核燃料裂變釋放的能量產生水蒸氣發(fā)電，大約三分之一的能量轉為電能，其余三分之二轉為廢熱釋放到環(huán)境中。核裂變產生的輕核不穩(wěn)定，產生衰變。反應堆運行一段時間以后，約6.5%的功率由衰變熱貢獻。一臺百萬千瓦核電機組，熱功率300萬千瓦，其中廢熱功率200 萬千瓦，完全停堆以后，還有約20萬千瓦衰變熱功率需要排出。大部分裂變物壽命很短，衰變熱迅速減少，停堆10分鐘后大約降低到2％，1小時后1.5%，一天后 0.4%，一周后 0.2%［1］。這就是核電站的固有缺陷，永遠需要強制散熱，否則衰變熱可能熔化堆芯。核燃料燃燒以后的乏燃料取出反應堆一年后，每噸產生10千瓦衰變熱，十年后衰減到1千瓦［1］，需要一定的冷卻。福島核事故就發(fā)生在停堆冷卻的環(huán)節(jié)上。
核反應堆設計成負功率因子，反應堆功率超過設計功率時，水中氣泡增多、密度下降等因素會導致慢中子數下降，從而降低裂變功率。不使用控制棒，反應堆也不會超過設計功率運行［1］，這是核電站的固有安全。核反應堆絕對不會發(fā)生核爆炸，但是會出現各種各樣的常規(guī)爆炸情況，造成泄漏放射性物質，引發(fā)核污染。核武器使用的核材料通常只有幾公斤到幾十公斤，而一個核電機組一年就需要幾十噸核燃料。一座反應堆完全泄漏會造成極其嚴重的核污染，不過，民用核材料殺傷力非常小，不能和原子彈相提并論。切爾諾貝利核事故釋放的輻射能量相當于200顆廣島原子彈，直接死亡28人，間接死亡最悲觀的估計是數百人，直接經濟損失大約2000億美元。按照美國法律，發(fā)生核事故以后，核電運營商承擔100億美元的損失，其余由政府承擔。桑迪亞國家實驗室1982年做出過的最悲觀估計是，一次嚴重核事故可能造成3140億美元的損失［2］，根本無法承受。日本核能委員會會議初步估計福島核事故損失740億美元。實際損失有可能遠遠超過。
福島第一核電站擁有6臺核電機組，都是美國GE公司設計的單循環(huán)沸水堆。1到5號機組Mark I型，6號機組Mark II型，1號堆型BWR-3，2到5號BWR-4，6號BWR-5。1號機組1971年3月投入商業(yè)運行。根據日本原子力產業(yè)協(xié)會（Japan Atomic Industrial Forum）提供的數據，1號機組400件核燃料組件，2號機組548件，3號機組548件，4到6號機組停堆檢修，4號沒有核燃料，5號548件，6號764件。乏燃料組件取出將儲存在隨堆的乏燃料池，1號機組乏燃料池儲存292件乏燃料組件，2號機組587件，3號機組514件，4號機組1331件［3］，5號機組946件，6號機組876件。乏燃料停滿18個月后，運送到乏燃料共同儲存池儲存，福島有6375件。
沸水反應堆以輕水（普通水）作為冷卻劑和中子慢化劑，反應堆冷卻系統(tǒng)內壓強7.091Mpa，輕水280攝氏度沸騰，經堆芯上方的汽水分離器和蒸汽干燥器直接送到汽輪機。蒸汽經過冷凝器凝結為液態(tài)水，返回反應堆，完成一次循環(huán)。沸水堆產生的蒸汽直接推動汽輪機，帶有放射性。沸水堆安全性略低于壓水堆，主要因為蒸汽帶有放射性，增加泄漏概率。Mark I型安全殼設計存有爭議，干井體積過小，美國80年代增加了彌補措施。反應堆濕井儲存1000噸水，可以冷卻堆芯數天。利用反應堆停堆以后的衰變熱生產蒸汽，推動緊急渦輪發(fā)電，驅動應急泵將濕井里的水抽入堆芯降溫。
