關於支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保未來能夠繼續講述關於塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事。
就在日本當地時間週二凌晨 6 點剛過，在受損的福島第一核電站 2 號反應堆的抑制池附近聽到了類似爆炸的聲音。此前，3 月 11 日的爆炸掀翻了 1 號反應堆的屋頂，3 月 14 日 3 號反應堆的爆炸造成 11 名工人受傷。所有三起事件的罪魁禍首很可能是爆炸性氫氣積聚——正如 1979 年美國三里島核電站因堆芯熔燬而發生的情況一樣——這是由於核燃料棒經歷極高溫度，從電廠的蒸汽中剝離出氫氣造成的。
麻省理工學院核工程師邁克爾·戈萊解釋說：“氫氣積聚在安全殼外部但在反應堆建築物內部。當氫氣足夠多並遇到一些火花源時，就會發生爆炸。”“釋放出的[放射性]銫和碘表明燃料已經損壞。”
福島使用的 3.7 米長核燃料由包裹在鋯合金包殼中的二氧化鈾燃料芯塊組成。儘管控制棒已經停止了驅動核反應堆正常執行的鈾裂變過程，但裂變的副產品仍在繼續分裂併產生熱量。如果燃料棒不再被冷卻——正如地震發生時正在執行的福島第一核電站所有三個反應堆發生的情況一樣——那麼鋯合金包殼會膨脹和破裂，釋放出鈾燃料芯塊和裂變副產品，例如放射性銫和碘等。
燃料棒產生的高溫會使水沸騰並不斷將其轉化為蒸汽。如果沒有新鮮水引入以冷卻燃料棒，那麼它們會繼續升溫。一旦燃料棒達到 1200 攝氏度以上，鋯合金將與蒸汽相互作用，並從水中分離出氫氣。然後，氫氣可以從反應堆堆芯和安全殼中釋放出來，如果它積聚到足夠的量——空氣中濃度達到 4% 或更高——它就會爆炸，正如 1 號和 3 號反應堆以及可能還有 2 號反應堆顯然發生的情況一樣。1 號和 3 號反應堆的爆炸摧毀了周圍的建築物，但顯然沒有損壞巨大的鋼製安全殼——厚達 20 釐米——它包圍著每個反應堆的核堆芯。
但 2 號反應堆的爆炸可能更嚴重，因為它似乎影響了抑制池中的壓力——抑制池是一個巨大的水池，儲存在反應堆下方的環形腔室中，既能冷卻又能捕獲任何洩漏的放射性物質。如果抑制池損壞或破裂，無法再幫助冷卻反應堆——並且根據東京電力公司的資料，該反應堆中有 2.7 米的燃料棒仍然暴露——放射性物質可能會洩漏。
而且，如果溫度持續升高——鋯和氧的反應會產生更多的熱量——包殼本身會自燃。“如果溫度足夠高，那麼就會發生自持反應和像焰火一樣燃燒的火焰，”能源與環境研究所所長、物理學家阿瓊·馬基賈尼說。“如果它著火了，那就一切都完了。”
受損核電站的東京電力公司運營商——只有 50 名最少的工作人員，因為所有非必要人員都已疏散——現在面臨著一個平衡，即排出反應堆中積聚的蒸汽（因為廣泛釋放放射性物質的主要危險是蒸汽衝破容納反應堆的厚鋼容器），同時將任何放射性物質留在電廠內部。“除非排出產生的蒸汽，否則無法帶走熱量來冷卻堆芯，”馬基賈尼指出。“那將是放射性蒸汽。”
卡內基科學研究所所長、美國核管理委員會前主席理查德·梅澤夫表示，過濾器應該可以捕獲一些放射性物質。“釋放蒸汽是他們為了保持冷卻受損核燃料棒而消除能量的方式，”他解釋說。
東京電力公司在其宣告中表示，目前正在向三個反應堆中的兩個注入海水和硼酸——硼吸收放射性物質釋放的中子，以防止任何自持裂變。如果這種冷卻沒有持續下去，可能會發生完全堆芯熔燬，其中鈾燃料芯塊逸出包殼，並在反應堆堆芯中形成熔池——有可能熔穿厚鋼安全殼。“我認為他們別無選擇，只能做他們正在做的事情，”馬基賈尼說。如果熔池熔穿鋼製安全殼，大量輻射將釋放到環境中。
日本原子能產業論壇是一個行業機構，估計福島第一核電站所有三個執行中的反應堆的堆芯冷卻系統均未執行，附近福島第二核電站四個反應堆中的兩個正在依靠備用冷卻系統。
目前尚不清楚三個福島第一核電站反應堆中有多少核燃料已經熔燬，儘管東京電力公司已宣佈，地震發生時在那裡執行的所有三個反應堆的燃料可能都已損壞。東京電力公司一位發言人在 3 月 15 日的新聞釋出會上表示，該公司“不能否認燃料棒可能正在熔化的可能性”。真相可能需要數年才能水落石出。畢竟，美國核管理委員會花了數年時間才確定三里島發生了堆芯熔燬——這項工作需要派遣帶有攝像頭的機器人進入。
據美國海軍稱，已在美國“羅納德·里根”號航空母艦上檢測到不明水平和不明形式的輻射，該航母於 3 月 14 日在日本海岸附近、受損核電站東北 100 英里處。“羅納德·里根”號航空母艦本身檢測到的輻射水平在一個短暫的脈衝中已高達每小時 8,217 微西弗，是典型 CT 掃描劑量的八倍，是一年中正常背景輻射劑量的四倍。“他們正在躲避羽流，”戈萊說。“如果他們不必待在那裡，就沒有理由待在那裡。”
而且，福島核電站的冷卻需要在未來很長一段時間內持續進行。畢竟，可能因核電站爆炸而暴露的乏燃料池包含超過 200 噸已冷卻數週、數月甚至數年的乏鈾燃料棒——3 號反應堆暴露的乏燃料池仍在冒出煙霧或蒸汽。“他們的目標是保持一切穩定，並將輻射控制在反應堆容器內，”戈萊說。
東京電力公司繼續向所有三個反應堆泵入海水和硼酸，特別是旨在覆蓋 2 號反應堆中部分暴露的燃料棒，但這已被證明難以維持。“他們將不得不保持冷卻數月，”梅澤夫補充道。但是，“如果他們能夠在本週透過該系統而沒有發生重大的環境釋放，危險就會降低。”