東延民

(中學(xué)物理教學(xué)參考雜志社,陜西西安 710062)

2011年3月11日,北京時(shí)間13:46,日本當(dāng)?shù)貢r(shí)間14:46,日本東北部發(fā)生了日本有觀(guān)測(cè)記錄以來(lái)規(guī)模最大的里氏9.0級(jí)大地震,隨后,日本氣象廳對(duì)巖手等縣的太平洋沿岸地區(qū)發(fā)布大海嘯警報(bào).此次地震發(fā)生在日本東北部城市仙臺(tái)以東100多km的外海水下6 km處,地震破裂起始點(diǎn)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(jī)構(gòu)給出震級(jí)為里氏7.9級(jí),美國(guó)、中國(guó)等很多國(guó)家都發(fā)出了海嘯預(yù)警.數(shù)小時(shí)后,震級(jí)修訂為里氏8.9級(jí).幾天之后,科學(xué)家們?cè)诜治龈嗟卣饠?shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,將震級(jí)又更正為里氏9.0級(jí)(震級(jí)每高1級(jí),地震波能量就增加33倍).

圖1

圖2

專(zhuān)家們根據(jù)全球記錄到的遠(yuǎn)震高頻P波(縱波)信息(如圖2所示),估計(jì)此次地震的破裂時(shí)間約為120 s.結(jié)合余震分布以及P波持續(xù)時(shí)間隨方位角的關(guān)系,判定此次地震破裂長(zhǎng)度約500 km;地震從起始點(diǎn)(震中)開(kāi)始,向南擴(kuò)展約300 km,幾乎到達(dá)東京附近;同時(shí)從震中向北擴(kuò)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(chǎng)巨大的慘劇,強(qiáng)烈地震甚至使地球偏離地軸,數(shù)萬(wàn)人喪生,整個(gè)日本島向海里移動(dòng)了3 m,部分海岸下沉了1 m.那么,究竟是什么因素導(dǎo)致了慘絕人類(lèi)的災(zāi)難?

1 日本為什么發(fā)生了里氏9.0級(jí)大地震

圖3

地殼是由數(shù)塊構(gòu)造板塊組成,每塊有一個(gè)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(shuō)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(gè)特殊的地理位置,受北美板塊、菲律賓板塊和歐亞板塊的運(yùn)動(dòng)和相互作用的影響,是一個(gè)經(jīng)常發(fā)生地震的國(guó)家.太平洋板塊和歐亞板塊平時(shí)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(zhǎng)速度差不多.太平洋板塊插入到歐亞板塊下方,同時(shí)不斷扯動(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了強(qiáng)烈形變以及巨大的應(yīng)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(shí)間14∶46,板塊之間因形變而產(chǎn)生的巨大應(yīng)力達(dá)到了臨界點(diǎn)并超過(guò)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(jì),其釋放的能量相當(dāng)于200萬(wàn)顆廣島原子彈.這個(gè)能量以震波輻射開(kāi)來(lái),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(méi)弄清楚怎么回事時(shí),日本耗資10億美元建造的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)立刻感應(yīng)到了縱波,自動(dòng)報(bào)警便已傳遍整個(gè)日本,甚至打斷了日本國(guó)會(huì)的現(xiàn)場(chǎng)直播.警報(bào)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí),較慢但更具破壞力的橫波以3 km/s的速度抵達(dá)震源100 km外的海濱城市仙臺(tái),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(gè)反應(yīng)堆的老核電站,功率高達(dá)4.5 kMW.隨即日本的警報(bào)系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)停了反應(yīng)堆后應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng),向堆芯泵入冷卻劑,福島第一核電站扛住了當(dāng)時(shí)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(lái).距離海嘯的來(lái)臨只有幾分鐘,現(xiàn)在的問(wèn)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(gè)世紀(jì)以來(lái),日本周?chē)牡貧鄬硬粩嗟乇惶窖蟀鍓K向下擠壓和拉拽,整個(gè)上層板塊就像一塊隆起的磚頭,它被不停地?cái)D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(dāng)海水回落,巨大的波浪擴(kuò)散到了整個(gè)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(kuò)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(dòng)得非常快,它的速度取決于水深.在深海中,海嘯移動(dòng)得非常之快,差不多是噴氣式飛機(jī)的速度—800 km/h,不到幾分鐘,海浪就到達(dá)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?zèng)_來(lái),開(kāi)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(yīng)力而升.接著第一個(gè)浪尖過(guò)去之后,第二個(gè)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(dá)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(jìn)得越快,也就越早到達(dá)陸地;另一個(gè)原因是海岸線(xiàn)上復(fù)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(wàn)個(gè)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(tái).這座城市周?chē)蟛糠质歉亍⒌屯?、肥沃、平坦的陸?因此,海嘯上岸后幾乎絲毫沒(méi)有減速.所以在毫無(wú)阻攔的情況下,到達(dá)內(nèi)陸6～7 km的地方.接下來(lái)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(gè)謎:這個(gè)地方有非常好的10 m高、2.4 m長(zhǎng)的“海上長(zhǎng)城”——海嘯防御工事,海嘯有 10 m高,那為什么10 m高的海堤沒(méi)能阻擋“海嘯大軍”?科學(xué)家通過(guò)研究海岸線(xiàn)上成千上萬(wàn)的傳感器數(shù)據(jù),已經(jīng)知道了部分答案.實(shí)際上,海岸線(xiàn)下降,給海水的運(yùn)動(dòng)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(méi)有一個(gè)幸存者.地震導(dǎo)致整個(gè)海岸線(xiàn)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(lái),由于產(chǎn)生了兩米的地勢(shì)差,海水直灌進(jìn)來(lái),根本擋不住,只有等浪頭撞到更高的地方才能停下來(lái).但險(xiǎn)情最嚴(yán)重的還是已經(jīng)停堆(中止控制棒自動(dòng)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(méi)了冷卻堆芯的柴油發(fā)電機(jī)房.此刻日本又面臨著又一災(zāi)難威脅,頓時(shí)日本全國(guó)陷入核泄露的危機(jī).

