核燃料裂变释放的能量产生水蒸气发电，大约三分之一的能量转为电能，其余三分之二转为废热释放到环境中。核裂变产生的轻核不稳定，产生衰变。反应堆运行一段时间以后，约6.5%的功率由衰变热贡献。一台百万千瓦核电机组，热功率300万千瓦，其中废热功率200 万千瓦，完全停堆以后，还有约20万千瓦衰变热功率需要排出。大部分裂变物寿命很短，衰变热迅速减少，停堆10分钟后大约降低到2％，1小时后1.5%，一天后 0.4%，一周后 0.2%［1］。这就是核电站的固有缺陷，永远需要强制散热，否则衰变热可能熔化堆芯。核燃料燃烧以后的乏燃料取出反应堆一年后，每吨产生10千瓦衰变热，十年后衰减到1千瓦［1］，需要一定的冷却。福岛核事故就发生在停堆冷却的环节上。
核反应堆设计成负功率因子，反应堆功率超过设计功率时，水中气泡增多、密度下降等因素会导致慢中子数下降，从而降低裂变功率。不使用控制棒，反应堆也不会超过设计功率运行［1］，这是核电站的固有安全。核反应堆绝对不会发生核爆炸，但是会出现各种各样的常规爆炸情况，造成泄漏放射性物质，引发核污染。核武器使用的核材料通常只有几公斤到几十公斤，而一个核电机组一年就需要几十吨核燃料。一座反应堆完全泄漏会造成极其严重的核污染，不过，民用核材料杀伤力非常小，不能和原子弹相提并论。切尔诺贝利核事故释放的辐射能量相当于200颗广岛原子弹，直接死亡28人，间接死亡最悲观的估计是数百人，直接经济损失大约2000亿美元。按照美国法律，发生核事故以后，核电运营商承担100亿美元的损失，其余由政府承担。桑迪亚国家实验室1982年做出过的最悲观估计是，一次严重核事故可能造成3140亿美元的损失［2］，根本无法承受。日本核能委员会会议初步估计福岛核事故损失740亿美元。实际损失有可能远远超过。
福岛第一核电站拥有6台核电机组，都是美国GE公司设计的单循环沸水堆。1到5号机组Mark I型，6号机组Mark II型，1号堆型BWR-3，2到5号BWR-4，6号BWR-5。1号机组1971年3月投入商业运行。根据日本原子力产业协会（Japan Atomic Industrial Forum）提供的数据，1号机组400件核燃料组件，2号机组548件，3号机组548件，4到6号机组停堆检修，4号没有核燃料，5号548件，6号764件。乏燃料组件取出将储存在随堆的乏燃料池，1号机组乏燃料池储存292件乏燃料组件，2号机组587件，3号机组514件，4号机组1331件［3］，5号机组946件，6号机组876件。乏燃料停满18个月后，运送到乏燃料共同储存池储存，福岛有6375件。
沸水反应堆以轻水（普通水）作为冷却剂和中子慢化剂，反应堆冷却系统内压强7.091Mpa，轻水280摄氏度沸腾，经堆芯上方的汽水分离器和蒸汽干燥器直接送到汽轮机。蒸汽经过冷凝器凝结为液态水，返回反应堆，完成一次循环。沸水堆产生的蒸汽直接推动汽轮机，带有放射性。沸水堆安全性略低于压水堆，主要因为蒸汽带有放射性，增加泄漏概率。Mark I型安全壳设计存有争议，干井体积过小，美国80年代增加了弥补措施。反应堆湿井储存1000吨水，可以冷却堆芯数天。利用反应堆停堆以后的衰变热生产蒸汽，推动紧急涡轮发电，驱动应急泵将湿井里的水抽入堆芯降温。
反应堆设计都针对当地情况，强化某些性能。日本多地震，抗震设计得到强化，福岛第一核电厂1号机组能承受水平向峰值加速度为0.6g的地震［4］，3号0.45g，6号0.45g。此次地震最高0.56g，超出部分机组设计基准。伴随地震的发生，电网破坏，失去厂外供电。福岛成功的抗御了9级巨震，运行中的3台机组都自动安全停堆，应急柴油机、应急冷却系统启动。地震引发的海啸高达14米，超过福岛5.7米防御高程［4］，即使东电（Tepco）拟议中的强化安全措施也没有预料到此等极端情况。13台柴油发电机提供应急用电，随着海啸的到来，地震发生后55分钟，12台柴油机停止运行。
设计容量8小时的蓄电池接替柴油机，对仪控供电。汽轮机驱动的堆芯隔离冷却系统投入运行，但是需要蓄电池供电，并且要求湿井温度低于100摄氏度。1号机组蓄电池当天16时36分就放空了，3号机组蓄电池在13日2时44分放空，2号机组14日13时25分发生泵故障，三台机组的堆芯隔离冷却系统陆续失效。堆芯轻水持续受到衰变加热沸腾，引发反应堆压力容器超压，打开安全阀门卸压到湿井，湿井失去冷却，温度很快超过100摄氏度，从而使抑压池失去冷却作用，导致安全壳超压。安全壳设计压力4个大气压，实际压力达到8个大气压。1号机组12日4时安全壳卸压，2号机组13日0时卸压，3号机组13日8时41分卸压［4］。
压力容器里的燃料棒露出水面就持续升温，露出50％急剧升温。露出三分之二时，温度900摄氏度，燃料包壳破损，释放放射性物质。露出四分之三时，温度超过1200摄氏度，燃料包壳的锆与水化学反应，放出氢气和热量。氢气先排放到安全壳，再排放到厂房内。排放过程中有将氢燃烧掉的装置，因为失电失效了。厂房聚集大量氢气，浓度一定时即发生爆炸。1公斤氢气的爆炸能量是TNT炸药的30倍，一个反应堆能产生数百公斤氢气［1］，一旦爆炸，威力惊人。
福岛失去供电即进入不可逆状态，除非使用额外的强制冷却措施和恢复供电，主要依靠恢复供电措施。13个小时以后，移动发电机抵达，因地下室配电设备被淹，改由新接电源供电。1号机组失去27小时冷却，2号、3号机组7小时。12日15时36分，1号机组反应堆厂房氢爆；14日11时01分，3号厂房发生氢爆；15日6时10分，2号厂房氢爆；15日12时，4号厂房氢爆［4］。
事故导致1号机组核燃料大部分受损，2号机组受损35％，3号机组受损30％［3］。
福岛核事故的第一个教训是需要考虑极小概率事件产生的毁灭性打击和反应堆固有安全缺陷的联动。反应堆万年一次事故率分摊给500座反应堆，20年一次事故，目前世界上的反应堆大约运行2万堆年，就有两次七级事故，可见单个核电站的极小概率事件对核电整体而言，事故概率很高。
其次是躺着中枪的附带风险考虑不周，氢爆不可避免的对周边产生影响，严重时，破坏周边设施的完整性。
再次是乏燃料池安全性没有引起足够的重视。4号机组乏燃料池存有大量乏燃料，需要一定的冷却，因为失去冷却，产生毁损，释放放射性物质。
福岛核灾的很多情况尚不清楚，有待日后详细调查。
［1］雷奕安（北京大学物理学院），核安全与核能社会［J］，现代物理知识，2011（03）。
［2］崔磊，美国核能辩论现状与政策趋向分析［J］，中外能源，2011（09）。
［3］伍浩松，福岛第一核电站现状［J］，国外核新闻，2011（06）。
［4］叶奇蓁（中国核工业集团公司科技委），从“福岛第一核电站事故”看我国核能利用的核安全［J］，物理2011（07）。
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