福島第一核電站1~4號機組是氫氣爆炸嗎？　　

望遠鏡  求實 2011-6-11

摘要：本文依據氫氣爆炸的條件，綜合多次報道推測，福島第一核電站1-4號機組爆炸的原因不是氫氣與氧氣結合引起“化學爆炸”，而是壓力容器內溫度、壓力過高或其他原因引起的物理爆炸。文末揭示：日本強調氫氣爆炸，是為了向公眾證明爆炸泄漏的核物質很少，以穩定民心。后來檢出大量泄漏，已證實此次事故嚴重程度已超過切爾諾貝利核電站事故。

從日本發生9級特大地震(3月11日 14:48)和海嘯的第二天起，3月12~15日，福島第一核電站的1、3、2、4號機組相繼發生了爆炸。所見報道說：

1號機組: 3月12日15:36爆炸。爆炸損毀了核反應堆所處的混凝土建筑物頂部和墻體，核反應堆本身沒有爆炸。日本內閣官房長官枝野幸男說：由于冷卻劑水位下降，金屬容器內部產生氫氣。爆炸前,對核反應堆所在容器采取降壓措施，以防止核燃料熔解。就是把含有氫氣的蒸汽釋放到金屬容器和混凝土保護殼之間的空間，與氧氣混合后發生爆炸。釋放反應堆蒸汽是經過過濾的，僅含有少量放射性物質，不會對環境和人類健康造成威脅，它們將隨風飄向大海擴散_[i]。　　

3號機組：3月14日11:01爆炸。日本內閣官房長官14日表示，福島核電站反應堆3號機組（反應堆）發生氫氣爆炸，一股濃煙從電站廠房上空升起。本次爆炸與該電站1號機組發生的爆炸“類似”，都是從反應堆燃料罐中釋放的氫氣，與空氣中氧氣發生化學反應的結果 _[ii]。　　

2號機組：3月15日6:10盛裝冷卻水和控制內部氣壓的容器底部“抑制池”爆炸，部分破損。_[iii]　　

4號機組:3月15日12：00發生爆炸 。“據稱，這是一次與一、二、三號機組類似的氫氣爆炸。”_[iv]這一報道肯定了1、3、2、4號機組的爆炸都是氫氣爆炸。　　

雖然在1號機組爆炸后，東電公司只說：“初步認定是冷卻用氫氣爆炸，事故的詳細情況正在進一步調查中。”但后來并未見調查結果的報道，卻在以后的爆炸報道中，取消了“初步認定”的定語，一律確定為“氫氣爆炸”。為什么未經調查就作出肯定的報道呢？從兩部分專家不同看法也許能找到答案：一些專家說，這次核電站爆炸事故不會重蹈蘇聯切爾諾貝利核泄漏事故的覆轍。不過，一些專家對此則持懷疑態度，認為現在下結論為時過早_[v]。

不難理解：因為“氫氣爆炸”核泄漏輕微，公眾就不會那么恐慌了。

但爆炸原因及爆炸后果是客觀存在的，并不因報道是否如實反映真實情況而改變。筆者對1~4號機組均屬氫氣爆炸的報道產生諸多疑問，請網友們賜教。　　

一、福島第一核電站反應堆簡況　　

福島第一核電站屬于日本東京電力公司。共有6個機組，其中1號機組46萬瓩，2、3、4、5號機組均為78.4萬瓩，6號機組110萬瓩。地震時1、2、3號堆緊急自動停堆--即自動停止運行，但不斷釋放余熱，需要繼續冷卻降溫。停堆后外接電源及備用發電系統均被地震、海嘯破壞;4號堆震前大修理。反應堆內無燃料；5、6號堆震前大修理，20日轉入冷停堆。每個機組都有一個乏燃料池，用于存放從反應堆換下來的尚未“燃盡”的燃料棒(叫乏燃料棒)。因其繼續衰變發熱，故必須浸在冷卻水中，不斷換水散熱。另有一個公共乏燃料池,也需不斷換水散熱。震后2天曾用消防管線向反應堆內注水降溫，14日起用外部消防車向反應堆及乏燃料池注入海水降溫。

