3月11日,日本东北部近海发生里氏8.9级特大地震。地震及海啸导致了福岛核电站多台反应堆机组出现故障,其中福岛第一核电站1号反应堆发生了核泄漏。从目前的情况看来,核泄漏已受到控制,辐射程度非常轻微,不会对核电站附近人群造成短期危害,更不会影响到周边国家。但核电站的安全性仍须重视,特别是核电站对海啸的防范是一个值得思考的新课题。

   
     

应急柴油发电机被海水淹没

3月11日,日本东北部近海发生里氏8.9级特大地震。地震发生后,日本核电安全措施启动,福岛第一核电站的6座核反应堆和第二核电站的4座核反应堆全部自动停止运转,应急柴油发电机启动。但不幸的是,柴油发电机被其后海啸带来的洪水淹没,停止运转。由于缺乏电力,反应堆机组的主水泵无法工作,未能为反应堆提供冷却水循环。这一故障,使得多个反应堆容器内的冷却水温、压力上升。到11日晚,福岛第一核电站的1号反应堆容器压力上升至设计值的1.5倍,2号反应堆容器内水位下降,出现核泄漏危险。

为此,日本首相菅直人发布“原子能紧急事态宣言”,疏散福岛第一核电站为中心半径3公里之内的居民,同时要求3公里至10公里的居民不要外出。

出现微量核泄漏

到12日凌晨,福岛第一核电站的1号反应堆容器内部辐射强度是正常值的1000倍。日本原子能安全保安院宣布,经济产业相决定命令东京电力公司在福岛第一核电站释放反应堆容器的蒸气,避免反应堆容器及冷却水回路因蒸汽压力过大而爆炸损坏,影响以后的抢修工作。但是这一措施也导致了微量核泄漏,上午10时测得的福岛第一核电站正门核辐射浓度是7时40分的73倍。

日本首相菅直人下令,12日凌晨5时44分起,建议居民疏散避难的范围从第一核电站半径3公里以内扩至10公里。福岛县政府12日也要求以第二核电站为中心半径3公里之内的居民疏散。

核燃料棒破损泄漏

到12日上午10时,东京电力公司召开记者会宣布,福岛第一核电站和第二核电站的6个反应堆的水温已经超过了120度,而且还在继续上升中。东京电力公司承认,无法控制这些核反应堆水温的上升。更为严重的是,福岛第一核电站有反应堆容器内部水位比核燃料棒最高处低了50厘米,这意味着核燃料棒有部分部位得不到冷却,外层包裹金属可能会被高温烧蚀熔解,出现更严重核泄漏。

12日下午13时左右,日本原子能安全保安院宣布,在福岛第一核电站附近探测到放射性铯元素,确定已出现核燃料棒破损、核燃料泄漏情况。

核电站厂房发生爆炸

12日下午16时许,福岛第一核电站1号反应堆机组厂房发生爆炸,厂房的外墙和屋顶在爆炸中坍塌。爆炸发生后,在核电站周边检测到的辐射剂量增加至每小时1.015毫希。

日本官房长官在晚上20时许召开记者会称,此仅为厂房内氢气爆炸,核反应堆安全壳没有受到损伤。并且核电站周边的辐射剂量在18时许已降低至每小时0.0705毫希。

晚上10时许,日本方面决定向1号反应堆注入海水实施冷却,目前抢修工作仍在进行中。

 

3月12日,福岛第一核电站。日本发生8.9级地震后,福岛第一核电站反应堆自动停止运转,但应急柴油发电机却因被洪水淹没停止了运转。

 

3月12日,直升机在福岛第一核电站外飞行。受地震影响,福岛第一核电站先是有微量核泄漏,后由于燃料棒破损,核泄漏就变得更为严重。

   
     

