福岛第一核电站1~4号机组是氢气爆炸吗？

福岛第一核电站1~4号机组是氢气爆炸吗？　　

望远镜  求实 2011-6-11

摘要：本文依据氢气爆炸的条件，综合多次报道推测，福岛第一核电站1-4号机组爆炸的原因不是氢气与氧气结合引起“化学爆炸”，而是压力容器内温度、压力过高或其他原因引起的物理爆炸。文末揭示：日本强调氢气爆炸，是为了向公众证明爆炸泄漏的核物质很少，以稳定民心。后来检出大量泄漏，已证实此次事故严重程度已超过切尔诺贝利核电站事故。

从日本发生9级特大地震(3月11日 14:48)和海啸的第二天起，3月12~15日，福岛第一核电站的1、3、2、4号机组相继发生了爆炸。所见报道说：

1号机组: 3月12日15:36爆炸。爆炸损毁了核反应堆所处的混凝土建筑物顶部和墙体，核反应堆本身没有爆炸。日本内阁官房长官枝野幸男说：由于冷却剂水位下降，金属容器内部产生氢气。爆炸前,对核反应堆所在容器采取降压措施，以防止核燃料熔解。就是把含有氢气的蒸汽释放到金属容器和混凝土保护壳之间的空间，与氧气混合后发生爆炸。释放反应堆蒸汽是经过过滤的，仅含有少量放射性物质，不会对环境和人类健康造成威胁，它们将随风飘向大海扩散_[i]。　　

3号机组：3月14日11:01爆炸。日本内阁官房长官14日表示，福岛核电站反应堆3号机组（反应堆）发生氢气爆炸，一股浓烟从电站厂房上空升起。本次爆炸与该电站1号机组发生的爆炸“类似”，都是从反应堆燃料罐中释放的氢气，与空气中氧气发生化学反应的结果 _[ii]。　　

2号机组：3月15日6:10盛装冷却水和控制内部气压的容器底部“抑制池”爆炸，部分破损。_[iii]　　

4号机组:3月15日12：00发生爆炸 。“据称，这是一次与一、二、三号机组类似的氢气爆炸。”_[iv]这一报道肯定了1、3、2、4号机组的爆炸都是氢气爆炸。　　

虽然在1号机组爆炸后，东电公司只说：“初步认定是冷却用氢气爆炸，事故的详细情况正在进一步调查中。”但后来并未见调查结果的报道，却在以后的爆炸报道中，取消了“初步认定”的定语，一律确定为“氢气爆炸”。为什么未经调查就作出肯定的报道呢？从两部分专家不同看法也许能找到答案：一些专家说，这次核电站爆炸事故不会重蹈苏联切尔诺贝利核泄漏事故的覆辙。不过，一些专家对此则持怀疑态度，认为现在下结论为时过早_[v]。

不难理解：因为“氢气爆炸”核泄漏轻微，公众就不会那么恐慌了。

但爆炸原因及爆炸后果是客观存在的，并不因报道是否如实反映真实情况而改变。笔者对1~4号机组均属氢气爆炸的报道产生诸多疑问，请网友们赐教。　　

一、福岛第一核电站反应堆简况　　

福岛第一核电站属于日本东京电力公司。共有6个机组，其中1号机组46万瓩，2、3、4、5号机组均为78.4万瓩，6号机组110万瓩。地震时1、2、3号堆紧急自动停堆--即自动停止运行，但不断释放余热，需要继续冷却降温。停堆后外接电源及备用发电系统均被地震、海啸破坏;4号堆震前大修理。反应堆内无燃料；5、6号堆震前大修理，20日转入冷停堆。每个机组都有一个乏燃料池，用于存放从反应堆换下来的尚未“燃尽”的燃料棒(叫乏燃料棒)。因其继续衰变发热，故必须浸在冷却水中，不断换水散热。另有一个公共乏燃料池,也需不断换水散热。震后2天曾用消防管线向反应堆内注水降温，14日起用外部消防车向反应堆及乏燃料池注入海水降温。

