核科普：核反应堆燃料安全

这些放射性物质可以产生能量。无论是在运行中的反应堆堆芯、停堆时堆芯、释放后的乏燃料池中的堆芯，还是从乏燃料池卸载后的干储存中，燃料释放的能量必须及时进行清除，否则会产生过热损坏燃料。

以下描述的是不同时间不同地点与核燃料相关的能量水平，以说明影响相关危险水平的因素。

1、核燃料地点

利用加利福尼亚圣克莱门特附近的圣奥诺弗雷核电站的数据，来描述核反应堆的燃料位置和能量水平。

目前的圣奥诺弗雷核电站已经永久关闭，但其反应堆运行时的数据和现场剩余乏燃料的数据，代表了全国核电站的状况。

图1是1980年圣奥诺弗雷2号和3号机组建造期间的鸟瞰图。反应堆堆芯位于反应堆安全壳圆顶内，坚固的结构由厚钢筋混凝土制成。每台机组都有一个乏燃料池，位于自己的燃料处理大楼内，这是一个工业级结构设计，在风吹或地震时不易倒塌。

图1(图源：Nuclear Regulatory Commission)

图2是圣奥诺弗雷干法储存地点的鸟瞰图。混凝土拱顶将1号机组乏燃料组件的金属罐储存在水平拱顶内。业主选择将2号和3号机组乏燃料组件的金属罐放置在一块不接地混凝土板内的垂直拱顶内。干式储存区在工厂现场。2号和3号楼在照片的右边。

图2(图源：Southern California Edison presentation，2017.11.02)

2、核燃料能量水平

表1(资料来源：Union of Concerned Scientists)

表1提供了圣奥诺弗雷3号机组在各种条件下核反应堆燃料的能量水平信息。

它的反应堆堆芯包含217个燃料组件。该反应堆被授权允许在高达3438兆瓦热功率(Mwt)的功率水平下运行。当满功率运行时，平均燃料组件功率15.8 Mwt。当操作人员翻转开关迅速插入中断核链式反应的控制棒时，反应堆可能会关闭，但不稳定裂变副产物依然会衰变，继续在满功率下产生约6%的堆芯输出。

反应堆从满功率停堆后，平均燃料组件释放量不到1兆瓦。随着裂变副产物的衰变，放射性排放物继续以稳定下降的数量释放能量。反应堆从满功率停堆15天后，平均燃料组件的功率水平降至0.41MWt。3号机组乏燃料池获得授权允许最多可容纳1542个燃料组件。

在核电站永久关闭，所有燃料组件从反应堆堆芯卸下后，3号机组乏燃料池包含1350个燃料组件。

3号机组乏燃料池对其所含乏燃料的衰变热有两个限值。最大限值为15.035 MWT，假设整个反应堆堆芯被卸载到乏燃料池中，除了许可证允许的余热之外，其余的余热也在池中。正常限值是7.239MWt，适用于换料和更换新燃料组件期间，只有一部分反应堆堆芯被排放到乏燃料池的情况。

业主计算了3号机组乏燃料池自永久停堆以来不同时间的实际衰变热负荷。截至2013年底，实际衰变热负荷为0.953 Mwt，此后一直在稳步下降。业主正在使用可容纳37个组件的多用途容器(MPC-37)将燃料组件从3号机组乏燃料池转移到地下干储存室。每个MPC-37罐被证明用于存储多达37个乏燃料组件，其最大总衰变热负荷为0.037 MWT。在圣奥诺弗雷核电站装载的罐具有约0.028 MWT的实际衰变热负荷。

表1的第五列比较了不同位置燃料的相对功率水平与装载到最大极限的MPC-37中的功率水平。反应堆堆芯满功率时的功率水平比MPC-37高出近93000倍。

表1的第六列显示了乏燃料池中平均燃料组件的功率水平，大致等于MPC-37中燃料组件的功率水平。虽然第五列显示单个燃料组件的功率水平大致相同，但乏燃料池中燃料组件的库存越大，产生的总功率(能量)水平就越高。

