您的当前位置:主页 > 讯息通信 >《给未来总统的能源课》:核子反应器会像原子弹一样爆炸吗?

《给未来总统的能源课》:核子反应器会像原子弹一样爆炸吗?

2011 年 3 月 11 日,巨大的地震侵袭了日本,震度规模达 9.0,威力是 1906 年旧金山大地震的 30 倍。更糟的是,这次地震搅动海洋并催生了一个怪物──高达 30 英呎(相当于三层楼高)的海啸,海啸袭击了海岸线,灌进内陆,死亡人数超过 1 万 5000 人死亡,并摧毁超过 10 万栋建筑。

这次海啸最知名的受害者之一是福岛第一原子力发电所,一座设置于海岸,以便从海中就近取得冷却水的核电厂(图表I.1)。两名发电厂员工在地震中丧生,还有一名员工死于海啸,据信当时的海啸高度达 50 英呎。但是在接下来的几小时、几週以及几个月里,人们越来越担心这座受损的核电厂最终会造成数千、数万甚至更多的受害者。这座核电厂在设计时已经把大规模地震纳入考量,并且也安然度过地震,但是没人想到会发生 50 英呎高的海啸。核子反应器遭到严重的破坏,当中存放的铀会像原子弹一样爆炸吗?

图表I.1:正在熔毁的福岛核子反应器。蒸气来自于冷却反应器核心的水。

答案是否定的。无论是海啸、小行星的撞击,甚至是核电厂整个落入恐怖分子的手中,福岛的核子反应器都不会像核弹一样爆炸。最根本的理由与工程无关,而是基于设计核子反应器所使用的物理。光有铀是无法让核子反应器像核弹一样爆炸;如果并非如此,许多国家以及恐怖组织早就拥有核子武器了。

要产生如核弹般的核反应,必须使用纯度非常高的铀 235。但是一般核子反应器使用的燃料棒中,只含有 4% 的铀 235,其他部分则是较重的铀 238,铀 238 也会吸收中子,但是其核分裂反应并无法形成持续的连锁反应。由于铀 238 的存在,必须要藉由某种方法才能维持连锁反应的进行。这个方法是费米(Enrico Fermi)在二战期间发明的,他把铀和碳或水混合在一起,当碳或水的量足够时,中子在撞击到铀 238 之前会先与这些分子产生碰撞而失去部分能量,减缓速度成为慢中子。铀 238 的一个特别且重要的特性就是,不会吸收这些慢中子,只会把它们弹开。这些慢中子最后与会铀 235 产生碰撞,让连锁反应持续下去。核子反应器会设计成平均只有一个中子能触发核分裂反应,让能量释放的速率维持稳定。

缓慢的中子可以避免发生大爆炸。当连锁反应因为某些地方出错而出现失控的情形时,便称为反应性事故。这时能量会开始累积,然而由于中子的速度非常缓慢,因此发生爆炸所需的时间也很长。当能量密度达到 TNT 的等级时,反应器会被炸开而中断进一步的连锁反应。此时所释放的能量与 TNT 相当,只有原子弹所释放能量的 2000 万分之一。

1986 年的车诺比核子反应器,就是因为失控的连锁反应所造成的反应性事故发生如炸药般的爆炸。爆炸后的情形如图表 I.2 的照片所示。爆炸的威力的确足以摧毁大部分的反应器建筑,但是也仅止于此。这次事故所造成的灾难并不是爆炸本身,而是爆炸时所释放出的大量放射性尘埃。据估计,这些外洩的辐射造成了 2 万 4000 人罹患癌症。幸运的是,其中许多人罹患的是可以治癒的甲状腺癌。

图表I.2:爆炸后的车诺比核电厂。1986 年的车诺比核电厂爆炸,虽然爆发失控的连锁反应,但是威力只能摧毁反应器所在的建筑。

与车诺比不同的是,福岛核电厂的反应器并未爆炸。虽然上半部的建筑因为累积的氢气而炸毁,但是反应器本身并未遭到海啸破坏,最后成功停止运转并且安然地度过了几个小时。即使连锁反应已经停止,但反应器的核心仍有放射性物质足以产生危险的高热,起初冷却泵成功阻挡事态失控。最现代化的反应器并不需要这些冷却泵,而是使用自然对流来维持冷却水的循环。但是福岛的反应器并不是最新型的反应器,必须借由辅助的动力系统来维持冷却泵的运转。这套系统在地震与海啸的考验下仍然正常地运作,并顺利冷却了反应器。

当然,这套辅助冷却系统无法永远运转下去,根据设计大约可持续运作 8 小时,在正常的情况下,这段期间内动力应该已经恢复。然而当初的设计并未预料到海啸会对基础设施造成如此巨大的破坏。最后紧急动力耗尽,造成大部分的燃料棒因为过热而熔毁。就技术上而言,应该把福岛核灾称为一次跳电事故,因为这座电厂是因为失去电力而毁坏。熔毁的燃料棒造成大量可怕的辐射外洩,程度超过 1979 年美国的三哩岛核子反应器事故。事实上,福岛核灾外洩的大量辐射仅次于 1986 年的车诺比核灾,是史上第二严重的核子事故。

