福岛Daiichi事故爆炸调查

Wison Luangdilok，博士，高级咨询工程师，Fauske＆Associates，LLC

抽象的

福岛第一核电站(Fukushima Daiichi)的爆炸事故正在调查和讨论，特别是人们了解最少的3号机组爆炸。分析了3号机组爆炸中燃烧的氢量，以揭示爆炸前的条件。据估计，这是1号机组爆炸时燃烧量的10倍以上。在这项调查中，对爆炸和所需条件的理解达到了一个重要的水平，这可以帮助防止或减轻未来在沸水反应堆中发生严重事故时的此类爆炸事件。本文介绍了2019年11月18日至19日在华盛顿特区阿贡国家实验室办公室举行的反应堆安全技术专家小组福岛第一核电站事故法医会议上首次提出的一些内容

1.介绍和背景

在此期间核事故2011年3月11日下午2点46分，15米高的海啸袭击了福岛第一核电站，导致该核电站在数天内大面积停电，1、2、3号机组的三个反应堆最终发生核心熔毁。

从3月12日下午3:36下午3:36，从电抗器建筑的顶层发起了三个单独的爆炸爆炸。2011年3月3日下午3:36，上午11:012011年3月14日，2011年3月15日上午6:14（日本政府，2011年）。单位2（1F2）没有爆炸。单元1和单元3的爆炸在远处距离视频摄像机（没有声音），从远处占据爆炸动态的整体图像。如果没有这样的视频，则不可能知道1f1和1f3的爆炸动态非常不同（如图1所示）。

1F4的爆炸动力学仍然未知，因为它发生在发生的1F4爆炸的视频捕获时。一个有趣的扭曲是，根据Tepco调查，通过在单元3通风期间通过连接通风口通过连接的通气管线到同一共用通风口堆的排气气体从单元3到单元4的迁移负责给1F4向1F4供应燃料爆炸（Rempe等，2017）。据信1f2的潜在爆炸由于两个原因而避免了避免。首先，来自1F1爆炸的压力波引起了1F2反应器，建立了顶层井喷面板，打开允许累积的氢气从建筑物中发泄（Rempe等，2019）。其次，由于1F2的独特情况，蒸汽从1F2反应器构建的底部圆顶圆形圆形圆环室由海啸部分淹没（Nea，2015），帮助使惰性易燃混合物（Sonnenkalb等，2019年。，2019）。基于目前的理解和出现的模式，反应堆大楼顶层的爆炸已成为沸水反应器（BWR）核电厂（BWR）核电厂中严重反应堆核心熔化事故的独特签名。

关于如何发生爆炸的许多问题以及它们如何与反应器内部（血管氢气产生）和主要容器（PCV）内部的内容有关，但已经讨论了没有清楚的答案（Rempe等，2017,2019）。专家提出的问题的类型包括（1）在哪里以及如何以及如何发生点火，（2）通过PCV头部的降解密封件氢泄漏到反应器建筑物中，（3）氢气累积水平并且需要预爆炸条件来导致观察到的爆炸损坏，（4）有什么类型的爆炸性条件导致1F3爆炸是一种蘑菇形的火球，比快速高的1F1更有活力。爆发型爆炸（Yanez等，2015），（5）PCV头部失败在1F3爆炸中的作用是什么，（6）需要多少载体和前血管氢代燃料1F3和1F4爆炸鉴于单独的1F3爆炸如此壮观，在展现出强大的蘑菇形火球时，它本身涉及大量氢气（Rempe等，2019）。

爆炸的动态可以与必要的预爆炸条件相关联，该条件可以进一步连接到通过在事故过程中通过核心熔化现象来燃料所需的血管内易燃的氢气。1F3爆炸的动态与1F1非常不同，表明爆炸前的条件可能很大。单元1中的爆炸从反应器建筑的顶层水平指向。建筑屋顶和侧面被爆炸吹走，但混凝土支柱仍然完好无损，损坏很小。根据建筑物损坏的严重程度，单元3中的爆炸更有活力。爆炸在1F1的燃烧过程是反应堆建筑物的操作湾（5楼）中的预混合氢气的快速净化。爆炸的视频表示在初始突破1F1反应器建筑物的初始爆破之后，在近似声速传播到露天的冷凝冲击波（约5秒持续时间）的存在。脱液不足以过渡到爆炸。在初始破裂后大约一秒钟的爆炸爆炸“烟雾”出现着浅色，表明它主要是灰尘。“烟雾”在垂直方向上相对靠近建筑物分散，并且由于当时的普遍风而向北引导。

1F3的爆炸是多模燃烧。爆炸中似乎至少有两种燃烧模式。第一模式可能是脱气，但是，氢气（且可能的CO） - 在运行湾5楼里积累的气氛。该第一燃烧模式发生在反应堆建筑内，并且在可用视频中无法看到，直到1F3反应堆建筑的初始爆破。在突破1F3反应堆建筑之后，反应堆建筑的顶层变得越来越宽，第二种燃烧模式开始在反应堆建筑物顶部的露天中。第二种模式是氢气（和可能的CO） - 燃气云在露天中燃烧，以反应堆建筑物的上升和膨胀球形火球的形式。用冉冉升起的火球扔进天空中的大物体。还扔进了燃料池中的大块混凝土和设备。火球在3秒内达到大直径〜120米。通过图2中的草图描绘了1f3爆炸的动态。2。

