日本大地震為何引發(fā)了大海嘯和核泄漏危機

東延民

(中學物理教學參考雜志社,陜西西安 710062)

2011年3月11日,北京時間13:46,日本當?shù)貢r間14:46,日本東北部發(fā)生了日本有觀測記錄以來規(guī)模最大的里氏9.0級大地震,隨后,日本氣象廳對巖手等縣的太平洋沿岸地區(qū)發(fā)布大海嘯警報.此次地震發(fā)生在日本東北部城市仙臺以東100多km的外海水下6 km處,地震破裂起始點為北緯38.1°,東經(jīng)142.6°(如圖1所示).地震發(fā)生后,全球多家地震機構(gòu)給出震級為里氏7.9級,美國、中國等很多國家都發(fā)出了海嘯預警.數(shù)小時后,震級修訂為里氏8.9級.幾天之后,科學家們在分析更多地震數(shù)據(jù)的基礎上,將震級又更正為里氏9.0級(震級每高1級,地震波能量就增加33倍).

圖1

圖2

專家們根據(jù)全球記錄到的遠震高頻P波(縱波)信息(如圖2所示),估計此次地震的破裂時間約為120 s.結(jié)合余震分布以及P波持續(xù)時間隨方位角的關系,判定此次地震破裂長度約500 km;地震從起始點(震中)開始,向南擴展約300 km,幾乎到達東京附近;同時從震中向北擴展約200 km,直到日本海溝與千島海溝交界處停止.

日本這次地震是一場巨大的慘劇,強烈地震甚至使地球偏離地軸,數(shù)萬人喪生,整個日本島向海里移動了3 m,部分海岸下沉了1 m.那么,究竟是什么因素導致了慘絕人類的災難?

1 日本為什么發(fā)生了里氏9.0級大地震

圖3

地殼是由數(shù)塊構(gòu)造板塊組成,每塊有一個洲那么大.日本就處在太平洋板塊和歐亞板塊的交界處(如圖3所示),也就是說日本處在環(huán)太平洋地震帶的西太平洋地震帶上.由于日本處于這個特殊的地理位置,受北美板塊、菲律賓板塊和歐亞板塊的運動和相互作用的影響,是一個經(jīng)常發(fā)生地震的國家.太平洋板塊和歐亞板塊平時處于閉鎖狀態(tài),太平洋板塊每年向內(nèi)擠壓8 mm,和人指甲的生長速度差不多.太平洋板塊插入到歐亞板塊下方,同時不斷扯動歐亞板塊.日本所在的板塊在拉扯下壓縮彎折.由于地殼和地幔頂部的溫度較低,因此太平洋板塊與歐亞板塊間的相對運動導致了強烈形變以及巨大的應變能積累了幾十年、幾百年,好如同一根上了幾十年、幾百年的發(fā)條.2011年3月11日,日本時間14∶46,板塊之間因形變而產(chǎn)生的巨大應力達到了臨界點并超過板塊之間的閉鎖力,形成了此次大地震.地震中釋放的能量非常大,如果用廣島原子彈計,其釋放的能量相當于200萬顆廣島原子彈.這個能量以震波輻射開來,較快的波是縱波,能以6 km/s的速度傳播.幾秒鐘內(nèi),在大家還沒弄清楚怎么回事時,日本耗資10億美元建造的監(jiān)測系統(tǒng)立刻感應到了縱波,自動報警便已傳遍整個日本,甚至打斷了日本國會的現(xiàn)場直播.警報系統(tǒng)啟動時,較慢但更具破壞力的橫波以3 km/s的速度抵達震源100 km外的海濱城市仙臺,沖擊了震源西南方150 km處、離海岸只有幾步之遙的福島第一核電站.這是一家有著6個反應堆的老核電站,功率高達4.5 kMW.隨即日本的警報系統(tǒng)自動關停了反應堆后應急柴油發(fā)電機啟動,向堆芯泵入冷卻劑,福島第一核電站扛住了當時地震的襲擊.但在地震結(jié)束之前,所有的日本人都明白更糟糕的事情還未到來.距離海嘯的來臨只有幾分鐘,現(xiàn)在的問題是,此次日本大地震是如何引發(fā)大海嘯的?

