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2、高标准严要求的安全设计
核电厂的设计就是围绕高度可靠地保证三项基本安全功能的实现展开的,这不仅要求核电厂在正常运行和启停堆时保证安全,而且要求在各种极端的内外部事件情况下也能保证三项基本安全功能的执行。核电厂设计上所考虑的内部事件主要为设备故障所导致,如管道的破裂、泵的卡轴、阀门的误动作、电器故障等,以及由这些设备故障所导致的水淹、喷射、湿度、压力、辐射、火灾等效应,这些故障可考虑低至发生概率10-6每堆年的故障。外部事件主要考虑外部人为事件和自然灾害。外部人为事件主要考虑核电厂周围可能存在的工业、军事等设施,以及运输活动,包括危险化学品运输、飞行器等可能对核电厂产生的危害。对于外部人为事件而言,如果不能证明其对核电厂安全产生影响的概率低于10-7每堆年,则核电厂设计上就必须考虑对其设防。而自然灾害,则要考虑“以人类已有的科学技术和认知水平所能确认的最大自然灾害”,其发生频率大约都在万年一遇的水平。由于所考虑的外部自然灾害都是极端的自然灾害,受科学技术和认知水平的限制,有时会存在一定的不确定性。
核电厂执行三项基本安全功能的构筑物、系统和设备的设计不但要考虑上述的内外部事件,为了保证系统功能的可靠性,还对其提出了多重性、多样性、独立性等要求。如核电厂的供电不仅仅依靠外部电源,每台核电机组还设置有至少两台应急柴油发电机,以及直流蓄电池电源。为保证设备的可靠性和功能,对其设计、制造、安装、试验、检查、维修等活动要执行严格的质量保证要求,还要开展“环境鉴定”“抗震鉴定”。
核电厂设计上所考虑的内部事件和外部事件在专业术语上又被称为“设计基准事故”和“设计基准”。实际的核电厂无法使用试验或调试的方式来验证核电厂在设计基准事故工况下的安全性是否可接受,必须通过“事故分析”来证明。为了保证事故分析结果的保守性,在分析过程中还要采取许多的保守假设。例如,要假设核电厂的初始状态处于对后果最不利的条件和测量偏差,要假设丧失了厂外电源,要假设最大价值的一束控制棒卡在反应堆外,要假设在安全系统中发生了单一随机故障等。对事故分析所使用的计算机程序也要经过严格的验证。
1979年三哩岛核电厂事故发生后,人们开展了新一轮的大量核安全研究。研究工作的重点包括改进人机接口和操纵员培训、改进核电厂规程(包括维修、试验、检查和运行、事故处理规程等)、改进应急响应等,当然核电厂超过设计基准,直至严重事故的现象和机理是研究重点之一。
2月22日,在距离日本福岛第一核电厂较近的大熊町的路边的标牌。新华社发
3、核电厂设计的难题
日本福岛第一核电厂位于日本福岛县双叶郡的大熊町和双叶町,在日本东海岸的面向太平洋侧,共建有6台沸水堆核电机组。沸水堆核电厂最早由美国通用电气公司开发,是目前世界上机组数量居第二位的核电机型。沸水堆核电机型和压水堆核电机型各有优缺点,从安全水平来说,美国在20世纪80年代到90年代开展了电厂安全评价计划和外部事件下的电厂安全评价计划,针对美国的35座沸水堆核电机组和73座压水堆核电机组进行评价。结果表明,沸水堆核电厂平均的反应堆堆芯熔化频率比压水堆核电厂约低一个数量级,但在发生严重事故的条件下,沸水堆安全壳的失效概率比压水堆核电厂高。沸水堆核电厂的应急堆芯冷却系统更加多样,但安全壳内部的自由容积大大低于压水堆核电厂,这一结果主要是由上述特性所决定的。但是,对于一个具体核电厂的设计来说,安全水平还取决于在设计阶段是否正确地识别和确定了内外部事件所造成的影响,以及针对这些内外部事件所采取的设防措施是否充分。举个例子,当你设计一辆汽车时,你首先要确定这辆汽车未来是要在市内行驶还是做越野,你拿一辆为市内行驶设计的汽车去越野,出问题的可能性肯定会很大。
在福岛核电厂开始建设时,海啸高度使用了当时能够得到的最大记录3.1米,这个高度的海啸记录产生于1960年智利发生的世界上已知的最大地震。对于日本东海岸外的日本海沟,没有有关其导致海啸的历史数据。尽管日本的核安全监管当局没有对地震和海啸的再评价要求,但在事故发生前的运行周期内,东京电力公司还是数次进行了地震和海啸的再评价。如2002年日本土木工程师学会制订和颁布了新的海啸评价方法后,东京电力公司进行了海啸再评估,但新的评价方法仍然使用基于历史数据的模型。东京电力公司评价出的海啸高度高于原设计值,为此在福岛第一核电厂采取了一些补救措施。
2006年,日本核安全监管当局发布了新的导则,要求除了考虑内陆地震外,还要考虑板间地震(日本海沟就是由于太平洋板块插入欧亚板块和菲律宾板块下部所造成的)。东京电力公司再次进行了复查,但复查中考虑日本海沟可能发生的地震震级是8级,日本的地震学家也普遍不相信日本海沟会发生9级地震。对于福岛第一核电厂,评价表明日本海沟8级地震对核电厂的影响是小于内陆地震的影响的,但海啸影响的评价直到事故发生时仍未完成。
2009年,东京电力公司使用最新测深数据和潮汐数据再评估的最大海啸高度是6.1米。根据这一新估计值,东京电力公司对福岛第一核电厂进行了改造,特别是抬高了余热排出泵的电机高度。不幸的是,事实证明这个措施仍然是不够的。在2007年到2009年期间,东京电力公司还使用日本地震调查研究推进本部推荐的模型进行了评价。使用日本地震调查研究推进本部的模型进行评价没有仅仅依靠历史海啸数据,而且考虑了日本海沟地震引发海啸的可能性。在评价方案中考虑日本海沟发生的地震是8.3级,评价结果表明在福岛第一核电厂厂址海啸爬高达到约15米(这个结果与2011年3月11日的实际海啸爬高很接近,但2011年3月11日日本海沟的实际地震是9级)。根据这一新的评价结果,东京电力公司、日本核安全监管机构等都认为需要开展进一步的研究,东京电力公司委托日本土木工程师学会审查模型的适当性,到事故发生时,这些审查仍然在进行中。
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