第二种燃烧模式垂直地引导，几乎完美的球形火球出现在建筑物上方并高达天空（通风堆高度约三倍）。大块材料似乎与火球向上携带。与1F1的爆炸不同，1F3爆炸损坏的可用图像表明建筑物顶层上的混凝土支柱受损受损。从火球产生的“烟雾”出现在较深的灰尘和碎片的颜色较深，而不是第一种燃烧模式，它出现了白色，并且保持在靠近建筑物的较低海拔处。

图1福岛第一核电站事故中的氢化物爆炸

图21F3爆炸以1秒间隔的真实图像的草图

1F3爆炸的威力要比1F1大得多，这就要求在整个爆炸中所涉及的可燃气体的数量也要大得多。在1F1爆炸中，爆燃显然燃烧了整个可燃气体-空气混合物，最初存在于反应堆建筑的5层。在1F3爆炸中，假设初始存在的可燃气体-空气混合物发生了类似的爆燃，因为这种燃烧模式直到1F3反应堆建筑初始爆破时才在视频中看到。因此，如果在第一次爆燃中大部分可燃气体混合物被消耗掉，那么爆炸就结束了。然而，这不是1F3爆炸的情况。随着反应堆建筑的爆炸，一个巨大的火球在反应堆建筑上燃烧了大约9秒。要使这一切发生，必须有大量未燃烧的可燃气体(这在1F1爆炸中并不存在)准备好为火球提供燃料。

有一个问题在严重的事故专家中经常讨论（Rempe等，2019）。在爆炸之前和期间，突然的PCV减压（其被认为是PCV上部头部密封故障的结果）提供必要的燃料吗？当1F3 PCV压力开始显着落下约0.52至约0.39MPa时，1F3爆炸的时间在时帧内。从10:55到11:02，在爆炸前约6分钟，干燥的压力从0.52MPa降至0.48MPa。在爆炸之前，这种6分钟的持续时间的平均减压率为95 pa /秒。1F3爆炸持续了大约9秒，只有885 PA的总压降太少，无法燃料观察到的巨大的火球。然后，在爆炸后11:02至11:15 AM后，干燥的压力继续下降0.48MPa至0.39MPa。爆炸后，这种13分钟的平均减压率为115 pa /秒。然而，爆炸后PCV减压在爆炸中没有作用。

本文分析了福岛Daiichi单元3发生的爆炸，目的是估算爆炸过程中燃烧的氢气量。目前的理解是，由单元3产生的氢气燃料在单元3和单元4处爆炸，并且通过血管内金属氧化和例载核心混凝土相互作用产生氢气。1F3爆炸的燃烧模式仍未得到很好的理解，并且了解这一点的关键是要知道在爆炸中燃烧的氢气量。如果可以估计爆炸中燃烧的氢气量，可以实现更好地理解爆炸机制。

2.在1F3爆炸中燃烧氢气的估计

在碳氢化合物燃料爆炸研究的领域中，有一种相对准确的方法，使球形火球的尺寸（半径）与燃烧的燃烧量相关（图3）。最大火球半径R（In仪表）的相关性作为公吨碳的烃燃料质量MHC的函数，可以通过以下等式方便地表示表示爆炸模式爆炸（Dorofeev等，1995）：

R = 33米_HC.^0.32

（1）

这里，碳氢化合物燃料是指汽油，煤油或柴油燃料。每公斤这些烃燃料的燃烧热实际上是非常接近彼此接近。这些燃料的燃烧热的平均值为43.11mJ / kg。

图3最大的火球半径形成在富含烃富含烃的云层中

将烃燃料与氢燃料的相关性的准确性未知。为了处理燃烧热量的值差异的燃料，最大的火球半径应以释放的总燃烧热而不是燃料质量表示。等式（1）可以在释放的总燃烧能量的期限内重振，如下所示（Luangdilok，2019）：

(2）

哪里Q._HC.为烃类燃料的平均燃烧热(43.11 MJ/kg)，_XHC.=烃火焰的辐射热损失分数，Q_H2.是燃烧的热量，而m_H2.是氢燃烧的质量。这个方程代表了引爆式火球爆炸时最大火球半径作为燃料质量的函数。

对于1F3爆炸，从图2中的草图中描绘的视频快照确定火球半径R.通过求解等式燃烧的氢气质量。（2）对于m_H2.（公吨）

（3）

可以使用Dorofeev等人从燃料质量计算来自烃火球的辐射热损失的分数。（1995）可以衍生成的相关性

（4）

通过Molina等人广泛地研究了来自甲烷喷射火焰的辐射热损失和源自喷嘴的氢气喷射火焰。（2007）。对于广泛的火焰长度和燃料射流速度，氢火球的辐射热损失的分数大约比甲烷火焰小约0.03，即x_H2.= X._HC.- 0.03。