1-6号反应堆均为沸水堆。沸水堆的压力容器结构如图1。

图1 沸水堆堆芯结构图(此图来源于朱华编著《核电与核能》P116)

图1的左图是安放反应堆的压力容器，为圆柱形，高十几米。堆芯由右图的若干燃料组件构成，固定在容器的中下部“堆芯下栅板”上--见左图7。每个燃料组件内排列60多根燃料棒。燃料棒由锆合金的棒壳，将核燃料密封在其中(见图2右侧)。棒长约4米，棒间均有间隙，可让冷却水穿行。容器堆芯在容器内占据了4米高，运行时堆芯必须浸没在快速循环的冷却水内。堆芯上面有汽水分离器(左图-2)，将冷却水蒸发的高压干蒸汽分离出来，通过蒸汽出口(左图-13)，送入涡轮机，转动叶片带动发电机发电。

福岛第一核电站主厂房内布置如图2。

图2 福岛核电站厂房布置图(于“广东凉茶”载南昌市实验中学化学教研组 “浅析锆水反应”附图)

由图2可见压力容器被包裹在一个梨形的安全壳内。壳的壁由1米厚的钢筋混凝土制成，内衬6毫米的钢板。若容器内压力过高,可向安全壳内释放蒸汽减压。容器和安全壳底部有压力抑制池，亦用于控制容器内压力。安全壳右上方为乏燃料池。

 1-4号机组爆炸的位置均在各机组的主厂房内，爆炸前、后状况见图3。

图3 福岛第一核电站1-4号机组图　　

左图爆炸前拍摄，右图3月18日卫星拍摄爆炸后的照片，从右到左分别为1~ 4号机组( 来源：3-19 11:17:00新华网“福岛核电站卫星照：部分区域辐射水平下降”)　　

图3的左图是爆炸前拍摄的，右图是4个机组都发生爆炸后的3月18日拍摄的。由左图可见,顶部暗红色、四壁白色的较高立方体，从右到左分别为1、2、3、4号机组的主厂房。其内包容压力容器、安全壳、乏燃料池及其它设施。主厂房前面较低、较长的房子是汽轮机和发电机的厂房。右图与左图对应位置比较可见，1号机组主厂房顶部塌陷，四壁尚好；2号主厂房前面白色墙壁中部有小部分斑块，可能轻度受损；3、4号主厂房顶部及四壁均崩塌，其中3号厂房最为严重。

二、核电站的氢气源及氢气爆炸条件分析　　

对氢气源有三种报道：

第一种说法是“初步认定为冷却用氢气”_[vi] 冷却为什么要用氢气呢？解释说，在冷却水中加氢，与氧反应生成水，就可減少冷却水中溶氧对设备的腐蚀。冷却水中加氢操作属于“化学与容积控制系统”，应在主厂房以外的辅助厂房中进行_[vii]。事故发生后，冷却系统失灵，从1号机组爆炸后的次日起，3号机组爆炸前已经用海水冷却了。海水中的盐分腐蚀性更强，操作员怎么会舍去“全力降温”之本，去求“减少腐蚀”之末呢？不合常理。果真如此，倒是操作失误引起的爆炸了。再说会不会是储氢容器爆炸呢？储氢容器应放在专用仓库内。除非阀门打开点上明火，否则不会爆炸。

第二种说法水分解产生氢和氧: 反应堆中水被分解时会产生氢气，当压力下降氧气的比率增高时就有可能发生氢气爆炸_[viii]。化肥厂的造气炉内水蒸汽通过赤热的无烟煤，可以使水蒸汽与碳反应产生氢气和CO₂，但是不仅要维持900⁰C以上的温度，而且公斤分子要提供17900大卡的热能_[ix]。水的临界温度为374⁰C, 在密闭的压力容器内，超过这一温度时所有的水全部变成蒸汽，没有液态水,必将导致堆芯升温熔毁。这表明，只要容器内还有液态水，就不可能满足水分解成氢和氧的条件。

