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福岛核事故的经验教训及启示

发布日期:  [2012-03-09]

一、福岛核事故的简要介绍

2011年3月11日,日本东部发生9级大地震并引发一系列巨大海啸,袭击了日本东部海岸,其中宫古的姉吉遭受的海啸高度达到38.9米。

地震和海啸给日本大片地区造成了毁灭性打击,截止2011年10月的统计数据表明,共计15810人死亡,此外还有4613人下落不明。此外,还有更多的人因为其居住的城镇被摧毁而不得不离开家园。当地的许多基础设施也在此次地震和海啸中严重受损。

除了工业设施之外,许多核电厂也在此次地震和巨大海啸中受到影响,包括东海、东通、女川、以及东京电公司的福岛第一和第二核电厂,其中福岛第一核电厂受到的影响最为严重。

地 震发生之前,福岛第一核电厂的6台机组中1、2、3号处于功率运行状态,4、5、6号在停堆检修。地震导致福岛第一核电厂所有的厂外供电丧失,三个正在运 行的反应堆自动停堆,应急柴油发电机按设计自动启动并处于运转状态。第一波海啸浪潮在地震发生后46分钟抵达福岛第一核电厂。海啸冲破了福岛第一核电厂的 防御设施,这些防御设施的原始设计能够抵御浪高5.7米的海啸,而当天袭击电厂的最大浪潮达到约14米。海啸浪潮深入到电厂内部,造成除一台应急柴油发电 机(6B)之外的其它应急柴油发电机电源丧失,核电厂的直流供电系统也由于受水淹而遭受严重损坏,仅存的一些蓄电池最终也由于充电接口损坏而导致电力耗 尽。

海啸及其夹带的大量废物对福岛第一核电厂现场的厂房、门、道路、储存罐和其它厂内基础设施造成重大破坏。现场操作员面临着电力 供应中断、反应堆仪控系统失灵、厂内厂外的通讯系统受到严重影响等未预计到的灾难性情况,只能在黑暗中工作,局部位置变得人员不可到达。这一切都超出了电 厂设计的范围,也超出了电厂严重事故管理指南所针对的工况。

由于丧失了把堆芯热量排到最终热阱的手段,福岛第一核电厂1、2、3号机组在堆芯余热的作用下迅速升温,锆金属包壳在高温下与水作用产生了大量氢气,随后引发了一系列爆炸:
2011年3月12日15:36,1号机组燃料厂房发生氢气爆炸;
2011年3月14日11:01,3号机组燃料厂房发生氢气爆炸;
2011年3月15日6:00,4号机组燃料厂房发生氢气爆炸;

这些爆炸对电厂造成进一步破坏,使操作员面临的情况更加严峻和危 险,现场的抢险救灾工作愈加困难。现场操纵员采取的干预措施主要包括利用汽车电瓶、小型发电机和消防泵等,尝试部分恢复电源和供水,以读取电厂关键安全参 数、实施反应堆冷却剂系统卸压、实施安全壳卸压、冷却反应堆堆芯和乏燃料水池。由于现场工作环境非常恶劣,许多抢险救灾工作往往以失败告终。现场淡水资源 用尽后,东京电力公司分别于3月12日20:20、3月13日13:12、3月14日16:34陆续向1、3、2号机组堆芯注入海水,以阻止事态的进一步 恶化。直至3月25日,福岛第一核电厂才建立了淡水供应渠道,开始向所有反应堆和乏燃料池注入淡水。

在福岛核事故期间,日本政府根 据福岛第一核电厂状态和可能的放射性释放后果,采取了一系列厂外应急行动,且厂外应急撤离范围不断扩大,从厂址周围3公里、5公里、10公里最终扩大到 20公里,20-30公里范围作为准备撤离区域,该区域范围内的居民采取屋内隐蔽的措施。从目前对居民的检测结果来看,日本政府采取的应急行动是及时和有 效的,迄今为止福岛核事故没有对工作人员和周围居民造成不可接受的放射性照射,更没有一例因为核事故导致的放射性照射死亡案例。而与此形成鲜明对照的是, 地震及其引发的海啸造成了15810人死亡,4613人失踪。

虽然在事故期间福岛第一核电厂向外界释放的放射性总量约为前苏联切尔诺贝利事故的10%,但也达到了国际核事故分级中最严重的事故等级(7级)的范围。

在福岛第一核电厂的堆芯和乏池冷却状况逐渐得到控制之后,福岛第一核电厂放射性废液的泄漏、现场大量放射性废液的处理、核电厂周围的辐射水平控制等后续工作得到了广泛关注。对福岛第一核电厂来说,目前最棘手的就是大量放射性废液的处理。

