评：美国麻省理工学院专家分析的日本核泄露最坏情况
原文来自http://mitnse.com/2011/03/17/on-worst-case-scenarios/
黄卫东翻译，以下是译文
美国麻省理工学院核能科学与工程博克收到很多提问，是关于核泄露导致的最坏情况的。这不奇怪，在媒体上，这是讨论得最深，观点变化很大的方面。本博克根据我们掌握的所有信息来解释，而不是来做预测。我们评述媒体预测中的术语，阐述政府机构和科学团体使用何种方法，来确定应该通知公众采用的对策。
熔毁
术语熔毁是指锆合金制成的安全罩和氧化铀（或混合氧化物，指混合了氧化钚，译者注）燃料棒的融化。这两个结构是阻碍核裂变是否释放辐射性物质的第一道安全机制，因为具有放射性的核裂变产物通常在固体核燃料棒内部，气体性的也在核燃料棒内部气孔中，或从核燃料棒气孔中溢出，留在锆合金安全罩内。当核反应堆关闭以后，这些裂变产物继续衰变，产生热能。开始时，它们单位时间产生的热能约为核反应堆工作时放出能量的7%，其后随着放射性同位素衰变而逐步减少。如果不能通过冷却水带走热能，核燃料棒和安全罩就会升温。当温度超过摄氏1200度，一直在进行的腐蚀锆合金安全罩的过程就会大大加快。腐蚀产物包括氧化锆，氢气（参见博文福岛1和3号电站氢爆炸解释）和热。这些产物和热将会加快腐蚀过程，核燃料棒将会继续升温。由于这个反应的自催化特性（就是产物生成以后，产物会加快反应速度，译者注）， 通常安全系统会动作，阻止安全罩内温度升高到1200度。
如果多种安全机制都失灵了，如美国三里岛事故，核燃料棒继续升高到氧化铀的熔点温度，2400－2860度（该温度与燃料棒制造和工作时间相关）。当燃料棒融化成液体，就坍塌渗出，形成由核燃料氧化物，锆金属合金和钢等组成的混合物，流到核反应堆容器的底部。如果过程中遇到冷却水，就会固化落在核反应堆容器底部。
乏燃料池（存放从核反应堆中取出的用过的核燃料棒）的冷却系统发生故障以后，也会以较慢的速度发生类似的过程。
穿透：操作经验和实验
当核燃料棒温度达到或超过1200度，就有可能损坏核反应堆容器。制造核反应堆容器的材料钢的熔点是1500度。此外，容器暴露在海水中（这是一段时间内为冷却而投加的），遭到海水腐蚀而变弱。海水中氯化钠等盐加速了钢的腐蚀。通常这个腐蚀，导致容器损坏的时间是几周或几个月，不是几天。 无论如何，在这种情况下，反应堆容器存在很多不确定因素。
值得庆幸的是，我们有一些与核燃料棒熔毁相关的操作经验。三里岛事故中，约50%核燃料棒熔毁。反应堆容器9英寸（等于225mm）的壁厚，约5/8英寸厚金属腐蚀剥落了。当核燃料氧化物和金属混合物与容器底部接触时，容器局部有一个小时时间处于发红状态。长时间受热，容器金属结构发生了变化，变得硬而易碎了。在容器底部附件的仪器也被渗漏而损坏。不管怎么说，熔毁的核燃料基本还在容器内。
当产生熔融混合物以后，根据以前的经验，会有部分穿过反应堆容器，落到混凝土底座上，向四周扩散。它们与混凝土作用，产生不会凝结的气体，这种过程就是通常所说的熔毁混合物与混凝土相互作用。
三里岛事故发生以后，很多机构都通过实验研究熔毁混合物与混凝土反应堆底座的作用。这些实验用来测量混凝土消融的程度，产生非凝结气体速率。过去20年研究主要关注如何用水来熄灭熔毁混合物。
实验中，使用非放射性氧化铀（铀238），锆合金和钢的混合熔融物，它们的比例与反应堆产生的类似。让它们通过一个喷嘴，提高压力，模仿反应堆容器中的压力，让它们落到混凝土上，通过热电偶和照相机监测实验，实验持续几个小时，结束后，检测固体材料。实验表明，没有水来熄灭，熔毁混合物在类似福岛核电站情况下，将以每分钟几毫米速度剥落混凝土。在混凝土防护罩内产生气体，需要通风，并对排出气体进行过滤，阻止防护罩破裂（实际情况是，由于爆炸，混凝土外防护罩已经破裂）。
如果提供水来熄灭熔毁混合物，阻止其在混凝土板上扩散，消融速率降低到最坏情况5－7%，气体产物基本没有了。不断产生混凝土消融，是熔毁混合物形成固体，固体又会内部产热而熔融。
总之，这个总结是用来解释熔毁混合物可能发生的变化。我们不是预测，核反应堆的变化和乏燃料堆的变化。
分析：是如何做的？有什么含义？
前面阐述的实验是用来验证预测核反应堆和乏燃料堆的变化的计算。这些计算提供了计算的辐射源数据，从而用于获得泄露剂量随时间变化的计算。后面的计算包括很多因素的复杂相互作用，如：
释放方式：爆炸，缓慢稳定输出？由空气流，烟或水流带走，离开地面多高？
气候类型：本地和周围的气候
