福岛核事故启示录
徐凯
（山东电力建设第一工程公司，山东济南市，250000）
摘要:2011年03月11日14：46日本东北太平洋地区发生里氏9.0级地震，继发生海啸，该地震导致福岛第一核电站、福岛第二核电站受到严重的影响。 关键词：核事故、核科技、爆炸、应急处理、经验教训
2011年03月11日14：46日本东北太平洋地区发生里氏9.0级地震，继发生海啸，该地震导致福岛第一核电站、福岛第二核电站受到严重的影响。2011年3月12日，日本经济产业省原子能安全和保安院宣布，受地震影响，福岛第一核电厂的放射性物质泄漏到外部。2011年4月12日，日本原子力安全保安院（Nuclear and Industrial Safety Agency, NISA）将福岛核事故等级定为核事故最高分级7级（特大事故）与切尔诺贝利核事故同级。
福岛核电站（Fukushinia Nuclear Power Plant）位于北纬37度25分14秒，东经141度2分，地处日本福岛工业区。它是当时世界上最大的在役核电站，由福岛第一核电站、福岛第二核电站组成，共10台机组（一站6台，二站4台），均为沸水堆。第一核电站有6台机组，1号机组为BWR-3型机组，1970年下半年并网发电，1971年投入商业运行；2号-5号机组为BWR-4型，1974-1978年投产；6号机组为1979年投产的BWR-5型，六台机组在同一厂址，均属于东京电力公司。至事故发生时一号机组已经运行40年，已经到了退役阶段。
事故经过：
图1 来源Bravenewclimate网站 说明：蓝色表示被海水淹没的厂房 2011年03月11日14:46分，事故前工况：福岛第一核电站#1-#3机组满负荷运行，#4—#6机组停堆检修，事故发生后福岛第一核电站#1—#3机组控制棒全部插入堆芯，链式反应终止，堆芯实现热停堆，余热排出系统启动，应急供电系统启动，余热导出正常。随后，地震引发的海啸来袭，福岛电站方波堤高度10米，海啸高度14-15米，海水涌入电站，最终热阱丧失，柴油发电机组被冲击并被淹没，福岛第一核电站#1-#3号机组柴油发电机完全失效。
福岛第二核电站#3机组2台柴油发电机幸存，#4机组1台发电机幸存，成功实现堆芯冷却。2011年03月12日15:36 福岛第一核电站1号机组反应堆厂房发生氢爆，2011年03月13日02:42 福岛第一核电站3号机组堆芯失去冷却，2011年03月14日11:01福岛第一核电站3号机组反应堆厂房发生氢爆，2011年03月14日13:25福岛第一核电站2号机组堆芯失去冷却，2011年03月15日06:00福岛第一核电站#4机组反应堆厂房发生氢爆并燃烧，爆炸的原因是#3，#4机组共用一根排风管，#3机组的氢气经排风管倒流进#4机组，引起爆炸；2011年03月15日06:10福岛第一核电站2号机组安全壳内镇压水池发生爆炸。 事故分析：
1.氢气爆炸
图2 来源：科学松鼠会
福岛第一核电站各机组设计有三层保护罩：第一层是锆锡合金外壳(熔点2200摄氏度），用来将放射性的核燃料与世隔绝，圆柱形的氧化铀放入其中密封起来组成一个核燃料棒，然后这些核燃料棒放在一起组成一个更大的单元，所有这些燃料单位被放入反应堆内，组成了反应堆的核心内容。堆芯被放入“压力容器”中,也就是第二层保护罩，它好比是一个坚固结实的大锅，用于容纳一个温度达到数百摄氏度的堆芯，在堆芯冷却之前，压力容器起到主要的保护作用。所有的这些“硬件”包括：压力容器、各种管道、泵、冷却水被封装到第三层保护罩中—一个用坚固的钢和混凝土制成的非常厚实的碗式球体，它的设计主要是在堆芯融化，压力容器爆破时，将融化了的燃料及其他一切包裹在其中，融化了的燃料可以平铺在碗底，从而实现散热。第三层保护罩的周围包裹的是反应堆的厂房，其主要是阻挡外界自然环境的腐蚀。