圖4

3 日本大地震如何引發(fā)了核泄露危機(jī)

日本福島第一、第二核電站的所有10座核反應(yīng)堆在1971-1988年間建成運(yùn)行,均屬沸水型反應(yīng)堆(Boiling Water Reactors).其工作原理是核燃料棒在反應(yīng)堆堆芯發(fā)生可控的鏈?zhǔn)椒磻?yīng),產(chǎn)生大量熱量;這些熱量傳遞給反應(yīng)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(dòng)蒸汽渦輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能.這個(gè)回路里的水,在反應(yīng)堆運(yùn)轉(zhuǎn)后是沸騰的,蒸汽通過(guò)渦輪發(fā)電機(jī)后需要進(jìn)入一個(gè)冷凝器,冷凝器引入海水進(jìn)行冷卻,蒸汽冷卻后重新變成液態(tài)水流回反應(yīng)堆壓力容器.

聽(tīng)到停堆這個(gè)詞,人們會(huì)認(rèn)為沒(méi)有危險(xiǎn)了,可是事實(shí)是隱藏著核危機(jī),雖然反應(yīng)堆已經(jīng)關(guān)停了,但是反應(yīng)堆芯依然熾熱.比方說(shuō)在爐子里放了個(gè)盤(pán)子,關(guān)掉爐子,盡管如此,爐子還是會(huì)給內(nèi)部繼續(xù)加熱.因?yàn)榉磻?yīng)堆關(guān)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(jìn)行冷卻,直至實(shí)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(yīng)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(huì)準(zhǔn)備多路外電網(wǎng)輸入,同時(shí),每臺(tái)機(jī)組一般有2臺(tái)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)供電,而且同一電廠(chǎng)內(nèi)的其他機(jī)組的應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)也可以互相備用.但在這次強(qiáng)烈地震后,日本福島第一核電廠(chǎng)的外電網(wǎng)全部癱瘓,自身的應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)在運(yùn)行1 h后,也因?yàn)楹[的襲擊而全部喪失,這就導(dǎo)致失去所有外部電力供應(yīng),中斷了維持冷卻水循環(huán)系統(tǒng).堆芯失去強(qiáng)迫冷卻手段,使得核燃料棒沒(méi)有足夠的水覆蓋冷卻,導(dǎo)致反應(yīng)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(dǎo)致了微量核泄漏.但蒸汽放出后反應(yīng)堆里的水位也降低了,注入海水時(shí)也沒(méi)有料到核燃料棒已經(jīng)處于裸露狀態(tài),由于沒(méi)有足夠的水覆蓋冷卻,核燃料棒上端很容易過(guò)熱破裂.不幸的是 1、2、3、4號(hào)機(jī)組相繼發(fā)生了氫氣爆炸,炸開(kāi)了核電站反應(yīng)堆廠(chǎng)房.同時(shí)4號(hào)機(jī)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?zhǔn)椒磻?yīng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量對(duì)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(dá)到 11930 μ Sv/h.那么,核反應(yīng)堆里的氫氣究竟是從哪里來(lái)的?為什么會(huì)發(fā)生氫氣爆炸?

因?yàn)榉磻?yīng)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(qiáng)烈的鋯水反應(yīng)(Zr+2H2O=ZrO2+2H2↑),形成氧化鋯和氫氣,氫氣隨著其他氣體從反應(yīng)堆里出來(lái),所以氫氣聚集到了廠(chǎng)房里.氫氣有一個(gè)特點(diǎn),它的濃度到4%或者更高一點(diǎn)就會(huì)爆炸.但反應(yīng)堆都會(huì)設(shè)計(jì)和安裝排氫系統(tǒng),以避免爆炸的產(chǎn)生.日本反應(yīng)堆的排氫系統(tǒng)已經(jīng)沒(méi)有能源供應(yīng)或已經(jīng)在地震中損毀,所以沒(méi)有正常工作,于是引發(fā)了切爾諾貝利之后最嚴(yán)重的核泄露危機(jī).