[轉錄][論掛] 日本福島核電廠爆炸，MIT學者怎麼說？

[nokei (汐止桌球團 衝衝衝)]

※ [本文轉錄自 Gossiping 看板 #1DW6BCrf ]

作者: chipher (紫星) 看板: Gossiping
標題: [論掛] 日本福島核電廠爆炸，MIT學者怎麼說？
時間: Wed Mar 16 15:12:09 2011

這篇是我目前看到對於福島核電事件，解說最完整的文章，大家參考看看吧！

註：原文作者是MIT機構的研究員，非核工背景出身，因此初版內容部份有爭議
後來MIT核子工程科學系接管後，已將文中爭議內容做修正
本文翻譯的是修正後的版本


文章來源：T客邦 http://goo.gl/AQRVJ
（想看解說圖可至原文網址）

                     日本福島核電廠爆炸，MIT博士怎麼說？

日本在2011年3月11日發生觀測史上第四大芮氏規模9.0大地震，並引起大海嘯、進而引發
福島核電廠危機事件。有鑑於網路上流傳許多不同的說法，正確性也待查驗，鳥專欄作者
bird大大熱血翻譯了MIT博士Josef Oehmen所撰寫的文章，並希望提供給T客邦的讀者參考
。（譯文經過編輯部小幅度的潤飾）

    譯者前言：偶然在朋友轉寄的新聞連結中看到這篇「Why I am not Worried about
Japan's Nuclear Reactors」 文章，這是由 MIT 的 Dr. Josef Oehmen 所寫的，關於日
本福島核能電廠在震災後發生一連串事件的看法。原文其實來自於他寫給日本親戚的
 Email，但被貼在部落格上引起廣大迴響，因此 MIT 的核子工程科學系將全文刊登在這
裡，並且持續更新和回應。

    看完文章之後，我覺得這是目前為止我所看過對福島核電廠危機最清楚又易懂的文章
，相較於台灣記者那些連他們自己都不知道在寫什麼的東西，這篇文章實在是太棒了。現
在這個世界上有太多人在關心這件事，所以我決定把它譯成中文，與大家共享。我雖然不
具核工的專業，但所譯的東西都經過查證與確認，相信正確性會遠比那些記者寫的東西要
好。如有謬誤，歡迎指正。


福島核電廠的結構

福島的核電廠是所謂的「沸水式反應爐」（BWR，Boiling Water Reactor）。沸水式反應
爐將水煮沸，產生水蒸氣，進而推動渦輪帶動發電機發電。核能燃料在反應過程中產生熱
，利用這些熱能將水煮沸、產生蒸氣；蒸氣推動渦輪、渦輪轉動發電機發電，而最後這些
蒸氣再經過冷凝後變回水，水再回到反應爐內重覆被加熱。反應爐的工作溫度在攝氏
 285 度左右。

第一道防線：固態燃料錠

核能燃料是氧化鈾。氧化鈾是陶瓷狀的物質，它的融點高達攝氏 2800 度。燃料被做成錠
狀的單位，每錠大約是直徑一公分，長約一公分的圓柱體。這些燃料錠被裝在用一種稱為
「Zicaloy」的鋯合金所做成的管狀護套中，緊緊地封住。鋯合金大概在攝氏 1200 度左
右會開始出問題：在這個溫度下它會開始跟水發生反應。裝滿燃料錠的的管子稱為燃料棒
，數以百計的燃料棒組合在一起成為反應爐的爐心。

第二道防線：鋯合金護套

核裂變反應會產生許多高輻射的產物，固態的燃料錠是守住核裂變產物的第一道防線，而
鋯合金的護套則是第二道防線，它將這些放射性物質與反應爐的其他部份隔離開來。

第三道防線：壓力槽

反應爐的核心裝在壓力槽中。壓力槽是由極為厚重的鋼所製成的，工作環境約為7MPa（
1000psi）的壓力左右，並且設計成可以承受核子意外時會發生的更高壓力。壓力槽是阻
擋放射性物質與外界接觸的第三道防線。

