福岛第一核电站核污染事故的原因及其影响 本刊记者与上海核工程设计研究院前总工程师蔡剑平访谈

记者:3月11日下午地震发生之后福岛第一核电站遭到严重破坏,您认为导致破坏的关键原因是什么?

蔡剑平:此次日本大地震的消息大部分来自媒体的报道,日本政府和东京电力公司的官方报道迟缓而且报道的内容不多,特别是技术层面上的内容报道很少,因此只能根据媒体报道结合我们的知识,来进行分析。根据报道,2011年在3月11日下午地震发生之后,福岛第一核电站1号、2号、3号机组在第一时间自动停堆,这说明核电站设计的停堆能力经受地震扔发挥了作用。地震后电厂发电的设备都停下来了,外电网也没有了,机组应急柴油发电机启动运行后又遭遇海啸袭击,应急电源遭到损坏,交流电源全部丧失,堆芯失去冷却,余热无法导出,反应堆内部温度和压力急剧上升,不得不通过打开阀门泄压,大量放射性物质排放到了外界。另外,乏燃料水池在冷却系统停止运行后水温上升,大量产生蒸汽。由于反应堆燃料的包壳材料是锆合金,在高温下与水蒸气发生了化学反应产生大量的氢气,氢气进入反应堆厂房因集聚而发生爆炸,加剧了污染物的泄漏。3月12日机组注入海水冷却,但是还没有完全度过危机。应当说这次事故中堆芯燃料失去冷却及氢气爆炸是致命的。目前的压水堆核电站设置有氢气消除系统,或者采用氢气复合器,或者采用点火器,防止浓度增加发生燃烧或爆炸。福岛第一核电站安全壳内没有消氢系统,核电站内没有很好的可燃气体的控制系统,氢气产生后没有有效的控制措施,结果引起氢气爆炸。福岛第一核电站有6个机组,1号、2号和3号机组相继发生氢气爆炸,破坏是比较大一点,4号乏燃料池也遭到破坏,不过4号、5号和6号正好在停堆检修,因为停运,剩余热量比较少,情况稍好些。福岛第一核电站几个机组虽说已经采用注水方法冷却,目前情况有所缓和,但可能还会出现许多问题,后果还很难预料。

记者:历史上发生过切尔诺贝利、三哩岛严重的核污染事件,和这两次事故相比,福岛第一核电站事故有什么不同?

蔡剑平:切尔诺贝利、三哩岛和福岛第一核电站三次事故的起因不一样,反应堆堆型不一样,各具特点。比较三次事故发生的原因,从中接受教训,对世界各国今后发展核电非常有必要。

1979年发生的三哩岛事故,操作者的失误是主要原因,设计也有缺陷。三哩岛核电站采用的是压水反应堆,反应堆把水当作冷却剂和慢化剂,压水反应堆有3道屏障用来防止核泄漏,其中包括核燃料及其金属包壳、反应堆压力容器和安全壳。三哩岛事故是由于二回路的水泵发生故障后,二回路的事故冷却系统自动投入,但因前些日子检修后未将系统的阀门打开,使得系统投入后二回路仍断水。在此情况下,反应堆温度、压力升高,到一定程度后反应堆自动停堆,卸压阀也自动打开,排出一回路部分冷却剂。然而,当反应堆内压力下降至正常时,卸压阀由于故障未能自动回座,造成堆芯冷却剂继续外流,压力降至正常值以下,于是应急堆芯冷却系统自动投入,但操纵员未判明卸压阀没有回座,反而关闭应急堆芯冷却系统,停止向堆芯注水,结果冷却剂不断流失,堆芯失去冷却,造成堆芯熔化,这本来是一个不大的事故,但是运行人员在处理故障时出现了一系列的误操作,导致堆芯熔化把反应堆烧毁。所幸的是事故发生后,安全壳保持完整,乏燃料池安全,放射性物质都密封在安全壳里面,只有较少放射性气体和气溶胶向外散发引起环境污染,对环境造成的影响也较小。