1-6號反應堆均為沸水堆。沸水堆的壓力容器結構如圖1。

圖1 沸水堆堆芯結構圖(此圖來源于朱華編著《核電與核能》P116)

圖1的左圖是安放反應堆的壓力容器，為圓柱形，高十幾米。堆芯由右圖的若干燃料組件構成，固定在容器的中下部“堆芯下柵板”上--見左圖7。每個燃料組件內排列60多根燃料棒。燃料棒由鋯合金的棒殼，將核燃料密封在其中(見圖2右側)。棒長約4米，棒間均有間隙，可讓冷卻水穿行。容器堆芯在容器內占據了4米高，運行時堆芯必須浸沒在快速循環的冷卻水內。堆芯上面有汽水分離器(左圖-2)，將冷卻水蒸發的高壓干蒸汽分離出來，通過蒸汽出口(左圖-13)，送入渦輪機，轉動葉片帶動發電機發電。

福島第一核電站主廠房內布置如圖2。

圖2 福島核電站廠房布置圖(于“廣東涼茶”載南昌市實驗中學化學教研組 “淺析鋯水反應”附圖)

由圖2可見壓力容器被包裹在一個梨形的安全殼內。殼的壁由1米厚的鋼筋混凝土制成，內襯6毫米的鋼板。若容器內壓力過高,可向安全殼內釋放蒸汽減壓。容器和安全殼底部有壓力抑制池，亦用于控制容器內壓力。安全殼右上方為乏燃料池。

 1-4號機組爆炸的位置均在各機組的主廠房內，爆炸前、后狀況見圖3。

圖3 福島第一核電站1-4號機組圖　　

左圖爆炸前拍攝，右圖3月18日衛星拍攝爆炸后的照片，從右到左分別為1~ 4號機組( 來源：3-19 11:17:00新華網“福島核電站衛星照：部分區域輻射水平下降”)　　

圖3的左圖是爆炸前拍攝的，右圖是4個機組都發生爆炸后的3月18日拍攝的。由左圖可見,頂部暗紅色、四壁白色的較高立方體，從右到左分別為1、2、3、4號機組的主廠房。其內包容壓力容器、安全殼、乏燃料池及其它設施。主廠房前面較低、較長的房子是汽輪機和發電機的廠房。右圖與左圖對應位置比較可見，1號機組主廠房頂部塌陷，四壁尚好；2號主廠房前面白色墻壁中部有小部分斑塊，可能輕度受損；3、4號主廠房頂部及四壁均崩塌，其中3號廠房最為嚴重。

二、核電站的氫氣源及氫氣爆炸條件分析　　

對氫氣源有三種報道：

第一種說法是“初步認定為冷卻用氫氣”_[vi] 冷卻為什么要用氫氣呢？解釋說，在冷卻水中加氫，與氧反應生成水，就可減少冷卻水中溶氧對設備的腐蝕。冷卻水中加氫操作屬于“化學與容積控制系統”，應在主廠房以外的輔助廠房中進行_[vii]。事故發生后，冷卻系統失靈，從1號機組爆炸后的次日起，3號機組爆炸前已經用海水冷卻了。海水中的鹽分腐蝕性更強，操作員怎么會舍去“全力降溫”之本，去求“減少腐蝕”之末呢？不合常理。果真如此，倒是操作失誤引起的爆炸了。再說會不會是儲氫容器爆炸呢？儲氫容器應放在專用倉庫內。除非閥門打開點上明火，否則不會爆炸。

第二種說法水分解產生氫和氧: 反應堆中水被分解時會產生氫氣，當壓力下降氧氣的比率增高時就有可能發生氫氣爆炸_[viii]。化肥廠的造氣爐內水蒸汽通過赤熱的無煙煤，可以使水蒸汽與碳反應產生氫氣和CO₂，但是不僅要維持900⁰C以上的溫度，而且公斤分子要提供17900大卡的熱能_[ix]。水的臨界溫度為374⁰C, 在密閉的壓力容器內，超過這一溫度時所有的水全部變成蒸汽，沒有液態水,必將導致堆芯升溫熔毀。這表明，只要容器內還有液態水，就不可能滿足水分解成氫和氧的條件。