第四道防線：圍阻體

反應爐的整套循環管路包含壓力槽、管路、和幫浦、以及管路裡的冷卻劑，也就是水，全
部被包在稱之為圍阻體的結構中。圍阻體是第四道防線，它是一個氣密的，極厚的鋼筋水
泥容器。這個容器只有一個用途: 在必要的時候可以無限期地承受融毀的爐心。為了使它
更可靠，在圍阻體的外圍還會有另一個更厚更大的混凝土結構，稱之為二次圍阻體。

一次和二次圍阻體都被包覆在反應爐建築中。反應爐建築只是設計用來隔絕反應爐與外界
的風霜雪雨，它其實沒什麼強度。在福島核電廠前幾次的爆炸中，被炸毀的就是這個部份
。


核子反應流程

核燃料產生的熱來自於中子所引發的核裂變反應。鈾原子在中子的撞擊下，分裂成兩個比
較輕的原子（又稱之為裂變產物），這個過程會產生熱和更多的中子。當這些新產生出來
的中子撞擊其他的鈾原子，就會引發更多的裂變反應，產生更多的中子，持續不斷下去。
這個過程稱為連鎖反應。一般的反應爐在正常全功率運轉時，它裡面的中子產生和消失的
速率是相同的，從而使得中子的數量保持在穩定的值，此時稱之為反應爐的臨界狀態。

這裡必需要說明的是，核電廠反應器中的核燃料絕不可能產生像核武器般的核子爆炸。在
前蘇聯的車諾比事件中，爆炸是來自於壓力槽內的高壓及氫氣爆炸，而將整個壓力槽炸毀
並將融化的爐心物質噴向四週。車諾比的反應爐根本連圍阻體都沒有，才會在壓力槽失效
時造成這麼嚴重的災害。接下來我們說明為什麼這樣的災害不會發生在日本。
最大的挑戰是消除餘熱

反應爐使用控制棒來控制連鎖反應。控制棒是用硼做成的，而硼最大的本領就是吸收中子
。在沸水式反應爐運轉時，控制棒被用來維持反應爐剛好在臨界狀態。除此之外，控制棒
也可以用來將反應爐關閉，使它從 100% 的功率輸出降至 7% 左右的輸出，這 7% 的輸出
來自於爐心內的材料本身衰變所產生的熱，或稱之為餘熱。

餘熱來自於核裂變產物進行輻射衰變時所產生的能量。輻射衰變是裂變產物藉由散發能量
來自我穩定的過程，而這些能量會以阿法射線、貝他射線、伽瑪射線、或是中子的型態散
出。核裂變的產物有很多種，在以鈾為燃料的反應爐中裂變產物主要是銫和碘的同位素。
在核裂變反應停止後，餘熱會隨著時間而減少，不過仍然必需藉由冷卻系統將之移除以免
燃料棒護套過熱而失效，導致放射性的裂變產物直接曝露。現在福島核電廠所面臨的最大
挑戰就是如何維持足夠的冷卻能力，可以將反應停止之後的餘熱從反應爐中移除。

很重要的一點是，大部份的裂變產物它們的半衰期都很短，可能在你讀完這句話的時間內
就衰變完了，而某些則有較長的半衰期，像是銫，碘，鍶，及氬。

福島核電廠出了什麼事


      （截至 2011 年 3 月 12 日為止）

接著我們來看看福島核電廠的狀況。在日本所發生的地震，它的強度其實遠遠超過這個核
電廠當初建造時所能抵擋的地震強度。（芮氏地震規模是對數級數，8.2 級和 8.9 級之
間的能量差距是 5 倍，不是 0.7 倍）

當地震來襲時，所有的反應爐都自動關機了。在地震發生的頭幾秒中，控制棒立即被插入
爐心，將連鎖反應停下來。從這個時候開始，冷卻系統必需將爐心的餘熱帶走，如前所述
，差不多是平時運轉總功率的 7%。

1. 外部電力失效

地震摧毀了電廠的外部供電系統，這是一般核電廠意外中最麻煩的一種，稱為「外部電力
失效」。反應爐和它的備援系統在當初設計時，就必須考慮在這個狀況下，去利用備援電
力維持爐心冷卻系統的運作。反應爐既然已經停止了，它當然也沒辦法發電給自己的冷卻
系統使用。

