福岛核事故四部曲编辑本段回目录
福岛第一核电厂3号反应堆在事故中损毁严重。 （CFP/图） 作者： 南方周末记者 黄永明 特约撰稿 曹曼
序曲：重评抗震性能
在重新评估核电厂抗震性能的复审仍在进行时，大地震发生了。
2001年，日本东北大学的地球科学家箕浦浩二及其同事提出，仙台地区的大海啸每800到1100年发生一次。从大海啸上一次袭击仙台的869年至今，已经过去了一千多年，新一次海啸的冲击可能要到来了。
仙台以南的福岛第一核电厂拥有6个轻水作为冷却剂的沸水反应堆，是世界上最大的25个核电厂之一。这个核电厂位于海边，对于地震和海啸的威胁，负责其运营的东京电力公司(简称“东电”)自然有所考虑。
日本核电厂的抗震指标是以地面运动的强烈程度来衡量的。核电厂里都安装有测量地动的仪器，一旦地面的加速度超过某一临界值，系统会自动让核反应堆进入停堆状态。一般来说，自动停堆的临界值相当于电厂正下方发生6.5级地震所产生的效果。
2000年日本发生了7.3级地震，震源在一个未知的断层上，这促使日本原子能保安院全面重审1978年制定的核电厂抗震指南。2006年，保安院进一步要求所有核电厂在2008年之前重新全面评估抗震性能。
2008年3月，东电向日本原子能保安院提交了5号堆的抗震报告，随后又给出3号堆和4号堆的数据。2009年7月，保安院给出评审结果，认为没有问题，符合标准。这是初审。
在复审仍在进行时，大地震就发生了。
第一部曲：紧急停堆
地震发生后，正在运行中的1至3号反应堆自动停堆，但还是出了一个错。
9.0级的东北地震发生在2011年3月11日下午2点46分(日本时间)。这立即促使四座发电厂的11个核反应堆进入紧急停堆的操作。其中大部分顺利地在几天之后进入冷停机状态，但除了福岛第一核电厂的几台机组。
当时，福岛第一核电厂3号堆所在位置的最大地面加速度达到0.52g(g为重力加速度)，高于设计标准的0.45g。尽管6号堆的地面加速度也已经很接近设计标准，但在4号堆和6号堆那里，地面加速度仍然低于设计标准。1号堆、2号堆和5号堆的地面加速度数据未知。
在这样的情况下，正在运行中的1至3号反应堆自动停堆。对于轻水反应堆来说，这一过程就是在堆芯中插入能够吸收中子的控制棒，使核裂变反应因为中子不足而逐渐停止。
一般核反应堆中的易裂变核素铀235在中子的轰击下，会发生裂变反应同时释放中子和能量，产生的中子经轻水慢化减速后撞击其他的铀235原子时会让这些原子裂变并产生更多的中子，这些中子又进一步撞击其他原子。这就是链式反应的发生。
核反应堆中的燃料浓度要比核爆所需的浓度低很多，因此并没有发生核爆炸的危险。将能够强烈吸收中子的控制棒插入，便能控制反应堆中铀235的裂变。
这是核电厂应对地震的第一项操作。
事后人们才发现，在第一步，差错就开始出现了。在插入控制棒时，有一根控制棒卡住了，没有插入。因为范围很小(一个反应堆大约有超过100根控制棒)，监控系统没有注意到。直到第二天上午，有人注意到反应堆堆芯内有一处温度过高才发现这个故障。3小时后故障解除，链式反应进一步减低。
另一方面，控制棒虽然能够减少铀的裂变，但无法让其他已经产生的裂变产物立即停止衰变和堆内缓发中子引起的裂变反应停止。这些裂变产物自身衰变产生热量，同时在衰变过程中也会产生缓发中子。这些缓发中子继续引起裂变，产生热量，其总的热量规模随着停堆时间的延长逐渐减少，但是在停堆30分钟时，可以达到反应堆满功率运行时的大约2%，停堆48小时时还有0.62%的剩余功率。
在这个时候，反应堆冷却系统的继续运行是十分必要的。冷却系统的运行需要用电。实际上，反应堆停止工作后，自身的电力供应就停止了。但通常来说，核电厂可以用外部电源为冷却和控制系统供电。