第三種說法是“鋯水反應”產生氫。這種說法似乎比較普遍。

經查，“鋯水反應”是“燃料元件棒束未被冷卻劑液體浸沒，處于裸露狀態時，高溫鋯合金包殼與蒸汽發生的，伴隨放熱并產生氫氣的劇烈化學反應。”其溫度條件是1300⁰C_[x]。可見反應必須滿足：燃料棒露出水面和達到1300⁰C兩個條件。有沒有形成這兩個條件呢？

首先看4號機組，地震前“因反應堆壓力容器內設施檢修，反應堆壓力容器內沒有燃料。”_[xi]。容器內既無燃料，不可能發生鋯水反應，當然也不可能由此產生氫氣了。可見“鋯水反應”之說不能解釋4號機組的爆炸。

其次看3號機組。據報道：設在反應堆頂部的廢燃料池遭破壞，大量廢燃料碎片跟著沖擊波四處飛濺，最遠曾落在距反應堆1.6公里的地方_[xii]。

據查，氫氣爆炸至少要具備三個條件：一是氫氣在空氣中的體積濃度達4.0％～75.6％。低于4%既不能燃燒也不能爆炸，高于75.6%只能燃燒不能爆炸；二是要有明火，或者達到氫氣自燃溫度585⁰C；三是要在有限的空間內_[xiii]。

由圖2可見，乏燃料池在安全殼外上方的廠房內，是開放型的池子，不具備“有限的空間”的爆炸條件，不論有無氫氣，都不能支持本文開頭引用日本官房長官關于“3號機組與該電站1號機組發生的爆炸“類似”，都是從反應堆燃料罐中釋放的氫氣，與空氣中氧氣發生化學反應的結果”的說法。

再次看2號機組。15日6時10分左右，安全罩壓力控制池發生爆炸，反應堆容器出現部分破損，這表明可能導致更為嚴重的核泄漏_[xiv]。另見報道:“2號壓力控制池的壓力下降，從3個大氣壓下降到1個大氣壓。專家分析，損傷可能是由于燃料棒大量暴露引起的。可能由于昨晚（指14日）有段時間所有的燃料棒都完全暴露在外邊，所以造成了溫度過高，壓力控制池部分融化。雖然現在海水已經注入，但是核燃料棒依然有2.7米，超過一半的面積暴露在外”_[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毀。3月16日報道證實：“2號反應堆15日爆炸，爐心有熔毀情形，燃料棒30%受損。”_[xvi] 。可見爆炸前已有30%燃料棒熔毀，經查鋯的熔點是1852⁰C。鈾的熔點是1132⁰C_[xvii]。熔毀的鋯和鈾都成為液體沉入容器底部。鋼板的熔點只有1500多度。盡管底厚達20厘米，經過十幾小時也可能被燒穿。鋯、鈾液體隨液態水流入底部的抑制池。高壓(70個大氣壓以上)液態水流入（爆炸前）只有3個大氣壓的抑制池，必然汽化而急劇膨脹產生爆炸，至使其壓力只剩1個大氣壓，與環境壓力相等，說明抑制池已與外界相通了。同時容器大量核物質也流入抑制池，抑制池破損又流入廠區的排水系統。致使3月29日報道：“2號機組渦輪機房地下室及豎井積水表面放射性活度,達到一般反應堆運轉時冷卻水放射性活度的約10萬倍”_[xviii]，也應證實了上述推斷。至于氫氣，在燃料棒裸露至熔毀前，確實會達到1300⁰C，發生鋯水反應而產生氫氣。但氫是氣體，在容器的上部，不論濃度多少，不可能鉆到容器底部以下的抑制池內的。所以2號機組爆炸也不可能是氫氣爆炸。　　

最后看1號機組。在自動停堆前，應當認為處于正常運轉狀態。其時壓力容器內水位應在燃料項以上數米_[xix]。如果按官房長官所說“把含有氫氣的蒸汽釋放到金屬容器和混凝土保護殼之間的空間，與氧氣混合后發生爆炸。”和“未出現作為安全殼的金屬防護罩爆炸的情況”的說法，就不能構成氫氣爆炸的條件。