地形特点：本地和周围
象建模计算熔毁燃料分布一样，根据现有资料，包括切尔诺贝利发生的数据和小型实验结果，来验证模型计算核泄露所产生的后果。
政府机构将根据计算得到的辐射剂量数据，来确定是否需要疏散当地或周围的民众，下达撤离命令，让老百姓远离出事地点一定距离。这里我们推荐，核泄露地点附近的读者应根据政府签发的指令行动。
关于未来辐射剂量预测的提示：网上流传了美国西部高剂量辐射的预测图。这个预测图上标注了澳大利亚辐射服务处，实际不是。美国核协调委员会（NRC，www.nrc.gov）反驳了该图，专家们说，它类似核武器爆炸产生的辐射剂量的预测，现在并不存在。
译者评论与分析：这个分析，回避了回答人们关心的一个关键问题：熔毁过程中，放射性物质泄露量和持续时间？对熔毁后的分析也很不足和简单。
在堆芯熔毁过程中，首先是核反应堆容器内部温度增高。通常控制棒的作用很关键，所谓停堆，就是将大量控制棒插入到燃料棒之间，让控制棒吸收从燃料棒中铀235或钚239裂变产生的中子，从而中止这些中子引发其他核燃料裂变。根据MIT文章，为什么我不担心日本的核电站，核燃料被制作成小圆球（直径1cm高1cm的小圆柱）。这些小圆柱被放入一个用失效温度1200℃（会被水自我催化氧化）的锆锡合金制成的长管，然后密封起来。这就是一个燃料棒（fuel rod）。核燃料棒外壳发生熔毁以后，核燃料小球就会聚集到反应堆底部，从而使核反应堆又重新启动，也就是说，其他核燃料，包括U238又被重新活化，产生较多的裂变反应。这使放出的热能大幅度增加。更为严重的是，大量热能会导致严重熔毁，严重熔毁以后，核燃料棒材料与其他材料，包括锆合金，以及构成反应堆容器的钢材都会熔化，由于它们在密度熔点方面的不同，导致核燃料相互聚集在一起，从而发生加速裂变反应，释放各种放射性物质。在反应堆容器破裂之前，熔毁以后，容器内的裂变反应必然是接近反应堆正常工作时候的状态，而不是接近停堆时候的状态。因此，个人分析，一旦发生熔毁，除非系统其他部分都恢复正常，否则，核燃料必然从反应堆容器中流出，到达反应堆安全壳内预先设计的混凝土盆内，在更大空间弥散，才能减弱核反应。在此过程中，裂变产生的高放射性物质会大量产生，由于冷却系统不能正常工作，必然会释放出来，从而大幅度增加了泄露的放射性物质。 而且，核燃料本身所包含的自动裂变成分，即使停堆，即使用水“熄灭”，降低温度，也是不断释放放射性物质的。
当然，上述所分析的熔毁是否发生，发生到什么程度，还没有成为定论。有很多分析认为，至少发生了燃料棒保护罩的熔毁，如果这样，就非常危险了。因为停堆操作至少被部分逆转了。（个人以为，根据放射性物质泄露量是可以判断是否完全停堆了）
我国核安全专家王法根据外电报道，在注水过程中由于堆内压力大，注水困难，打开了泄压阀，以降低压力壳内压力，这造成安全壳内压力增高，使得抑压池压力提高，引起了抑压池的损坏(爆裂)(核电站内部结构见下图所示)，即安全壳已经与厂房内大气通了。已经失去了安全壳对放射性物质的隔离和屏障。可是要注意到压力壳还是完整的。安全壳(格纳容器)的作用是包容可能从压力壳内外泄的放射性物质的安全容器。他的一部分失效意味着已经失去一道屏障。这是福岛核电站持续长时间对外不断排放放射性物质的主要原因。日本原子能安全委员会刚刚发布说（3月30日），福岛第一核电站1至3号机组的反应堆压力容器和安全壳都应该已经破损。
由于福岛电站处于寿命末期，本应在今年终止运行，在地震和海啸作用下，王法认为，整个核电站的管道、设备、阀门、电器盘柜都受到了不同程度的损伤，使得几乎所有的机组的冷却功能都受到了损坏，甚至完全失效 。这也是译者此前在网上发表的观点。但是，反应堆中核燃料棒，以及堆存的乏燃料棒都会不断产生放射性废物，参见下表：
|
Yield |
Fission Product |
Half-life |
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6.8% |
cesium-133/134* |
2 years |
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6.3% |
iodine-135 / xenon-135 |
7 hours |
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6.3% |
zirconium-93 |
1.5 million years |
|
