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您的位置:中国核电信息网 >  > 日本福岛核电厂严重事故及其原因分析
 

      3月11日,日本东北部海域发生9.0级强烈地震,并由之引发据说最高达23米的海啸,日本东京电力公司的福岛第一核电厂受到极大影响,发生了世界核电史上的第三起严重事故。这次事故不仅再次证明比设计基准事故更可怕的严重事故是可能发生的,更为重要的是由于这次事故的新特点,对现在世界核电界通行的一些和安全设计理念提出了挑战。它不仅对日本,而且会对全世界核电今后的发展产生重大的影响。本文试图对这次严重事故的发展过程做一归纳,并分析事故发生的原因。因篇幅所限,应从事故吸取的些经验教训和对于今后核电发展的启示,将另文探讨。

1.  事故过程的简要回顾

      作为铺垫,首先简要介绍一些有关的沸水堆(BWR)知识。沸水堆与压水堆一样,是从上世纪50年代开始逐步发展起来的轻水堆堆型,先后开发了BWR-1至BWR-6和第三代先进沸水堆(ABWR)。它以沸腾轻水为慢化剂和冷却剂,并在反应堆压力容器内直接产生饱和蒸汽推动汽轮发电机组做功发电。汽轮机乏汽冷凝后经净化、加热,再由给水泵送入反应堆压力容器,形成闭合循环。目前在全世界10多个国家与地区共有投运沸水堆机组92台,占世界核电装机总量的21%。在这次福岛核电事故前,一直有着良好的运行记录。

      沸水堆压力容器虽与压水堆的类似,但设计压力为压水堆的一半。由于堆功率密度低,堆芯大,容器内还有再循环泵、汽水分离器和干燥器,故体积较后者大得多。沸水堆燃料组件为正方形有盒组件,其内燃料棒按7×7或8×8排列。燃料芯块为不同富集度的二氧化铀,平均富集度为2.0%~3%,。福岛3号机组还部分采用了混合铀钚氧化物燃料。与压水堆一样,沸水堆停堆后,堆芯还有很大的剩余释热必须导出,否则可能使燃料棒包壳熔化,甚至燃料芯块也会熔化,导致严重事故。

      沸水堆的控制棒呈十字形,插在四个方盒组件之间。沸水堆的控制棒从堆底引入,这样可以空出堆芯上方空间用以安装汽水分离器和干燥器。由于沸水堆压力容器底部设有为数众多的控制棒和中子探测器贯穿孔,增加了小失水事故的可能性。控制棒驱动机构较复杂,可靠性要求高,维修困难。

      沸水堆的安全壳依赖蒸汽凝结来降低事故压力,故而一次安全壳的容积很小。沸水堆的安全壳由两个互相隔开的空间组成:压力空间(又称干井)和凝汽空间(又称湿井)。干井包容反应堆压力容器、控制棒驱动机构、外部循环泵,以及连接管道和阀门。湿井中除了抑压水池(福岛核电厂抑压池容积约4000 m3)外,全是自由空间。干井与湿井之间由浸没在水中的大口径凝汽管相连通。当发生失水事故时,干井内压力升高而形成与湿井的压差,驱使空气蒸汽混合物经由凝汽管涌流进入抑压水池,使蒸汽完全凝结成水。在此过程中安全壳内的最大压力应不超过设计限值。一次安全壳可采用承压钢结构或预应力混凝土结构。

      东京电力公司的福岛第一核电厂共有6台投运机组,全是沸水堆。1号机组电功率439兆瓦,为BWR-3型机组, 1971年3月26日投入商业运行;2号至5号机组电功率784兆瓦,为BWR-4型机组,1974-1978年间投产;6号机组电功率1067兆瓦,为BWR-5型机组,1979年投产。地震发生时, 1、2、3号机组正在运行,4号机组正在换料大修,5、6号机组也正处定期停堆检修之中。为了节省篇幅、抓住事故的本质,笔者拟根据日本官方和主流媒体发表的报道,以及自己多年的动力堆运行经验,勾勒出这次严重事故的大概轮廓如下。由于日方提供的信息极为有限,特别是缺乏机组内部事故后的监测图像,一些判断只是粗略的推理,不一定完全正确,尚有待以后修正。