可是，地震发生后当地电网就损毁了。根据东电后来发布的统计，地震造成了297万户停电。此时，在外部无法供电的情况下，核电厂的备用柴油机启动了，它们为整个机组供应冷却水循环。如果冷却系统能够正常运转的话，反应堆大约需要3天的时间便能冷却下来。
第二部曲：海啸来袭
海啸冲毁了正在为冷却系统供电的备用发电机，这是麻烦的真正开始。
这个“如果”很快就被席卷而来的海水冲走了。下午3点41分，也就是地震发生后将近一个小时，海啸到了。
福岛第一核电厂的海墙最高能够抵御5.7米高的海啸，无奈到达这里的海啸是这一高度的两倍多，达到了14米。
如果大地震没有发生的话，设防水平仍在复审中的核电厂很可能会根据海岸和海底地形、涨潮数据来修改设防水平。不过东电承认，即便做出修改，也不会改到14米的高度。
海啸轻易地越过海墙，冲进核电厂，冲毁正在为冷却系统供电的备用发电机。至此，福岛第一核电厂失去了所有的交流电。
真正的危机出现了，日本政府宣布核电厂进入一级紧急状态。
这让一些人想起了1979年的美国三哩岛事故。在那次事故中，核反应堆的冷却系统仅仅失效半个小时，便让堆芯熔化了50%。
福岛第一核电厂在失去所有交流电的情况下，开始调用蓄电池。根据新闻发布会上的说法，现场有一块电池投入使用，这块电池最多能够支撑八小时，还有更多的电池正在从其他核电厂调运过来。但电池是否因无法与电力系统接驳而造成这一措施失败，还是接上了并一直将电量用尽，则没有了下文。
但不管怎样，电池并非长久之计。东电于是向日本政府求援，要求调派合用的移动柴油机。接下来，核电厂周围3千米内的居民被要求撤离。
第三部曲：电源不匹配
紧急调来的发电机和冷却系统所需的电源不匹配，这样的事情居然发生了。
3月12日凌晨0点50分，关西电力公司向福岛第一核电厂派出两辆发电机车、两辆高空作业车和两辆补给车。但可能是由于震灾造成的破坏严重，这些车辆到了12日傍晚7点仍然没有到达。
有一个广为流传但无法证实的说法是，当卡车最终运来了柴油发电机时，工人们却发现了另一个很严峻的问题：发电机和冷却系统需用电源不匹配，无法供电。
日本著名管理学家大前研一后来说，由于福岛变电站被破坏了，即便车辆把柴油发电机运过来，也根本派不上用场。至于其确切的原因，日本官方没有给出一个正式的说法。大前研一推测，福岛第一核电厂的核反应堆是美国GE公司设计的，设计电压为440伏，与柴油发电机提供的电压不合。
大前研一还指出，发电站的新人比较多，他们跟老员工的交流又很少，遇到全部断电的情况不知道该如何应对。
福岛属于关东，而关东和关西的电力频率竟然还是不同的。关东的频率是60赫兹，关西则是50赫兹。夏天在用电高峰的时候，关西也会支援关东，但需要先通过变电站转换频率。震灾中关西电力转换的电不足以满足停电地区的需要。东电供电的区域在傍晚7点暖气、电灯开着的时候，需要3800万千瓦。而关西电力只能提供100万千瓦。
在没有电力驱动冷却系统的情况下，反应容器中的冷却水会被持续加热，水逐渐变为水蒸气，并使容器中的压力持续增加。这最终导致的后果可能是容器爆炸。所以从第一天开始，东电就在考虑为1号堆放气减压。
下午3点36分，在NHK的电视直播画面中，1号堆发生了氢气爆炸，冒出白烟。1号堆的屋顶和外墙均被炸开。
核能专家们连忙向公众解释：核电厂分3层，最外面的是混凝土外壳，中间有不锈钢的安全壳，安全壳内还有厚厚的压力容器，压力容器里面的铀燃料外面还严严实实地裹了一层锆锡合金。目前只是炸掉了混凝土外壳，安全壳还没碰到，更不用说压力容器了。
但氢气的来源有了分歧。东电先是坚称，氢气来自于发电机组中用于冷却的液氢泄漏，后来在西方媒体的巨大压力下才承认，也有水和锆发生反应产生的氢气。这里的锆，只能来源于铀燃料外面的一层锆锡合金。
