氢气爆炸（化学反应现象）

氢气爆炸

化学反应现象

氢气在空气中点燃可能发生爆炸，按理论计算，氢气爆炸极限是4.0%～75.6%（体积浓度），意思是如果氢气在空气中的体积浓度在4.0%～75.6%之间时，遇火源就会爆炸，而当氢气浓度小于4.0%或大于75.6%时，即使遇到火源，也不会爆炸。

简介

氢气爆炸指的是堆芯熔化后高温下锆水反应产生氢气在安全壳内积聚后与空气混合后发生的爆炸。氢气在空气中点燃可能发生爆炸，按理论计算，氢气爆炸极限是4.0%～75.6%（体积浓度）。

爆炸最猛烈是指氢气和氧气恰好反应的时候，即氢气和氧气按照体积比2：1反应，氧气在空气中的体积分数为21%，恰好反应时所需的空气体积和氢气的体积比约为5：2，此时氢气的体积分数为最高限和最低限都是弱爆炸，超出这个范围氢气根本就不会发生爆炸。

氢气爆炸极限是4.0%～75.6%（体积浓度），意思是如果氢气在空气中的体积浓度在4.0%～75.6%之间时，遇火源就会爆炸，而当氢气浓度小于4．0%或大于75．6%时，即使遇到火源，也不会爆炸。

2011年3月12日下午，东京电力公司表示，经认定，福岛第一核电站1号机组和3号机组发生的爆炸都是氢气爆炸。日本政府根据国际核事故分级表，将此次事故定级为四级(最高七级)。

日本经济产业省原子能安全和保安院2011年3月14日宣布，福岛第一核电站3号机组当地时间11时01分（北京时间10时01分）发生氢气爆炸，反应堆所在建筑遭到损坏。东京电力公司随后宣布，爆炸发生后，附近有7人失踪。地震发生后，日本全国4座核电站受到不同程度的影响，共有11座核反应堆停止运转。

基本特性

1、标识

中文名：氢；氢气

英文名：Hydrogen

2、理化性质

外观与形状：无色无臭气体

主要用途：用于合成氨和甲醇等，石油精制，有机物氢化及作火箭燃料

熔点（℃）：-259.2

相对密度（水=1）：0.07/-252℃（比水轻）

沸点（℃）：-252.8

相对密度（空气=1）：0.07 （比空气轻）

饱和蒸汽压（KPa）：13.33/-257.9℃

溶解性：不溶于水，不溶于乙醇、乙醚

临界温度（℃）：-240 临界压力（MPa）： 1.30

燃烧热（KJ/mol）：241.0 最小引燃能量（mJ）：0.019

爆炸原理

福岛核电站采用的是沸水反应堆，反应堆最里面的是核燃料，核燃料装在陶瓷芯块中，陶瓷芯块又装在锆合金中，锆合金外面就是水，水装在一个大容器中，容器的外面是钢筋混凝土做成的安全壳。

核燃料发生裂变，产生的热量传导给水，水变成蒸汽，从蒸汽管流出去，其中的液态水被过滤掉后，就进入发电机组，发完电后，气体冷却为液态水，又通过水管流回容器，如此形成循环。

氢气爆炸的条件是在密闭的容器里，氢气和空气相混合时，当氢气含量在4~76%的范围内，且有火花式温度在700℃以上时，就会发生爆炸。

要求是：氢气系统中氢气纯度绝不低于96%，含氧量不应大于2%；制气设备中，气体含氢量不应低于99.5%,含氧量不应超过0.5%。

当时日本此次地震发生后，供电系统中断，此时应该启用核电站自有的柴油发电机发电，但是地震引起的海啸又把柴油发电装置淹没了，核反应堆失去了电力供应。此时，由于没有动力驱动，水循环不能完成，核反应堆中的热量带不出去，热量的聚集导致容器中更多的液态水变成蒸汽，容器内气压变大，对容器外壳形成威胁。

为了降低容器内的气压，工作人员选择把蒸汽排出核反应堆，但是容器内的高温使得水蒸气与锆合金反应产生氢气，含有氢气的蒸汽排出去之后，与厂房里的氧气混合发生了爆炸。

爆炸极限

爆炸极限之一

当可燃性气体（蒸气）或可燃性粉尘与空气混合并达到一定浓度时，遇到火源就会发生爆炸。这些可燃物质与空气所形成的爆炸混合物能够发生爆炸的浓度范围，叫做爆炸极限。通常用可燃物质在爆炸混合物中的体积百分比来表示，有时也用每立方米或每升混合物中含有可燃物质若干克来表示。