6.1% |
cesium-137 |
30 years |
|
6.1% |
molybdenum-99 / technetium-99** |
200,000 years |
|
5.8% |
strontium-90 |
30 years |
|
2.8% |
iodine-131 |
8 days |
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2.3% |
promethium-147 |
3 years |
|
1.1% |
samarium-149 |
not radioactive |
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0.7% |
iodine-129 |
15 million years |
|
0.4% |
samarium-151 |
90 years |
|
0.4% |
ruthenium-106 |
1 year |
|
0.3% |
krypton-85 |
11 years |
|
0.2% |
palladium-107 |
7 million years |
*Cs-133 is stable but has a high fission yield, but it will then produce Cs-134 from absorbing neutrons in the reactor and Cs-134 is radioactive with a ~2 year half-life.
**Half-life reported in the table is for Tc-99. Mo-99 has a half-life of ~66 hours, which then decays to Tc-99m (metastable form of Tc-99) with a half-life of ~6 hours. The Tc-99m then decays to the Tc-99 with the 200,000 year half-life reported in the table.
现在很难回答，相关处理系统何时能恢复正常工作。《自然》网站认为：日本核辐射危害目前难以估量（http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2011/3/245389.shtm）。今天（3月30日），日本官方连续发表讲话，表示要废弃福岛核电站6个反应堆，考虑采用石棺来封闭核反应堆，这说明，日本相关各方，在经过近20天努力以后，终于放弃恢复系统的幻想。
不管是废弃系统，还是准备采用石棺封闭系统，为了对付乏燃料和反应堆中的核燃料释放的放射性物质，在恢复冷却系统的同时，还必须抢修和恢复核废料处理系统，以准备在相当长时间内对付现场存有的核燃料所释放的放射性物质，除非能够将现场各种核燃料清理运走。由于现在很难了解实际情况，因而难以判断，还需要多长实际完成这个修复，从而控制核泄露。从日本官方的表态来看，需要一年时间也是有可能的。在这期间，放射性物质还会不断泄露，虽然随着修复进行，应该会逐步减少。考虑到夏天临近，风向发生变化，放射性物质污染我国，产生恶劣影响是非常可能的。现在我们应当做好宣传，准备对策，防止恐慌发生。
参考：
东京电力称将废弃福岛核电站4个反应堆
日本官房长官:福岛核电站5号6号机组也将报废http://news.sina.com.cn/w/2011-03-30/180022209783.shtml
东电会长称石棺方式封闭反应堆也是方案之一
http://news.sina.com.cn/w/2011-03-30/175622209773.shtml
核安全专家王法：福岛核事故是复合型共模失效严重事故http://www.china5e.com/show.php?contentid=164123
地震、海啸与辐射——文章列表
http://bbs.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=72090&do=blog&id=427338
日本福岛核泄漏放射量达到6级“重大事故”水平
福岛第一核电站1至3号机组安全壳已破损
http://news.sina.com.cn/w/2011-03-30/201222210203.shtml