當地震剛發生的時候，電廠的備用柴油發電機確實有啟動並供電給包括冷卻系統在內的相
關設備，但在隨後而來的超級海嘯中，這些柴油發電機也報廢了。

核能電廠有一個很重要的設計原則就是「縱深防禦」。遵循這個原則設計的核電廠理應可
以抵擋各種重大災害的侵襲，甚至電廠本身的系統有多重損壞也沒關係。讓所有祡油發電
機一次壞光光的大海嘯就是這樣的災難，不過 3 月 11 日當天的海嘯實在大得遠超乎所
有人的預期。為了對付這樣的危機，工程師在設計電廠時又多加了一道防線: 把所有的東
西都放在圍阻體內。

當柴油發電機壞掉後，電廠的作業員切換到以電池供電的緊急電力。電池供電的備援系統
可以在其他所有的電源都失效時，仍然維持爐心冷卻系統長達八個小時的運作，而它也確
實撐了八小時。

但八小時過後，電池用完了，冷卻系統沒辦法繼續將餘熱從爐心內移出。此時電廠的作業
員開始遵循「一切冷卻系統都失效」時的緊急作業程序，這些程序也是遵循「縱深防禦」
的原則設計的。儘管從電視上看起來似乎很驚悚，但其實這些電廠作業員應該都對這些程
序很熟悉。

2. 還不到爐心融毀

這時大家已經開始懷疑爐心會不會融毀了。因為如果冷卻系統持續失效，餘熱就會累積在
爐心裡，在幾天之內就可以達到讓爐心融毀的溫度。在這裡要強調，「爐心融毀」並不是
個很精確的說法，也許說「燃料失效」會比較好。因為在燃料錠融化之前，包覆燃料棒的
鋯合金護套會先完蛋，也許是因為過高的壓力，過多的氧化反應，或是過熱。

不過在此時，距離爐心融毀應該還有很長的一段路。現在的主要目標是維持爐心的穩定，
避免燃料護套破損。

因為冷卻爐心乃是第一要務，反應爐設計有很多套不同的冷卻系統，不過福島核電廠到底
壞了哪些冷卻系統，目前尚不清楚。

3. 洩壓是必要程序

因為斷電的關係導致電廠絕大多數的冷卻系統失效，他們會盡可能利用剩餘可以運作的冷
卻系統，避免餘熱在爐心累積。但如果冷卻系統的能力小於爐心內餘熱產生的速度，爐心
內的冷卻水會被煮沸，導致水蒸氣在爐心內累積，進而升高爐心內的壓力。此時的要務是
要避免爐心的溫度超過攝氏 1200 度，以免燃料棒護套破壞，同時也要維持爐心內的壓力
在可容許的範圍內。

為了避免壓力過大，他們必需不定時地打開洩壓閥讓高壓蒸氣和反應爐內的其他氣體釋放
出去。在這樣的意外中，洩壓是很重要的程序，它可以避免壓力槽內的壓力過高而損壞壓
力槽的完整性，通常在設計時也會為壓力槽預留許多套不同的洩壓管道。

如前所述，高壓蒸氣和其他爐心內的氣體經由洩壓閥釋放到大氣中，其中某些氣體會含有
放射性的核裂變產物，但含量極低。而且這些氣體在釋放的過程中也經過一定程序的過濾
和處理，以確保釋放到大氣中的放射性物質是在可接受的範圍。即使存在這些微量的放射
性物質，也不會對公共安全造成影響，甚至對於在核電廠工作的人來說都很安全。相較於
讓這些氣體在槽內累積以致於讓壓力升高，透過洩壓程序把它們排放掉，維持壓力槽的完
整其實會更好。

4. 爆炸的起因

就在此時，備援的發電機運到電廠了，而且部份的電力也恢復了。然而在爐心內被煮沸、
蒸發的水比加進去的水多，導致冷卻系統內的水越來越少，進而影響它的冷卻能力。在洩
壓的某些程序中，爐內的水位甚至可能低到讓燃料棒頂端露出水面。當燃料棒的溫度超過
攝氏 1200 度時，護套的鋯合金開始跟水發生氧化反應。這個反應會釋出氫氣，而這些氫
氣就混在水蒸氣中一起在洩壓時排出。這是預期中的反應，但我們不知道究竟有多少氫氣
會混在洩壓的氣體中一起釋出，因為燃料棒的精確溫度和爐內的水位並不容易掌握。

