继周五的地震和海啸之后，日本的几座核电站，特别是位于日本东北部的福岛第一核电站，正遭遇严重问题。如果您一直在关注新闻，您会看到该核电站发生了一些相当令人担忧的事情——诸如“爆炸”、“部分堆芯熔毁”、“疏散”和“辐射暴露”之类的术语。由于混乱现场的消息稀少，以下是您需要了解的，以便理解和弄清正在日本发生的事件。
什么是核反应？
最基本的来说，核反应就是在原子核中发生的反应过程。它们通常发生在原子核被亚原子粒子（通常是“自由中子”，即一个短暂存在的、未与现有原子核结合的中子）或另一个原子核撞击时。该反应会产生与原始两个粒子不同的原子和亚原子产物。要产生我们想要的核反应类型，即裂变反应（其中原子核分裂），这两个原始粒子必须是特定类型：一个必须是极重的元素同位素，通常是某种形式的铀或钚，另一个必须是极轻的“自由中子”。铀或钚同位素被称为“裂变材料”，这意味着我们可以通过用自由中子轰击它们来引发裂变。
在裂变反应中，轻粒子（自由中子）与重粒子（铀或钚同位素）碰撞，后者分裂成两到三块。这次分裂会产生大量的能量，形式为动能和电磁辐射。这些新产生的碎片包括两个新原子核（副产物）、一些光子（伽马射线），以及一些更多的自由中子，这是核裂变成为能源生成候选者的关键。新产生的自由中子会四处飞溅，并撞击更多的铀或钚同位素，这反过来又会产生更多的能量和更多的自由中子，整个过程会如此持续下去——这就是核裂变链式反应。
核裂变产生巨大的能量，主要以热量的形式——我们谈论的是比使用类似质量的日常燃料（如汽油）获得的能量高出数百万倍。
从裂变中获取可用能源
日本有几种类型的核裂变反应堆，但我们将重点关注福岛第一核电站，这是该国受灾最严重的设施。由东京电力公司（TEPCO）运营的福岛核电站有六个独立的反应堆机组，尽管在地震（更重要的是随后的海啸）发生时，4、5、6号机组正在停运检修。1、2、3号机组都是“沸水堆（BWR）”，由通用电气在20世纪70年代初至中期制造。沸水堆是世界上第二常见的反应堆类型。
沸水堆包含数千根12英尺长、细如吸管的管子，称为燃料棒，在福岛核电站的情况下，这些燃料棒由锆合金制成。在这些燃料棒内部封装着实际燃料，即氧化铀的陶瓷小颗粒。燃料棒捆绑在反应堆堆芯中。在核裂变链式反应过程中，管子会加热到极高的温度，而保持它们安全的方法也正是从它们那里提取有用能量的方法。这些燃料棒被浸没在去离子水中，水作为冷却剂。水被保存在一个加压的围阻壳内，因此其沸点约为550°F。即使在如此高的沸点下，炽热的燃料棒也会产生大量的蒸汽，这实际上是我们从整个复杂装置中想要的——高压蒸汽用于驱动发电机上的涡轮机，从而发电。
安全
由于产生大量热量，以及产生和使用大量相当危险的放射性物质，核电站除了使用冷却水（本身由冗余的柴油发电机支持——稍后会详细介绍）外，还采用了多种安全措施。核电站的堆芯，包括燃料棒和水，被包裹在钢制反应堆容器中。该反应堆容器又被包裹在一个巨大的钢筋混凝土壳中，该壳旨在防止任何放射性气体逸出。
难道没有“关闭”按钮吗？
当然有！但不用说，安全地关闭和控制核反应堆不像拔掉失控的厨房电器那样简单。这是因为即使在裂变反应消退后，仍然存在极高的温度——这主要是由于裂变反应固有的化学反应。
一个运行中的裂变反应堆采用一套控制棒系统，基本上是限制燃料棒内裂变速率的结构，通过吸收游离的中子。通过在反应堆中插入和拔出控制棒，可以控制甚至停止裂变速率。在地震发生时，福岛反应堆的控制棒正常运行，关闭了裂变反应。但即使裂变反应停止了，燃料棒仍然保持极高的温度，需要持续冷却。
通常情况下这不是问题，只要冷却系统（以及在冷却系统失效时，其柴油发电机备用系统）仍然完好无损。但在地震导致主电源失灵后，随后的海啸也摧毁了福岛的柴油备用发电机。这是一个严重的问题；尽管裂变已经停止，但仍然非常需要冷却剂来保证核电站的安全。
