日本的核危机如何运作

如果您读过核反应堆的工作方式，您熟悉核电厂背后的基本思想。在高水平上，这些植物非常简单。在现代商业核电站以浓缩铀的形式出现的核燃料自然会随着铀原子的分裂而产生热量（请参阅核裂变部分核弹如何运作有关详细信息）。热量用于沸腾并产生蒸汽。蒸汽驱动蒸汽涡轮机，它旋转发电机以创建电。这些植物很大，通常能够以全力以赴的电力生产。

为了使核电厂的产量可调节，将铀燃料形成大约与Tootsie卷的大小相同。这些颗粒在称为燃料棒的长金属管中被堆叠末端。将杆排列成束，并在反应堆的核心中排列束。对照杆拟合燃料棒，并能够吸收中子。如果将控制杆完全插入芯子，则据说将其关闭。铀将产生最低的热量（但仍会产生热量）。如果将控制杆尽可能地从核心中拉出，则核心会产生其最大热量。考虑一下100瓦白炽灯泡产生的热量。这些灯泡很热 - 足够热，可以在易于烘烤的烤箱中烘烤蛋糕。现在想象一个1,000,000瓦的灯泡。 That is the kind of heat coming out of a reactor core at full power.

日本失败的反应堆是由通用电气在1960年代设计的标记1沸水反应堆。这是较早的反应堆设计之一，其中铀燃料沸腾了直接驱动汽轮机的水。由于标记1设计的安全问题，该设计后来被加压的水反应堆所取代。正如我们所看到的，这些安全问题变成了日本的安全失败。让我们看一下导致灾难的致命缺陷。

沸水反应堆具有致命的脚跟 - 致命的缺陷 - 在正常工作条件和大多数故障情况下都是看不见的。缺陷与冷却系统有关。

沸腾的水反应堆沸腾了：这很明显而简单。这是一项可以追溯到一个多世纪以来最早的蒸汽机的技术。随着水的沸腾，它会产生巨大的压力 - 将用于旋转蒸汽轮机的压力。沸水还可以使反应堆芯保持在安全的温度下。当它退出蒸汽涡轮机时，蒸汽会冷却并凝结，以在封闭环中一遍又一遍地重复使用。用电动泵通过系统再循环水。

如果电动泵失去电力，则设计的脆弱性就会发挥作用。在锅炉中没有新鲜的水供应，水继续沸腾，水位开始下降。如果足够的水沸腾，燃油棒会暴露并过热。在某个时候，即使控制杆完全插入，也有足够的热量融化核燃料。这是熔融一词的来源。大量熔化的铀流向压力容器的底部。那时，这是灾难性的。在最坏的情况下，熔融燃料穿透压力容器被释放到环境。

由于这种已知的脆弱性，泵周围有巨大的冗余及其电力供应。有几套冗余泵，并且有冗余电源。力量可以来自电网。如果失败，则有几层备用柴油发电机。如果他们失败，将有一个备用电池系统。有了所有这些冗余，似乎完全涵盖了脆弱性。致命的缺陷无法暴露出来。

不幸的是，不久之后地震，最糟糕的情况发生了。

这核电日本的植物风化了地震本身毫不费力。距地震的震中最近的四个植物会自动关闭，这意味着控制杆完全插入其反应堆芯中，并且植物停止产生能力。这是这些植物的正常操作程序，但这意味着电因为冷却泵已经消失了。这不是问题，因为该工厂可以从电网中获得电源来运行泵。

然而电网变得不稳定，也关闭了。冷却泵的第二个电源消失了。这使备用柴油发电机发挥了作用。柴油发电机是发电的强大且经过时间测试的方法，因此不必担心。

但是随后海啸命中。不幸的是，海啸远远超过任何人计划的要大。如果备用柴油发电机从地面上越来越高，设计为在水中浸入水或以某种方式免受深水保护时，危机可能会避免。不幸的是，海啸的意外水位导致发电机失败。

这留下了最后一层的冗余 -电池- 操作泵。电池按预期执行，但尺寸仅持续几个小时。显然，这一假设是，电力将很快从另一个来源提供。

尽管操作员确实在新发电机中进行了卡车，但他们无法及时挂钩，冷却液泵的电力用光了。尽管如此，沸水设计中的致命缺陷 - 被认为是不可能通过如此多的冗余层发现的 - 尽管如此。随着它的暴露，该过程的下一步导致灾难。

电池死亡后，冷却液泵故障。由于没有新鲜的冷却液流入反应堆芯，使其冷却的水开始沸腾。当水沸腾时，燃油棒的顶部暴露了，将铀燃料颗粒的金属管过热并破裂。裂缝使水进入管子并进入燃料颗粒，在那里它开始产生氢气。该过程称为热解- 如果您的水足够热，它将分解为其组成氢和氧气原子。

氢是一种高度爆炸性的气体 - 回想兴登堡爆炸，其中兴登堡充满了氢气。在日本的核电站中，氢气产生的压力必须排放。不幸的是，如此之多的氢排气得如此之快，以至于它在反应堆建筑物内爆炸。同一事件链在几个不同的反应堆中展开。

这些爆炸并没有破坏持有核心核的压力容器，也没有释放任何大量的辐射。这些是简单的氢爆炸，而不是核爆炸。这些爆炸损坏了压力容器周围的混凝土和钢结构。

爆炸还表明，事情已经失控了。如果要继续沸腾，几乎可以确保崩溃。

因此，操作员决定用海水淹没反应堆。这是控制局势的最后努力，因为海水完全破坏了反应堆，但比崩溃要好。此外，将海水与硼混合，以表现像液体版本的控制棒。硼吸收中子，并且是对照棒中的主要成分之一。

日本的核事件被描述为6级INES事件（国际核和放射事件量表）。三英里岛是5级活动。切尔诺贝利是7级事件，这是事件量表的顶部[来源：路透社]。显然，这是一个严重的情况。

日本失去了其电气发电能力的很大一部分。日本大约三分之一电来自核电植物，大约一半的能力损失（约占总发电能力的20％）[来源：Izzo]。该容量将需要以某种方式更换。

无论如何，这些反应堆在40岁时即将结束。一种选择是简单地重建植物。这种方法的两个问题是，这将是一个非常漫长的过程 - 可能需要十年或更长时间 - 日本的公众可能对新的核反应堆没有食欲。现在还为时过早。

美国有许多Mark 1反应堆。可以肯定的是，他们将被退役或改变，以利用日本学到的教训。其他反应堆也可以根据需要进行更改。

核工业希望在美国的核电复兴，因为自三英里岛事件关闭了美国的新核电站建设以来，已经超过三十年了。日本的事件可能会停止这种复兴。否则他们可能会刺激其他可能更安全的核技术研究。