第三种说法是“锆水反应”产生氢。这种说法似乎比较普遍。

经查，“锆水反应”是“燃料元件棒束未被冷却剂液体浸没，处于裸露状态时，高温锆合金包壳与蒸汽发生的，伴随放热并产生氢气的剧烈化学反应。”其温度条件是1300⁰C_[x]。可见反应必须滿足：燃料棒露出水面和达到1300⁰C两个条件。有没有形成这两个条件呢？

首先看4号机组，地震前“因反应堆压力容器内设施检修，反应堆压力容器内没有燃料。”_[xi]。容器内既无燃料，不可能发生锆水反应，当然也不可能由此产生氢气了。可见“锆水反应”之说不能解释4号机组的爆炸。

其次看3号机组。据报道：设在反应堆顶部的废燃料池遭破坏，大量废燃料碎片跟着冲击波四处飞溅，最远曾落在距反应堆1.6公里的地方_[xii]。

据查，氢气爆炸至少要具备三个条件：一是氢气在空气中的体积浓度达4.0％～75.6％。低于4%既不能燃烧也不能爆炸，高于75.6%只能燃烧不能爆炸；二是要有明火，或者达到氢气自燃温度585⁰C；三是要在有限的空间内_[xiii]。

由图2可见，乏燃料池在安全壳外上方的厂房内，是开放型的池子，不具备“有限的空间”的爆炸条件，不论有无氢气，都不能支持本文开头引用日本官房长官关于“3号机组与该电站1号机组发生的爆炸“类似”，都是从反应堆燃料罐中释放的氢气，与空气中氧气发生化学反应的结果”的说法。

再次看2号机组。15日6时10分左右，安全罩压力控制池发生爆炸，反应堆容器出现部分破损，这表明可能导致更为严重的核泄漏_[xiv]。另见报道:“2号压力控制池的压力下降，从3个大气压下降到1个大气压。专家分析，损伤可能是由于燃料棒大量暴露引起的。可能由于昨晚（指14日）有段时间所有的燃料棒都完全暴露在外边，所以造成了温度过高，压力控制池部分融化。虽然现在海水已经注入，但是核燃料棒依然有2.7米，超过一半的面积暴露在外”_[xv]。既然爆炸后“核燃料棒依然有2.7米暴露在外”,那么核燃料棒必有部分融毁。3月16日报道证实：“2号反应堆15日爆炸，炉心有熔毁情形，燃料棒30%受损。”_[xvi] 。可见爆炸前已有30%燃料棒熔毁，经查锆的熔点是1852⁰C。铀的熔点是1132⁰C_[xvii]。熔毁的锆和铀都成为液体沉入容器底部。钢板的熔点只有1500多度。尽管底厚达20厘米，经过十几小时也可能被烧穿。锆、铀液体隨液态水流入底部的抑制池。高压(70个大气压以上)液态水流入（爆炸前）只有3个大气压的抑制池，必然汽化而急剧膨胀产生爆炸，至使其压力只剩1个大气压，与环境压力相等，说明抑制池已与外界相通了。同时容器大量核物质也流入抑制池，抑制池破损又流入厂区的排水系统。致使3月29日报道：“2号机组涡轮机房地下室及竖井积水表面放射性活度,达到一般反应堆运转时冷却水放射性活度的约10万倍”_[xviii]，也应证实了上述推断。至于氢气，在燃料棒裸露至熔毁前，确实会达到1300⁰C，发生锆水反应而产生氢气。但氢是气体，在容器的上部，不论浓度多少，不可能钻到容器底部以下的抑制池内的。所以2号机组爆炸也不可能是氢气爆炸。　　

最后看1号机组。在自动停堆前，应当认为处于正常运转状态。其时压力容器内水位应在燃料项以上数米_[xix]。如果按官房长官所说“把含有氢气的蒸汽释放到金属容器和混凝土保护壳之间的空间，与氧气混合后发生爆炸。”和“未出现作为安全壳的金属防护罩爆炸的情况”的说法，就不能构成氢气爆炸的条件。