接下来，需要确定近乎完美的球形火球的正确尺寸。为此目的，选择53.125米的火球半径作为最佳估计值。近乎完美的球形火球的这种特殊时刻发生在图2所示的快照之间。2在1和2秒。1秒快照的火球在2秒钟的快照时，在2秒的快照中接近了一颗完全生长的球形形状，火球已经完全生长，略微伸长成椭圆形。应注意，对火球形状和大小的分析基于这里不提供的实际高分辨率照片。认为正确的火球大小在这两个快照之间处于中间。使用Q._HC.= 43.11 mj / kg，q_H2.= 120 mJ / kg，r = 53.125 m，辐射热损失级别从等式。图4是0.0775，并且在1F3爆炸中燃烧的氢气估计从EQ估算。3为〜1540千克。这种估计对所选择的火球的大小敏感，并且与这种估计相关的不确定性是在范围内250公斤，大约是1到2秒内火球大小的范围。

3.讨论1F3爆炸

爆炸过程中上升火球的形成是典型的燃烧条件，燃料释放和点火同时发生(Dorofeev et al.， 1995)。可燃气体在点火时未与空气充分混合。这些气体与周围空气混合后继续燃烧。上升的火球形成了。然后在上升火球下方形成一个强对流柱(如图1F3爆炸(图2)和Wang et al.(2017)的LNG管道爆炸试验(图3)所示)。

或者，在爆炸产物爆炸的燃料 - 空气混合物爆炸后，也可以在爆炸产品延续含有大量燃料的情况下开发一个上升的火球，继续与环境空气燃烧。这两种模式包括两者的组合，已作为1F3爆炸的可能解释。下面给出的讨论提供了一个基础，以确定哪一个是可能的依据。

分析结果表明，大量的氢或氢当量必须参与1F3蘑菇形的火球爆炸。然而，爆炸中所需的氢气量太大而无法在火球爆炸期间释放，这在持续时间仅为9秒钟。结果表明，1F3爆炸的可能燃烧模式是大量未混合的氢气泄漏并填充了在爆炸之前在〜75％H 2浓度下填充了第4和第5层的反应器的气氛。由于PCV减压，在爆炸过程中存在一些氢气的直接释放，但是这种额外的来源不是很大，因为所需的氢气量或氢气量巨大。

4。结论

巨大的蘑菇形的火球爆炸福岛第三单元可能是大量的积累的表现纯粹的富氢气体泄露,反应堆建筑第四和第五层的气氛在事故~ 75% H2浓度在爆炸之前。据估计，3号机组爆炸中燃烧的氢量是1号机组爆炸中燃烧的氢量的10倍以上，即1540公斤比130公斤(Yanez等人，2015年)。

如此内容，请订阅我们的核技术公告。我们的“核技术公报”是核安全近期进步的论坛。它涉及认购员关于用于紧急救济系统设计，植物安全等的问题，实践和最新实验室设备的担忧。

参考文献

Dorofeev，S.B.等，1995年，来自爆燃的火球和异质燃料富含云的爆炸，消防安全杂志，25,323-336。

日本政府，2011年，向国际原子能机构核安全核安全大会报告，该核安全事故发生在Tepco的福岛核电站。

Luangdilok，W.，2019年。氢气在1F3爆炸中燃烧了多少？Nureth-18课程，波特兰，俄勒冈州，3464-3472。

莫里纳，A.，Scheber，R.W.，HOUF，W.G.，2007，大规模氢气喷射射出的辐射分数和光学厚度。Proc。燃烧Inst。31,2565-2572。

NEA，2015年，福岛帝茶核电站事故的基准研究（BSAF项目）第1阶段概要报告，NEA / CSNI / R（2015）18

Rempe，J.，Corradini，M.，农民，M.，Gabor，J.，Gauntt，R.，Hara，T.，Luangdilok，W.，Lutz，R.，Luxat，D.，Mizokami，S。，Robb，K.，Plys，M.，Tateiwa，K。，Yamanaka，Y.，2017年，达奇伊的取证评估安全见解。J. nucl。母娘。和能量10,18-34。

Rempe, J. ed.， 2019，美国在支持福岛第一核电站2019年评估中的努力，为美国能源部准备。退火/ LWRS-19/08, 8月。

Sonnenkalb，M.等，2019年，2019年，OECD / NEA基准研究的OECD / NEA基准研究的福岛达奇尼（BSAF），第2阶段 - 第2阶段的第2阶段 - 2，Nureth-18诉讼程序的严重事故分析结果，波特兰，俄勒冈州，1119-1132。

王凯，刘志强，黄鹏，2017，基于全尺度实验和PHAST的液化天然气爆炸火球热辐射危害的长期后果和脆弱性评估。J of Loss Prev。在《印度河》中。46,13-22。

Yanez，J.，Kuznetsov，M.，Souto-iglesias，A.，2015年，对福岛 - 达奇事故中的氢爆炸分析。int。J.氢能量40,8261-8280。