反應堆設計都針對當地情況，強化某些性能。日本多地震，抗震設計得到強化，福島第一核電廠1號機組能承受水平向峰值加速度為0.6g的地震［4］，3號0.45g，6號0.45g。此次地震最高0.56g，超出部分機組設計基準。伴隨地震的發(fā)生，電網破壞，失去廠外供電。福島成功的抗御了9級巨震，運行中的3臺機組都自動安全停堆，應急柴油機、應急冷卻系統(tǒng)啟動。地震引發(fā)的海嘯高達14米，超過福島5.7米防御高程［4］，即使東電（Tepco）擬議中的強化安全措施也沒有預料到此等極端情況。13臺柴油發(fā)電機提供應急用電，隨著海嘯的到來，地震發(fā)生后55分鐘，12臺柴油機停止運行。
設計容量8小時的蓄電池接替柴油機，對儀控供電。汽輪機驅動的堆芯隔離冷卻系統(tǒng)投入運行，但是需要蓄電池供電，并且要求濕井溫度低于100攝氏度。1號機組蓄電池當天16時36分就放空了，3號機組蓄電池在13日2時44分放空，2號機組14日13時25分發(fā)生泵故障，三臺機組的堆芯隔離冷卻系統(tǒng)陸續(xù)失效。堆芯輕水持續(xù)受到衰變加熱沸騰，引發(fā)反應堆壓力容器超壓，打開安全閥門卸壓到濕井，濕井失去冷卻，溫度很快超過100攝氏度，從而使抑壓池失去冷卻作用，導致安全殼超壓。安全殼設計壓力4個大氣壓，實際壓力達到8個大氣壓。1號機組12日4時安全殼卸壓，2號機組13日0時卸壓，3號機組13日8時41分卸壓［4］。
壓力容器里的燃料棒露出水面就持續(xù)升溫，露出50％急劇升溫。露出三分之二時，溫度900攝氏度，燃料包殼破損，釋放放射性物質。露出四分之三時，溫度超過1200攝氏度，燃料包殼的鋯與水化學反應，放出氫氣和熱量。氫氣先排放到安全殼，再排放到廠房內。排放過程中有將氫燃燒掉的裝置，因為失電失效了。廠房聚集大量氫氣，濃度一定時即發(fā)生爆炸。1公斤氫氣的爆炸能量是TNT炸藥的30倍，一個反應堆能產生數百公斤氫氣［1］，一旦爆炸，威力驚人。
福島失去供電即進入不可逆狀態(tài)，除非使用額外的強制冷卻措施和恢復供電，主要依靠恢復供電措施。13個小時以后，移動發(fā)電機抵達，因地下室配電設備被淹，改由新接電源供電。1號機組失去27小時冷卻，2號、3號機組7小時。12日15時36分，1號機組反應堆廠房氫爆；14日11時01分，3號廠房發(fā)生氫爆；15日6時10分，2號廠房氫爆；15日12時，4號廠房氫爆［4］。
事故導致1號機組核燃料大部分受損，2號機組受損35％，3號機組受損30％［3］。
福島核事故的第一個教訓是需要考慮極小概率事件產生的毀滅性打擊和反應堆固有安全缺陷的聯(lián)動。反應堆萬年一次事故率分攤給500座反應堆，20年一次事故，目前世界上的反應堆大約運行2萬堆年，就有兩次七級事故，可見單個核電站的極小概率事件對核電整體而言，事故概率很高。
其次是躺著中槍的附帶風險考慮不周，氫爆不可避免的對周邊產生影響，嚴重時，破壞周邊設施的完整性。
再次是乏燃料池安全性沒有引起足夠的重視。4號機組乏燃料池存有大量乏燃料，需要一定的冷卻，因為失去冷卻，產生毀損，釋放放射性物質。
福島核災的很多情況尚不清楚，有待日后詳細調查。
［1］雷奕安（北京大學物理學院），核安全與核能社會［J］，現代物理知識，2011（03）。
［2］崔磊，美國核能辯論現狀與政策趨向分析［J］，中外能源，2011（09）。
［3］伍浩松，福島第一核電站現狀［J］，國外核新聞，2011（06）。
［4］葉奇蓁（中國核工業(yè)集團公司科技委），從“福島第一核電站事故”看我國核能利用的核安全［J］，物理2011（07）。
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