因為水的臨界點溫度是374⁰C。密閉容器內的“汽、水平均溫度”如果超過374⁰C，容器內所有的水都變成蒸汽。換句話說，只要容器內還有液態水，其平均溫度不可能超過374⁰C，當然不可能達到“大面積”鋯水反應要求的1300⁰C。假如爆炸前容器內已達到臨界溫度，那么同時形成的臨界壓力是218.5個大氣壓_[xx]。此壓力為設計壓力的2.838倍(沸水堆工作壓力為70個大氣壓,設計壓力為工作壓力的的1.1倍_[xxi]),容器也要爆炸了。這與“未出現金屬防護罩爆炸” “而是安全殼外面的建筑物發生了爆炸”_[xxii],的說法矛盾。

當然，由于冷卻水不能及時、充分注入，反應繼續進行而引起升溫、加快蒸發，也可能使燃料棒逐漸露出水面，不排除局部溫度達到1300⁰C，發生鋯水反應而產生氫氣的可能。按官房長官所說這些氫氣是從壓力容器釋放到安全殼與容器之間發生爆炸的，也就是打開壓力容器通向安全殼的閥門，進行減壓操作后爆炸的。從時間上看，減壓是在12日上午10：17，至14：48,中國新聞網已作了關于保安院宣布“1號機組反應堆容器成功釋放蒸汽，容器內的氣壓估計已有所下降。”的報道_[xxiii]，若新聞滯后2小時(同一網站同一天，報道同一機組15：30爆炸，是在17：34發稿的,滯后約2小時)，則減壓結束為12：48。而爆炸發生在15：36，其間間隔了近3小時。

從氫氣爆炸條件上看：密閉空間內氫氣達到4.0％～75.6％的體積濃度,并要有明火,或達到氫氣的自燃溫度585⁰C才能爆炸_[xxiv]。安全殼內來自壓力容器的含氫蒸汽，在減壓結束前已與氧氣混合，減壓結束時已將閥門關閉。安全殼內不再增加氫氣成分。此間安全殼內的氫如果已達爆炸濃度，要么遇有明火，要么達自燃溫度，才能引起氫氣爆炸。反復觀看視頻畫面，沒有看到火光，只見濃煙滾滾。而按官方宣布的“金屬防護罩未有爆炸”的說法，從壓力容器內釋放的蒸汽應小于374⁰C，安全殼內的溫度也不可能達到585⁰C，從而不可能使氫氣產生自燃爆炸。至于后來制作的模擬過程，特意把1~4號機組爆炸畫面都加入火光，那只是為了搪塞一些網友對氫氣爆炸的懷疑而已_[xxv]，不能作為證據。

可見，按日本官方當時宣布的“壓力容器沒有爆炸”的推測，“1號機組是由鋯水反應產生的氫氣爆炸”的說法不能成立。

三、對1號機組爆炸的實際原因的推測　　

1號機組爆炸的真實原因是什么呢？3月下旬之后的報道給出了接近實際的答案:日本原子能安全委員會3月30日承認，“福島第一核電站1至3號機組的反應堆壓力容器和安全殼都應該已經破損”_[xxvi]從而否定了“壓力容器沒有爆炸”的說法。由一系列報道可證實：1號機組爆炸是由于溫度、壓力過高引起的容器內“物理爆炸”，而不是容器與安全殼之間氫氧結合引起的“化學爆炸”。推測其具體過程是：

11日14：48地震后不足2小時，即16：36東電報告“1號機組“應急堆芯冷卻裝置”不能注水。”_[xxvii]; 啟用蓄電池帶動水泵注水8小時，至12日0點36；

12日清晨安全保安院稱，1號機組附近放射性輻射強度已超過正常標準1000倍以上，核電站外的輻射強度超過正常標準8至9倍_[xxviii]。與5月17日中央電視臺關于“1號機組在大地震16小時后已發生堆芯熔毀 ”的報道吻合_[xxix]。由此推測這里的“清晨”是指上午6-7點。此時在減壓前3個多小時，放射性核物質已從壓力容器內泄漏到核電站外，可見容器已不密封，容器外的安全殼也不密封。而核物質肯定是隨容器內蒸汽泄漏出來的，蒸汽內即使含有氫氣，也會隨之泄漏到核電站外。容器和安全殼已不成為“有限空間”，即不具備氫氣爆炸的條件了。2-3小時后的“9時10分”，核電站外輻射強度上升到正常標準的70倍，說明在打開減壓閥前，蒸汽、氫氣已從容器及安全殼內迅速釋放到環境中。