因为水的临界点温度是374⁰C。密闭容器内的“汽、水平均温度”如果超过374⁰C，容器内所有的水都变成蒸汽。换句话说，只要容器内还有液态水，其平均温度不可能超过374⁰C，当然不可能达到“大面积”锆水反应要求的1300⁰C。假如爆炸前容器内已达到临界温度，那么同时形成的临界压力是218.5个大气压_[xx]。此压力为设计压力的2.838倍(沸水堆工作压力为70个大气压,设计压力为工作压力的的1.1倍_[xxi]),容器也要爆炸了。这与“未出现金属防护罩爆炸” “而是安全壳外面的建筑物发生了爆炸”_[xxii],的说法矛盾。

当然，由于冷却水不能及时、充分注入，反应继续进行而引起升温、加快蒸发，也可能使燃料棒逐渐露出水面，不排除局部温度达到1300⁰C，发生锆水反应而产生氢气的可能。按官房长官所说这些氢气是从压力容器释放到安全壳与容器之间发生爆炸的，也就是打开压力容器通向安全壳的阀门，进行减压操作后爆炸的。从时间上看，减压是在12日上午10：17，至14：48,中国新闻网已作了关于保安院宣布“1号机组反应堆容器成功释放蒸汽，容器内的气压估计已有所下降。”的报道_[xxiii]，若新闻滞后2小时(同一网站同一天，报道同一机组15：30爆炸，是在17：34发稿的,滞后约2小时)，则减压结束为12：48。而爆炸发生在15：36，其间间隔了近3小时。

从氢气爆炸条件上看：密闭空间内氢气达到4.0％～75.6％的体积浓度,并要有明火,或达到氢气的自燃温度585⁰C才能爆炸_[xxiv]。安全壳内来自压力容器的含氢蒸汽，在减压结束前已与氧气混合，减压结束时已将阀门关闭。安全壳内不再增加氢气成分。此间安全壳内的氢如果已达爆炸浓度，要么遇有明火，要么达自燃温度，才能引起氢气爆炸。反复观看视频画面，没有看到火光，只见浓烟滚滚。而按官方宣布的“金属防护罩未有爆炸”的说法，从压力容器内释放的蒸汽应小于374⁰C，安全壳内的温度也不可能达到585⁰C，从而不可能使氢气产生自燃爆炸。至于后来制作的模拟过程，特意把1~4号机组爆炸画面都加入火光，那只是为了搪塞一些网友对氢气爆炸的怀疑而已_[xxv]，不能作为证据。

可见，按日本官方当时宣布的“压力容器没有爆炸”的推测，“1号机组是由锆水反应产生的氢气爆炸”的说法不能成立。

三、对1号机组爆炸的实际原因的推测　　

1号机组爆炸的真实原因是什么呢？3月下旬之后的报道给出了接近实际的答案:日本原子能安全委员会3月30日承认，“福岛第一核电站1至3号机组的反应堆压力容器和安全壳都应该已经破损”_[xxvi]从而否定了“压力容器没有爆炸”的说法。由一系列报道可证实：1号机组爆炸是由于温度、压力过高引起的容器内“物理爆炸”，而不是容器与安全壳之间氢氧结合引起的“化学爆炸”。推测其具体过程是：

11日14：48地震后不足2小时，即16：36东电报告“1号机组“应急堆芯冷却装置”不能注水。”_[xxvii]; 启用蓄电池带动水泵注水8小时，至12日0点36；

12日清晨安全保安院称，1号机组附近放射性辐射强度已超过正常标准1000倍以上，核电站外的辐射强度超过正常标准8至9倍_[xxviii]。与5月17日中央电视台关于“1号机组在大地震16小时后已发生堆芯熔毁 ”的报道吻合_[xxix]。由此推测这里的“清晨”是指上午6-7点。此时在减压前3个多小时，放射性核物质已从压力容器内泄漏到核电站外，可见容器已不密封，容器外的安全壳也不密封。而核物质肯定是隨容器内蒸汽泄漏出来的，蒸汽内即使含有氢气，也会隨之泄漏到核电站外。容器和安全壳已不成为“有限空间”，即不具备氢气爆炸的条件了。2-3小时后的“9时10分”，核电站外辐射强度上升到正常标准的70倍，说明在打开减压阀前，蒸汽、氢气已从容器及安全壳内迅速释放到环境中。