氫氣極為易燃，當排出的高溫氫氣與空氣混合時，它會與空氣中的氧氣劇烈反應導致爆炸
。如果某次洩壓時排出的氫氣量比較多，就會發生這樣的爆炸。不過爆炸發生在圍阻體外
，反應爐建築內（因為圍阻體內沒有空氣），對圍阻體的結構安全不會有影響，但可能會
破壞反應爐建築。稍早發生在三號機組的爆炸應該就是這類的反應，它摧毀了三號機組的
建築物頂部和側面的一些牆面，但對於壓力槽或圍阻體則不會造成損害。僅管這算是個意
外，但它不會影響反應爐的結構安全。

隨著某些燃料棒的溫度超過攝氏 1200 度，某些燃料棒開始被破壞。燃料錠本身的結構仍
然完好，但鋯合金的護套則開始損壞。此時，某些燃料錠中的裂變產物，像是銫及碘的同
位素，會開始混在冷卻水和蒸氣中。這也是為什麼在排出的蒸氣中可以測到這兩種元素存
在的原因。

因為水量減少使得冷卻系統的能力受限，而且電廠本身的儲水量也可能不夠，為了確保燃
料棒可以全部浸在冷卻水中，他們決定開始灌海水進去。海水裡面加了硼酸做為中子吸收
劑。連鎖反應已經因為控制棒插入而停下來了，但加入硼酸則可以更進一步確保反應爐內
的連鎖反應不會再起。硼酸也可以用來抓住一部份被釋放到水中的碘同位素以減少它們被
排出的機會，不過這不是加入硼酸的主要目的。

一般來說，冷卻系統使用的是過濾過的純水，以避免冷卻系統任何部位的銹蝕。灌海水進
去會讓以後的清理變得很麻煩，不過在冷卻水不足的時候也只能這樣搞了。

以上的程序可以將燃料棒的溫度降到安全的範圍，而且隨著反應爐停機的時間越來越長，
爐心的餘熱會越來越少，壓力和溫度都穩定下來後，就不須要再做洩壓的動作了。


譯者後記

這篇文章譯完時，福島一號廠的 1 號機和 3 號機已經發生過氫氣爆炸，而 2 號機也發
生過不確定是否為氫氣導致的爆炸，同時今天 4 號機也有火災。今天下班前又看到「5
號機和 6 號機溫度上升」的新聞。衷心希望作者的推測是正確的，讓這場核子危機就此
落幕吧。

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◆ From: 60.199.248.193
→ birdy590:OP
→ shinshong:自衛隊直升機要對福島核一廠三號機進行投水了
→ lightnsalt:都說非核工專業的人寫的了。還OP
→ EV1L:這篇不是被MIT徹了嗎   作者還是文組的勒
推 RichWomen: 裡面的東西有汙染怎麼洩壓?
→ RichWomen: 沒什麼知識~~
噓 moonshade:被MIT核工打臉了...
推 cloning:#1DVybAyH (Gossiping) 這篇有說明這文章....
這篇翻譯是已經過MIT核子工程科學系修正的新版