虽 然从2011年4月3日开始,福岛第一核电厂已逐渐恢复了外部供电,但由于受地震、水淹、氢气爆炸、海水腐蚀等影响,福岛第一核电厂1-4号机组原有的工 艺系统中的大部分至今仍难以恢复,仍主要采取向堆芯和乏燃料池补水的方式实现冷却。随着堆芯余热的不断降低和外部供水冷却能力的不断提升,目前福岛第一核 电厂1,2,3号机组堆芯水温都已降到100℃以下,已经达到冷停堆状态。

日本方面也正在对福岛第一核电厂的1,3,4号机组建造防护罩,以限制向环境的放射性物质的排放,并消除降雨等自然事件对核电厂的影响。目前1号机组的防护罩已经完工。

二、福岛核事故的主要特征

此 前世界核电史上曾经发生过两次核电厂严重事故,即1979年美国三里岛事故和1986年前苏联切尔诺贝利事故,事故发生后世界各国投入大量人力物力开展了 有关严重事故机理和现象、严重事故预防和缓解措施的研究工作,并在此基础上对核电厂做了大量改进,提高了核电的总体安全水平。但这次福岛核事故具有一些新 的特征:

1.极端外部自然灾害是导致福岛第一核电厂核事故的直接原因。三里岛核电厂事故和切尔诺贝利核电厂事故都是由内部原因引起 的,以往严重事故研究也主要考虑内部事件,研究可能采取的预防和缓解措施。福岛第一核电厂核事故警示我们在核电厂设计和运行中需要加强对超设计基准外部事 件的考虑。

2.地震及其引发的海啸造成福岛第一核电厂多机组、长时间的全厂完全断电和丧失最终热阱,超出了核电厂设计考虑的范围。 以往核电厂设计中,即使一个厂址有多台核电机组,也不考虑多台机组同时发生事故这种情况,而考虑的全厂断电事故也仅考虑失去厂外电源和应急柴油发电机,不 考虑失去直流供电系统,并认为核电厂能在1天到3天内能恢复供电。这次福岛第一核电厂不仅丧失了所有交流电源供应,同时最终也失去了电厂控制系统赖以工作 的直流供电系统、压缩空气系统以及照明系统,使得核电厂操纵员丧失了对核电厂的正常操控手段。福岛第一核电厂在事故后2个星期仍没能恢复供电。

3.地震、海啸对核电厂及其周围基础设施造成了严重破坏,外部救援不能及时抵达,再加上现场人员不足,且受到余震及悲伤和恐惧心理的影响,抢险救灾活动不能有效展开,导致事故不断升级。

4. 主控室没有操控手段、没有电厂状态指示、核电厂局部位置不可到达,核电系统损伤状态超出了严重事故管理指南的覆盖范围。由于主控室没有任何操控手段,一些 缓解事故的干预措施只能就地操作,但由于受地震、海啸、氢气爆炸以及局部位置高温和高辐射水平的影响,使得抢险救灾活动严重受阻,系统损伤状态远远超出了 严重事故管理导则的覆盖范围。

5.在未预计的位置发生氢气爆炸现象。福岛第一核电厂核事故期间接连不断的氢气爆炸给公众造成了极大 的心理冲击。实际上,在以往核电厂设计中非常关注安全壳内的氢气控制问题,主要是为了避免在安全壳内发生氢气爆炸现象,导致最后一道放射性屏障的失效。但 这次福岛第一核电厂事故所发生的氢气爆炸却发生在安全壳外,说明以往对核电厂严重事故下的氢气行为的认识存在不足。

6.大量放射性 废水处理问题。在福岛核事故初期,为缓解事故后果,向其4台机组的反应堆、安全壳和乏燃料水池内注入了大量海水和淡水,在福岛第一核电厂的堆芯和乏燃料池 冷却状况逐渐得到控制之后,福岛第一核电厂放射性废液的泄漏、大量放射性废液的处理问题逐渐显现,目前最棘手的就是大量放射性废液的处理问题。

7.应急撤离区域问题。作为纵深防御体系的最后一环,每个核电厂都设置了核事故应急撤离区。但这次福岛核事故的应急撤离范围是周围20公里,超出预期。

三、福岛核事故的教训和启示

根 据目前掌握的信息,这次事故的后果非常严重,教训也相当深刻。从后果方面来讲,一是放射性物质大量释放到环境中,可能对环境产生重大而长远的影响;二是将 来放射性废物的处理、周围土壤的修复、居住条件的恢复,都需要大量的资金,经济损失巨大;三是这次事故严重影响了全球公众对核电的信心和信任。

