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日本福岛核电站事故及其影响分析(1)

FDS(先进核能研究)团队

 

  2011年3月11日14时46分,日本本州岛附近海域发生里氏9.0级强震,地震及其引发的海啸导致了日本福岛核电站一站1~4号反应堆发生事故,并引发可能的核辐射危机。

 

  事故现状:事态基本控制住

  日本福岛核电站是世界最大的核电站之一,由福岛一站、福岛二站组成,共有10台机组(一站6台,二站4台)。福岛核电站是上世纪70年代建成并投入商业运行的沸水反应堆。沸水堆核电站的冷却剂流过堆芯后直接变成高压蒸汽和水的混合物,经过汽水分离器和蒸汽干燥器,将分离出的蒸汽用来推动汽轮发电机组发电。

沸水堆原理示意图

 

  3月11日地震发生时,福岛一站的1~3号机组正在运行,4~6号机组处于停堆检修状态。

  地震和海啸发生后,1~3号机组立即自动停堆。但电站的外电网全部瘫痪,同时备用柴油发电机由于被海啸摧毁未能正常工作,致使反应堆停堆余热排除系统完全失效,导致1,2,3,4号机组相继发生氢气爆炸或大火。经过多方努力,目前局势已得到初步控制,电厂电力已部分恢复,机组状态也相对稳定,以下是截至22日上午10时,第一核电站的机组状况:

第一核电厂状况

(2011-03-21,10:00)

1号机组

2号机组

3号机组

4号机组

5号机组

6号机组

地震时情况

在运行自动停堆

在运行→自动停堆

在运行→自动停堆

已卸料

未运行

未运行

燃料完整性

损坏

损坏

损坏

未装料

完好

完好

压力容器完整性

未知

未知

未知

完好

完好

完好

安全壳完整性

完好

可能损坏

可能损坏

完好

完好

完好

厂房状况

严重损坏

轻微损坏

严重损坏

严重损坏

在厂房屋顶打开通风口以防止氢爆

压力容器内水量

燃料可能部分或全部露出

燃料可能部分或全部露出

燃料可能部分或全部露出

安全

安全

安全

压力容器内压力

稳定

未知

 

安全

安全

安全

安全壳内压力

稳定

稳定

20日起开始下降

安全

安全

安全

海水注入堆芯情况

持续中

持续中

持续中

无需

无需

无需

海水注入安全壳情况

持续中

待决定

持续中

无需

无需

无需

安全壳蒸汽排放

暂停

暂停

暂停

无需

无需

无需

乏燃料完整性

正在考虑向内注水

20日起持续注入海水

水位低,注水持续中并产生效果

水位低,注水中,有氢气产生并爆炸

冷却能力恢复

冷却能力恢复

环境影响

电厂正门22日6时:264.6μSv/h

服务楼北部21日16时30分:2015.0μSv/h

疏散范围

半径20km,半径20km-30km的居民建议呆在家中不要出门

事故等级

5级

5级

5级

3级

-

-

 

 

  事故的主要原因:反应堆的停堆余热未能及时排出

  核反应堆停堆后,其功率并不是像火电站一样立即降为零,而是以正常功率的百分之几继续释放出衰变余热,并逐渐减小,但是这部分停堆余热的热量仍然很大,因此,在反应堆停堆后还必须采取一定的措施对堆芯进行冷却,以便排出这些热量防止损坏燃料组件及避免放射性物质的泄漏。

  另外,乏燃料从反应堆堆芯取出后,需暂时保存在厂房内的一个开放式水池(乏燃料池)里面,继续冷却以排出衰变余热。

  本次事故就是由于地震和海啸导致了反应堆冷却系统未能正常工作,而无法排出1~3号反应堆堆芯及4号堆乏燃料的衰变余热。

 

  数次爆炸是氢气爆炸而不是核爆

  地震发生后4天内福岛核电站1~4个机组相继发生若干次爆炸。爆炸导致1~4号反应堆的厂房损坏,同时2号反应堆的压力控制池也遭到破坏。

  在强烈地震及其引起的海啸之后,导致堆芯失去冷却,压力容器内水温和压力不断升高。大量冷却剂的蒸发使得压力容器内压力升高,同时堆芯部分燃料组件的裸露引发了燃料包壳所用的锆合金与高温蒸汽之间的锆水反应,产生氢气。为了避免反应堆压力容器内出现超压危险,通过主动泄压的方式将压力容器中的气体释放到安全壳外。蒸汽中包含大量的氢气,接触到安全壳外空气,并达到一定浓度,就发生了氢气爆炸。氢爆本身是没有放射性产生的。

1-4号反应堆结构及爆炸位置示意图

 

  核电站设计的多道屏障

  为确保核电站的放射性物质不会泄露到环境中,核电站在设计时从安全性角度设置了多道安全屏障。第一道屏障是燃料元件包壳,直接包容裂变燃料和主要的放射性产物;第二道屏障是将反应堆冷却剂全部包容在内的一回路压力边界,其中主要设备压力容器通常由15cm左右壁厚的钢做成;第三道屏障是钢筋混凝土结构的安全壳,它将压力容器等设备包容在内,是确保核电厂周围居民安全的最后一道防线。核电站在确保包容放射性物质方面做了非常周到的考虑,利用多道屏障的方式防止放射性物质泄漏。

  4号反应堆由于今年停堆检修,其乏燃料被取出放在厂房内的一个开放式水池里,处于三层屏障之外,因此冷却剂循环动力丧失的4号堆若发生爆炸和燃烧,放射性物质将有可能直接泄露到大气中,这也就是部分新闻报道中提到“四号机组最危险”的来由。

  由于已采取海水冷却的应急措施,目前福岛核电站压力容器内的压力和温度已经基本得到控制,事故出现更严重状态的可能性很小。

 

   事故不会对中国造成影响

  根据媒体报道推断,目前释放到大气和海洋中的放射性物质数量总体较少。核污染物随着大气环流及海水的流动,由于大气及海水的稀释作用和放射性物质本身的衰变,影响会逐渐减弱并消失。当前福岛地区的风向主要是从内陆吹向太平洋方向,促使核污染物远离中国;而海洋方面,由于洋流是从中国流向日本,核电站泄漏进入海洋的放射性物质短期不会对中国造成影响。

  因此,从目前情况来看,一方面应积极加强福岛核电站核应急措施及进行核辐射的实时监测,另一方面建议有关部门、特别是媒体也应该针对民众中出现的不安情绪,从客观上报道事实的基础上进行正确的引导和核安全知识的普及,克服不必要的恐慌。

 

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