→ Tuberosa:資訊落後, 3月12日的情況跟現在的情況也差太多了
→ Alexboo:這篇不是被接管了嗎
推 bitlife:我也懷疑剛剛一直嗆我的也是看這篇舊版的
→ Asuma:這篇可說是世界級的打臉文
→ birdy590:不對 樓上的問題比這篇還瞎 難道還擔心會開始連鎖反應?
→ birdy590:基本上這篇的內容沒什麼大錯誤, 所以就只能攻擊作者身份
→ bitlife:我是問問題, 你要就回, 回了我就收到答案, 你不回一直講
→ bitlife:與問題的做什麼?
→ bitlife:與問題無關的做什麼?
→ birdy590:問題是這從來都不是一篇正式的稿件, 而是私人信件轉貼
→ LAM:推這篇是對的..講的非常清楚  昨天早上之前的狀況就是如此
→ bitlife:有人問喝水會不會死,問題再爛,你就只要回正常是不會,over
→ birdy590:控制棒當然沒問題 目前只有一個鄉民一直問東問西
→ Tuberosa:那既然已經是昨天早上之後了,麻煩板上專家來寫個解說文
→ birdy590:加硼酸是安全措施 最重要的是水不是硼酸
→ Skeleton7:可惜今非昔比了
→ Tuberosa:想必會有熱心人士幫你們翻譯成英文轉寄國外的
→ bitlife:birdy大,我本來還尊敬你,現在也請你和我互相忽略.謝謝!
噓 blatta:OP
→ chipher:查過#1DVybAyH ，這篇翻譯的是修正更新後的版本
→ EV1L:為什我不擔心福島事件   A:我住麻省
→ birdy590:沒看到今天空投就只有裝海水嗎 那還一直問硼酸做啥?
→ birdy590:控制棒長什麼樣子根本不重要 只要它成份還在就會吸收中子
→ birdy590:一直自以為沒有人能回答 其實只是問題太無聊 /_\
→ EV1L:這位核工專家  請問現在圍阻體都還沒事嗎？
→ bitlife:你把我認為無人能回答的字眼早出來,不然你在造謠
→ bitlife:我的問題在 #1DW115b_ , 大家可以去看,我只是問問題
→ LAM:硼酸的作用=控制棒....只是在燃料棒融毀時 避免因形狀變形
→ bitlife:我現在客氣的請求你更正你的話
→ birdy590:問題其實只有"無水後燃料棒熔毀是否也意謂控制棒也熔毀"
→ bitlife:講話要負責任, 不要隨口亂講,我只是在求問題答案
→ LAM:造成控制棒失效 中子達到臨界體機又繼續分裂 所以才加硼酸
→ bitlife:先道歉再回答
→ birdy590:控制棒在地震發生同時早已插入 就算熔掉一樣還是控制棒
→ bitlife:birdy大,請先道歉... 鄭重聲明
→ LAM:耶?? 不好意思 剛好回答了你的問題
→ bitlife:你搞到一個佛教徒(請看Buddhism版置底)抓狂,很難得
→ bitlife:不是在講LAM大
→ birdy590:道歉啥? 前後總共不知道問了幾次 別人回答你也不理
→ birdy590:這還不是自以為無人能答又是什麼
→ bitlife:我的問題是屬於 Yes/No/不知道 最多再加個 有可能
→ LAM:因為熔毀狀況下 你沒辦法法保證燃料棒+控制棒會熔成什麼形狀
→ birdy590:前面有人的回答已經很保守了"請先搞清楚控制棒的用途"
→ bitlife:誰回答了. 倒是你說我一直以我沒有人能回答
→ birdy590:這點應該也講過好幾次了 控制棒的形狀和功能有關嗎?
→ bitlife:我問的是會不會熔毀? 這麼單純的問題,沒有人正面回答?
→ LAM:就我直覺言 這樣熔在一起達到臨界體積的機會不高(不負責推論)
→ bitlife:像LAM大這樣就是回答,我就接受了,我也只是要答案而以
→ bitlife:你以為我來幹什麼的?
→ LAM:所以加入液態的硼酸就是確保不會發生這樣的事
→ birdy590:燃料棒"外殼熔毀" 控制棒有外殼這種東西嗎
→ birdy590:這好像也講過一模一樣的話, 硼酸只是安全措施
→ bitlife:沒有外殼和會不會熔化有什麼關係. 冰有外殼嗎? 過熔點就熔
→ birdy590:不管是圓的方的甚至是液體 還是一樣都會吸收中子
→ bitlife:你再看一下 LAM 大的回答,再看看你怎麼批評我?
→ LAM:沒有....燃料棒是正方形的四角柱狀  像個"田"字放在一起
→ bitlife:有誠意就道歉. 沒誠意我是個佛教徒也不會真的去告誰
