原文取自Why I am not worried about Japan’s nuclear reactors

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這篇文章是由麻省理工任職科學研究的 Josef Oehmen 博士所撰。

他是一位擁有哲學博士頭銜的科學家,他父親於德國的核子工業擁有相當豐富的經驗。我邀請他為我身處澳洲的家人撰寫這篇文章,因為他們連日來被傳媒的報導弄得惶恐終日。

本文僅撰於數小時前(譯按: 我在14天早上看見這篇文章),所以如果有任何過期的資訊,就怪我太遲登出來吧。

這是他無刪改過的文章。有點長,請細心閱讀。

我希望透過本文 (3月12日) 幫你們日本的核反應堆安全問題上分憂。現時雖然情況險峻,但大局仍然受控。這篇文章很長啊!不過當你讀過後,你會比全地球上的新聞工作者加起來更清楚核能發電站。

開宗名義,現在沒有,將來也不會出現顯著的核輻射洩漏。

所謂「顯著」我是指超出你平時會接受到的輻射 - 比如說 - 一程長途飛機,或喝下一杯產自高背景輻射地區的啤酒。 自事件發生後我一直在看每一篇新聞。不過卻沒有任何一篇(!)的報道準確無誤(部份是日本的危機通報害的)。我並非指那些立場傾向反核的報道 - 現在這種也很普遍就是了。我是說包括在物理和自然法則上的種種謬誤,以及因為缺乏核反應堆的建造和運作上的基本知識而對事實產生的誤解。

我讀過 CNN (美國有線新聞網絡)一篇長達三頁的報道,竟然每一段都有錯。在理解現在發生甚麼的時候,得先從基本知識入手。

福島核電站的建造

福島的核電站被稱為沸水式反應堆(Boiling Water Reactor,簡稱BWR)。沸水式反應堆有點類似壓力鍋。首先核燃料煮沸水,沸水變成蒸氣推動渦輪,然後帶動發電機產生電力,蒸氣經過冷卻後再凝結回水,水最後被送到核燃料處再度加熱形成循環。這個巨型壓力鍋在 250 度攝氏下運作。

那些核燃料就是氧化鈾。氧化鈾是一種熔點非常高的陶瓷材料,接近攝氏3000度才會熔化。氧化鈾在做成燃料時會被做成顆粒狀 (可以想像成像樂高積木一樣大小的圓柱體),接著這些顆粒會放進一條由熔點達2200度的鋯合金做的長金屬管裏然後密封,那就是所謂的燃料棒。這些燃料棒會集成一束束的放進反應堆內,這些一束束的燃料棒便是所謂的「堆芯」了。

這鋯合金的外殼就是第一重安全殼。這外殼將放射性燃料跟外面的世界隔開。

然後堆芯會放進「壓力殼」內。這就是我們剛才提到的壓力鍋。這壓力殼就是第二重安全殼。這「壓力鍋」很穩固,設計上可以承受幾百度的高溫。這能抵受冷卻系統完好下的任何情況。

全部核反應堆的「硬件」- 包括壓力殼,所有管線,水泵,冷卻劑(水)儲備,全部都包在第三重安全殼之中。這第三重防禦由最強的鋼筋混凝土築成的密封(氣密)泡泡構成。第三重安全殼由設計,建造以及測試僅僅只有一個目的:長時間阻擋堆芯熔解時物質外洩。為了這種情況,安放壓力殼(第二重安全殼)前會先建造一層大而厚的底座,然後這一切會放進第三重安全殼之中。這底座便被稱為「堆芯捕手」。如果堆芯熔掉,壓力殼又爆開(然後熔解),這底座便會發揮其重要功用,將所有熔解掉的物質擋著。 通常「堆芯捕手」的設計會讓熔化的物質平均散開降溫凝固。

在第三重安全殼外便是外圍的建築。這外圍建築僅僅只是用作擋風擋雨,沒有任何隔阻輻射的功能(這就是在爆炸中被破壞的那部份,及後還會提到)

核反應的基本知識

鈾燃料透過核反裂產生熱力。鈾原子分裂成比較細小的原子,產生中子及熱力(中子是構成原子的其中一種粒子)。當中子撞中另一顆鈾原子,鈾原子會分裂,產生更多中子。這就是所謂的核連鎖反應。

現在,將很多燃料棒包在一起的話,大約 45 分鐘之後這些燃料棒便會因過熱而熔化。值得一提的是核燃料不可能產生如核子彈的爆炸。

製造核子彈其實很複雜的(問問伊朗吧)。切爾諾貝爾的爆炸其實是因為過多壓力,氫氣爆炸以及所有防護被破壞所造成。那場爆炸將熔掉的堆芯炸飛到大氣中(也就是「髒彈」) 為甚麼這不會在日本發生呢?請看下面。