切尔诺贝利核电站4号机组由于操作失误,管理混乱,同时核电站的选型和设计存在的缺陷和安全屏障的不足,发生了极其严重的堆芯熔化、放射性恶性泄漏事故。切尔诺贝利的反应堆采用石墨慢化和轻水冷却,运行中有正的温度效应,反应堆温度升高会引入正反应性,使功率更升高,一旦出现故障,失控的功率升高又会导致温度进一步升高,形成一个正反馈的过程加速事故的扩大化。当时因为操作失误,4号反应堆过热,燃料棒熔化,蒸汽压力迅速增加而引发爆炸,石墨起火燃烧加剧了强辐射粒子的排放。由于反应堆没有安全壳,堆芯内所含的挥发性放射性物质几乎全部泄漏到大气中,爆炸引起的大火和气流上冲使放射性物质散布到欧亚大陆的广大地区。切尔诺贝利核泄漏事故造成的核污染极其严重。

福岛第一核电站采用早期的沸水堆,所用规范、标准较老,技术上有缺陷,安全性较差是事故发生的重要原因,但应当说造成事故的主要原因是设计方案没有考虑到超强地震和海啸的双重冲击。事实上地震没有完全破坏核电站,但是海啸毁坏了应急柴油发电机组,使核电站失去了所有厂内外交流电源。福岛第一核电站反应堆也用水当作冷却剂和慢化剂,不过水在反应堆内沸腾成为蒸汽直接到汽轮发电机组。应当说这次地震和海啸是罕见的小几率事件,海啸冲击导致应急电源的丧失,停堆以后的反应堆得不到必要的冷却,导致温度升高和压力增加,不得不放出蒸汽进行卸压。冷却剂损失,得不到补充,可能造成燃料部分或全部裸露,沸水堆卸压排出的带放射性物质的蒸汽直接通过压力容器和干井这两道屏障,就会排放到大气中。由于失去电源,反应堆余热得不到适当排除,堆芯燃料温度升高到使外壳锆合金与水蒸气反应产生氢气,氢气随卸压跑到厂房,不断积累最后引起厂房的爆炸。事故后堆芯很可能熔化毁坏导致核污染进一步的扩大。不过与切尔诺贝利的反应堆不同,福岛第一核电站爆炸是氢气在安全壳外厂房引发的,并没有直接使反应堆内的大量放射性物质因爆炸而散布到周围空间,至于由于堆芯的损伤,泄漏扩散到周围大气和水中造成的核污染的后果还有待于观察。

记者:受损最严重的福岛第一核电站1号机组是一个准备延期的老设备,发生事故是不是与它的老化有关?目前世界上有许多核电站都已经快到了设计寿命期,一些国家准备延长这些老核电站的使用寿命,会不会增加核电安全的风险?

蔡剑平:早在2月7日,东京电力公司曾完成了对于福岛第一核电站的分析报告。报告称1号机组已经服役40年,今年3月到期,不过东京电力公司并没有选择关闭该核电站,而是制定了20年的延期方案,而且在今年2月份拿到了延寿批准。东京电力公司这个决定,被认为是导致核事故的因素之一,但我觉得核电站发生事故不能简单地归结为延寿。目前世界上有许多核电站都已经快到了设计寿命期,怎样处理这些核电站已经成了迫切需要解决的问题。由于核电站的选址比较困难,特别是在一些发达国家新建核电站遭到民众的抵制,因此希望对一些即将退役的到期核电站延期。另一方面核电站基础投资很大、运行成本低,到了还贷期后就会非常赚钱,因此核电站的业主也非常乐意让老的核电站延长运行时间。由于当初这些核电站技术水平有限,设计比较保守留了相当多的余量,随着技术发展和经验的积累,在保持安全的前提下把这余量挖出来,让老的核电站延寿甚至提升功率,只要安全措施得当应当还是可行的。核电的规范标准和核电的技术在不断的提高和发展中,现在标准的安全要比四十年前高得多,核电站延长寿命必须满足新的安全要求。1号机组建成40多年,各种设备和管道都已老化,甚至存在锈蚀状况,近几年事故不断,负责电站运营工作的东京电力公司承认,在1号反应堆获得继续工作许可后,并未能对涉及电站内六座核反应堆冷却系统的33个关键设备进行检修,其中包括水泵和柴油发电机。计划延寿如果仅仅改造某个设备或者某个小系统,整个设计方案和理念的欠缺,如果不能用新的标准给予弥补,如果延寿的弥补措施没有考虑加强抗叠加冲击的能力,事故还是会发生的。

记者:福岛第一核电站发生事故后,有关方面的应急处理是不是存在问题?