10：17減壓操作。到13點左右，即開始減壓后近3小時，正門附近的輻射量已升至通常標準的73倍以上。否定了官方關于“釋放一定的蒸汽以降低壓力，這些蒸汽經過過濾后，將不具備放射性。”的說法。9：10~13點，間隔近4小時，正門附近輻射量也只增加了“3倍正常標準”（以“正常標準”為單位），而此前“清晨”~9：10的2-3小時卻增加了“60多倍正常標準”。可見打開減壓閥的釋放蒸汽量，比減壓前釋放量并未顯著增加。

15時30分爆炸。隨后1號機組附近檢測到放射性元素銫和碘。銫是裂變產物。保安院官員表示：“可以認為反應堆芯的燃料正在熔化”。另一位官員透露，每小時核輻射相當于全年最高標準總量。

從清晨6-7點鐘“已發生堆芯熔毀”到9：10大門外的核輻射量快速增加，可見堆芯在迅速熔毀而快速升溫，此時容器內可能已接近或達到水的臨界溫度374⁰C，壓力也接近218.5個大氣壓，達到設計壓力的2.84倍。1小時后雖打開減壓閥，但通汽斷面并未顯著增加，所減溫度、壓力，遠遠跟不上由堆芯熔毀增加的溫度和壓力，溫度持續升高，容器壁的鋼板許用應力快速下降，如圖4。

圖4 鋼材許用應力變動圖　　

由上圖可見，多數鋼號的許用應力在375⁰C時為100-160Mpa，至675⁰C以上迅速降到20-30Mpa以下。最終至15：36，容器內壓力超過鋼板的承受能力，發生了爆炸。最有可能的爆破口是容器減壓前的泄漏處。3月30日官方承認的“1至3號機組的反應堆壓力容器和安全殼都應該已經破損”，可佐證上述推測。

綜上分析，福島核電站1~4號機組在3月12~15日的4次爆炸不是氫氣爆炸。那么日本官方為什么反復強調氫氣爆炸呢？

因為放射性物質的源頭在壓力容器內，用氫氣爆炸來解釋1-4號機組的爆炸原因，可以“證明”壓力容器完好。這樣，爆炸向環境釋放的核物質，只是從壓力容器內隨蒸汽帶出，且經過濾的少量而已。正如東京大學教授關村直人所說：“雖然極少一部分核燃料有可能外泄，但是，核反應堆已經停止運轉，并且正處于被冷卻狀態。因此，幾乎所有核燃料都保存在反應堆中，希望當地居民能夠保持冷靜。” _[xxx]可見用氫氣爆炸來解釋只是為了穩定公眾情緒而已。

后來隨著檢測到放射性物質不斷攀升，逐漸掩蓋不住爆炸引發事故的嚴重性。日本原子能安全委員會不僅在3月30日承認， 1至3號機組的反應堆壓力容器和安全殼都應該已經破損，從而否定了3月12日的“一號反應堆并未出現作為安全殼的金屬防護罩爆炸的情況，而是安全殼外面的建筑物發生了爆炸”的說法。4月12日又將此次核事故等級從5級提升為最嚴重的7級。5月17日進一步披露：福島第一核電站1號機組在大地震16小時后已發生堆芯熔毀，昨天（5月16日）宣布現在1號機組堆芯全部熔毀，熔毀的堆心，安全罩被融化的反應燃料擊穿，直接影響地下水和海水。2號機組堆心部分熔毀 _[xxxi]。5月12日核電站西北方向福島縣的浪江町、雙葉町等５個地區，檢出的放射性銫－１３７的活度已達１９８６年切爾諾貝利核電站事故時居民疏散標準的5-26倍。_[xxxii]可見用氫氣爆炸之說最終未能掩蓋此次事故的嚴重性。　　

如果上進分析站得住腳，那么，就不要再用“氫氣爆炸來掩蓋核泄漏事故的嚴重程度”了，而應認真調查、科學分析，實事求是地公布爆炸原因。　　

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