沸水型反应堆安全性较弱

日本福岛第一、第二核电站的所有10座核反应堆在1971-1988年间建成运行,均属沸水型反应堆。其工作原理是核燃料棒在反应堆堆芯发生可控的链式反应,产生大量热量;这些热量传递给反应堆容器内的水,这些水被加热后产生蒸汽,直接推动蒸汽涡轮发电机产生电能。这个回路里的水,在反应堆运转后是沸腾的,蒸汽通过涡轮发电机后需要进入一个冷凝器,冷凝器引入海水进行冷却。

沸水型反应堆与压水型反应堆相比,属于单循环反应堆,沸水产生的蒸汽用来直接推动汽轮,不象压水堆那样有蒸汽发生器隔离。万一发生故障,蒸汽里就带有放射性物质,设计上的安全性较弱。

但沸水型反应堆的经济性较好,日本国内发展的均是沸水型反应堆。长期以来,一直有核专家质疑,日本作为一个地震频繁的地区,使用这样的结构是否合理。

福岛第一核电站1号堆已到寿

清华大学核能研究院曲静原教授表示,一般核电站堆芯设计都是40年,其实福岛核电站1号机组已经到了寿命,但是根据美国的经验,到了40年,还可以延寿20年,甚至寿命到了60年还可以延续。“效益非常好,扔了很可惜。延寿需要严格审查,是不是满足现在的安全要求。”

今年2月7日,东京电力公司和福岛第一原子力发电所刚刚完成了一份对于福岛一站一号机组的分析报告,指出这一机组已经服役40年,出现了一系列老化的迹象,包括原子炉压力容器的中性子脆化,压力抑制室出现腐蚀,热交换区气体废弃物处理系统出现腐蚀,并为其制定了长期保守运行的方案。这一机组的计划延寿20年,正式退役需要到2031年。

为什么维持冷却水循环那么重要?

在这次地震发生后,日本福岛第一、第二核电站的反应堆都已自动停止运行,为什么还会出现如此严重的核泄漏?这是因为在核电术语里“停堆”,只是通过计算机控制向反应堆芯插入控制棒,停止链式反应,但是核燃料棒里的反射性元素自衰变仍然产生非常大的热量。这样就必须保持冷却水循环,保证核燃料棒不会因为温度升高而出现包裹金属熔解破损,导致严重核泄漏。

但是在这次事故中,福岛第一、第二核电站有多个反应堆停堆后,因为配套的柴油发电机被海水淹没,冷却水循环停止。核燃料自衰变产生的热量,将反应堆容器内的水加热至120度,极大的蒸汽压力会使一回路出现破损、甚至反应堆容器会发生爆炸。

 

福岛第一核电站于1971年开始运行,距今已有40年,采用沸水型反应堆。这种反应堆经济性较好,但因为是单循环反应堆,设计安全性较弱。

 

沸水型反应堆运行过程示意图,图中蓝色部分即为冷却水循环,最左边的部分即为进行链式反应的炉心。(点击可看大图)

福岛核电站各反应堆投入运行时间
福岛第一核电站   福岛第二核电站
反应堆编号
投入运行时间
  反应堆编号 投入运行时间
1号 1971年3月26日   1号 1982年4月20日
2号
1974年7月18日
  2号 1984年2月3日
3号 1976年3月27日   3号 1985年6月21日
4号
1978年10月12日
  4号 1987年8月25日
5号 1978年4月18日  
6号
1979年10月24日
 
   
     

福岛核电站泄漏事件在地震后一天之内急剧恶化,由于出事反应堆的温度迟迟未能得到控制,发生爆炸的可能性极高。这不免引起人们的担心,这次事件是否是切尔诺贝利核泄漏事件的重演?此次事故的核泄漏究竟有多严重?