要控制核連鎖反應,反應爐操作員會利用所謂的「控制棒」。控制棒的功能是吸收中子,即時中斷連鎖反應。正常運作時核反應堆會抽出所有的控制棒。作為冷卻劑的水會帶走堆芯產生的熱力(然後變成蒸氣產生電力)。在標準作業溫度 250度上下其實還有很多空間。現時的困難在於在插入控制棒停止連鎖反應後,堆芯依然在發熱。鈾燃料是「停止」連鎖反應,不過在分裂反應中產生的一堆過渡期的放射物質,特別是銫和碘的同位素,即這些元素的放射性「版本」,仍舊在衰變而產生熱力。因為這些過渡期元素最終會變成更小,沒有放射性的原子(鈾在放入控制棒的時候就已經停止衰變了)。待這些過渡期原子用光,堆芯大概會在幾天後冷卻。

這些餘熱就是現在令人頭痛的問題。

所以呢,「第一種」放射性物質就是那些在燃料棒中的鈾,以及那些同在燃料棒中的過渡期的放射物質(銫及碘)。

其實還有第二種放射物質在發電過程中在燃料棒外產生。這兩種放射物質的最大分別就是:那些第二種只有很短的半衰期,即是說它們的衰變速度十分快,不消數秒便成為非放射性的物質。所以如果這些放射物質被排到週遭環境,對啊,是有核輻射洩漏,不過這根本不構成危險。為甚麼?因為在你唸R-A-D-I-O-N-U-C-L-I-D-E(譯按:放射性同位素)的時候它們已經分裂成無害無輻射的物質啦。這些放射性物質包括16N ,氮(就是大氣的主要成份)的放射性同位素(或版本)。其他還有一些貴族氣體,例如氬。但它們從甚麼地方來的呢?當鈾原子分裂的時候,它會產生一顆中子(請看上面)大部份中子會撞上其他鈾原子令連鎖反應得以繼續。不過有些中子會離開燃料棒撞上水份子,或是在溶解在水中的空氣。接著,這些原本沒有放射性的物質便會「抓」到這些中子變成放射性物質。如上文所述,它們會立刻(數秒內)擺脫中子,還原成美麗無害的狀態。

這「第二種」輻射非常重要,當我們說到輻射洩漏還會提到。

福島發生甚麼事了?

我會嘗試總括一下幾項要點。這些襲擊日本的地震比核電廠設計所能承受的還要強五倍(芮氏規模/黎克特制是以震幅的對數計算的,8.2級(設計上核電廠能承受的震幅)和8.9 級的差別是五倍,不是 0.7)(譯按:8.9 級其實是矩震級標準,芮氏早就不用了)。日本的工程還真不是蓋的,現在一切還屹立不倒。

當8.9級的地震來襲,所有核反應堆自動關掉。在地震開始的數秒之內,控制棒隨之自動升起,遏止鈾元素的核連鎖反應。冷卻系統隨即將餘熱帶走。在正常情況下餘熱大概是整套系統能承受的百分之三。

地震破壞了核反應堆的外部電源。對核電廠來說,「斷電」是最嚴重的意外,所以在設計後備系統時很多時也會從這方面著手。 冷卻劑的需要電力來運作,但由於廠房停產,它不能再為自己發電了。

在首個小時內事情還好。其中一組應急用的柴油發電機為冷卻系統帶來電力。接著海嘯來了,帶著遠超設計者所考慮到的破壞力襲擊核電廠(請看上面第七點)(譯按:原文是 factor 7 我不肯定是甚麼意思)。海嘯將所有的應急發電機組都弄壞了。

著手設計核發電廠之時,工程師遵從一種叫「縱深防禦」的理念。那就是指一開始便要作最壞打算,讓所有東西都能抵禦所有百年一遇的天災,接著在這種情況下廠房還能應付兩次系統事故(而你認為這絕不可能發生的)。海嘯破壞了所有後備發電機便是這種情況了。 最後的防線就是將所有的東西包在第三安全殼之中(請參考上面)。無論有多糟都好,控制棒有沒有插進去,堆芯有沒有熔掉,第三重屏障確保所有東西都只發生在反應堆內。

當所有柴油發電機沒有了,反應堆操作員便切換至緊急電池供電。這些電池是後備的其中一個後備,為堆芯冷卻系統提供八小時的電力。

在這八小時內,工作人員必須爭取時間找到另一組可靠的電源接上發電廠。能源網被地震破壞了,柴油發電機組被海嘯破壞了,最後工作人員將流動柴油發電機拖進來。

這就是開始出現問題的時候。這些從外面帶入來的發電機不能為廠房提供電力(插頭不合)。所以電池用光後,餘熱就繼續在堆芯累積。

這時操作員執行為「失去冷卻系統」而設緊急程序。這又向所謂的「縱深防禦」邁進一步。理論上冷卻系統不應完全失效,可是卻不幸遇上,所以操作員只好「撤回」下一重防線。這一切都好像很可怕,不過這其實是操作員日常訓練中早就要應對的情況。處理堆芯熔解也是其中一環。

