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熔毀的秘密：核反應堆核心究竟會發生什麼事情？
核能是一種供應全球清潔電力的重要資源，但其潛在的風險卻時常令人擔憂。當發生冷卻劑失去事故（LOCA）時，核反應堆的核心可能會受到嚴重損害，這會導致一連串的危機事件。為了更好地理解這一過程，我們將探討LOCA的機制，以及在這種情況下核反應堆核心會發生什麼。
冷卻劑失去事故（LOCA）的背景
在核反應堆中，冷卻劑的存在至關重要。它不僅用於移除反應堆核心内部產生的熱量，還能確保核裂變反應的穩定運行。一旦冷卻劑流量減少，反應堆的應急停機系統會立即啟動，停止裂變反應。然而，儘管反應堆不再進行裂變，核燃料依然會因為放射性衰變而產生大量的熱。
「無論是在全功率停機還是停機的狀態下，核燃料的衰變熱會持續一段時間。」
反應堆中的危險鏈
如果所有的獨立冷卻系統失效，加熱可能導致燃料溫度飆升到損壞反應堆的程度。當冷卻液存在時，可以煮沸並形成高壓，這也是為什麼核電廠配備壓力釋放閥和備份冷卻水供應的原因。
在某些反應堆設計中，如果石墨和空氣同時存在，石墨可能會著火，擴散放射性污染。這主要發生在使用石墨作為中子調節劑的反應堆中，例如AGR、RBMK和Magnox反應堆（可參考切爾諾貝利災難的例子）。
熔毀的風險
如果燃料和反應堆內部熔化，熔融質量仍然可能保持臨界狀態，這會導致持續產生熱量，甚至可能熔化穿過反應堆底部，形成所謂的「核熔毀」情況。這種情況下，熔融物質向下穿透土壤達到水位（甚至更深）的過程被稱為「中國綜合症」。但目前的知識顯示，熔融物質在深入之前會變得不穩定，無法持續產生熱量。
「切爾諾貝利事件中的反應堆核心雖然熔化，卻因為材料廣泛分散而無法再進行鏈式反應。」
現代反應堆的安全設計
許多現代核反應堆設計都有被動安全特性，旨在防止在極端條件下發生熔毀。例如，圓珠床反應堆（Pebble Bed Reactor）能有效承受燃料的極端溫度變化。另一方面，CANDU反應堆具有兩大塊相對低壓的冷卻水，這亦能作為熱源的緩衝器。
在失去冷卻劑的情況下，某些反應堆的功率輸出可以被動調整，並減少產熱。這一點通過冷卻劑空缺系數來測量，而大多數現代核電廠都顯示為負值。
福島核災的警示
2011年福島第一核電廠災難是由於冷卻劑失去事故引發的。當時電力系統故障，造成反應堆核心冷卻失效，最終導致三次核熔毀和氫爆炸。這一事件再次警示了失去冷卻劑可能導致的危險。
燃料包覆層的挑戰
目前大多數核反應堆的燃料棒包覆層是用鈦合金材料製成的，儘管其耐腐蝕性好，但當過熱時卻會與水發生劇烈反應，生成氫氣。這種反應在福島核災中的氫爆炸中扮演了重要角色。
技術的發展與未來
對於燃料包覆層的抗氧化涂層技術的發展也顯得尤為關鍵。如將Zirlo基材涂覆上Ti2AlC MAX相，可顯著提高其在高溫下的抗氧化能力，這對於核安全無疑是重大步驟。
結論：核能的未來與風險
在反應堆設計中，不斷引入新技術以防止事故的發生以及降低傷害程度是前進的重要步驟。然而，我們仍然需思考，隨著技術的進步，我們是否足夠準備好應對未來核能所潛藏的風險?
