福島核事故對(duì)核電安全設(shè)計(jì)的啟示

邱志超 劉宏帥

摘 要

日本福島核事故是迄今為止世界第三起嚴(yán)重核事故，后果非常嚴(yán)重，教訓(xùn)也相當(dāng)深刻。究其原因，既有極端自然災(zāi)害因素，也有早期沸水堆的設(shè)計(jì)缺陷，以及相關(guān)機(jī)構(gòu)的失職和無能。福島核事故的發(fā)生表明現(xiàn)有的核電設(shè)計(jì)仍有改進(jìn)空間，包括項(xiàng)目選址、小概率高風(fēng)險(xiǎn)事件、廠坪標(biāo)高、應(yīng)急電源等方面。

關(guān)鍵詞

福島核事故;嚴(yán)重事故;全廠斷電;應(yīng)急電源;核應(yīng)急

中圖分類號(hào)： TM623 ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.09.088

0 引言

日本福島核事故是繼美國三哩島核事故、蘇聯(lián)切爾諾貝利核事故之后的世界第三起嚴(yán)重核事故，造成了大量放射性泄漏和大面積核污染，深刻影響了世界核電發(fā)展進(jìn)程以及公眾對(duì)核電的信任和支持，后果非常嚴(yán)重，教訓(xùn)也相當(dāng)深刻。本文在深入剖析福島核事故產(chǎn)生原因的基礎(chǔ)上，從項(xiàng)目選址、廠坪標(biāo)高、應(yīng)急電源、核應(yīng)急等方面總結(jié)提煉出福島核事故對(duì)核電安全設(shè)計(jì)的啟示和經(jīng)驗(yàn)反饋。

1 福島核事故概述

2011年3月11日，里氏9.0級(jí)強(qiáng)震襲擊了日本東海岸，地震后僅46分鐘，由其引發(fā)的大海嘯席卷而來，高達(dá)14米的巨浪越過防浪堤以排山倒海之勢奔向福島核電站。地震疊加海嘯導(dǎo)致福島第一核電站1-4號(hào)機(jī)組堆芯或乏燃料水池相繼失去冷卻，進(jìn)而發(fā)生氫氣爆炸和核泄漏，一度引起世界各國的高度關(guān)注和恐慌，德國、瑞士等國先后宣布棄核政策。

福島核電站位于日本福島工業(yè)區(qū)，由福島第一核電站、福島第二核電站組成，共10臺(tái)機(jī)組，其中第一核電站6臺(tái)，第二核電站4臺(tái)，均為沸水堆。地震發(fā)生前，福島第一核電站1、2、3號(hào)機(jī)組處于運(yùn)行狀態(tài)，4、5、6號(hào)機(jī)組處于維修停堆狀態(tài)。

2 福島核事故產(chǎn)生的原因

根據(jù)國際核事故分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（INES），福島核事故應(yīng)定義為最高等級(jí)的7級(jí)核事故，與切爾諾貝利核事故處在同一等級(jí)。從事故進(jìn)程看，大地震及其引發(fā)的大海嘯是引起本次事故的初始事件。大地震疊加大海嘯造成長時(shí)間的全廠斷電，乏燃料與堆芯長期得不到冷卻[1]，導(dǎo)致氫氣在反應(yīng)堆廠房和乏燃料廠房不斷集聚直至爆炸，致使廠房出現(xiàn)破損，放射性物質(zhì)大量泄露到環(huán)境中?？梢钥闯觯瑢?duì)全廠斷電工況應(yīng)對(duì)不力才是導(dǎo)致本次事故持續(xù)升級(jí)的根本原因，而這歸根到底是人禍，既有早期沸水堆的設(shè)計(jì)缺陷，也有相關(guān)機(jī)構(gòu)的各種失職和無能。

2.1 極端自然災(zāi)害

如前所述，大地震及其引發(fā)的大海嘯是導(dǎo)致本次事故發(fā)生的直接誘因。現(xiàn)有資料顯示，福島第一核電站海工設(shè)施按照最大浪高5.7米設(shè)計(jì)，地震設(shè)計(jì)按照8.0級(jí)設(shè)防[2]。9.0級(jí)大地震疊加最大浪高達(dá)到約14米的大海嘯，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了福島第一核電站的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，同時(shí)也超過了世界所有在運(yùn)在建核電站的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)[2]。

