核电站的风险
日本9级大地震诱发的福岛核电站事故重又牵动了人们恐核的神经,一部分核泄漏的放射性物质扩散到大气中,少量随风飘落到世界各地,尽管是微量,但还是让人担忧。
如果控制不好,核电站确实存在一定的风险。首先,在核电站的堆芯中,核燃料不是像石油或煤炭那样陆续被送入炉膛,而是一次性把足够的燃料堆放在堆芯中,用控制棒和一些其他方法控制燃烧速率,一次加料可用两三年。一般热电厂中只要不加燃料,燃烧就会终止,出现故障自然就会停机。而在核电站中出现故障或事故需要停机时,要把控制棒插入堆芯,吸收中子,阻断核裂变的链式反应。一般情况下,出现事故控制棒会自动插入,终止核反应,自动控制系统失效时还设计有手动系统:控制棒是最要害的结构,一般有多重保护措施。如果控制棒失灵,不断的核裂变反应就会持续生成热量,若再不能有效地冷却,不断上升的温度会导致燃料棒的熔化,以致发生爆炸(燃料棒中都是低浓缩铀或钚,不可能发生核爆炸,只是燃烧式的化学爆炸)。原苏联的切尔诺贝利核电站就是因为控制棒不能完全插入堆芯而导致反应堆爆炸,使大量强辐射物质进入大气层,造成大面积辐射污染。
第二个关键部分是热量交换系统,若堆芯产生的热量不能及时输运出去,也会导致堆芯熔化,造成核泄漏。一般冷却系统都有两个以上的安全保障,在主系统发生故障时辅助系统会按程序启动。像电力和动力系统也都有备份系统,以保障发生故障或灾情时有效控制。美国三哩岛核电站事故是因为主给水泵停转,辅助给水泵按预设程序启动。问题出在辅助回路中有一道阀门在此前的例行检修后没有按规定打开,导致辅助泵的冷却水不能按预设程序进入,反应堆温度迅速上升。当操作人员发现问题时,已有47%的燃料棒熔化并发生泄漏。
日本3.11大地震和海啸引发的福岛核电站事故还在继续发展,后果目前还难以预料。福岛核电站所有机组都采用沸水堆技术,属于第二代核电站技术,其中最早的一号机组已服役40年。这次事故与前面提到的两次事故都不一样,据报道在地震发生时各个机组的反应堆已经自动关机,控制棒已经插入堆芯。但是由于海啸摧毁了所有电力系统和备用发电机,水泵无法工作,冷却系统失灵。虽然控制棒已经插入堆芯,阻断链式反应,但剩余反应和衰变等产生的热量不能及时排走,导致温度继续升高,冷却水沸腾蒸发,燃料棒被暴露在空气中,温度会进一步升高,以至使燃料棒熔化,发生核泄漏。
图. 沸水堆
本来核燃料都密封在锆合金的燃料棒中,核裂变反应也是在棒内进行的,高放射性的反应生成物质也留在棒内,只有反应热被传递出来。即使有放射性物质从管壁扩散出来,那也只是少量的,锆合金棒是第一道有效的防护层。用完的燃料棒称为乏燃料棒,在其中除了没有反应的铀235之外,还有大量的生成物,大多都有放射性,同时还会以数十千瓦的功率释放热量,所以必须就近存放在乏燃料池的冷却水中冷却数年。乏燃料棒整体具有放射性,但放射性物质不会泄露出来。福岛核电站附近发现高浓度的碘131、铯137,甚至还有钚239,说明有燃料棒可能已经熔化,堆芯外边的保护壳也可能已经破损。
关于核电站的风险还有一个话题就是核废料。燃料棒本身倒没有很强的放射性,因为其中主要物质是铀235和铀238,它们的半衰期都达上亿年,辐射剂量不大。但是乏燃料棒里面是各种放射性物质的大杂烩,具有很强的放射性,而且有一些元素(特别是重金属元素)半衰期很长,能辐射很长时间,甚至数万年还有毒性,降温后也不能随意丢弃,必须专门保存或深埋。目前世界上存有约20万吨这样的核废料,处理核废料仍是一个棘手的问题。
第三代核电站技术已经在安全保障方面进行了周密的设计,福岛核电站的经验教训可为今后改进核电站安全保障措施提供借鉴。鉴于能源的需求,我们可能必须利用核能,尽管它有一定的风险,但它不排放温室气体和有污染的废气,基本属于清洁能源。相对于温室气体导致全球变暖带来的自然灾害来说,核电站的风险真的会很大吗?
(本文发表于《科学世界》2011年第5期)
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