權威解讀：核電安全該如何保證——下

文/環保部核電安全監管司司長 湯搏

核電廠設計的難題

日本福島第一核電廠位於日本福島縣雙葉郡的大熊町和雙葉町，在日本東海岸的面向太平洋側，共建有6台沸水堆核電機組。其中1號機組1967年7月25日開始建設，1970年11月17日併網發電；2號機組1969年6月9日開始建設，1973年12月24日併網發電；3號機組、4號機組、5號機組和6號機組開始建設的時間分別是1970年12月28日、1973年2月12日、1972年5月22日和1973年10月26日，併網發電的時間分別是1974年10月26日、1978年2月24日、1977年9月22日和1979年5月4日。

沸水堆核電廠最早由美國通用電氣公司開發，是目前世界上機組數量居第二位的核電機型。沸水堆核電機型和壓水堆核電機型各有優缺點，從安全水平來說，美國在上世紀80年代到90年代開展了電廠安全評價計劃和外部事件下的電廠安全評價計劃，針對美國的35座沸水堆核電機組和73座壓水堆核電機組的評價結果表明，沸水堆核電廠平均的反應堆堆芯熔化頻率比壓水堆核電廠約低一個數量級，但在發生嚴重事故的條件下，沸水堆安全殼的失效概率比壓水堆核電廠高。這個結果主要是由沸水堆核電廠的應急堆芯冷卻系統擁有更多的多樣性，但安全殼內部的自由容積大大低於壓水堆核電廠所決定的。但是對於一個具體核電廠的設計來說，安全水平還取決於在設計階段是否正確地識別和確定了內外部事件所造成的影響，以及針對這些內外部事件所採取的設防措施是否充分。舉個例子，當你設計一輛汽車時，你首先要確定這輛汽車未來是要在市內行駛還是做越野，你拿一輛為市內行駛設計的汽車去越野，出問題的可能性肯定會很大。

前面提到核電廠在設計時要考慮「最大假想地震」、「可能最大洪水」、「可能最大降水」等自然災害，這個要求並不是一開始發展核電就有的，而是上世紀60年代中期美國人首先關注到這個問題，然後逐漸形成相關設計要求和確定這些自然災害水平的方法。但在早期確定這些「最大假想」、「可能最大」時，通常使用最大歷史記錄法，後期又發展了一些其他方法。例如在我國和美國，在確定「最大假想地震」時，還採取地質構造法。所謂地質構造法，即在核電廠址一定範圍內，通常為150公里或更大，尋找可能的發震構造，如能動斷層，並評估其一旦發生地震對核電廠廠址的影響。

福島第一核電廠在確定地震和海嘯的設防基準時，也經歷了這樣一個過程。在福島核電廠開始建設時，海嘯高度使用了當時能夠得到的最大記錄3.1米，這個高度的海嘯記錄產生於1960年智利發生的世界上已知的最大地震。對於日本東海岸外的日本海溝，沒有有關其導致海嘯的歷史數據。

儘管日本的核安全監管當局沒有對地震和海嘯的再評價要求，但在事故發生前的運行周期內，東京電力公司還是數次進行了地震和海嘯的再評價。如2002年日本土木工程師學會制訂和頒布了新的海嘯評價方法後，東京電力公司進行了海嘯再評估，但新的評價方法仍然使用基於歷史數據的模型。東京電力公司評價出的海嘯高度高於原設計值，為此在福島第一核電廠採取了一些補救措施。

2006年，日本核安全監管當局發布了新的導則，要求除了考慮內陸地震外，還要考慮板間地震（日本海溝就是由於太平洋板塊插入歐亞板塊和菲律賓板塊下部所造成）。東京電力公司再次進行了複查，但複查中考慮日本海溝可能發生的地震震級是8級，日本的地震學家也普遍不相信日本海溝會發生9級地震。對於福島第一核電廠，評價表明日本海溝8級地震對核電廠的影響是小於內陸地震的影響的，但海嘯影響的評價直到事故發生時仍未完成。