2.2 早期設(shè)計(jì)缺陷

福島第一核電站采用早期的沸水堆設(shè)計(jì)，建造于20世紀(jì)60年代?？陀^地說，不要說當(dāng)時(shí)的日本，就是當(dāng)時(shí)核電最先進(jìn)的國家，也沒有形成嚴(yán)重事故的清晰概念，更不會(huì)有意識(shí)地設(shè)置預(yù)防和緩解嚴(yán)重事故的安全措施。

（1）專設(shè)安全系統(tǒng)采用能動(dòng)設(shè)計(jì)，嚴(yán)重依賴交流電源驅(qū)動(dòng)。

（2）反應(yīng)堆廠房內(nèi)和乏燃料廠房內(nèi)均沒有任何消氫設(shè)計(jì)[1]，既沒有設(shè)置應(yīng)對(duì)氫氣風(fēng)險(xiǎn)的相關(guān)系統(tǒng)，也沒有考慮任何氫氣濃度監(jiān)測和消氫措施。

（3）反應(yīng)堆外殼的自由空間較小，存在很大的超壓失效風(fēng)險(xiǎn)。

（4）沒有考慮堆芯熔融物滯留壓力容器的設(shè)計(jì)。

（5）沸水堆機(jī)組相對(duì)壓水堆機(jī)組，更容易導(dǎo)致放射性泄漏。

（6）主控室沒有備用操控手段和電站狀態(tài)指示。事故中，一些緩解事故的干預(yù)措施只能就地操作，但受惡劣環(huán)境限制，搶險(xiǎn)救災(zāi)嚴(yán)重受阻，災(zāi)害程度進(jìn)一步加劇[2]。

（7）放射性廢水處理設(shè)施和手段設(shè)計(jì)不足，導(dǎo)致廠內(nèi)聚集大量亟待處理的放射性廢水。

2.3 人因

除以上原因外，政府部門和電站業(yè)主表現(xiàn)出的種種人因缺失和無能進(jìn)一步加劇了事故后果。

（1）日本政府嚴(yán)重瀆職，核應(yīng)急管理經(jīng)驗(yàn)缺失。首先是核安全監(jiān)管部門對(duì)業(yè)主東京電力公司的監(jiān)管和執(zhí)法長期缺位;其次是核應(yīng)急部門管理經(jīng)驗(yàn)嚴(yán)重缺失，沒有及時(shí)向公眾和社會(huì)發(fā)布事故信息;最后是日本政府盲目拒絕國際援助，貽誤抗災(zāi)救險(xiǎn)的最佳時(shí)機(jī)[1]。

（2）電站業(yè)主嚴(yán)重失職，核安全意識(shí)淡薄。首先是過往表現(xiàn)極其惡劣，核安全記錄和試驗(yàn)數(shù)據(jù)多次弄虛作假;其次是事故處理時(shí)未把核安全放在首位，一直抱有僥幸心理，遲遲不向堆內(nèi)注入海水，還第一時(shí)間隱瞞實(shí)情，導(dǎo)致政府部門錯(cuò)失最佳救援機(jī)會(huì)。

3 對(duì)核電安全設(shè)計(jì)的啟示

當(dāng)前的核電設(shè)計(jì)主要采用第三代及以上堆型，安全水平高出福島第一核電站幾個(gè)量級(jí)，縱深防御、冗余設(shè)計(jì)、嚴(yán)重事故緩解等理念在設(shè)計(jì)、建造等環(huán)節(jié)得以貫徹落實(shí)。然而，福島核事故的發(fā)生一方面再次暴露了核電站潛在的危險(xiǎn)性，提醒全體從業(yè)人員對(duì)待核安全必須時(shí)刻保持敬畏之心，切不可麻痹大意，另一方面也展現(xiàn)了一些與前兩次嚴(yán)重核事故明顯不同的特點(diǎn)，需要業(yè)界對(duì)現(xiàn)有的核電設(shè)計(jì)進(jìn)行反思和改進(jìn)。