      3月11日,日本时间14时46分,9.0级超强地震发生后,福岛核电厂三台正常运行机组全都自动停堆。地震毁坏了外部电网,致使290多万户家庭断电。失去厂外电源后,电厂自备的应急柴油发电机随即启动供电,向反应堆补水并进行堆芯应急冷却。一个小时后,高达十米左右的海啸接踵袭来,顷刻间将应急柴油发电机房淹没过顶,所有应急柴油机组功能全失,电厂丧失了全部交流电源。蓄电池又顶了上去,使应急堆芯隔离冷去系统继续工作。8个小时后蓄电池再也无能为力,出现全厂断电,连仪表指示和现场照明也都失去了。情况急剧恶化。强震引起反应堆压力容器出现泄漏,反应堆水位下降,汽轮发电机房地下室积水放射性水平持续上升。与此同时,安全壳干井压力不断上升,1号机组干井压力最高达到其设计压力的2倍。堆芯的剩余释热使得反应堆水温持续升高。尽管有泄漏,压力容器的压力不断上升,1号反应堆压力最高升至设计压力的1.5倍。随着压力容器水位下降,燃料组件逐渐裸露出水面,燃料棒的锆-2合金包壳与高温水蒸气发生锆-水反应,产生大量氢气,积聚在压力容器上部汽腔里。同时,由于包壳破损,放射性裂变气体(如碘-131等)和易挥发金属裂变产物(如铯-137)从堆芯逸出。为了保住压力容器不被超压破坏,日本政府命令开启泄压阀泄压,导致反应堆厂房内氢氧急剧复合,发生化学爆炸。反应堆厂房炸得只剩下钢筋骨架。随后在厂区周围测得超标辐射水平和人工放射性核素。电厂决定使用最后一招,用消防水泵向反应堆注入海水淹没堆芯。这些现象在1、2、3号机组上大同小异地相继重复出现。三台机组的堆芯出现程度不同的熔毁。日方估计,最多的达到70%以上。压力容器出现破损,也不排除安全壳地板受损的可能。笔者特别关注3号机组的状态。该机组的功率近于1号机组的二倍,相应地剩余释热也大得多,而且采用了混合铀钚氧化物(MOX)燃料,对环境的影响风险更加巨大。据报道,当消防队员向3号反应堆充灌海水时,发现堆芯水位不见提升。当时笔者就担心是否安全壳底部出现裂缝。后来多次报道3号机组往外冒黑烟。又有报道说,3号机组汽轮机厂房地下室积水中放射性严重超标,在厂区周边的土壤里测出放射性核素钚的存在。对这些现象可能而又合理的解释是,3号反应堆的堆芯部分熔融,并熔穿压力容器,落到安全壳底板上,与底板混凝土发生化学反应,从而破坏了安全壳的完整性。正处于换料大修的4号机组,以及正在定期维修的5、6号机组情况有所不同。主要问题出在乏燃料储存水池上。为了换料方便,乏燃料水池被设置在反应堆厂房的与安全壳、压力壳顶部齐平的4层平台上。由于乏燃料水池储水1500立方米,外加三次换料卸出的乏燃料(包括4号机组刚卸出的一炉乏燃料在内)。很可能主要由于强震引起水池渗漏,致使水池水位缓慢下降,乏燃料组件逐渐裸露,因锆-水反应放出氢气,也引起化学爆炸。最后也只得采用海水浸泡乏燃料储存水池的招数。所以,笔者降这次福岛核电厂严重事故定性描述为一起由极端外部事件叠加导致全厂断电而引发的群堆共模严重事故,也就是说,超强地震与超高海啸共同作用导致福岛核电厂出现全厂断电,长时间的全厂断电引发了同一个厂址的多座反应堆同时发生类似的严重事故。。尽管随着时间的推移,堆芯的剩余释热逐渐减少,事故的严峻形势得以缓解,此次核事故的大气污染’估计不会发展到像当年前苏联切尔诺贝利事故那样的地步,但福岛核电厂周边地区和海域均已检测到超标严重的放射性污染和人工放射性核素,24万多人被撤离疏散。电厂已经存积了数万吨的高、中、低放废水。令人气愤的是,日本政府未向国际社会和邻国事先通报,就往海洋倾倒了1万多吨的“低放”废水,其放射性水平超过日本法定标准500倍。日本政府已宣布,福岛第一核电厂报废。目前最紧迫而又最困难的任务是要尽快将福岛第一核电厂各座反应堆堆芯中所有的燃料与环境隔离,并予以循环冷却,以彻底消除进一步产生大量废水并扩大海洋污染危险的源头。事故的处理与善后将是一个长期而相当艰难的过程。