2009年，東京電力公司使用最新測深數據和潮汐數據再評估的最大海嘯高度是6.1米。根據這一新估計值，東京電力公司對福島第一核電廠進行了改造，特別是抬高了餘熱排出泵的電機高度。不幸的是，事實證明這個措施仍然是不夠的。

在2007年到2009年期間，東京電力公司還使用日本地震調查研究推進本部推薦的模型進行了評價。使用日本地震調查研究推進本部的模型進行評價沒有僅僅依靠歷史海嘯數據，而且考慮了日本海溝地震引發海嘯的可能性。在評價方案中考慮日本海溝發生的地震是8.3級，評價結果表明在福島第一核電廠廠址海嘯爬高達到約15米（這個結果與2011年3月11日的實際海嘯爬高很接近，但2011年3月11日日本海溝的實際地震是9級）。根據這一新的評價結果，東京電力公司、日本核安全監管機構等都認為需要開展進一步的研究，東京電力公司委託日本土木工程師學會審查模型的適當性，到事故發生時，這些審查仍然在進行中。

從災難中汲取教訓

2011年3月11日14時46分（日本時間），日本東海岸外的日本海溝發生9.0級大地震，震源距離福島第一核電廠約130公里。地震發生時，福島第一核電廠的1、2和3號機組處於功率運行狀態，4、5和6號機組處於停堆換料和大修維護階段。當核電廠的地震感測器探測到地震後，自動對正在功率運行的1、2和3號機組實施了停堆保護。

雖然核電機組的反應堆被停閉，但存在於核燃料中裂變產物的衰變熱仍然需要被排出，這也包括存放於乏燃料水池中的已輻照燃料。冷卻系統通常需要交流電源提供動力和直流電源提供控制和監測，但地震導致外電網全部被破壞，外部電源的供應喪失，廠內應急柴油發電機自動啟動，蓄電池的供電也沒有問題。或者核電廠的安全系統自動動作，或者操縱人員按規程採取了行動，似乎核電廠的一切都處於控制之中。

大約40分鐘後，第一波海嘯到達廠址，但海嘯爬升高度只有4～5米，處在防浪堤的防護高度之下。在第一波海嘯的大約10分鐘後，第二波海嘯到達廠址，海嘯爬升高度達到約15米，海水湧入廠區，導致除6號機組一台位於較高位置的附加氣冷柴油發電機外，其他所有的應急柴油發電機失效，海水也導致1、2和4號機組的直流電源失效。這使核電廠運行人員面臨困難的局面，因為雖然嚴重事故管理指南中提供了對全廠斷電工況進行處理的指導，但必須保證直流電源的存在，以提供必要的監測數據和控制電源。操縱員和應急響應人員必須重新審查可用的方案並確定恢複電源的可能方法。

針對1號機組制訂的方案是設法恢復交流電源，同時考慮使用固定的柴油機驅動消防泵或消防車向反應堆堆芯注水。3月11日23時50分，能夠得到的第一個監測參數顯示1號機組安全殼內壓力已超過最大設計壓力，這威脅到安全殼的密封功能，需要採取安全殼卸壓通風措施（實際上，由於柴油機驅動消防泵和消防車的注入壓力有限，為了實現注水功能，也需要對反應堆甚至安全殼進行卸壓）。3月12日1時48分，發現柴油機驅動消防泵不起作用，於是實施使用消防車注水的方案。3月12日4時，反應堆壓力已降到允許消防車注水，在堆芯失去冷卻約12.5小時後，開始使用消防車向堆芯注水。由於消防車要往返淡水箱裝水，所以這種注水時斷斷續續的。在斷斷續續注水約5.5個小時後，一條直通淡水箱的管線被建立，開始了連續的注水過程。3月12日4時19分，在沒有操縱員干預和安全殼卸壓通風的情況下，安全殼內壓力出現下降，這意味著安全殼的密封功能可能已經受到損害。3月12日14時53分，淡水箱的水源幾乎消耗完，現場主管決定注入3號機組反衝洗閥井內積存的海水。在用半個多小時完成了注水準備工作後，1號機組反應堆廠房的氫氣爆炸破壞了注水工作。在對受損設備進行維修和更換後，3月12日19時4分開始了向堆芯的海水注入工作，期間堆芯再次失去約4小時的冷卻。3月14日1時10分，由於反衝洗閥井內的海水水位已降到很低，注水工作停止，等待井內的水位恢復，但就在準備恢復注水時，3號機組的反應堆廠房爆炸，再次影響了注水工作。等到從海洋的抽水管線完成布置，再次向堆芯注水時，1號機組又有19個小時失去了堆芯注水。

