铯和碘同位素会被带入海水，然后就不会再检测得到。

• 第一层护罩出现了一些损坏，意味着一定数量的铯和碘同位素也被释放到了冷却水中，但是不会有铀或是其他什么脏东西（因为氧化铀不溶于水）。

在第三层护罩内有用于净化水的装置，这些具有放射性的铯和碘同位素会在那里被去除并且存储为核废料。

• 用于冷却的海水会在一定程度上被活化。

但是因为控制棒已经完全插入，所以链式反应是不会发生的。

这就意味着“主要的”核反应没有发生，因此也就不会加剧海水的活化。

链式反应过程的副产物（铯和碘同位素）在这个阶段也基本上消失殆尽。

这进一步减轻了海水的活化。

因此最坏情况就是：用于冷却的海水中会具有一定程度的放射性，但是这些海水也同样会经由内部净化装置进行处理。

• 最终会用正常的冷却水取代海水。

• 反应堆核心会需要进行拆除并运到处理厂，就像通常的燃料更换一样。

• 燃料棒和整个核电站需要进行彻底安全检查，以避免潜在的危险。

这通常需要4 到5 年。

• 全日本的核电站的安全防护会进行升级，以确保他们可以抵抗住九级地震及随之而来的海啸（甚至更糟糕的情况）。

• 我认为更显著的问题是随后的全国供电。

日本的55 座反应堆中的11 座已经全部关闭并等待进行检查，这直接减少全国20% 的核电电力，而全国30% 的电力靠核电供应。

我目前还没有去考虑国内其他核电站可能发生的事故。

短缺的电力会需要依靠天然气发电站供应，而这些电站通常只是在供电高峰时用于应急。

我不是十分清楚日本国内的石油，天然气和煤矿的能源供应链，及港口，炼油厂，存储及运输网络在此次地震中遭受了怎样的损失。

这些都会导致电费增加，及用电高峰和重建时的电力短缺。

• 而这一切只是更大的问题的一部分。

灾后应急需要解决避难所，饮用水，食物，医疗，运输，通讯设施等一系列问题，当然也包括电力供应。

在一个供应链倾斜的时代，所有的这些领域中我们都会遇到挑战。