10：17减压操作。到13点左右，即开始减压后近3小时，正门附近的辐射量已升至通常标准的73倍以上。否定了官方关于“释放一定的蒸汽以降低压力，这些蒸汽经过过滤后，将不具备放射性。”的说法。9：10~13点，间隔近4小时，正门附近辐射量也只增加了“3倍正常标准”（以“正常标准”为单位），而此前“清晨”~9：10的2-3小时却增加了“60多倍正常标准”。可见打开减压阀的释放蒸汽量，比减压前释放量并未显著增加。

15时30分爆炸。随后1号机组附近检测到放射性元素铯和碘。铯是裂变产物。保安院官员表示：“可以认为反应堆芯的燃料正在熔化”。另一位官员透露，每小时核辐射相当于全年最高标准总量。

从清晨6-7点钟“已发生堆芯熔毁”到9：10大门外的核辐射量快速增加，可见堆芯在迅速熔毁而快速升温，此时容器内可能已接近或达到水的临界温度374⁰C，压力也接近218.5个大气压，达到设计压力的2.84倍。1小时后虽打开减压阀，但通汽断面并未显著增加，所减温度、压力，远远跟不上由堆芯熔毁增加的温度和压力，温度持续升高，容器壁的钢板许用应力快速下降，如图4。

图4 钢材许用应力变动图　　

由上图可见，多数钢号的许用应力在375⁰C时为100-160Mpa，至675⁰C以上迅速降到20-30Mpa以下。最终至15：36，容器内压力超过钢板的承受能力，发生了爆炸。最有可能的爆破口是容器减压前的泄漏处。3月30日官方承认的“1至3号机组的反应堆压力容器和安全壳都应该已经破损”，可佐证上述推测。

综上分析，福岛核电站1~4号机组在3月12~15日的4次爆炸不是氢气爆炸。那么日本官方为什么反复强调氢气爆炸呢？

因为放射性物质的源头在压力容器内，用氢气爆炸来解释1-4号机组的爆炸原因，可以“证明”压力容器完好。这样，爆炸向环境释放的核物质，只是从压力容器内随蒸汽带出，且经过滤的少量而已。正如东京大学教授关村直人所说：“虽然极少一部分核燃料有可能外泄，但是，核反应堆已经停止运转，并且正处于被冷却状态。因此，几乎所有核燃料都保存在反应堆中，希望当地居民能够保持冷静。” _[xxx]可见用氢气爆炸来解释只是为了稳定公众情绪而已。

后来随着检测到放射性物质不断攀升，逐渐掩盖不住爆炸引发事故的严重性。日本原子能安全委员会不仅在3月30日承认， 1至3号机组的反应堆压力容器和安全壳都应该已经破损，从而否定了3月12日的“一号反应堆并未出现作为安全壳的金属防护罩爆炸的情况，而是安全壳外面的建筑物发生了爆炸”的说法。4月12日又将此次核事故等级从5级提升为最严重的7级。5月17日进一步披露：福岛第一核电站1号机组在大地震16小时后已发生堆芯熔毁，昨天（5月16日）宣布现在1号机组堆芯全部熔毁，熔毁的堆心，安全罩被融化的反应燃料击穿，直接影响地下水和海水。2号机组堆心部分熔毁 _[xxxi]。5月12日核电站西北方向福島县的浪江町、双葉町等５个地區，检出的放射性銫－１３７的活度已达１９８６年切尔诺贝利核电站事故時居民疏散标准的5-26倍。_[xxxii]可见用氢气爆炸之说最终未能掩盖此次事故的严重性。　　

如果上进分析站得住脚，那么，就不要再用“氢气爆炸来掩盖核泄漏事故的严重程度”了，而应认真调查、科学分析，实事求是地公布爆炸原因。　　

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