这是因为核堆芯中仍然存在残余热量，这些热量既来自最近失效但仍然炽热的燃料棒，也来自裂变过程的各种副产物。这些副产物包括放射性碘和铯，它们都会产生所谓的“衰变热”——一种消散非常缓慢的残余热。如果堆芯没有持续冷却，即使在“关闭”后，仍然有足够的热量导致堆芯熔毁。
在福岛核电站的情况下，主冷却系统和备用冷却系统都已失效，东京电力公司被迫采取措施，用掺有硼酸的海水淹没堆芯（硼酸是为了防止在发生熔毁时反应重新启动——稍后会详细介绍）。这是一个不祥的迹象——这是防止灾难发生的最后手段，因为海水中的盐分会腐蚀机械设备。这只是一个临时解决方案：东京电力公司每天需要将数千加仑的海水泵入堆芯，直到能够恢复冷却系统。如果没有冷却系统，海水法可能需要持续数周甚至长达一年，直到衰变热缓慢消散。
可怕的堆芯熔毁
首先，“堆芯熔毁”不是一个精确定义的术语，这使得它在指示正在发生的事情方面相当无用。即使是“完全堆芯熔毁”和“部分堆芯熔毁”这两个术语也相当没有帮助，这在一定程度上解释了为什么我们编写了本指南——您将能够理解实际发生的事情，而无需依赖专家自己也常常不愿使用的错误术语。
无论如何，让我们从堆芯中没有冷却剂时可能发生的一些不太严重（但仍然令人不安）的事情开始。当燃料棒没有水覆盖时，它们会变得非常热——我们谈论的是数千摄氏度——并开始氧化，或生锈。这种氧化会与剩余的水发生反应，产生高爆炸性的氢气。这种情况已经在福岛1号反应堆中发生（见下方的视频）。氢气可以少量排放到围阻建筑物中，但如果它们无法足够快地排放，它就会爆炸，这正是1号反应堆发生的情况。请记住，这不是核反应，而是一个简单的化学爆炸，通常（如本例所示）结果是很少或没有放射性物质泄漏到外界。
东京电力公司宣布，在爆炸发生后，该地区周围的辐射水平仍保持在“正常”参数范围内。这是一个重要的区别——不是说核电站发生氢气爆炸是件特别愉快的事，但它远不像堆芯熔毁那样会引起恐慌。
人们所说的“堆芯熔毁”可能指几种不同的情况，这些情况都可能发生在氢气爆炸之后。“完全堆芯熔毁”比“部分堆芯熔毁”有更广泛接受的定义。完全堆芯熔毁是一种最坏情况：锆合金燃料棒和燃料本身，以及核堆芯中剩余的任何设备，都会融化成一种称为堆芯熔融物的熔岩状物质。堆芯熔融物是一种非常危险的物质，由于其巨大的热量和化学作用，能够烧穿混凝土围阻壳，而当所有这些高能量的核物质聚集在一起时，它甚至可以重新启动裂变过程，但速度完全失控。围阻壳的破裂可能导致围阻壳最初建造目的是为了容纳的那些可怕的放射性垃圾全部释放出来，这可能导致类似切尔诺贝利式的毁灭。
完全堆芯熔毁的问题在于，它通常是一系列其他混乱情况的最终结果——爆炸、火灾、普遍的破坏。即使在切尔诺贝利（回想起来令人难以置信的是，它**完全没有围阻建筑物**），损坏主要是由爆炸造成的工厂破坏和石墨火灾引起的，这些火灾导致堆芯熔融物逃逸到外界，而不是核堆芯本身的物理熔化。
周末，内阁官房长官枝野幸男有些犹豫地证实了“部分”堆芯熔毁。这意味着什么？没人知道！《纽约时报》指出，“部分”堆芯熔毁实际上不需要涉及任何熔化就可以被如此称呼——它可能仅仅意味着燃料棒已经足够长时间未被冷却而发生氧化和破裂，考虑到氢气爆炸，我们知道这种情况已经发生。但我们建议不要过度关注与“堆芯熔毁”相关的任何术语——找到实际发生的情况将比依赖一个模糊的笼统术语更有信息量。
随着东京电力公司努力应对地震和海啸对核系统的破坏，将会出现大量新闻——可能发生更多爆炸、大规模疏散，以及各种形式的“堆芯熔毁”。我们所能做的就是了解正在发生的事情，冷静地思考情况，并希望东京电力公司最终能够重新控制核电站。