对于福岛第一核电厂事故的教训,还需要进一步研究。总体来看,事故反映出了方方面面的原因,包括技术层面的,管理层面的;有不可抗的因素,也有管理不力、应对不力的因素。可以说既有天灾又有人祸,所以说,教训非常深刻,对我国有着十分重要的警示和借鉴作用。

经过对福岛第一核电厂事故的初步总结和反思,福岛核事故的启示和警示至少包括:

(一)在管理层面主要有八个方面

1. 进一步深刻认识核安全的极端重要性和基本规律,提升核安全文化素养和水平。福岛核事故的发生,再次验证了“核安全是核能发展的生命线”道理,核安全事关事 业发展、事关公众利益、事关社会稳定、事关国家未来,核安全从业人员要提升核安全文化素养和水平,敬畏核安全、维护核安全、确保核安全,做到“五个必 须”:一是必须认识核安全的特性,即核能行业相比其它行业特别突出的技术的复杂性、事故的突发性、处理的艰难性、后果的严重性、社会的敏感性;二是必须坚 持一项方针,即安全第一、质量第一的方针;三是必须培育一种文化,即核安全文化;四是必须建立一个体系,即质量保证体系;五是必须贯彻一个要求,即纵深防 御、多道屏障的要求。

2.要进一步提高核安全标准要求,并切实有效抓好落实。应当从三个方面制定更高的标准,一是针对包括自然灾 害、恐怖袭击在内的外部事件,要进一步提高设防基准;二是针对事故(包括严重事故)的预防,要进一步提高安全功能的保障能力和可靠性,让事故(包括严重事 故)的发生概率进一步降低;三是针对严重事故的缓解,经过逐步改进和加强之后,最终拿出兜底的方案,保证在发生最恶劣的情况下,也不会有放射性物质大规模 释放到环境,从而避免在场外采取应急响应行动,尤其是公众的撤离行动。标准的提升可能会增加成本,但从长远和全局来看,这可能是最有效、最有益、最经济 的,抓好落实核安全标准要求不能有丝毫含糊、丝毫马虎。

3.要进一步完善事故应急响应机制,提升应急响应能力。任何措施都只能降低 事故发生的概率,而无法彻底消除事故发生的可能,因此,必须充分做好场内和场外应急准备。我们必须转变观念,出台新举措,按照纵深防御的要求,在组织体系 和工作机制上有所创新,在应急响应能力上有实质性、大幅度改进和提升。

4.要进一步增强营运单位自身管理、技术能力及资源支撑能 力。正常状态下,核设施一般不易出事,事故往往是因外部发生极端自然灾害而触发。道路不通,通讯受阻,过分依赖外界提供支持和援助是不切实际的。在这种情 况下,营运单位自身技术能力和资源支撑就显得十分重要和关键。因此,营运单位一定要配备充足的人员和装备,具备“孤岛作战”的能力,做到在没有外界支持的 情况下,也基本上能够及时有效应对事故工况。

5.要进一步提高核安全监管部门的独立性、权威性和有效性。独立、权威、有效的监管, 在日常情况下可以保证核设施按照标准要求建设和运行,减少事故发生的可能。在发生事故情况下,监管部门必须及时作出决策,督促营运单位采取有效措施减轻事 故后果,必要时监管部门可采取果断措施,避免事故进一步升级。如果监管部门独立性、权威性得不到保障,监管部门的作用就不会得到很好的发挥,监管的有效性 就会大打折扣。

6.要进一步加强核安全技术研发工作,依靠科技创新推动核安全水平持续提高和进步。从长远来看,核能开发利用的安全 水平要取得突破性提高,必须依靠科技进步。政府和企业应当共同努力,积极开展核安全基础理论的研究和关键技术的攻关,推动核安全技术集成和成果转化,发挥 科技在核安全工作中的支撑和引领作用。

7.要进一步提高核安全经验和能力的共享。“城门失火,殃及池鱼”,世界事物都是普遍联系 的,相互影响、相互制约。在核安全领域一旦发生问题,没有一个人、没有一家单位可以独善其身,你好就是我好,你不好就是我不好,因此,必须互相帮助,互相 扶持,共同提高,才能共同发展。不仅在一个国家的范围内如此,在国际层面也该如此。从这个意义上讲,一定要建立一个高效的经验反馈和能力分享体系。已经具 备经验能力的,应当无条件地尽力帮助相对落后的充实能力,共同克服发展中的障碍。