噓 ffiva:why i am not worried? 'cause i live very far far far
→ LAM:控制棒是十字形的柱狀  插在"田"字的中間十字的位置
→ LAM:插近去時就阻隔...拔出來就反應...
→ redpupil:無知的人就算回答放在眼前也看不到
→ bitlife:知識份子搞到不回答問題,一直質疑別人動機,若是學生就快退
→ bitlife:某樓:我看到LAM大的答案了,他的答案和先前的推文完全不同
→ bitlife:他才是在回答問題
→ LAM:囧  我好像捲入了不必要的分爭@@
→ birdy590:又來了 你的問題只有一個答案 就是"無需擔憂控制棒"\
→ birdy590:即使是認為問題很嚴重的專家 也無人認為有可能繼續反應
→ birdy590:擔心的不就是這個嗎 不然一直重覆同樣的問題做啥
→ LAM:與其擔心控制棒 不如擔心燃料棒熔掉後 衰變物就四散在水中了
→ LAM:散掉就更沒機會達到臨界體積....不過在下次放蒸氣時就....><
推 bitlife:問問題是為了評估,不一定是擔心. 只有 z大, birdy兩位認為
→ EV1L:所以你們繞了一大圈  還是要到硼酸吸收輻射嘛
→ bitlife:問問題就代表無腦擔心. 這樣和自己批評的人的態度有何差別
→ sad2:強調佛教徒身分不知道意欲何為? 倒是看見了執著
→ birdy590:"完全不在專家考慮的範圍"某方面正代表無需擔心不是嗎
→ bitlife:我只是要他知道,我會這麼生氣實在是他們兩位有多誇張
推 Bastain:其實常民要求的也是專家提供足夠的資訊  資訊一但充分透明
→ birdy590:有誰說無腦擔心來著 只是一直重覆問並且無視其實已經答了
→ bitlife:目前為止,我還是忍不用難聽的話.That's all
→ Bastain:常民自然會消除自身的疑慮
→ bitlife:LAM 大這篇的推文才叫回答. 你若回不出這樣就別理我就好
→ bitlife:我就是要得到答案罷了,你和z大可以搞成一篇.
→ birdy590:so? 這樣滿意了嗎 這個問題是不是可以不用再問了
推 dancemoon:科學的資訊透露多少也是很難拿捏的，透露過多晦澀難懂的
→ dancemoon:資訊會造成不必要的擔憂，還要花費額外心力去解釋不需要
→ bitlife:最誇張的z大還先問我是不是理工科的.佛版那篇是證明
→ dancemoon:理解的東西。但的確也因此外人常常懷疑專家刻意隱瞞
→ bitlife:這是我提佛版那篇的兩個用意. 請大家別在這上面多做文章
→ bitlife:birdy大,你還是忽略我吧. 和 z大搞成這樣不慚愧
→ birdy590:還是你希望聽到"很有可能變成車諾比 反應中直接炸出來"
噓 mbpl:叫人不用擔心,那擴散出來的輻射是什麼?
→ birdy590:擴散出來的輻射物 後續修正的文中其實有提到
噓 mbpl:我的意思是擴散到俄羅斯的輻射塵從哪來?
噓 mbpl:大家主要擔心的是輻射塵到處擴散吧~核電廠爆炸是日本當局的事
→ dancemoon:今天中午看報紙有看到俄測得輻射的大標題 但內文測得多
→ dancemoon:少完全沒提 剛到是找到一篇寫說有微幅上升
→ dancemoon:但 「未發現爆炸造成的放射性核素（radionuclides）」
→ dancemoon:附近國家會不斷偵測確保人民安全並適時撤離是應該的
→ dancemoon:但最好緊急應變就會被渲染成「大家都要跑了」的最壞情況
→ dancemoon:  做
噓 mbpl:這MIT是Made in Taiwan吧~
噓 str8g:如果我在波士頓 我也不會擔心啊~~~
※ 編輯: chipher         來自: 60.199.248.193       (03/16 17:05)
推 garcia:噓了又噓這位 你覺得拿made in taiwan當梗很有趣？
推 mint802:某學佛的版友很偉大啊!問問題別人就有義務回答你?! 回了
→ mint802:你沒看到或看不懂就叫做惹毛學佛的人  有夠威的
噓 b2209187:他不是MIT博士，只是在MIT任職吧。
※ 編輯: chipher         來自: 60.199.248.193       (03/18 17:07)

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