這就是大家開始談論「堆芯熔解」的時間。因為如果過了一天冷卻系統還不能復原的話,堆芯真的會熔掉 (若干小時甚至數日之後),而最後的絕對防遇,「堆芯捕手」和第三重安全殼便會起作用。

不過這階段的目標是在堆芯積熱時適當處理,保證第一重安全殼(包著燃料的鋯合金管)及第二重安全殼 (「壓力鍋」)維持原狀,爭取時間讓工程師修理冷卻系統。

因為冷卻堆芯相當重要,反應堆有一堆不同類型的冷卻系統 (反應堆水淨化系統,衰變熱移除,反應堆堆芯隔離冷卻﹐戒備液冷卻系統,和緊急堆芯冷卻系統)。究竟是哪個壞了哪個沒壞我們現時仍不清楚。

就想像一下我們的壓力鍋放在火爐上開上慢火。操作員用盡任何能用的冷卻系統除掉餘熱,但這時爐內開始積存壓力了。現在首要任務是維持第一及第二安全殼完好。首先溫度要保持在 2200 度以下(防止鋯合金管熔掉),同時要不時釋放壓力以免第二重安全殼爆掉。因為在危急下維持穩定壓力非常重要,反應堆設有十一個釋放壓力用的閥門。操作員開始利用這些閥門不時放出蒸氣減壓。這時候溫度大概是 550 度。

這就是報道中所謂的「核輻射洩漏」了。我相信剛才我已經跟大家解釋過將蒸氣放到外面等同於放出輻射,但大家都清楚這樣對環境並不構成任何危險。那些具放射性的氮跟那堆貴族氣體對人體無害。

在這減壓的某個階段,突然就發生爆炸。那場爆炸在第三安全殼(我們最後的防線)外和只是防風防雨用的反應堆建築間發生。現時還不清楚當時發生甚麼事,但很有可能是這樣:操作員不打算直接將蒸氣排到大氣中,而是排到在殼外和建築物中間的空間,讓蒸氣中的輻射物質減少。問題是在這種高溫下水份子可以「崩解」成氫和氧 - 能促爆炸的混合物。然後爆炸就在殼外發生了,將整棟建築物差不多炸掉。同一種爆炸曾經發生過在切爾諾貝爾反應堆的壓力殼內(因為切爾諾貝爾的設計差勁,而且操作員很胡來)。但這情況不會在福島重現。氫和氧所帶來的問題是在設計核電廠中必須考慮的一環(除非你是前蘇聯吧),所以這種問題在設計成興建和操作反應堆根本不會在安全殼內發生。雖然爆炸是意料之外,但設計上早已考慮到這種情況。這不會對安全殼帶來危險。

所以當蒸氣排出後,壓力就受控了。現在的問題是,再不斷加熱的話,水位會不斷下降。堆芯被幾米深的水所包圍,能讓它曝露前度過一段時間(事乎情況數小時至數天)。當燃料棒開始露於水面上時它們會大概在 45 分鐘後抵達臨界溫度 2200度。第一重安全殼 - 鋯合金管 - 便於此刻失守。

而這情況正在發生。冷卻系統在燃料棒耗損未能復原,核物質依然完好,但包圍它的鋯合金外殼正在熔化。現在核分裂的副產品 - 諸如帶放射性的碘和銫 - 開始與蒸氣混和。比較麻煩的鈾依然受到控制,因為作為燃料的氧化鈾要在攝氏 3000 度才會開始熔化。現在已證實少量帶放射性的碘和銫已隨水蒸氣被排到大氣之中。

似乎這是實行後備計劃的訊號。操作員在排放的蒸氣中檢測出少量的銫,所以斷定一定是其中一條燃料棒已經損毁了。原本打算復原常用冷卻系統的算盤打不響,原因是怎樣我們還不清楚。其中一個可能性較高的解釋就是海嘯將冷卻系統要用的淨水污染或沖走了。

冷卻系統用的水是去除礦物的(蒸餾)純水。要用純水的原因是上文提到的從鈾堆芯製造出來的中子:水份子不太會跟中子結合產生放射物質。在水中的不純淨物,諸如泥土和礦物鹽會更快吸收中子,變得具放射性。不過這對堆芯不構成影響 - 冷卻它有沒有輻射根本不成問題。但對操作員和技師而言,處理帶放射性的水比純水難度更高。