前苏联切尔诺贝利核泄漏事件

切尔诺贝利核电站位于乌克兰北部,是前苏联在乌克兰境内兴建的第一个核电站,在建成时被宣传为世界上最安全、最可靠的核电站。1986年4月26日,技术人员对其4号反应堆进行安全系统测试,但由于操作不当,最终导致反应堆过热爆炸。爆炸发生后,四号反应堆厂房被炸掉一半,反应堆堆芯直接暴露在大气中。事后估计,事后估计爆炸瞬间约有50吨核燃料化作烟尘进入大气层。核辐射尘污染过的云层飘往众多地区,包括前苏联西部的部分地区、西欧、东欧、斯堪地那维亚半岛、不列颠群岛和北美东部部分地区。

世界卫生组织在2005年所作的报告指出,切尔诺贝利核泄漏事件直接致死56人,近60万人受到大剂量的核辐射,估计有4000人会死于核辐射导致的癌症。

美国三里岛核电站事故

另外一起震惊世人的核电站事故是美国三里岛核电站事故。1979年3月28日,美国宾夕法尼亚州的三里岛核电站的2号反应堆出现故障,反应堆容器失水,高温导致100吨铀燃料棒中的45%受到损坏。抢修人员向反应堆容器大量注水,用了6天时间才将反应堆降低到正常水平,最终避免了反应堆爆炸。尽管发生了燃料棒高温熔解,但由于受到辐射的冷却水及其它放射性物质都被控制在核电站的安全壳内,所以这次事故并没有造成严重的核泄漏。

没有一人因为这起事故死亡,在事故现场只有3人受到半年容许剂量的辐射,而在核电站80公里半径内的民众,平均每人也只受到一年天然辐射剂量的1%。三里岛核电站事故对周边环境的影响也很小。

福岛核电站核泄漏情况整理

此次福岛第一核电站的事故,按截止至12日晚上7时的情况来看,有中国专家认为核泄漏的严重性至少与美国三里岛核电站事故相当。

首先在上午,福岛第一核电站方面主动进行蒸汽释放,这些蒸汽是与反应堆芯接触、带有放射性的,这些蒸汽尽管会经过过滤,但仍会有一些残留。上午10时,在核电站正门测得的辐射值是7时40分测得的72倍,说明已经发生轻微核泄漏。

在下午1时许,在福岛第一核电站附近探测到放射性铯元素,这意味着核燃料棒出现破损。日本原子能安全保安院则在稍晚时间宣布,福岛第一核电站1号机组周边检测出放射性物质铯和碘,铯和碘都是堆芯的燃料铀发生核分裂的产物,这表明反应堆堆芯燃料熔化进一步加剧。

更严重的情况发生在下午4时许,1号机组厂房发生冷却氢气爆炸,厂房的外墙和屋顶在爆炸中坍塌,这起爆炸也导致了核泄漏。日本NHK电视台方面的消息,爆炸发生时有约90名民众在福岛第一核电站约3公里外的医院旷地上等待疏散,对其中3人进行抽查检验发现,这3位民众都受到了一定程度的核辐射。而福岛县方面透露,在核电站周边检测到的辐射剂量为1.015毫希(mSv,具体解释及影响见表1)。

晚间,日本官房长官在记者招待会上表示,下午发生的爆炸未对“核反应堆容器壳”造成损坏。而中国有核专家在央视访谈中表示,核反应堆压力容器没有受损,爆炸发生在核反应堆压力容器与外层混凝土安全壳之间,损坏了外层混凝土安全壳,造成了少量放射性物质释出。中国核能行业副秘书长冯毅表示,福岛第一核电站这次事故至少与美国三里岛核电站事故相当,达到国际核事故分级标准的第5级——即有限的核污染泄漏到工厂外,需要采取一定措施来挽救损失。(具体分级标准见表2)

目前,对福岛第一核电站的抢救仍在进行中,核泄漏情况的进一步发展仍未明确。

 

前苏联切尔诺贝利核电站核泄漏事件被认为是人类史上最严重的核泄漏事故,其释放出辐射线剂量是投在广岛的原子弹的400倍以上。

 

美国三里岛核电站事故情况虽然严重,不过由于采用了多重安全措施,所以尽管堆中燃料棒遭遇高温熔解,但并未造成严重的核泄漏,对周边环境影响很小。

 