蔡剑平:作为政府,9级地震一发生要管的事情太多了,地震最初对核电站这个事故没有引起足够重视。地震发生海啸2个半小时首相第一次公开露面,讲的第一句话是核电站没有出大问题,这是因为东电给最高领导人一个错误的信号。也许东电当时还没弄清楚事故的严重性,抱有侥幸心理想保全设备,应急处理顾虑重重,所采取的措施比较保守。地震发生后1号机组的冷却系统利用备用柴油机发电机和电池电源还维持了一段时间的运转,但是没有采取更有效的补救措施,错失了一次缓解事故的机会。备用电源失灵后如果能够立即采用其他措施进行堆芯冷却,也可能好一些,但是操作人员太依赖备用电源了。3月11日地震当天晚间日本原子能安全保安院已经发出警告福岛第一核电站将于3小时内发生堆芯熔解, 12日凌晨检测到放射性碘和高水平的辐射后决定采取应急卸压措施降低反应堆的压力,但是实现这些措施却拖延了半天时间又错失了一次缓解事故的机会。事故发生后如果早下决心注入海水,也许就不会酿成厂房爆炸的大祸,但是一旦采用海水设备就可能报废,花费数十亿美元建起的核电站就会毁于一旦,因此东京电力犹豫不决又错过最佳救援时间。爆炸后当晚东京电力公司万般无奈只好向反应堆内注入海水降温,事故才得到初步遏制。本来核电站一旦发生意外应当有很多应急的预案,但是从整个过程来看至少没有体现出来有很得力的措施。福岛第一核电站发生爆炸后,政府和东电才感到了问题的严重性,但是已经束手无策,现场一片慌乱。弄个直升飞机把水洒到屋顶上去好像在作秀,搞个消防车也没什么用处,里面压力很高还没有接口,水怎么打进去。事故发生后关键是要把电源恢复上去让该冷却的设备运转起来。东电在3月16日就说要恢复冷却设备的电源,但是到20号都没有接上去,报道说是因为现场有辐射人不能接近。当然,地震造成的电缆损害不是一个故障点,要把整个外来电源供上去也许很困难,但是应当千方百计不惜代价地把应急电源给供上去,使冷却系统运转起来,但从报道的消息来看好像没有花了多大的努力。因此可以说,事故发生后处理不力是事故扩大的根本原因。

信息的公开也是核安全的很重要的方面。放射性污染是没有国界的,一个国家的核电站发生核污染可能全人类都要遭殃。核电站的安全出现问题不应该隐瞒,可以借助全世界的智慧来整改。但是,日本核电信息不够公开不够透明,还曾经受到国际原子能总干事的批评。2007年东京电力公司承认,从1977年起在对下属3家核电站总计199次定期检查中曾窜改数据隐瞒安全隐患,其中福岛第一核电站1号机组反应堆主蒸汽管流量计测得的数据,曾在1979年至1998年间先后28次被窜改。福岛第一核电站事故发生后,世界各国有许多机构和专家愿意到日本帮助东电应对事故,遗憾的是都遭到了拒绝。日本在信息的公开和国际合作方面的做法上应当检讨。

记者:应当怎样正确地看待核电的安全性,今后核电安全的风险有多大?

蔡剑平:首先核电是一种清洁的能源,正常运行的核电站排放的放射性辐射并不大,事实上目前的燃煤电站运行排放的煤渣煤灰里的放射性物质,比核电站排放多得多,只是大家都不清楚罢了;平时体检照射X光、坐飞机受到的辐射性都要比核电高得多。其实,所能利用的能源没有一样能说是绝对安全和清洁的。想想我国为了得到目前的主要能源煤,全国有多少煤矿工死于矿难;烧煤造成酸雨带来的环境污染,对人体健康又带来多么严重的危害;燃用化石能源造成的二氧化碳温室效已经严重影响到了生态环境,如果不进行减排又会给人类带来多大的灾害。一些替代能源也不是绝对安全的,例如太阳能存在设备元件制造时的污染问题,水电存在生态破坏的问题等等。像福岛核电站出现大事故毕竟是一个个案,只是后果严重影响比较大,就像飞机失事会引起人们关注,而对汽车造成的交通事故熟视无睹的道理一样。接受一种能源选择,就要理性地面对相应的安全风险。