與1號機組不同，2號機組設有堆芯隔離冷卻系統。這個系統的泵由堆芯產生的蒸汽直接驅動，而不需要外部動力源，所以急需確認2號機組堆芯隔離冷卻系統的運行狀況。但直到3月12日2時10分，一個小組才進入堆芯隔離冷卻系統的設備房間，確認了堆芯隔離冷卻系統的運行。3月13日12時5分，為了在堆芯隔離冷卻系統一旦失效的情況下向堆芯注入海水，現場主管下令做好注入海水的準備，將消防車連接到注入管線。3月14日13時左右，2號機組喪失了冷卻，反應堆水位下降並且壓力增加，由於壓力過高，13時5分開始的海水注入沒有成功。為了使海水能夠注入，開始對反應堆進行卸壓，但這使安全殼的壓力增加，並在22時50分超過了設計壓力，現場對安全殼進行卸壓通風的努力也沒有成功。3月15日6時14分，現場聽到爆炸聲，2號機組安全殼抑壓池的壓力下降（有推測認為可能在抑壓池發生了氫爆），這意味著2號機組安全殼的密封功能可能受到損壞。

3號機組維持了直流電源。在全廠斷電後，反應堆冷卻劑系統的卸壓閥自動開啟，以限制壓力。操縱員手動啟動了堆芯隔離冷卻系統，並且關閉了一些非重要設備，以節約直流電源。3月12日11時36分，在連續運行20.5小時後，堆芯隔離冷卻系統停止了運行，操縱員幾次重新啟動都未能成功，堆芯水位開始下降。12時35分，反應堆壓力下降到高壓安全注射系統的啟動定值，高壓安全注射系統自動啟動以維持堆芯水位，操縱員通過手動控制避免系統的頻繁自動啟動和停止，以節約直流電源。在高壓安全注射系統工作14個小時後，由於擔心低參數的蒸汽會損壞高壓安全注射泵的驅動汽輪機，且反應堆壓力已經低於柴油機驅動消防泵的注入壓力，並且可以使用卸壓閥來控制反應堆壓力，操縱員決定停止高壓安全注射系統，而使用柴油機驅動消防泵來實施注入。但在操縱員關閉高壓安全注射泵後，開啟卸壓閥的嘗試卻多次失敗，反應堆的壓力迅速升高到超過消防泵的壓力，3號機組堆芯喪失冷卻，操縱員隨後恢復高壓安全注射系統的努力也以失敗告終，於是現場主管下令使用消防車實施堆芯注水，同時準備建立安全殼的卸壓通風。3月13日5時21分，開始使用5、6號機組的消防車以及趕到現場的柏崎?刈羽核電廠消防車建立海水注入管線，但由於接到東京電力公司總部的一個電話，現場主管推遲了使用該管線，而將注水源改為含硼淡水源。為了實現消防車的注入，需要降低反應堆的壓力，現場使用轎車電池實現了這一點。但隨著反應堆卸壓的進行，安全殼內的壓力激增，9時20分，安全殼卸壓通風系統的爆破盤爆破。9時25分，在失去冷卻4個多小時後，開始向堆芯注入含硼淡水。3月13日12時20分，淡水源耗光，現場主管決定注入海水，約1小時後實現了利用反衝洗閥井中海水的注入。3月14日1時10分，由於反衝洗閥井中的海水水位下降，停止了海水的注入，在將進水管更深地插入井中，2小時後恢復了3號機組的海水注入。在接下來的幾個小時內，3號機組被發現反應堆水位不斷下降，安全殼內壓力持續上升。3月14日6時20分，反應堆水位超出正常範圍，意味著堆芯可能裸露。由於擔心氫氣爆炸，現場主管下令停止注水活動，人員撤離。在恢復注水工作時，11時1分，3號機組反應堆廠房發生了爆炸。在暫停2小時後，開始恢復從海洋向3號機組的注水工作，待海水重新注入時，堆芯已經9個小時失去了冷卻。