福岛核电站1号机组厂房发生的氢气爆炸,造成厂房外墙和屋顶在爆炸中坍塌,导致了核泄漏。不过晚间日本官方长官表示这次爆炸并未对“核反应堆容器壳”造成损坏。

    表1
    在放射医学和人体辐射防护中,辐射剂量的单位有多种衡量模式和计量单位。较为完整的衡量模式是“当量剂量”,是反映各种射线或粒子被吸收后引起的生物效应强弱的辐射量。其国际标准单位是希沃特,记作Sv。定义是每公斤(千克、kg)人体组织吸收1焦耳(J),为1希沃特。希沃特是个非常大的单位,因此通常使用毫希沃特(mSv),1mSv=0.001Sv。
人在短时间内受到大剂量辐射的临床反应   常见的辐射剂量
剂量(mSv) 后果   剂量(mSv) 射线源或限度
>4000
死亡
  0.003 天然背景值
2000-4000 产生严重辐射疾病:骨髓和骨密度遭到破坏,红细胞和白细胞极度减少,内出血、腹泻等症状   0.03 乘10小时飞机
1000-2000
轻微辐射疾病,疲劳、呕吐、食欲减退
  0.1-0.2 X射线医学检查累积量
100-500 没有疾病感觉,但血液中白细胞含量减少   1-2 来自自然放射源一年的剂量(如空气中的氡)
<100
对人体无危害
  1-5 平均每人一年的积累量。
100-500 没有疾病感觉,但血液中白细胞含量减少   50 放射行业工人一年的积累量
在下午爆炸发生后,福岛第一核电站周边检测到的辐射剂量为每小时1.015mSv,人员在附近暴露6小时即会受到平时一年的辐射,但短时间内对人体无危害。
    表2
    国际核事故分级标准(INES)制定与1990年。这个标准是由国际原子能机构(IAEA)起草并颁布,旨在设定通用标准以及方便国际核事故交流通信。
级别
说明
准则 实例
7 特大事故 大量核污染泄露到工厂以外,造成巨大健康和环境影响。 1986年前苏联切尔诺贝利核事故
6
重大事故
一部分核污染泄漏到工厂外,需要立即采取措施来挽救各种损失。 1957年前苏联基斯达姆核事故
5 具有厂外风险的事故 有限的核污染泄漏到工厂外,需要采取一定措施来挽救损失。 1979年美国三里岛核事故
4
没有明显厂外风险的事故
非常有限但明显高于正常标准的核物质被散发到工厂外,或者反应堆严重受损或者工厂内部人员遭受严重辐射。 1999年日本东海村核事故
3 重大事件 很小的内部事件,外部放射剂量在允许的范围之内,或者严重的内部核污染影响至少1个工作人员。
2
事件
这一级别对外部没有影响,但是内部可能有核物质污染扩散,或者直接过量辐射了员工或者操作严重违反安全规则。
1 异常 这一级别对外部没有任何影响,仅为内部操作违反安全准则。
0
偏离
安全上无重要意义
中国核能行业副秘书长冯毅表示,福岛第一核电站这次事故至少与美国三里岛核电站事故相当,达到国际核事故分级标准的第5级。
 

日本福岛第一核电站1号反应堆的抢修工作仍在进行中,从目前的情况来看,核泄漏情况并不严重。尽管发生了一定程度的核泄漏,但辐射水平并不会对核电站周边人群构成短期危害。对日本国内其它地区、周边国家就更不会造成影响了。

在这次核事故中,反应堆容器没有受损,与切尔诺贝利核事故有本质上的不同。在切尔诺贝利核事故中,反应堆爆炸后,反应堆芯直接暴露在大气中,爆炸瞬间约有50吨核燃料化作烟尘进入大气层,造成广泛地区的核污染。

但是,此次核事故的控制得益于及时的抢救工作,并出现核燃料棒破损的情况,核电站的安全仍是值得我们重视的。特别是这次事故的诱因是应急柴油发电机组被海啸带来的洪水淹没,导致冷却水泵无法工作。中国国内有众多核电站建于海边,核电站对海啸的防范是一个值得思考的新课题。

作者:黄治茂 编辑:冯家杰
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