灾难论设计/安全论意图#26
设计灾难
我们经常谈论和写设备故障和/或工人的错误，增加了反应堆堆芯损坏的可能性。关于反应堆堆芯损坏的报道也很多，比如自日本福岛第一核电站的三个反应堆堆芯损坏以来的五年间。这篇评论解释了反应堆堆芯是如何过热熔化的。
图1沸水堆堆芯(来源:NRC)
堆芯熔毁是众所周知的损坏方式。下周的文章将介绍一种鲜为人知的破坏反应堆堆芯的方法。
在过去的25年里，美国拥有两种类型的核反应堆——压水堆(PWRs)和沸水堆(BWRs)。虽然这两种设计有很多不同之处，但当涉及到反应堆堆芯熔化的方式时，这些差异几乎没有什么区别。压水堆和沸水堆的堆芯都位于钢质丸状反应堆容器的下半部分(图1和图2)。给水系统向反应堆容器供水。水被反应堆堆芯产生的热量加热。压水堆中的温水或沸水反应堆中的蒸汽离开反应堆容器。
反应堆在运行时通过铀和钚原子的裂变产生热量。反应堆堆芯在关闭后仍会产生热量。许多由原子裂变产生的小原子是不稳定的。不稳定的裂变副产品通过发射中子、α粒子、β粒子和伽马射线等形式的辐射来寻求稳定性。热能，称为衰变热，是由这些放射性辐射产生的。反应堆关闭后，衰变热仍在继续产生。在反应堆关闭后很长一段时间内，仍需要水来冷却堆芯。
图2所示。压水堆堆芯(来源:NRC)
冷却水损失
当水从反应堆容器中流出或沸腾时，反应堆堆芯的充分冷却就会受到威胁，从而阻止足够的冷却水流过堆芯以带走其热量。应急系统的安装提供了许多不同的方式，使补充水进入反应堆容器。如果这些系统出现故障，反应堆容器内的水位会下降，直到堆芯顶部露出来。
最初，反应堆堆芯裸露的顶部部分继续被向上流过的蒸汽充分冷却。蒸汽有能力吸收一些热量，这样就能去除暴露在反应堆核心区域的衰变热。
随着水位的持续下降，暴露的反应堆核心区域释放出的衰变热超过了蒸汽所能吸收的热量。无法被蒸汽带走的热量加热了反应堆核心的暴露区域——燃料芯块和包含它们的金属棒。美国反应堆的燃料棒是由锆金属制成的。当燃料棒加热到1500到1800华氏度(相比之下，当反应堆全功率运行时不到700华氏度)，金属棒和蒸汽之间的化学反应增加了更多的热量，加速了熔解的进程。这个反应也会产生大量的氢气。
温度升高导致燃料芯块和金属棒膨胀。膨胀引起的压力会导致燃料棒膨胀和拉伸，导致燃料棒破裂(图3)。燃料棒内部堆放的燃料棒就像豆荚里的豌豆一样——燃料棒的开口释放出放射性气体，这些气体聚集在燃料棒和燃料棒之间的空间里。这种现象被称为“间隙释放”，因为填充间隙的放射性气体从损坏的燃料中释放出来。
图3(来源:NRC)
当温度升高超过金属燃料棒和堆芯内其他部件(如控制棒)的熔点时，这些材料就会熔化并落到反应堆容器的底部。随着堆芯受损程度的增加，惰性气体和高挥发性裂变副产物，如碘、氪、氙和铯，会被释放到反应堆容器中。
二氧化铀燃料球团呈陶瓷状，在高温下也会熔化。燃料球的熔化会释放出低挥发性的裂变副产物，如锶。熔融的堆芯区域将下降或滑向反应堆容器的底部。
来自三里岛2号机组(TMI-2)熔融核心的熔岩状碎片到达反应堆容器的圆顶下表面，开始熔化6 - 7英寸厚的碳钢。在它突破反应堆容器并落在下面的安全壳地板上之前，烧穿停止了(图4)。
图4(来源:NRC)
反应堆堆芯熔毁破坏了放射性物质与环境之间的两个屏障:燃料芯块和燃料棒。因此，大量的放射性物质被释放到反应堆容器中。熔化的堆芯碎片可能会破坏反应堆容器，就像三里岛核电站几乎发生的那样，消除另一个障碍。过热的反应堆堆芯在熔化过程中产生的大量氢气可能会爆炸，挑战甚至破坏最后的屏障——安全壳结构。
意图安全
清理三里岛核反应堆堆芯熔毁花了超过十年的时间(图5)。工作人员不再从反应堆容器中排放燃料组件——他们正在处理一个碎片场。他们缺乏程序、设备和清理熔毁后的经验。他们必须开发完成这项工作的工具和技术。福岛的三个反应堆堆芯熔化已经过去五年了，工作人员还没有确定堆芯的最终位置和状况，更不用说开始清除碎片区了。
图5(资料来源:美国能源部)
近30万磅的核心碎片被从三里岛移走，并运往爱达荷州进行长期储存。一个及时一针，省九针但是，更好的管理和监督可以避免反应堆堆芯变成30万块高放射性碎片，其价值是可以计算的。清理三里岛堆芯熔毁的费用超过了10亿美元。
附言:对反应堆堆芯熔毁进程的描述主要基于1998年9月由法国核能机构发布的题为“熔化物质重新安置到下全体会议:状态报告”的报告。
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UCS的灾难论设计/安全论意图一系列博客文章旨在帮助读者理解看似无关的小问题如何结合起来造成灾难，以及深度防御如何有效地减少既有的问题的数量，又减少他们合作的机会。