3月17日至20日，外部電源陸續連接到現場。1號和2號機組在全廠斷電約9天後恢復了外部電源供應。3號和4號機組在全廠斷電約14天後恢復了外部電源供應。6號機組又恢復了1台水冷柴油發電機，向5號和6號機組供電，隨後5號和6號機組實現了冷停堆。1至3號機組則按照東京電力公司制訂的路線圖，在維持反應堆和乏燃料水池的持續冷卻、監測和減少放射性物質釋放、控制氫氣聚集及預防堆芯重返臨界方面開展後續工作。

在事故發展過程中，包括美國核管理委員會在內曾經很擔心乏燃料水池，特別是4號機組乏燃料水池內存貯的大量乏燃料的安全，甚至推測乏燃料與水反應可能產生氫氣，所以使用直升機、高壓水槍、消防車和混凝土泵車等對3號和4號機組的乏燃料水池進行了補水。但後來對乏燃料水池的檢查表明，乏燃料沒有出現明顯的損傷，美國核管理委員會後期承認，在福島第一核電廠事故期間對乏燃料水池的風險估計過高。

事故過程中，1、3和4號機組的反應堆廠房先後發生了爆炸，爆炸極大地影響了相關的事故處理工作。1號和3號機組的爆炸是由於熔融堆芯與水發生反應產生了大量氫氣，但4號機組反應堆壓力容器內並無燃料，事後推測是3號機組產生的氫氣通過通風管道泄漏到了4號機組反應堆廠房。

由於事故過程中安全殼密封性能的損壞，或者是對安全殼實施了卸壓通風（安全殼卸壓通風是嚴重事故管理指南中提供的措施，但卸壓時機很重要。在堆芯已經熔毀後實施卸壓，大量的放射性物質則會進入環境），大量的放射性物質，包括放射性廢水進入環境，造成了嚴重的環境後果。福島第一核電廠1、2、3號機組採用了MARK-I型安全殼，美國電廠安全評價計劃和外部事件下的電廠安全評價計劃的結果顯示，其安全殼下部的環形抑壓池是薄弱環節。福島第一核電廠事故向環境的大量放射性廢水的排放，很可能是抑壓池的損壞所致。

後期評估表明，在福島第一核電廠事故中，1號機組反應堆堆芯的損壞大約發生在海嘯後第4～5小時，在海嘯後約6～8小時熔化的堆芯熔穿了反應堆壓力容器底部，在海嘯後約12小時觀察到放射性物質釋放，在海嘯後約23小時對安全殼卸壓通風時導致了大規模放射性物質釋放。2號機組在海嘯後約76小時發生了堆芯熔化，在海嘯後約89小時由於安全殼壓力邊界的失效導致放射性物質釋放。3號機組大約在海嘯後43小時堆芯開始熔化，由於抑壓池的爆破盤破裂，海嘯後47小時開始大規模放射性物質釋放。

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