爆炸极限说明可燃气体（蒸气）或粉尘与空气的混合物并不是在任何比例下都有可能发生爆炸的，它有一个最低的爆炸浓度——爆炸下限，和一个最高的爆炸浓度——爆炸上限。只有在这两个浓度之间，才有爆炸的危险。如果可燃物质在混合物中的浓度低于爆炸下限，由于空气所占的比例很大，可燃物质浓度不够，因而遇到明火，既不会爆炸，也不会燃烧。如果可燃物质在混合物中的浓度高于爆炸上限，由于含有大量的可燃物质，空气不足，缺少助燃的氧气，遇到明火，虽然不会爆炸，但接触空气却能燃烧。

爆炸极限之二

一种可燃性气体（或蒸气）和空气的适量混合物组成爆炸混合物，混合物能发生爆炸的浓度范围，叫爆炸极限。空气里含有可燃性气体（如氢气、一氧化碳、甲烷等）或蒸气（如乙醇蒸气、汽油蒸气等）时，在一定体积分数范围内，遇火花（或催化剂）就会使火焰蔓延而发生爆炸。爆炸混合物中可燃性气体或蒸气遇火爆炸的最低体积分数称为低限（或下限）；最高体积分数称为高限（或上限）。体积分数低于这个限度时，遇空气和明火也不表现为燃烧，体积分数高于这个限度时遇空气和明火能进行安全燃烧。总之体积分数低于或高于这一范围，遇明火都不会发生爆炸。爆炸极限一般用可燃性气体或蒸气在爆炸混合物中的体积分数来表示。在可燃物的生产、储存、运输和使用时，都必须注意其爆炸极限，以保证安全。

危害特点

1、燃烧爆炸危险性

燃烧性：易燃

建筑火险分级：甲

闪点（℃）：处置方案

防护措施

(1) 进入燃烧区的抢险人员二级防护，并采取消防水枪掩护；

(2)凡在现场参与处置人员，最低防护不得低于三级。

排除险情

(1)外围灭火

向泄漏点、主火点进攻之前，必须将外围火点彻底扑灭。

(2)堵漏

1）根据现场泄漏情况，研究制定堵漏方案，并严格按照堵漏方案实施；

2）所有堵漏行动必须采取防爆措施，确保安全；

3）关闭前置阀门，切断泄漏源。

(3)输转

1）利用工艺措施倒罐或排空；

2）转移较危险的瓶体。

(4)点燃

当罐内气压减小，火焰自动熄灭，或火焰被冷却水流扑灭，但还有气体扩散且无法实施堵漏，仍能造成危害时，要果断采取措施点燃。

灭火

(1)灭火条件

1）周围火点已彻底扑灭；

2）外围火种等危险源已全部控制；

3）着火罐已得到充分冷却；

4）救援人员、装备、灭火剂已准备就绪；

5）物料源已被切断，且内部压力明显下降；

6）堵漏准备就绪，有把握在短时间内完成。

(2)灭火方法

1）关阀断气法：关闭阀门，切断气源，自行熄灭。

2）干粉抑制法：视燃烧情况使用车载干粉炮、胶管干粉枪、推车式、手提式干粉灭火器灭火。

3）水流切封法：采用多支水枪并排或交叉形成密集水流面，集中对准火焰根部下方未燃烧的氢气射水，同时向火头方向逐渐移动，隔断火焰与空气的接触使火熄灭。

4）旁通注入法：将卤代烷、惰性气体等灭火剂在喷口前的管道旁通处注入灭火。

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日本经济产业省原子能安全和保安院2011年14日宣布，福岛第一核电站3号机组当地时间11时01分（北京时间10时01分）发生氢气爆炸，反应堆所在建筑遭到损坏。东京电力公司随后宣布，爆炸发生后，附近有7人失踪。地震发生后，日本全国4座核电站受到不同程度的影响，共有11座核反应堆停止运转。

日本政府向国际原子能机构报告，在女川核电站外检测到过量核辐射，核电站设施周围的放射物质检测读数超出容许水平，政府正在调查放射源。日本政府在向国际原子能机构通报情况的同时，强调现阶段女川核电站全部三个反应堆“处于可控状态下”。国际原子能机构说，女川核电站一个受影响反应堆13日“借助释放蒸气方式”缓释内压，“日本当局通告说，但存在氢气积聚的可能”。

