【據(jù)日媒報道，日本研究者9月26日在日本物理學(xué)會發(fā)表的研究結(jié)果稱，2011年發(fā)生核事故的日本福島第一核電站2號機組內(nèi)70%以上的核燃料可能已經(jīng)熔融。熔融到底是什么意思？它是怎么測量出來的？熔融70%意味著什么？對周圍的環(huán)境乃至中國有沒有危害？從業(yè)八年的中核下屬核電站工程師獨家撰文解析。】

核燃料是什么

核電站使用的核燃料由鋯合金制成的長管包裹二氧化鈾芯塊，做成長棒狀，再集束裝配而成。核燃料置于反應(yīng)堆壓力容器中，由主泵將水打入壓力容器，燃料棒浸泡在水中；核燃料發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)生熱量，加熱壓力容器的水，繼而蒸汽發(fā)生器的水進(jìn)行加熱，產(chǎn)生蒸汽，蒸汽再推動汽輪發(fā)電機組發(fā)電。簡單地說核燃料類似于家庭常用的“熱得快”。

鏈?zhǔn)椒磻?yīng)示意圖

核燃料熔融是怎么一回事

核燃料熔融是核電站最嚴(yán)重的事故之一。簡單來說，核燃料熔融就是在核反應(yīng)堆發(fā)生失水、失控等系列事故后，核燃料的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)失控或冷卻失敗導(dǎo)致的燃料急劇升溫，最后熔化變形的現(xiàn)象。

核燃料為什么會熔融

首先，核燃料在核電站正常運行的時候是不會熔融的。

核燃料和常規(guī)化石燃料不一樣，常規(guī)化石燃料釋放熱量的燃燒反應(yīng)是越燒越弱，而核燃料是“越燒越烈”——因為鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是中子撞擊原子核——原子核分裂成較小原子核并放出中子——中子繼續(xù)撞擊較小原子核——繼續(xù)分裂和放出中子的過程，這個過程要長得多，放出的熱量會越來越多。

由此可見，核燃料如果不加以嚴(yán)格控制，溫度會急劇升高，后果無法想象。核電站的安全運行必須要求核燃料在適當(dāng)?shù)臏囟群玩準(zhǔn)椒磻?yīng)下工作。控制方法主要有：在傳熱的水里加入吸收中子的化學(xué)藥劑；設(shè)置由吸收中子材料制成的控制棒；使用主泵驅(qū)動水循環(huán)流動以帶走核燃料的熱量。

一般核燃料熔融之前會有幾類先導(dǎo)事件：

1）核反應(yīng)堆管道（一回路）破裂，壓力容器里的水從破口泄漏而減少，核燃料的放出的熱量不能及時帶走；

2）一回路內(nèi)水吸收中子的化學(xué)物質(zhì)濃度降低，或者控制棒故障，導(dǎo)致鏈?zhǔn)椒磻?yīng)失控，核燃料放出能量增加；

3）汽輪發(fā)電機不能百分百帶走核燃料傳遞的能量，多余的能量積壓在核燃料里，會使核燃料溫度升高。

以上這些先兆事件可能單獨發(fā)生，也可能同時發(fā)生。接下來的發(fā)展進(jìn)程就是：核燃料溫度逐漸升高并超過允許范圍，壓力容器內(nèi)的水加熱蒸發(fā)或泄露而不斷減少；因為壓力容器內(nèi)水減少，核燃料漸漸暴露于空氣中（核電行業(yè)術(shù)語稱為：堆芯裸露），傳熱惡化，溫度升高；升溫的核燃料進(jìn)一步加熱壓力容器內(nèi)的水，加速水的蒸發(fā)，傳熱進(jìn)一步惡化，核燃料溫度進(jìn)一步升高，形成惡性循環(huán)。最后的最后，核燃料的溫度升高使核燃料的鋯合金外殼與水發(fā)生鋯水反應(yīng)放出氫氣，繼而升溫到超過核燃料自身材料（主要是核燃料棒的鋯合金外殼）的熔點，先是外表熔化，逐漸發(fā)展到整體熔化，最后是燃料失去剛性而坍塌。

福島核事故中出事的1、2號機組經(jīng)歷的正是這樣的事件過程。海嘯摧毀了岸上的應(yīng)急柴油發(fā)電機，核反應(yīng)堆的主泵失去了電源而停機，壓力容器內(nèi)的水失去了流動，核燃料產(chǎn)生的熱量無法帶走，升溫失控，最后熔融。