3、核燃料数量

表1第三栏提供了反应堆堆芯和乏燃料池中燃料组件的清单，以等效MPC-37罐的数量表示。从一个反应堆堆芯取出燃料组件大约需要6个MPC-37容器。在目前的装载活动开始之前，从3号机组乏燃料池中取出燃料组件需要36个MPC-37罐。因此，乏燃料池包含大约六个反应堆堆芯等价燃料组件，而反应堆堆芯包含大约六个MPC-37等价燃料组件。

4、核燃料群

表2(来源：Union of Concerned Scientists)

表2提供了圣奥诺弗雷2号机组有关核反应堆燃料能级的信息。结果与3号机组堆芯和MPC-37情况下的信息相同，与乏燃料池情况下的信息非常相似。

表2包含了2号机组的一些附加条件信息，而不是3号机组的情况。我估算了2号机组乏燃料池在5、10、15、20、25和30 MPC-37s装料后的库存量和热负荷。该分析表明，尽管燃料组件的平均能量水平(第6列)保持相同，但乏燃料池中的总能量水平(第4列)随着燃料组件转移到干式储存中而降低。

为有助于将燃料组件的相对功率数据放到上下文中，表2中提供了另外三列。该列将附近三个城市人口联系到相对于MPC-37最大功率水平(即：列5数据)的功率水平。当反应堆关闭时，功率水平下降，燃料被卸载到乏燃料池，燃料被转移到干式贮存，人口数量减少了同样的百分比。

除了一个人(我想可能是埃米，但可能是厄尔)必须离开圣克莱门特，以匹配从满功率到MPC-37存储降低的功率水平。

5、UCS观点

表1和表2说明了反应堆堆芯、乏燃料池和干法贮存中核燃料的相对危害。反应堆堆芯中的核燃料，即使是停堆堆芯中的核燃料，其能量水平也明显高于乏燃料池或干式储存中的核燃料。

较高的能量水平有两个相关的危险影响。

首先，当冷却系统失效或损坏时，成功干预以防止燃料损坏的时间缩短。

第二，它提供了一个更大的催化剂或动力，进而从损坏的燃料中排出更多放射性物质。

风险被定义为事故概率乘以其后果。第一个因素影响事故发生的可能性，而第二个因素影响其后果。综合起来，这些因素会导致风险增加。

乏燃料池中的核燃料比堆芯中的核燃料能量水平低。

燃料组件的平均能量水平低于MPC-37罐中允许的最大能量水平。但相关库存清单显示了乏燃料池的风险为何高于干式储存。乏燃料池中更高的能量水平再次转化为在冷却失效或受损时更少的反应时间。如果干预失败，大量的燃料组件会释放出更大的放射性云，而干式储存的核燃料代表了最低能量水平下的最低燃料量。

如果冷却失效或受损，可以有更多的时间进行成功的干预，当挽救失败时，也不会有那么严重的扩散。但干式储存的燃料远不是绝对安全的。如果它真的接近如此安全，美国就不会花费数十亿美元寻找，还尚未找到一个满意的地质储存库，可以将这种危险物质与人类和环境隔离至少一万年，但干式储存依然是当今世界管理核燃料风险最安全和最妥当的方式。

然而，我们越是浪费一万年时间去寻找一个地质资源库，我们越发现自己的能力和责任感越差。我们可以做得更好，不仅仅是因为我们已经很难把这个棘手问题搞得比我们迄今为止管理不善的其他事还要糟糕。

注：美国忧思科学家联盟(The Union of Concerned Scientists)，简称UCS，成立于1969年，是一个非赢利性质的非政府组织，由全球10万多名科学家组成。该组织最初由美国麻省理工学院的教授们倡议组建，主要目的是提出一些报告和忠告，避免科学技术遭到滥用。该组织经常对美国政府的政策提出批评，并曝光一些鲜为人知的内幕。