      这次严重事故对于核电在包括中国在内的全世界范围的复苏,将是一次极为沉重的打击。这次事故在投运核电机组运营管理与严重事故操作程序、核电机组安全设计的理念、有关多堆厂址的安全管理、如何重新建立公众对核电的接受心理等方面提出的新课题,将是核电今后进一步发展不可回避的挑战。

2.  事故原因的初步分析

      如上所述,笔者将福岛核电厂这次严重事故定性为一起由极端外部事件叠加导致全厂断电而引发的群堆共模严重事故。笔者试将这次事故的原因分析归纳如下:

2.1  极端外部事件的叠加是造成这次事故的直接导火索

      一般而言,发生地震后,核电厂会自动停堆。当外部电网遭到破坏后,电厂自备的应急柴油机组会立即启动,以保证反应堆堆芯的应急冷却。这次福岛核电厂抗住了破坏强度超过电厂抗震设计能力5倍的地震袭击。即使反应堆因强震引发中、小破口失水事故,那也属于设计基准事故之一,完全可以依靠应急柴油机组从容应对,限制后果。但超大海啸的破坏力远远超过电厂设计的预想,全部应急柴油发电机组丧失功能。超强地震与超大海啸的叠加造成长达七、八天的全厂断电,堆芯长时间得不到冷却,最终导致了严重事故的发生。这次极端外部事件的叠加,还打破了同一厂址的几座反应堆不可能同时发生严重事故的思维模式。在远远超过设计标准的极端稀有天灾面前,没有一种设计能打包票说绝对无问题。

2.2  早期核电设计,缺少预防和缓解严重事故的安全措施

      沸水堆安全性的一个重要基石是:沸水堆压力容器比压水堆的大很多,沸水堆的自然循环能力也远高于压水堆。所以,只要保证沸水堆燃料组件始终浸没在水中,就不会发生堆芯熔融。近二十年来,沸水堆技术也有了很大的进步,日本海建成了世界头两台第三代先进沸水堆。但是福岛第一核电厂的机组设计与建造完成于美国三里岛事故之前,当时还没有形成严重事故的清晰概念,更谈不上预防和缓解严重事故的安全措施了。从事故处理过程可见,这种设计欠缺主要表现在以下几方面:

      (1)4套应急堆芯冷却系统全部失灵

      沸水堆的第一道安全屏障是燃料组件包壳。为了保证其完整性,必须保证燃料组件始终被水浸没并被持续冷却。沸水堆的应急堆芯冷却系统就是设计用于发生堆芯失水时直接向堆内注入冷却水,以防止堆芯熔化。它又分为4个子系统:①自动卸压系统,在主系统发生破损时使汽水混合物直接经排汽管进入抑压水池被冷凝,可使反应堆迅速卸压,以利于其他子系统的注水。②高压堆芯喷淋系统。在发生失水事故时,该系统通过喷淋环管直接向堆芯喷淋注水。除正常电源外,此系统还设置了独立的柴油发电机供电。③低压堆芯喷淋系统。该系统通过环管向堆芯直接喷淋注水,防止堆芯裸露。④低压冷却剂注水系统。这是余热导出系统的一种运行方式,用于在失水事故时向反应堆容器注水,使堆芯浸没而不裸露。上述三个喷淋和注水系统又排列组合成三组。设计者认为,在自动卸压系统配合下,任何一组失效都不影响应急堆芯冷却功能。

      从上述系统的工作原理不难看出,其发挥功效的前提是必须具备交流电源。不幸的是这次事故中,地震加海啸不仅造成压力容器小破口失水,而且丧失了全部交流电。由于抑压水池失电,无法使蒸汽冷凝下来,泄压效果受到影响。由于失电,堆芯得不到有效冷却,反应堆水温与压力居高不下,3套应急堆芯冷却系统全都失效。泄漏造成堆芯失水,燃料组件而熔化,酿成严重后果。显然,如果能采用或增加一些现在普遍采用的非能动的应急堆芯冷却设施,应能有效缓解事故后果。

      (2)由于认为堆芯极不可能熔化,安全壳设计中未考虑氢氧复合系统。在这次事故处理过程中,也未见到安全壳内氢氧复合系统动作,以避免氢爆的报道。

      (3)安全壳的设计理念存在缺陷

      沸水堆安全壳的设计理念是基于,无论是反应堆超压,还是主回路失水,都能使安全壳中的蒸汽迅速冷凝而降低使用压力。所以其安全壳的自由空间比较小。图必须能否让蒸汽冷凝下来就成了设计与事故处理成败的关键。如上所述,这次事故中抑压水池的冷凝器由于失电而失效,导致1号机组安全壳干井压力升至设计压力的两倍,非常危险。

      (4)由于早期设计认为沸水堆堆芯极不可能熔化,更未考虑堆芯熔融物穿透压力容器壁的严重后果。直到第三代先进沸水堆(ABWR)设计时,才在反应堆压力容器与安全壳之间设置了一个收集与冷却堆芯熔融物的设施,从而杜绝了堆芯熔融物与安全壳地板作用、破坏安全壳完整性的可能。

2.3  营运单位的核安全文化意识淡薄

      日本作为亚洲首屈一指的核电先进国家,在轻水堆核电设计、设备制造、核电厂运行本土化方面取得了出色的业绩。我国在核电发展初期曾向日本核电企业学习了许多先进经验。但是这次福岛核电厂事故处理过程的媒体报道,显示东京电力公司(以下简称“东电”)高层领导的核安全意识,突出表现在应对突发事件的能力方面还有很大的提升空间。东电决策层表现出的麻木、犹豫、慌乱与自私,实在令人扼腕叹息。仅举数例说明:

      (1)全厂断电事故危及到6台机组的生死存亡,以最快的速度恢复现场交流电供应是头等重要的大事。但是令人费解的是,不知遇到了什么困难,从地震发生到恢复供电耗费了七、八天时间,大大超出设计所能承受的限度。看不到一点救兵如救火的气势。

      (2)从向现场拉电缆的进展速度,东电领导层早就可判断出堆芯面临着极大的熔化风险,必须立即用消防水泵向反应堆充灌海水,以避免堆芯熔化。但是这个决心显然是下晚了,执行得更不得力。原想保住机组,结果适得其反,损失更加巨大。