2 日本大地震如何引發(fā)了大海嘯

幾個世紀以來,日本周圍的地殼斷層不斷地被太平洋板塊向下擠壓和拉拽,整個上層板塊就像一塊隆起的磚頭,它被不停地擠壓而拱起,地震發(fā)生后,它又彈回原樣.上層巨大板塊的突然回彈將6 km深處的海水向上抬升至海水的表面.當海水回落,巨大的波浪擴散到了整個海洋.與普通波浪不同的是,它更像是爆炸的沖擊波,只有1 m高,但厚度卻有100 km,并且速度十分驚人.波浪一方面向著太平洋擴散,另一方面沖向了日本海岸,這就是日本這次地震引發(fā)的海嘯.海嘯移動得非常快,它的速度取決于水深.在深海中,海嘯移動得非常之快,差不多是噴氣式飛機的速度—800 km/h,不到幾分鐘,海浪就到達了海岸.在淺海處,海床減緩了前方海浪的速度,但后方的海浪依舊以高速沖來,開始趕上前浪,漸漸增加的壓力讓海水上升,形成了上升的海潮.下方的海域變淺,海嘯便應力而升.接著第一個浪尖過去之后,第二個接踵而至.后面的海浪不斷疊起,與前面的海水融為一體,海潮形成了破浪波.到達不同城市的海浪高度具有很大的差異,一部分原因是海底深度的不同,水越深的地方,海嘯前進得越快,也就越早到達陸地;另一個原因是海岸線上復雜的峭壁、海灣和水道.海嘯在地震發(fā)生20 min后,最先襲擊了大船渡市.沖擊海岸的海水大概有100億噸,就好比100萬個游泳池的水倒向了日本東北的沿海地區(qū).15 min后,海嘯襲擊了此處向南116 km處的仙臺.這座城市周圍大部分是耕地、低洼、肥沃、平坦的陸地.因此,海嘯上岸后幾乎絲毫沒有減速.所以在毫無阻攔的情況下,到達內(nèi)陸6～7 km的地方.接下來海嘯又襲擊了此處以北189 km的宮古島,發(fā)生在這里的事情造就了另一個謎:這個地方有非常好的10 m高、2.4 m長的“海上長城”——海嘯防御工事,海嘯有 10 m高,那為什么10 m高的海堤沒能阻擋“海嘯大軍”?科學家通過研究海岸線上成千上萬的傳感器數(shù)據(jù),已經(jīng)知道了部分答案.實際上,海岸線下降,給海水的運動提供了足夠的空間,他基本上填不了陸地下沉造成的空隙.很多村莊都被完全摧毀,沒有一個幸存者.地震導致整個海岸線下沉1 m,巖手縣宮古市的防洪堤隨之下陷,海岸下沉.海嘯奔襲而來,由于產(chǎn)生了兩米的地勢差,海水直灌進來,根本擋不住,只有等浪頭撞到更高的地方才能停下來.但險情最嚴重的還是已經(jīng)停堆(中止控制棒自動插入)的福島第一核電站.雖然福島第一核電站在地震中幸免于難,這里也有5.6 m高的防洪堤,在地震中也下沉了0.5 m多,地震發(fā)生40 min后,海水沖毀防洪堤,淹沒了冷卻堆芯的柴油發(fā)電機房.此刻日本又面臨著又一災難威脅,頓時日本全國陷入核泄露的危機.

圖4

3 日本大地震如何引發(fā)了核泄露危機

日本福島第一、第二核電站的所有10座核反應堆在1971-1988年間建成運行,均屬沸水型反應堆(Boiling Water Reactors).其工作原理是核燃料棒在反應堆堆芯發(fā)生可控的鏈式反應,產(chǎn)生大量熱量;這些熱量傳遞給反應堆壓力容器內(nèi)的水,這些水被加熱后產(chǎn)生蒸汽,直接推動蒸汽渦輪發(fā)電機產(chǎn)生電能.這個回路里的水,在反應堆運轉(zhuǎn)后是沸騰的,蒸汽通過渦輪發(fā)電機后需要進入一個冷凝器,冷凝器引入海水進行冷卻,蒸汽冷卻后重新變成液態(tài)水流回反應堆壓力容器.

聽到停堆這個詞,人們會認為沒有危險了,可是事實是隱藏著核危機,雖然反應堆已經(jīng)關停了,但是反應堆芯依然熾熱.比方說在爐子里放了個盤子,關掉爐子,盡管如此,爐子還是會給內(nèi)部繼續(xù)加熱.因為反應堆關停之后,核燃料棒依然放出大量自衰變熱量,所以需要繼續(xù)進行冷卻,直至實現(xiàn)“冷溫停止”的穩(wěn)定狀態(tài).日本福島第一核電站在反應堆停堆的情況下,余熱冷卻系統(tǒng)的泵所需電力就需要從外部輸入.一般情況會準備多路外電網(wǎng)輸入,同時,每臺機組一般有2臺應急柴油發(fā)電機供電,而且同一電廠內(nèi)的其他機組的應急柴油發(fā)電機也可以互相備用.但在這次強烈地震后,日本福島第一核電廠的外電網(wǎng)全部癱瘓,自身的應急柴油發(fā)電機在運行1 h后,也因為海嘯的襲擊而全部喪失,這就導致失去所有外部電力供應,中斷了維持冷卻水循環(huán)系統(tǒng).堆芯失去強迫冷卻手段,使得核燃料棒沒有足夠的水覆蓋冷卻,導致反應堆壓力容器內(nèi)水溫、壓力上升,混凝土安全殼內(nèi)蒸汽壓力上升.雖然采取了人工釋放蒸汽以及注入海水的措施,這一措施還導致了微量核泄漏.但蒸汽放出后反應堆里的水位也降低了,注入海水時也沒有料到核燃料棒已經(jīng)處于裸露狀態(tài),由于沒有足夠的水覆蓋冷卻,核燃料棒上端很容易過熱破裂.不幸的是 1、2、3、4號機組相繼發(fā)生了氫氣爆炸,炸開了核電站反應堆廠房.同時4號機組起火,福島第一核電站成為“一座噴發(fā)的火山”.眾所周知,核燃料在發(fā)生鏈式反應時會產(chǎn)生大量對人體有害的放射性物質(zhì),如碘131、銫137.由于發(fā)生氫氣爆炸,是這些放射性物質(zhì)輻射量泄露,最高達到 11930 μ Sv/h.那么,核反應堆里的氫氣究竟是從哪里來的?為什么會發(fā)生氫氣爆炸?

因為反應堆里的溫度、壓力很高,燃料棒是用鋯做包殼的,鋯與水在高溫下發(fā)生強烈的鋯水反應(Zr+2H2O=ZrO2+2H2↑),形成氧化鋯和氫氣,氫氣隨著其他氣體從反應堆里出來,所以氫氣聚集到了廠房里.氫氣有一個特點,它的濃度到4%或者更高一點就會爆炸.但反應堆都會設計和安裝排氫系統(tǒng),以避免爆炸的產(chǎn)生.日本反應堆的排氫系統(tǒng)已經(jīng)沒有能源供應或已經(jīng)在地震中損毀,所以沒有正常工作,于是引發(fā)了切爾諾貝利之后最嚴重的核泄露危機.