不過計劃 A 已經失敗 - 冷卻系統及所需要的純水都沒有了 - 所以操作員隨即啟動B計劃。事情大概會這樣發展:

為了防止堆芯熔解,操作員開始使用海水冷卻堆芯。我不知道他們是將「壓力鍋」(第二重安全殼),還是第三重安全殼注滿海水,浸著「壓力鍋」,但這怎樣其實也沒關係。

重點是核燃料已經冷卻,因為連鎖反應早已經停止,現在只有一點點餘熱罷了。因為這大量的海水足以承受熱力,冷卻堆芯,也沒有足夠熱力產生任何顯著的壓力。再者,操作員在海水中添入硼酸。硼酸是「液態控制棒」,不管還有沒有核衰變,硼原子會將剩餘的中子吸收,加速堆芯冷卻的速度。

發電廠已非常接近堆芯熔解的邊緣。這是要避免的最壞情況:如果海水沒有用上,操作員便要透過不斷排放蒸氣減壓。第三安全殼便得完全密封防止放射性物質洩漏。在堆芯熔解之後,我們還要等待安全殼內所有中途產生的放射性物質完全衰變,及所有帶有輻射的微粒都黏附在安全殼的內壁上。最後冷卻系統會恢復正常,然後熔解了的堆芯溫度降到一個可以直接處理的水平。安全殼的內壁會完全清洗,然後展開麻煩的工序 - 移除熔掉的堆芯,將已成固體的堆芯打包,然後送往處理工廠。根據受到的損害,廠房可能需要大修甚至拆缷。

現在, 還有甚麼呢?這是我的估計:

        * 核電廠已經安全了。

        

* 日本發生了國際核事件等級四的意外:場外無顯著風險核意外。對東電來說這是一件很麻煩的事情,不過普通人就沒有甚麼影響。

        * 在打開閥門減壓的時候是有輻射洩漏到外面去。所有放射性同位素應該已不復存在了(已衰變)。現時只偵測到非常少量的銫和碘放到大氣之中。如果你那時候正坐在核電廠的煙囪,我想你還是吸少幾根煙延年益壽吧。這些銫和碘會被到海洋中,不會再帶來任何問題。

* 第一重安全殼在這次意外中有點損傷。這意味著一點帶放射性的銫和鈾會放到作為冷卻劑的水之中,但鈾或其他麻煩的東西就不會(氧化鈾不溶於水)。這些在第三安全殼內的水會被送到處理設施,然後那些放射射的銫和碘會被抽除,然後當成核廢料儲藏。

        * 作為冷卻用的海水一定程度上也輻射污染了。不過由於控制棒已完全插入,燃料鈾沒有發生連鎖反應。換句話說,「主要的」核反應沒有發生,所以也沒有直接導致附近環境受到核污染。這時候副產品 - 具放射性的銫和碘早已衰變成沒有輻射的物質。受污染的海水也會被送到處理設施處理。

        * 作為冷卻用的海水會逐漸被純水取代。

        * 核反應堆的「堆芯」會拆除送到處理設施,就像平常處理燃料棒一樣。

        * 廠房儲藏的燃料棒會逐根逐根的拿去檢查,這大約會花上四至五年的時間。

        * 所有的日本核反應堆可能會在不久的將來升級,令其能抵擋九級或更強地震及所引發的海嘯。

* (更新)我比較擔心的問題是日本的電源供應。日本境內55 組核反應堆有11組已關閉進行安全檢查,直接將日本的電源供應減少至平常的 20%,其中30%由核能提供。我還沒有想到沒直接受災的核電廠可能發生的後果。有可能本來用作應付高峰負載的天然氣機組會投入運作維持最低限度的供電需求。我不甚清楚日本的運輸設備,諸如港口,油庫等在這次災難所受到的破壞,但這可能會為日本的電力成本上升,而且停電也可能隨電量需求而發生(譯按:執筆之時已實施間歇供電)

* 當然這只是冰山一角。政府會對食水,住宿,食物,醫療,交通,通訊,電力供應等問題展開應急措施。 對受災地區來說,這是一項史無前例的挑戰。

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譯後記(寫於15/3 晚上):此時核輻射已擴散至東京,但其實對人體健康威脅甚微,就如明報新聞引述東京官員︰「東京都官員其後表示,他們在當地時間早上10時至11時,測量輻射量為0.809微希,而正常水平為0.035至0.036微希,而照一次胸部X光則有 20微希輻射量。」

又,大氣層中尚未偵測到核燃料鈾的微粒,銫和碘也屬意料中事,而且這些物質會隨大氣四散稀釋,大家無必要過份恐慌。