8.要进一步强化公众宣传、信息公开和舆情应对工 作。这是事关生产力的重要工作,它本身并不产生新的生产力,但它是生产力的重要保障。福岛核事经验证明,公众宣传、信息公开和舆情应对愈发显现出重要性和 紧迫性。当前,包括中国在内,广大公众对核安全的信心有所下降,对核电发展的可接受性产生了某些质疑,这将成为核电发展的瓶颈,要破解这个难题,赢得公众 对发展核电的认同,强化公众宣传、信息公开和舆情应对必须成为我们自觉的行动。

(二)在技术层面主要有五个方面

1. 加强对外部事件的预防。在以往的核电站设计和运行实践中,对于内部事件的考虑和对于外部事件的考虑存在不平衡。即对于内部事件,不仅考虑了设计基准,还考 虑了超设计基准,并对那些选定的超设计基准状态和严重事故工况采取了相应的预防和缓解措施。而对于外部事件,仅考虑了设计基准,使得核电厂能抵御极不可能 (如万年一遇)的设计基准外部事件,但缺乏万一在遇到超设计基准外部事件时如何缓解其后果方面的考虑。因此,在今后核电厂实践中,需要加强对外部事件的预 防和缓解,考虑到人类对外部事件认知水平的局限性,首先应对核电厂采取一些力所能及的纵深防御的措施,如恰当的封堵或防水措施等,减轻极端外部自然灾害对 核电厂的影响。其次,应在更大范围内开展核电厂址周围外部事件调查,更深入地论证我国沿海发生强地震及海啸影响核电厂安全的可能性,切实排除安全隐患和公 众的疑虑。第三,开展外部事件概率安全分析工作,寻找可能存在的安全隐患,并实施改进。第四,密切关注人类活动,特别是海岸围垦对环境、对核电安全的影 响。

2.维持适当的安全裕量。在核电厂设计、建造、调试和运行的各个环节和各个层面,都体现了保守的原则,实践证明这种保守原则是 必要的,如2007年的日本新澙地震和这次大地震,核电厂虽然遭遇了超过原始设计基准数倍的地震动水平,但核电厂系统基本没有受到严重损伤,只不过这次福 岛第一核电厂在地震过后遭受了远远超过设计基准的海啸袭击,引发了严重事故。因此,在核电安全实践中,应维持适当的安全裕量,以弥补人类认识的不足,并降 低未知的安全风险。

3.强化纵深防御和多样化设计。在新的反应堆设计中,对场内供电系统和余热排出系统,应采用多样化设计的理念, 对于原有的应对设计基准事故的那些安全系统,原则要求不变,但需进一步强化冗余系统之间的实体隔离以免共因失效,而为应对超过设计的外部事件,特别是外部 水淹,应考虑增加一台多样化的柴油发电机和一列多样化的余热排出途径,其设计可以不按安全级系统设计,但应避免共因失效,即应对其抗震、布置位置、环境条 件等提出明确要求。

4.增强严重事故的预防和缓解能力。对我国运行和在建电厂,要尽快采取力所能及的严重事故预防和缓解措施,如安 全壳过滤排放、非能动氢气复合系统、稳压器卸压功能等,同时应编制和完善严重事故管理导则。对未来新建的核电厂,一方面要进一步提高安全功能的保障能力和 可靠性,使严重事故的发生概率进一步降低;另一方面通过逐步的改进和加强,最后要拿出兜底的方案,保证在发生最恶劣的情况下,也不会有放射性物质大规模释 放到环境,从而避免在场外采取应急响应行动,尤其是公众的撤离行动。

5.推行单堆布置设计。目前的分析表明,由于福岛第一核电厂3 号机组和4号机组的废气处理系统共享了排气烟囱,可能由于排气烟囱的堵塞,从3号机组安全壳排放出来的气体逆流进入了4号机组反应堆厂房,导致4号机组反 应堆厂房氢气爆炸,这充分表明多台机组之间哪怕是非安全系统的共享都有可能存在潜在的安全隐患。实际上,最新的研究结果表明,双机组布置设计虽然具有布置 紧凑、占地面积相对较小、投资相对较少的特点,但单堆布置具有更好的厂址适应性、机组独立性和操作便利性,这样单堆布置有利于提高安全性和工作效率,对工 程进度的保证和经济性有利。随着单机组功率增大、安全性以及厂址适应性要求的提高,单堆布置成为新一代核电的主流。现在公认的三代压水堆核电机组 AP1000、EPR均采用单堆布置。因此,我们建议新的反应堆设计应采用单堆布置设计。避免核电厂系统,特别是用于缓解严重事故的系统和设备的共享,有 效应对类似于福岛核事故的多机组同时发生事故的情景。

(以上仅代表作者个人观点)

 

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