3.1 項(xiàng)目選址務(wù)必保守慎重

做好項(xiàng)目選址是核電安全設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和前提。日本作為地震頻發(fā)的國家，海嘯也時(shí)有發(fā)生，從福島核事故看，選址階段對(duì)極端自然災(zāi)害的評(píng)估和論證嚴(yán)重不足。應(yīng)該看到，20世紀(jì)60年代設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者依據(jù)的可靠歷史記錄有限，且當(dāng)時(shí)技術(shù)也沒有如今先進(jìn)。設(shè)計(jì)者往往根據(jù)有限的歷史記錄或描述來揣測、推斷海嘯的高度，但是人類有記錄的歷史才幾千年，對(duì)于地震、海嘯、龍卷風(fēng)、洪水等極端自然災(zāi)害的記錄更短，千年一遇的準(zhǔn)確、真實(shí)記錄很少，甚至缺乏。因此，在抗極端自然災(zāi)害方面的設(shè)計(jì)上，務(wù)必要保守慎重，無論是哪種自然災(zāi)害，至少要選取當(dāng)?shù)貧v史記錄的最高值，并留有足夠的裕量。

3.2 充分考慮小概率高風(fēng)險(xiǎn)事件的疊加影響

小概率高風(fēng)險(xiǎn)事件既包括地震、海嘯、龍卷風(fēng)、洪水等在內(nèi)的外部事件，也包括恐怖襲擊、火災(zāi)在內(nèi)的內(nèi)部事件。小概率高風(fēng)險(xiǎn)事件很難獲得真實(shí)有效的支持?jǐn)?shù)據(jù)，在核安全分析中，分析人員往往會(huì)對(duì)這些事件忽略不計(jì)或估計(jì)不夠。但福島核事故告誡我們，即使是強(qiáng)地震和強(qiáng)海嘯相繼發(fā)生，進(jìn)而引發(fā)應(yīng)急柴油機(jī)水淹失效、外電網(wǎng)和交通癱瘓疊加的小概率事件，也有可能發(fā)生，而一旦發(fā)生，則是顛覆性的嚴(yán)重事故，后果不堪設(shè)想。因此，設(shè)計(jì)初期就應(yīng)做好多重小概率高風(fēng)險(xiǎn)事件疊加的影響和后果分析，從軟硬件上采取足夠有效的防范措施。

3.3 選用安全性能更好的堆型

福島第一核電站1-4號(hào)機(jī)組設(shè)計(jì)于20世紀(jì)60年代，屬于早期的沸水堆技術(shù)，如前所析，有明顯的設(shè)計(jì)缺陷，安全水平較低。通過對(duì)三次嚴(yán)重核事故的反思和經(jīng)驗(yàn)反饋，目前國內(nèi)的核電設(shè)計(jì)水平有了長足進(jìn)步，涌現(xiàn)出“華龍一號(hào)”、CAP1400、高溫氣冷堆等具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的安全水平較高的堆型，鈉冷快堆、熔鹽堆等安全性能更好的第四代堆型也在積極研發(fā)中。核電業(yè)主在確定技術(shù)路線時(shí)，應(yīng)根據(jù)國家布局和核安全監(jiān)管要求選擇當(dāng)期安全性能更有保障的堆型，并在投運(yùn)后不斷吸收安全設(shè)計(jì)的新理念，合理可行地對(duì)機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化改造。

3.4 廠坪標(biāo)高選取要有充分的冗余

現(xiàn)有資料顯示，福島第一核電站1-4號(hào)機(jī)組在事故中的浸水高度為11.5米至15.5米，而設(shè)計(jì)方選定的海嘯最高水位為6.1米，兩者差異巨大，充分說明人類認(rèn)知自然規(guī)律是有限的。因此，核電設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員在選取廠址和廠房標(biāo)高時(shí)，一定要留有充分的冗余，業(yè)主方和政府管理部門也要重點(diǎn)審查論證。首先要求干廠址，防止一切可能發(fā)生的水淹;其次要充分考慮到廠址地區(qū)可能發(fā)生的各種氣象條件的影響，包括臺(tái)風(fēng)、海嘯、海平面上升、暴雨、上游潰堤、潮水及波浪影響，留出較大裕量應(yīng)對(duì)極端外部事件疊加的最大洪水，按照千年一遇考慮，同時(shí)設(shè)計(jì)建造防洪防波堤壩。