实际上，一旦燃料棒冷却不足(燃料棒暴露在空气中或堆芯过热)，就会导致燃料棒温度过高，这时燃料棒外层的锆元素就会与水或水蒸气发生化学反应，生成氢气。这一过程同时也损害锆锡合金的完整性。大量氢气的出现意味着燃料棒很可能已经损毁甚至熔化了。
在这一天里，1号堆成为了核危机的主角。
第四部曲：注入海水
直到3月12日的晚上，犹豫不决的东电高层才终于做出一个艰难的决定。
自冷却系统的危机出现以来，人们对事件的发展和可能的后果是能够做出推测的，但实际上没有人确切知道电站内部究竟在发生什么。因为，第一，有许多区域是人无法进入的，只能依靠无人操作的测量仪器；第二，这些仪器可能因为糟糕的环境而失灵或者变得不够准确；第三，氢气爆炸之后，放射性物质扩散了出来，有更多的区域是人无法到达的，这更模糊了人们对事件发展的观察。
日本的核电厂都是傍海而立，所谓的冷却系统的原理是：首先用一个封闭的淡水循环回路带走堆芯产生的热量，然后海水冷却这个吸收热量并且变热的淡水回路后排到大海里。虽然福岛第一核电厂也准备了许多备用电源以及多套冷却装置，但是这所有的备用方案里都必须有“排到大海”这一步骤。那么，一旦“排到大海”的步骤失灵，所有的备用方案都沦为无稽之谈。
直到12日的晚上，犹豫不决的东电高层才终于做出一个艰难的决定：向1号堆注入海水为其降温。之所以说这个决定是艰难的，是因为海水里有很高的氯离子浓度，具有很强的腐蚀性，一旦用它来替代冷却水，会造成整个反应堆的硬件报废。今后如果想要再次运行这个反应堆，就非常困难了。
但是往反应堆里注入海水也并不容易，因为福岛第一核电厂本身在设计上可能就不具备这一功能。大前研一指出，海水冷却花了大量时间，为什么会花这么久？是因为炉里高温高压，要加海水需要强大的压力泵，但福岛第一核电厂没有装。
不过另一种说法是，福岛核电厂轻水冷却沸水反应堆的设计者美国GE公司早就预见到了注入海水的可能性，并且有明确的操作守则，只是东电担心由此造成的经济损失而错失了良机。
在冷却系统失效之后，东电采取的紧急应对措施实际上是两个。一个是注入海水降温，一个是放气减压。
后者的结果就是会将具有放射性的蒸汽释放到环境中。由于1号堆的氢气爆炸，日本原子能保安院在12日晚就宣布在福岛电站附近发现了放射性的碘和铯。但放气也是不得已的行为，因为如若不这样做，持续积累的压力可能造成灾难性的后果。
到了第三天，3号堆也开始放气，并尝试注入海水。那天下午，一位工作人员忘记给柴油机续油(按规定，4小时加油一次)，2号堆的冷却系统曾一度停止，据说核燃料棒干烧了超过1小时。有资料显示，燃料棒干烧45分钟就可能熔融。当晚，东电承认了这个错误。
第四天一大早，东电就发布消息称3号堆的压力在增大。上午11点，3号堆终于爆炸。有人发现，它的燃料是MOX，含钚。有谣传称，钚含有很大毒性。但很快就有专家辟谣：有毒的是钋，而钚的用途是可以制造原子弹，钚弹比铀弹更容易制造。
到了第五天，地震时并没有运行的4号反应堆“躺着中枪”，发生火灾。麻烦的是，它旁边有个存放乏燃料的简易水池，与外界只有一块混凝土墙壁的距离。乏燃料是核燃料在堆内反应后卸出的燃料组件，具有很强的放射性并需用水对它不断地冷却。在此之前，福岛第一核电厂将乏燃料和新燃料存放在一起的做法已经备受业界质疑。
在人们为不断出现的意外而疲于奔命之时，对于这场灾难究竟是怎样发生的，还有太多问题需要搞清楚。
(感谢中国电力投资集团公司核电培训部常鸿博士审稿)
南方周末：http://tech.sina.com.cn/d/2011-04-01/18155361684.shtml