一、福岛第一核电站

地点：东京东北约200公里

3号机组氢气爆炸

原子能安全和保安院发言人宫生龙确认，福岛第一核电站3号机组14日上午氢气爆炸。日本广播协会电视台（NHK）画面显示，爆炸现场冒白烟，3号机组反应堆外层混凝土结构的防护罩受损，露出金属框架。这座核电站的运营机构日本东京电力公司说，反应堆压力容器和直接保护反应堆的金属防护罩未受损。

金属防护罩壁厚大约15厘米，外部有混凝土保护体。日本内阁官房长官枝野幸男14日说，3号机组的爆炸可以认为和此前1号机组的爆炸同属氢气爆炸，即反应堆内部产生的氢气溢出接触外界氧气发生剧烈反应，并非核爆炸。他指出，据核电站负责人说，放置反应堆的容器没有遭到损坏，放射性物质大量飞散的可能性很小。

证实多人遭核辐射

爆炸发生后，附近有7人失踪。东京电力公司宣布，一名来自合作伙伴公司的职员和6名自卫队员下落不明，目前正在确认其下落。东京电力公司还说，11名伤员入院治疗。当天，有多名核电站工作人员和自卫队队员被确认遭受核辐射，其中包括东京电力公司和来自合作伙伴公司的职员共6人，给3号机组反应堆灌注海水的一名男性自卫队队员等。3号机组由于反应堆水位降低，很可能发生了堆芯熔毁，而且此前就被指出存在氢气爆炸的危险。

2号机组冷却失灵

日本时事通讯社报道，福岛第一核电站2号机组反应堆冷却系统14日失灵。按原子能安全和保安院的说法，2号机组反应堆“完全丧失冷却功能”。1号机组和3号机组外部氢气爆炸前均遭遇冷却系统故障。美联社14日援引前美国能源部长顾问阿尔瓦雷斯的话报道，灌海水是“没办法的办法”。阿尔瓦雷斯说，海水和硼酸能否冷却反应堆取决于灌注量和灌注速度，需不间断持续数天。

日本专家说，海水灌入是目前冷却反应堆的最佳方法，但海水中的硼元素将不可避免地腐蚀反应堆，这一昂贵的设备恐将彻底报废。

当地时间14日16时34分，2号机组反应堆水位快速下降，导致燃料棒在一段时间内完全露出水面，如果积聚的热量不能顺利排出，反应堆也将面临堆芯熔毁的危险。

21万民众紧急转移

原子能安全和保安院说，3号机组氢气爆炸前，福岛第一核电站两处地点核辐射超标。14日2时20分测到一处地点核辐射量为每小时751微西弗，20分钟后另一处地点核辐射量为每小时650微西弗。可接受辐射量为每小时500微西弗。人体每年可承受的最大核辐射量大约为1000微西弗。氢气爆炸后，核电站厂区监测点测得核辐射量为每小时20微西弗，未急速上升。原子能安全和保安院说，在福岛第一核电站周边，目前风速为每秒1米左右，风向从南向北。原子能安全和保安院呼吁以核电站为中心方圆20公里范围内的民众进入室内躲避。

核电站1号机组12日因内压增加释放蒸气，外泄氢气与氧气混合后爆炸。日本共同社以日本总务省消防厅为消息源报道，3人先前遭福岛第一核电站放射性物质污染，去辐射后仍测出高污染数值，进入二次辐射医疗机构接受治疗。按照联合国公布的数字，截至13日晚间，日本政府总计转移安置灾区民众59万人，其中21万人因福岛第一核电站泄漏而紧急转移。

二、福岛第二核电站

地点：东京东北约200公里

政府派防灾机器人

福岛第二核电站内，1号、2号和4号机组均在等待排气减压，3号机组已经成功冷却。日本文部科学省13日曾宣布，正在运送防灾机器人前往福岛县第一和第二核电站周边，将在人员不宜靠近的高放射量场所从事救灾。

东海第二核电站

地点：距东京120公里

重获外部电力供应

日本原子能发电公司14日宣布，自动停止运转的东海第二核电站重新获得外部电力供应，将代替应急柴油发电机来冷却其反应堆温度。日本原子能发电公司透露，在地震发生后，反应堆立即停止运转，同时水泵持续开动，供应降低反应堆温度的冷却水。预计反应堆近期将进入稳定的“低温停止状态”。东海第二核电站13日晚曾宣布其两套冷却系统中一套系统的冷却泵失灵。日本原子能发电公司一名发言人说：“我们冷却系统中的一个由柴油发电机供电的海水泵因海啸冲击而失灵，我们随后手动停止了这套冷却系统。”通常情况下，反应堆停堆后，核燃料需冷却数日才能恢复常温。