3.5 完善嚴(yán)重事故的預(yù)防和緩解措施

受歷史局限，福島第一核電站設(shè)計(jì)時(shí)根本沒考慮嚴(yán)重事故的預(yù)防和緩解。安全殼自由空間過小，安全殼內(nèi)沒有消氫裝置，主控室沒有備用操控手段，未考慮堆芯熔融物滯留設(shè)計(jì)，這些無疑加劇了事故的惡化速度和嚴(yán)重程度，也讓世界各國對(duì)制定嚴(yán)重事故的預(yù)防和緩解措施有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。

因此，應(yīng)在現(xiàn)有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上更加注重嚴(yán)重事故預(yù)防和緩解措施的平衡[3]，完善嚴(yán)重事故管理導(dǎo)則和主控室應(yīng)急可居留性，設(shè)計(jì)針對(duì)乏燃料水池和安全殼內(nèi)的監(jiān)測手段，配置可靠的備用控制室、殼內(nèi)消氫裝置和安全殼過濾排放系統(tǒng)，進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)應(yīng)對(duì)高壓熔堆、大體積氫氣爆炸、熔融堆芯與混凝土反應(yīng)、全廠斷電等嚴(yán)重事故的具體措施。

3.6 加強(qiáng)應(yīng)急電源的可靠性設(shè)計(jì)

國內(nèi)在運(yùn)在建的絕大多數(shù)核電機(jī)組都是傳統(tǒng)二代壓水堆機(jī)組，同福島第一核電站事故機(jī)組一樣，全廠斷電工況下依賴廠內(nèi)外應(yīng)急電源來保證應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)正常運(yùn)行，進(jìn)而導(dǎo)出堆芯余熱。即使是非能動(dòng)設(shè)計(jì)的AP1000第三代機(jī)組，全廠斷電工況下也不能完全擺脫對(duì)應(yīng)急電源的依賴。

因此，核電設(shè)計(jì)必須高度重視應(yīng)急電源的可靠性設(shè)計(jì)。一是要在設(shè)計(jì)過程中嚴(yán)格貫徹單一故障、冗余性、獨(dú)立性等保守原則，并采取增加高位應(yīng)急電源、增大蓄電池容量、防水淹封堵等有效措施，提高廠內(nèi)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組、蓄電池組的可靠性;二是要與電網(wǎng)公司合作提高廠外電網(wǎng)的供電級(jí)別和可靠性;三是要設(shè)置可靠的移動(dòng)應(yīng)急電源作為廠內(nèi)已有應(yīng)急電源的補(bǔ)充和后備。

4 結(jié)語

日本福島核事故是迄今為止世界第三起嚴(yán)重核事故，深刻影響了世界核電發(fā)展進(jìn)程以及公眾對(duì)核電的信任和支持，后果非常嚴(yán)重，教訓(xùn)也相當(dāng)深刻。究其原因，既有極端自然災(zāi)害因素，也有早期沸水堆的設(shè)計(jì)缺陷，以及相關(guān)機(jī)構(gòu)的種種失職和無能。福島核事故的發(fā)生表明現(xiàn)有的核電設(shè)計(jì)還需要進(jìn)一步反思與改進(jìn)，包括項(xiàng)目選址、小概率高風(fēng)險(xiǎn)事件、廠坪標(biāo)高、應(yīng)急電源、嚴(yán)重事故緩解等方面。需要指出的是，福島核事故經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)的總結(jié)將是一個(gè)長期的過程，隨著國內(nèi)外認(rèn)識(shí)的不斷深入，核電的安全設(shè)計(jì)也必須進(jìn)一步優(yōu)化和完善。

參考文獻(xiàn)

[1]張祿慶.日本福島核事故原因初探及啟示[J].中國核工業(yè)報(bào)，2011，1（1）： 3-5.

[2]王中堂，柴國旱.日本福島核事故[M].北京：原子能出版社，2014.

[3]張琳，李文宏，楊紅義.福島核事故后核電廠安全改進(jìn)行動(dòng)分析[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2014，48（3）：486-491.