      (3)1号机组产房氢爆吨坏后,东电领导也判断出是发生了氢气爆炸,但没有能及时想出预防措施。直到4号机组氢爆后,才悟出人为破坏厂房密封的应对措施。

      (4)偌大一座核电厂,测量液体的放射性活度,前后两次竟然能差上百倍。简直荒唐到令人难以理解的地步。

      (5)这次事故处理中干得最快的可能要算向大海里倾倒1万多吨超标500倍的“低放”废水了。常人都能想出更好的替代办法,东电领导为什么偏偏看中往大海里倒呢?原因很简单:虽然现在挨点骂,可后面就啥事不用管了。实在是没有一点点大型企业的社会责任心。

      这次事故处理的连连失误,可能也与缺少外部的技术支持有关。1988年,笔者曾考察过福岛核电厂。当时的厂长告诉我,东芝与日立两大承包商各有300人的技术支持队伍常住现场,随时提供服务。从这次现场撤离的人数可看出,外部技术支持力量大减。而公司内部的检修部门,只是管管检修合同的签约、验收等,自己不会干。

      联想起媒体披露东电的安全记录不佳,造假已不止一次被曝光。与这次事故有直接关系的是,原子能安全保安院先前要求东电自查,确认是否已充分检查核电厂设施。东电2月28日向原子能安全保安院递交报告,承认没有检查6台机组的33个设备、部件。其中有一个反应堆温控系统配电装置11年来从未接受过检查。另外,冷却泵电机、柴油发电机和其他一些冷却系统部件缺乏定期检查。而不作定期检查意味着,检查人员伪造记录并上报。 这样的核安全文化意识,应该说出事故只是早晚的事。

2.4  政府核安全监管机构执法不力

      2007年日本新泻发生大地震,东电的柏崎-刈羽核电厂(7台机组均为沸水堆)变电站起火。国际原子能机构(IAEA)组织专家团赴现场考察。次年,IAEA指出,日本的核电厂不足以抵御大地震的破坏,存在巨大的安全隐患。然而,这一问题未能得到日本政府核安全监管当局的重视。

      这次原子能安全保安院接到前述的东电2月28日的自查报告后,3月2日给予批复,认为东电“常规检查方案和维护管理不足,定期检查不充分”。面对这样一个有前科的电力企业,原子能安全保安院只是要求东电3个月内递交改正方案。而没有像2002年那样,勒令东电关闭旗下17座反应堆全面自查。 没想到大自然对人为懈怠的惩罚提前到来,出了这次严重事故。如果原子能安全保安院当即令东电停产整顿,到3月11日发生地震时,反应堆已经正常冷却了9天,事故处理过程肯定是另一种样式了。

      日本和安全监管当局执法不力还表现在:连IAEA的专家到现场后都是自己动手采集、检测样品,日本官员却听凭东电自报的测量数据。发布后又觉得有问题,令其重测。前后相差百倍,贻笑大方。何不自己动手?当然害怕吃剂量,则是另一回事了。

      执法最不得力的表现就是这次日本政府未事先向国际社会与周边邻国通报,就批准东京电力公司向海里倾倒上万吨的超标500倍的放射性废水。作为核安全监管机构,执法的依据只有一个,那就是法定标准。私自排放超标废水是违法,监管机构批准排放超标废水,则是知法犯法,更不可原谅。严重事故处理过程中产生的超标放射性废水的事故外泄与监管机构批准超标废水有目的地向海洋排放完全是两回事。日本政府批准排放的理由完全站不住脚。

      日本原子能安全保安院狡辩说,也曾考虑过用船装暂时存放这些废水,但“时间来不及”,这完全是骗人的谎言。日本有的是现成的大中型油轮。政府征调条把条油轮储存10万吨废水简直是小菜一碟,轻而易举,怎么就来不及?

      日本原子能安全保安院还说,太平洋大得很,增加这点污水微不足道。这更是一派胡言。按照这种逻辑,日本还能将那6万多吨高放废水也排到公海里了。归根到底,还是日本政府缺乏社会道德和应有的责任意识。希望日本政府在今后的福岛核电厂善后处理时,要切实承担起自己应负的责任,不要再做危害包括日本人民在内的全人类的事情。

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