与压水堆相比，沸水堆是控制棒从堆芯下方插入，控制棒在正常运行时是电驱动或机械驱动，失电时由备用液压控制把控制棒顶上去。每组控制棒或者每两组控制棒有单独的液压驱动装置，所以事故发生后所用机组均实现了正常紧急停堆，没有出现无法落棒的现象。虽然实现了紧急停堆，但是反应堆在停堆后仍有
4%的能量，相当于一个电炉在持续不断的加热，需要将堆内的大量余热导出，否侧就会造成堆芯温度升高，进而会引起堆芯裸露融化，酿成重大事故。海水淹没整个厂房后，福岛第一核电站在失去电网电源，柴油发电机电源的情况下，所有机组在蓄电池的供电下实现了8小时的堆芯冷却，直至电池电源耗尽，堆芯失去冷却后，堆芯温度开始升高，压力容器压力升高，反应堆燃料组件受热发生熔化后，包裹核燃料的锆合金与水反应产生氢气，操作人员卸压以保护压力容器不超压，将含有大量氢气的蒸汽排至第三层保护罩的外边，也就是厂房内，氢气与氧气混合成易爆气体，然而由于设计年代较早，福岛核电站并未设计氢气复合装置，致使厂房内内氢气浓度持续上升，最终与氧气发生化学反应而导致爆炸；在氢爆之前80%的检测控制系统是正常工作的，但在氢爆之后大部分的控制能力丧失了，现场出现了只能看无法人为干预的局面。 2.堆芯冷却
蓄电池为堆芯冷却提供了8小时的冷却时间，而在这8小时内，需要为反应堆找到另外一种供电措施，当地的输电网已经被摧毁，柴油发电机也被海水淹没，最后通过卡车运来了移动式柴油发电机，最戏剧性的就是这里，运来的柴油发电机接口与核电站的接口不兼容（后来证据表明，不仅仅是接口不兼容，电压、频率都不匹配,东日本的频率是60HZ,西日本的频率是50HZ,属于日本的历史遗留问题），堆芯冷却无法进行，此时压力容器就像在一个炉子上持续缓慢加热的压力锅一样，锅内的压力在持续上升，所以此时保住住第一层与第二层保护罩是最重要的，在所有的堆芯冷却方式都失效，压力容器内的压力在持续升高的情况下，为了保住压力容器，东电操作人员开始了放汽卸压，此时压力容器的温度约为550摄氏度，堆芯已经裸露并产生了大量氢气，因此含有氢气的蒸汽通过卸压水箱简单的降温和过滤就被排放，最终发生爆炸。
卸压操作使压力容器内的压力得以控制，但是水却一直处在沸腾状态，水位就会一直下降，假如堆芯没有水的覆盖，那么暴露的燃料棒就会在几分钟内到达2200摄氏度的熔点，如果这样就会导致第一层保护罩的融化。这样的担心已经在发生，空气中的放射性物质铯137和碘131验证了反应堆内包裹燃料棒的锆锡合金已经开始融化。此时堆芯的冷却成为最棘手的问题，当时操作人员采用了保
守的冷却方式:利用各种手段（用消防水泵，直升机等）往1号机组注入海水，而不是注入硼水，高浓度硼水可以吸收中子并进一步加速堆芯的冷却，可以避免中子引起的二次辐射，辐射剂量可以下降很多，东电的硼水注入系统是用电作为动力的，在海啸发生后，所有的电力都失去，所以即使想注入硼水也无济于事（我国的是用预先贮存的压缩空气作为动力注入硼水的）虽然保护了反应堆，但造成大量的辐射物质外泄，严重威胁了公共安全。最后，东电在海水中加入了硼，将所有机组的堆芯冷却，事故进出善后阶段。
3.污水处理
图3 来源：Bravenewclimate网站
由于冷却堆芯的海水成倍量的增加，又防止这些含有放射性物质的污水流入大海，东京电力公司增设了很多存储能力达1000吨的存储罐，计划至2016年3月份使储罐总容量增加一倍，达到约80万吨；但是，根据该公司对储罐增设速度和未来污水量进行推算的结果显示，若不能完善减少地下水流入厂房的地下水通道以及在厂房附近建立抽取地下水竖井，预计储罐容量很快就会不足。
为防止污水流向大海，该公司自当年7月起用药剂加固第一核电站靠海一侧的换岸地层，每天抽出约60吨地下水；由于通过建设“海侧遮水壁”,在海水中打入钢管建造屏障，导致壁内污水不断增加，没有需要抽出约90吨污水；根据年降水量推算，无法排放的雨水储量平均每天约有150吨。这还是保守估计的污