辐射对身体所造成的伤害是以侖目(rem)的单位来衡量。如果你暴露在大于 100 侖目的辐射量下,马上就会感到身体不适。这就是所谓的辐射病。如果你或你的朋友曾接受过放射性疗程,就会知道那是什幺情形:作噁、掉髮、感到虚弱。在福岛核灾中,没有任何一个人摄入如此高的辐射量;工作人员的工作时数受到限制,以确保他们受到的辐射量小于 25 侖目(虽然有些人的超过这个标準)。暴露在更高的辐射量(250-350 侖目)下,辐射病症候群会严重到危及生命;人体中重要的酵素会受到损害,使得死亡的机率(如果未经治疗)高达 50%。

然而,就算是小量的侖目也可能会引发癌症。25 侖目的剂量不足以造成辐射病,但是会让你罹患癌症的机率增加 1%(原本在未知的「自然」原因下,你有约 20% 的机率会罹患癌症)。这个机率随着剂量而增加,例如 50 侖目会使你罹癌的机率增加 2%;75 侖目则增加到 3%。暴露在 25 到 75 侖目的辐射量下与罹癌率的关係,是从广岛与长崎的辐射暴露所造成的额外罹癌率的研究中得知的。我们不知道这个比例在非常低的辐射量下是否仍成立,现在我们先假设它是对的。

还有另一个方法可以帮助我们了解上述的数值。如果 25 侖目的辐射量会让你罹癌的机率增加 1%,则我们可以把罹癌剂量定义为 2500 侖目(25 侖目×100)。当然,暴露在这幺高的辐射量下,你早就死于辐射病。但如果把这些辐射量分散给 1000 人,则平均每人接收的剂量为 2.5 侖目,而每2500侖目仍旧会造成一个人罹患癌症,因为即使这些辐射量分散,但是因辐射衰变而受损的总细胞数是一样的。事实上,即使把 2500 侖目分散到 100 万人,这些辐射量仍然会造成一个额外的癌症病例(平均而言)。辐射量可以用来衡量辐射所造成的伤害,相当于一个癌症病例的辐射量所造成的伤害,与究竟多少人共同分担此风险无关。

我把上面的计算归纳成一个简单的方程式。如果你想知道会发生多少额外的癌症病例,先把人口数乘上每人平均剂量,就可以得到一个「人口-侖目」值,再把这个值除以 2500 ,就是你需要的数字。

海啸很可怕,超过 1 万 5000 人在滔天巨浪下丧生。海啸还让一座核子反应炉严重熔毁,为周边地区带来癌症和其他的后果,包括撤离未经海啸侵袭的区域。反应器损毁带来的经济后果很严重。就死亡和撤离而言,对居民造成的影响也很巨大。从辐射外洩而罹癌致死人数很可能少于 100 人来看,同样都是悲剧,但与海啸所造成的死亡相比,这个数字是如此之小,实在不该当成决定政策时的中心考量。

福岛的反应器当初并非设计来承受 9 级的地震和 50 英呎的海啸。周围的土地遭到汙染,必须要花上许多年才能回复。但要注意的是,核能造成的损害比起地震与海啸还算轻微。位于日本(以及美国)的核子反应器应该要强化备用系统,以确保这样的事故不会再发生。我们当然应该从悲剧中汲取教训,但应该把福岛核灾作为停用核能的理由吗?

没有什幺是绝对安全的。设计核子反应器时,我们得要考量所有可想像得到的天灾人祸吗?比如说小行星或彗星的撞击?或是大规模的核子战争?当然不可能。因为小行星或战争所造成的伤害,远超过核电厂受损时的辐射外洩。

福岛的辐射外洩会得到世界上那幺多关注相当不寻常,尤其是考虑到海啸造成的直接死亡人数和破坏是辐射外洩 100 倍以上。或许人们把焦点放在反应器的熔毁上,因为这个问题是人力可解决的;相对而言,似乎没有一种方法可以让日本免于 50 英呎海啸的侵袭。难道要规定离海岸 20 英里之内都不可居住吗?或是沿着包含东京湾在内的整个日本东海岸,建一道高达 50 英呎的堤防?

下面是我对如何拟定核电厂安全标準的建议:核电厂必须足够坚固,才能在被破坏或损毁时,让辐射外洩所造成的额外伤害远小于使核电厂受损的灾害本身。如果你有额外的预算,请花在防範根本的灾害上,而不是二次灾害上。

除此之外,在考虑辐射伤害时,应该以丹佛辐射量为标準。在计画或是进行灾害应变时,忽略任何低于丹佛居民每年接受的额外辐射量:0.3 侖目= 3 毫西弗。国际放射防护协会规定的撤离量至少应该提高到这个标準,而且要承认即使是 12 倍丹佛辐射量所造成的伤害,都远低于撤离或其他过度反应所造成的伤害。

以这个标準来看,福岛核电厂在设计上并没有问题。当然,我们还可以把新的反应器建得更安全,但至少福岛通过了这个标準的检验。

福岛反应炉的熔毁所造成的最大悲剧是,在我写这本书的时候(2012年初),日本正在逐一关闭核电厂。这个政策遭遇的困难和对经济带来的损伤极为巨大,远超过核电厂本身可能造成的危险。或许针对核电的抗议行动有助于将人们的注意力从日本真正的危机移开,这个危机就是他们无力避免另一个巨大的地震和海啸的威胁。

相关阅读
申博正网充值|中国电子|电子精彩|网站地图 申博官网备用网址_88msc菲律宾申博 申博官网备用网址_申博管理登入