地点：东京东北250公里

女川核电站

宣布进入紧急状态，日本政府13日宣布宫城县女川核电站进入“原子能紧急状态”。

三、影响

总部设在维也纳的国际原子能机构13日发布最新消息说，根据日本原子能部门的通报，女川核电站周边地区的辐射量已经降至正常标准。此前，日本方面曾通报国际原子能机构说，因检测到放射性物质，东北电力公司下属的女川核电站已经进入最低一级的紧急状态。

经调查，辐射源并非来自女川核电站的3座反应堆，日方推测辐射读数异常的原因可能与曾发生爆炸的福岛第一核电站有关。

路透社援引日本核能安全专家的话报道，女川核电站外的辐射强度较正常值超出大约700倍，但核辐射量绝对值并不高。核辐射强度超出正常水平可能是因为福岛第一核电站泄漏后放射性物质“随风飘至女川核电站所在地区”。女川核电站位于宫城县牡鹿郡女川町和石卷市的交界处。11日大地震发生时，女川核电站1号机组涡轮机房地下一层曾发生火灾，后被扑灭，未对外部造成放射性污染。

美国媒体报道，赴日参与救灾的“罗纳德·里根”号航空母舰船员受到辐射。《纽约时报》13日援引政府官员的话报道，“罗纳德·里根”号靠近日本时驶过受损核电站产生的带放射性物质云朵，船员在大约1小时内受到相当于平时1个月的辐射量。

按这些官员的说法，在受损核电站以北大约97公里处执行任务的美国直升机外部沾染放射尘埃，需要清洗。报道说，尚无迹象显示美军士兵因核暴露出现不适。但是为了安全起见，美军决定将航空母舰暂时撤往外海。“罗纳德·里根”号和“乔治·华盛顿”号航空母舰11日启程前往日本，参与救灾。

美国核管理委员会13日表示，福岛核电站泄漏出的少量放射性物质已经因天气原因远离人群，“考虑到两国相隔数千英里，夏威夷、阿拉斯加、美国海外领地以及美国西海岸都不会经受任何达到有害程度的辐射”。

四、专家解读

1、我核电站“门槛”高于世界平均水平

据新华社电 中核集团公司首席快堆专家、中国原子能科学研究院快堆工程部总工程师徐銤14日表示，我国核安全法规标准采用了国际原子能机构的最新研究成果，核电站建设和运行安全可控，但也应从日本此次事件中吸取教训，提高对自然的认识，制定更加周全的应对重大自然灾害的安全预案。

徐銤介绍说，日本福岛核电站1号机组为20世纪60年代末建成的首批商用核电站，我国正在运行和建设的核电站多为80年代和90年代后改进型或革新型核电站，安全性能优于首批投运的商用电站。他说：“我国核电站‘门槛’比世界平均水平要高，核电站的选址更加保守、安全。”

2、大亚湾核电站选址考虑自然灾害

据新华社电 大亚湾核电站有关负责人13日表示，经公司地震办公室电站监察系统数据显示：大亚湾核电站、岭澳核电站一期二期地震仪表系统（KIS）阈值正常，均未触发报警。此次地震对大亚湾核电站、岭澳核电站一、二期，不会造成任何破坏性影响。

该负责人表示，大亚湾核电站厂址是从广东省沿海地区十多个备选厂址中优选出的核电厂址，厂区及周围历史上没有发生过6级以上地震，20公里范围内没有产生6级以上的地震能动层，地壳安全稳定，发生强地震的概率非常低。据介绍，我国目前在运行核电站在选址中充分考虑了地震和其他自然灾害因素，多选择沿海地质结构稳定区域，核电站厂址选择余地大。

3、中国各地监测

均未发现异常，据新华社电 环境保护部（国家核安全局）14日晚称，目前中国各地辐射环境监测均未发现异常，中国所有运行核电机组均处于正常状态。环境保护部（国家核安全局）有关负责人14日晚就日本福岛第一核电站放射性释放情况回答了记者提问。他说，自3月12日起，环境保护部已全面启动全国辐射环境监测网络，监测结果在环境保护部网站上公布。目前我国各地辐射环境监测均未发现异常，中国所有运行核电机组均处于正常状态。

4、日本此次事故，是否会对我国造成影响？

陈建新：目前来看，应该不会，此次事故影响范围比较小，不会对中国构成威胁。但是，这次核事故应给各国敲响警钟。

参考资料

1.福岛核电站再次爆炸 21万民众大转移·大河网