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日本东北部于2011年3月11日发生9级强烈地震,外电网停电,1、2、3号核电机组自动停堆,与电网解列。作为备用电源的应急柴油机启动,维持余热导出系统,冷却反应堆。这时堆芯核裂变已经停止,但还有裂变产物的衰变热,大概相当于反应堆功率的6%,带走这些剩余热量是停堆以后要处理的主要问题。
现在,让我们看看在接下来的一些天中,福岛第一核电厂的6台机组发生了什么事情。由于东京电力发布的技术数据有限,来自不同渠道的信息不够准确,且有相互矛盾之处,现在只能做定性分析和评估,要做到定量尚需等待进一步的数据。
3月11日14:46发生地震,15:27海啸袭来,高度达14米的海水越过5.7米的海堤,淹没了应急柴油机及其冷却系统,燃料箱也被冲走了,核电厂处于“全厂断电事故”状态(Station Blackout,核安全领域专业术语,核电机组唯一电源是蓄电池,维持重要仪器仪表和照明)。这时,只有一个反应堆堆芯排出系统还能工作,它应用反应堆余热产生的蒸汽,推动汽轮机-水泵运转,将湿阱中的冷水打入反应堆压力壳冷却堆芯,汽轮机的乏汽排入湿阱冷凝,形成堆芯余热导出循环回路,如图2所示。这个系统工作条件是蓄电池有电,因为系统的阀门是电 动的;另一个是湿阱水温低于100℃,在安全壳没有冷却的情况下,湿阱会很快沸腾。3月11日地震2小时以后,1号反应堆蓄电池用尽,冷却系统停运;12日3号用尽,14日2号冷却泵故障,2、3号反应堆失去冷却。从冷却系统停运,便开始了反应堆堆芯熔化过程。首先,余热使堆芯温度上升,压力升高,卸压阀开启,排放蒸汽,液位下降,燃料棒裸露、熔毁。燃料棒温度达到1200℃时,锆合金包壳与水发生锆水反应,释放氢气,这种放热反应进一步加热了堆芯。氢气混合有蒸汽从压力壳来到湿阱,后者超压冲破爆破阀进入干阱,进而充满混凝土安全壳和上部的服务层的钢结构建筑物。氢气在这些区域遇到氧气,产生了一系列的氢爆:1号机组3月12日发生两次氢爆,3月14日3号机组发生氢爆。2号反应堆的堆芯排出系统运行了较长时间,3月14日才停运,随后发生堆芯暴露和熔毁,次日发生3次氢爆。在一系列的氢爆以后,日本原子力安全委员会表示:积水中含有大量放射性物质说明1、2、3号机组的压力壳和安全壳都已破损。有消息来源,1号堆芯熔融体烧穿压力壳底部,坠落到安全壳底部。后来,反应堆处于海水冷却状态下,东京电力恢复厂区供电,并以淡水代替海水冷却反应堆。由于反应堆三道安全屏障相继贯穿,放射性物质直接向大气排放,严重污染了厂区和周围地区的环境。直到5月24日东京电力终于确认,1-3号反应堆堆芯大部分已经熔毁。
在人们把注意力集中到1-3号机组事故的时候,3-6号机组乏燃料水池发生了冷却不足,乏燃料烧毁和氢爆的问题。早在3月14日3号机组氢爆,累及4号机组建筑物屋顶受损,乏燃料水池就位于这一层中。大量瓦砾落入乏燃料水池,掩埋了燃料棒,也影响冷却水的流通。3月15日4号乏燃料水池水位过低,乏燃料裸露、过热、熔毁,造成4次氢爆,引起火灾,有大量放射性物质释放。4号乏燃料水池从这时就开始准备注入海水冷却作业,直到20日得以执行,时间的延误使事故扩大。这期间,3、5、6号乏燃料水池也发生水位下降温度升高。3号乏燃料水池17日开始注入海水冷却,5、6号温度20日恢复正常。
核事故按严重程度划分为七个等级,1-3级称为事件,4-7级称为核事故,5-7级要启动厂外应急响应。美国三里岛核事故为5级,前苏联切尔诺贝利核事故为7级。福岛第一核电厂日本原子力安全委员会初期定为4级(3月14日),法国核安全当局定为6级(3月15日),3月16日国际原子能机构接受4级的评价。以后,随着事故的扩大,4月12日将此次福岛核事故定为7级。
日本福岛核事故的启迪
首先要检讨当前国际上推行的核电机组延长寿命的工程。福岛第一核电厂投产于七十年代初,已经达到或接近设计寿命,经业主申请核安全当局批准,将使用寿命延长20年。这项工程首先开始于美国,三里岛核事故以后的32年间,美国没有新建核电机组投产,只能超期使用老机组来满足电力供需平衡,不得不启动延长寿命工程。三四十年前设计的核电机组安全标准较低,很难改进,许多设备老旧而又不可更新,许多核电业主多从经济角度出发,核安全管理当局囿于老机组难以退役的尴尬,这项工程风险很大,出现问题后果很严重。
我们看看福岛第一核电厂的延寿工程。东京电力在延寿申请中注意到了地震问题,2006、2008年两次提高地震的最大响应地面加速度设计标准达0.6g(g=9.8地心加速度,我国核电厂设计多采用0.3-0.4g)。此次地震,厂址测量到的数据是0.56g,1-3号机组自动停堆,转入余热导出工况,符合设计预期。问题出在51分钟后的海啸,14米高的海水越过设计高度5.7米的海堤。有关方面对强烈地震叠加海啸的设计假设是错误的,没能在延寿申请和审批中提高海堤的设防高度(这是可以做到的),造成了全厂断电事故,产生严重后果。这一事故提醒人们,在严重外部事件叠加的情况下,要保证应急柴油机的可靠性。
再看看全厂断电以后,余热导出系统的问题。我们前边提到,全厂断电以后还保留了堆芯排出系统,因为它是用余热蒸汽驱动的。有些核电厂辅助给水泵也设计成电动汽动两种形式,这个思想很好。可惜的是,福岛第一核电厂这个系统的阀门是电动的,蓄电池的电用完了,整个系统也就停止工作了。我们设想一下,在延寿工程中如能采取措施保证这些阀门的动力源(耗能很少),就可以延缓事故的进程。这里也提醒人们,在今后的核电厂改进中应该很好的利用停堆以后的衰变热。这部分能量大概等于核电厂总功率的6-7%,可以作为全厂断电工况下应急冷却系统的动力源。
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