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说说氢气大爆炸 精选

已有 8816 次阅读 2011-3-15 05:46 |个人分类:消防析灾|系统分类:科普集锦|关键词:Fire| fire

说说氢气大爆炸

       日本福岛核电站1号机组发生的氢气爆炸和3号机组发生的氢气爆炸是有所不同的,前者是冷却用氢气,后者是高温分解冷却用海水之后产生的氢气;前者冒白烟,白烟是水蒸汽,后者冒黑烟,黑烟意味着大量的不完全燃烧行为,估计是引燃了周围的燃料产生了大量的烟黑,所以是黑烟。国内老式蒸汽机火车头,稳定燃烧时冒白烟,加力燃烧时冒黑烟;民航班机平稳航行时没有烟(看不见,很快稀释),起飞之时加力燃烧,冒黑烟,性质类似。

       福岛1号机组氢气爆炸的性质类似于美国三哩岛核电厂事故,都是冷却用氢气的爆炸。氢气本来就是可燃性范围宽(氢气的爆炸浓度范围是4%75%,普通燃料爆炸的浓度范围是1%20%),而且氢气极度活泼,可以在900K即发生反应。与此可以类比的是一氧化碳,1300K才燃烧,而其他的燃料,基本都是需要1600K才能够维持燃烧反应进行的。因此,从化学反应的活性上看来,氢气是最活泼的气体,因此最危险。

       那么为什么要用氢气作冷却气体呢?氢气有一项优异的物理性能,就是氢气分子极小,扩散能力极强。因此只要在燃料中添加一点氢气,就可以稳定燃烧,防止火焰熄灭,这种稳定燃烧的行为,对于提高燃烧器的安全性有好处,因此称作“Hydrogen Doping”。这种扩散能力用在传热上,就是换热系数极高,可以设计出紧凑的换热器来。与此相比可以类似的气体是氦气,不过氦气是大自然核分裂反应的产物,全世界的产量主要在美国,因此极度昂贵,非科研无法大规模使用。有时用氦气作高压气瓶的探伤检漏,这时氢气的安全性又是其主要的障碍了。无论是氢气还是氦气,都是利用了其小分子的物理特征,这是其他气体无法比拟的。孙学军老师研究氢气的治病效果,还是利用了其分子小,安全性高(与氦气相比)的特征。扩散系数大的分子,可以发挥其易扩散的优势,帮助其他物质或气体发挥效果,导致一种协同效应(Synergistic Effect),这是难以定量,却可以显著观察到的特征。氢气应该是最无毒的一种气体,无孔不入是其最显著的物理特征。

       人们又在比较核爆炸与氢气爆炸的区别。核燃料,如果不经过提纯,是不可能直接用于核弹的,因为浓度不够,点不着。朝鲜伊朗被美国卡脖子,造不成原子弹,就是关键部件高速离心提纯设备无法进口,因此核弹效果有限。 乌克兰的切尔诺贝利核电厂事故也不是核爆炸,而是因为试验的程序有误,导致核反应加速进行,导致反应堆中短时间内产生了10倍最大负荷的热量,这些非正常发生的热量烧毁了换热蒸汽管路,蒸汽进入核岛内部而引发的爆炸,紧接着23秒之后又发生第二次爆炸,很可能是蒸汽分解(水煤气反应)导致的氢气爆炸。第二次爆炸导致核燃料和石墨材料(限速吸收材料)的抛出反应堆,而石墨的成分是碳,高温石墨接触氧气即燃烧,由于燃烧产生的羽流携带了大量的放射性核燃料物质,切尔诺贝利事故终于成为人类历史最严重的悲剧。原因经常小,过程很复杂,火灾或爆炸,都因系列错。事故发生之后,苏联的独家设计都遭到唾弃,从此没有类似的设计了,因此福岛核电危机,重复切尔诺贝利事故的可能性是相当低的。

       福岛机组早已停机,现在就是冷却速度问题,如果程序正常(如美国三哩岛事故那样),危机消除是很快的。关键还是民众不放心,惊弓之鸟难信任,这是需要科普工作者动笔解释的,我这里不过是翻译一点维基百科,以飨读者。

       有道是,氢气活泼常危险,物理特征可利用,机组人体相类似,协同合作可增效。

奄奄一息的福岛核电厂用海水作冷却,节约水源,却又设备腐蚀性问题。

福岛核电厂3号机组氢气爆炸的场面。



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