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核反應堆冷卻系統的隱藏英雄：ECCS如何拯救核能？
在核能安全的討論中，冷卻系統常常被認為是最不引人注目的部分，卻是防止核災難的關鍵角色。特別是在失去冷卻劑意外（LOCA）事件發生時，應急核心冷卻系統（ECCS）的作用顯得至關重要。LOCA是一種核反應堆失效模式，如果未能有效管理，將可能導致核反應堆核心損壞。每座核電廠的ECCS存在的目的，就是為了應對LOCA的發生。
核反應堆在運行中會產生大量熱量，而冷卻系統的主要功能就是移除這些熱量，將其轉化為有用的電能。
當冷卻劑流量減少或完全消失時，核反應堆的緊急停堆系統會立即停止裂變鏈反應。然而，儘管反應堆已關閉，核燃料依然會因其放射性衰變而繼續產生大量的熱量。在反應堆從全功率停止運行後，衰變熱的產生相當於反應堆熱額定功率的5%到6%。如果ECCS的所有獨立冷卻回路未按設計運作，則此時熱量將可能使燃料溫度升高至導致反應堆損壞的程度。
如果水存在，可能會因過熱而沸騰，導致管道破裂。核電廠因此裝備了壓力操作安全閥和備用冷卻水供應，以應對相應情況的發生。在某些反應堆設計中，若同時存在石墨和空氣，石墨可能引發火災，造成放射性污染。這種情況只存在於使用石墨作為中子調節劑的氣冷壓水反應堆（AGR）、RBMK反應堆、Magnox反應堆以及武器生產反應堆中。燃料和反應堆內部可能會熔化，且若熔化的配置仍然臨界，熔融物質將繼續產生熱量，這可能導致其融化穿過反應堆底部，此事件被稱為核熔毀。
被稱為“中國症”的事件便是將核熔毀過程推至極端的情境：熔融物質沿著土壤向下流向水層（及以下）。
雖然目前的理解和經驗表明熔融物質的熱量生成會在下沉之前變得不穩定，但事故的後果依然是極其嚴重的。一些反應堆設計具有被動安全功能，能夠阻止在極端情況下發生熔毀。例如，卵石床反應堆可在燃料的極端溫度變化中生存，CANDU反應堆則擁有兩大塊相對冷卻、低壓水（第一是重水調節劑；第二是裝滿輕水的屏蔽罐），可作為熱沉。氫調節自調核能模組則在化學分解的過程中排除了氫調節劑，停止裂變反應，這一原理也適用於TRIGA研究反應堆。
在運行狀況下，反應堆可被動調整其功率輸出。這些變化受到冷卻劑空白係數的影響。現代核電廠大多數具有負的空白係數，當水變為蒸汽時，功率會立即下降。然而，蘇聯的RBMK和加拿大的CANDU則為例外。相比之下，沸水反應堆在設計上考慮了反應堆容器內的蒸汽空白。無論空白係數為何，現代反應堆均設計以預防和承受冷卻劑的損失，採用多種技術來保障安全性。
一些反應堆，例如卵石床反應堆，在冷卻劑失敗時會被動減慢鏈式反應；另一些則擁有廣泛的安全系統以迅速關閉裂變鏈反應。
當冷卻劑損失事件發生後，三個物理過程預期會延長事故發生與核輻射大規模釋放之間的時間。這三個因素將給予操作人員更多時間來減輕事故可能帶來的結果：水開始沸騰所需的時間、燃料熔化的時間，以及熔融燃料突破主要壓力邊界的時間。這些時間將取決於衰變產物的熱輸入、燃料的熱容量和熔化點。燃料是否保持臨界狀態，也將在受損核心內部的條件中發揮重要作用。
福島第一核電廠在2011年發生的核災難就是一例LOCA事件的真實後果。該事件中，為冷卻泵提供電力的電路發生故障，造成核反應堆冷卻喪失。這一情況導致了三次核熔毀、三次氫爆炸以及放射性污染物的釋放。氫爆炸直接與因冷卻劑損失而導致的鋯合金與蒸汽的氧化反應有關。
在大多數反應堆中，鋯合金被用作燃料棒的包裹材料，因為其具備良好的耐腐蝕性和低中子吸收截面。
然而，鋯合金的主要缺點在於其過熱時會與水（蒸汽）發生劇烈的氧化反應，產生氫氣。此反應的發生在福島的氫爆炸中發揮了關鍵角色。氫氣的生成及其後續的爆炸，充斥著整個福島核電廠周圍。例如，在熔化的過程中，鋯基燃料包裹材料在高溫氧化、相變化和蠕變變形的過程同時發生，快速升高的溫度會導致過早爆裂。
這提醒我們，儘管ECCS具備至關重要的功能，但核能的安全運行不僅依賴單一系統的可靠性，各種化學和物理過程也密切影響事故的發展與後果。隨著技術的發展，許多新型的抗氧化塗層技術正在被研究，這些技術的出現或將改變未來核電安全的面貌。在這個不斷變化的領域，我們是否真正理解並充分利用了ECCS的潛力來保障核能的安全性？