其次反应堆的技术和安全性也有一个发展过程。随着科学技术的发展,核电站的安全性也在不断提高。现在投入商业核电站的大部分是二代和二代改进型反应堆,堆芯熔化的概率一般是10-4,福岛第一核电站是二代反应堆早期产品,和现在二代改进型反应堆相比在性能上特别是安全性上还是有差别的。现在制造的三代反应堆堆芯熔化的概率设计要求小于10-5,实际设计的还可以低上两量级达到10-7,在安全目标上要比福岛第一核电站高得多。我国在建的在三门海阳的三代的反应堆,安全系统中引进了非能动的概念,非能动堆芯冷却系统不再需用水泵交流电源强制循环,取消了安全级的应急柴油发电机组,而是利用重力、自然循环、压缩气体膨胀等物理现象和原理采用水从高处往下流的原理进行流动和冷却,一旦遇到意外还可以利用空气自然循环的方法排出反应堆产生的余热。这种冷却方法不必再通过外界的电源来驱动泵或者风机,可以避免因柴油机等应急电源出现问题可能造成的严重后果,安全性更好。目前还在研发第四代的核反应堆,核电站的运行性能和安全性能还会有进一步提高。

再从核电站的设计来说,经过几十年的运行实践目前世界各国已经积累了许多经验,特别是经历了切尔诺贝利和三哩岛事故后得到了许多教训,这次福岛第一核电站事故虽然还没有度过危机,但已经暴露出来的一些问题,也可以为今后的核电站设计或者在运核电站改进的安全性方案提供非常重要的参考。例如核电站不应当选在地震区特别不能造在断裂层上;福岛第一核电站的设计虽然考虑到了地震的冲击但是忽略了强海啸叠加的影响,因此核电站的抗灾能力要考虑到抵抗多重自然灾害的冲击;还有核电站设计要重视制定遇到意外时紧急预案的合理性和可行性等。相信随着科学技术的进步和安全理念的提升,今后的核电站的安全性将不断提高。

记者:福岛第一核电站事故对我国核电的发展有什么影响?

蔡剑平:根据国家“十二五”规划,2020年达到9000万kW,占总装机的5%。据美国核能研究所(NEI)最新统计,截至2011年1月,全球29个国家共有442台运行核电机组,还有65座核电站在建,其中中国在建的反应堆达28座,约占全球在建核反应堆总数的40%。但是我国现在核电只占1%～2%,远远落后于发达国家,美国用电量巨大,核电还占20%,法国占70%～80%,日本占30%以上。日本福岛的核泄漏危机,让中国政府对核电站作出重新审视,但是我认为发展核电的决心和发展核电的安排不应也不会改变。我国面临的问题不是要不要发展核电,而是要怎样把核电搞得更好更安全。目前所要做的,第一是要严格按照规定的规范标准建设核电站,第二要建立一支高素质的核电队伍。事实上三次核电大事故都存在操作人员失误或应对不当的因素,这是一个很好的教训。核安全包含在核电的各个环节中,包括各个制造厂家、设计者、设备制造者,以及核电的建造者、运行者,核电企业里必须提倡核安全文化,只有让每一个员工时刻不忘核安全第一的原则,才能保证核电的安全。

国内外的经验告诉我们,取得公众的支持是搞好核电的一个重要保证,为此要做好宣传工作,包括核电知识的普及工作,让民众了解发展核电的必要性,更理性地评价核电的利和弊,万一核事故发生也要有一个理性的态度。三哩岛事故后的三十年美国没有再建新的核电站,这和民众反对核电有关,欧洲各国的核电发展停滞不前,也和遭到民众的强烈反对有关,只是因为近年来二氧化碳排放的问题受到重视,核电又重新被各国政府放到议事日程上来。福岛第一核电站核事故发生后,许多西方国家政府肯定预料到重振核电会遭到民众的质疑,但还是表明计划不会受这次事故的影响。我国要积极发展核电,核技术宣传和科普工作也还要大大加强。福岛发生核泄漏后我国各地突然出现了一股抢购碘盐的风潮,其实反映了两方面问题:一个是民众缺乏有关的常识,偏听偏信,另一个是一些媒体或专家偏面的解说以及误导,因此为了正确引导民众理性地对待核电安全,科技工作者和媒体还有很多工作要做。