福岛核事故对核电安全设计的启示

邱志超 刘宏帅

摘 要

日本福岛核事故是迄今为止世界第三起严重核事故，后果非常严重，教训也相当深刻。究其原因，既有极端自然灾害因素，也有早期沸水堆的设计缺陷，以及相关机构的失职和无能。福岛核事故的发生表明现有的核电设计仍有改进空间，包括项目选址、小概率高风险事件、厂坪标高、应急电源等方面。

关键词

福岛核事故;严重事故;全厂断电;应急电源;核应急

中图分类号： TM623               文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.09.088

0 引言

日本福岛核事故是继美国三哩岛核事故、苏联切尔诺贝利核事故之后的世界第三起严重核事故，造成了大量放射性泄漏和大面积核污染，深刻影响了世界核电发展进程以及公众对核电的信任和支持，后果非常严重，教训也相当深刻。本文在深入剖析福岛核事故产生原因的基础上，从项目选址、厂坪标高、应急电源、核应急等方面总结提炼出福岛核事故对核电安全设计的启示和经验反馈。

1 福岛核事故概述

2011年3月11日，里氏9.0级强震袭击了日本东海岸，地震后仅46分鐘，由其引发的大海啸席卷而来，高达14米的巨浪越过防浪堤以排山倒海之势奔向福岛核电站。地震叠加海啸导致福岛第一核电站1-4号机组堆芯或乏燃料水池相继失去冷却，进而发生氢气爆炸和核泄漏，一度引起世界各国的高度关注和恐慌，德国、瑞士等国先后宣布弃核政策。

福岛核电站位于日本福岛工业区，由福岛第一核电站、福岛第二核电站组成，共10台机组，其中第一核电站6台，第二核电站4台，均为沸水堆。地震发生前，福岛第一核电站1、2、3号机组处于运行状态，4、5、6号机组处于维修停堆状态。

2 福岛核事故产生的原因

根据国际核事故分级标准（INES），福岛核事故应定义为最高等级的7级核事故，与切尔诺贝利核事故处在同一等级。从事故进程看，大地震及其引发的大海啸是引起本次事故的初始事件。大地震叠加大海啸造成长时间的全厂断电，乏燃料与堆芯长期得不到冷却[1]，导致氢气在反应堆厂房和乏燃料厂房不断集聚直至爆炸，致使厂房出现破损，放射性物质大量泄露到环境中。可以看出，对全厂断电工况应对不力才是导致本次事故持续升级的根本原因，而这归根到底是人祸，既有早期沸水堆的设计缺陷，也有相关机构的各种失职和无能。

2.1 极端自然灾害

如前所述，大地震及其引发的大海啸是导致本次事故发生的直接诱因。现有资料显示，福岛第一核电站海工设施按照最大浪高5.7米设计，地震设计按照8.0级设防[2]。9.0级大地震叠加最大浪高达到约14米的大海啸，远远超出了福岛第一核电站的设计基准，同时也超过了世界所有在运在建核电站的设计基准[2]。

2.2 早期设计缺陷

福岛第一核电站采用早期的沸水堆设计，建造于20世纪60年代。客观地说，不要说当时的日本，就是当时核电最先进的国家，也没有形成严重事故的清晰概念，更不会有意识地设置预防和缓解严重事故的安全措施。

（1）专设安全系统采用能动设计，严重依赖交流电源驱动。

（2）反应堆厂房内和乏燃料厂房内均没有任何消氢设计[1]，既没有设置应对氢气风险的相关系统，也没有考虑任何氢气浓度监测和消氢措施。

（3）反应堆外壳的自由空间较小，存在很大的超压失效风险。

（4）没有考虑堆芯熔融物滞留压力容器的设计。

（5）沸水堆机组相对压水堆机组，更容易导致放射性泄漏。

（6）主控室没有备用操控手段和电站状态指示。事故中，一些缓解事故的干预措施只能就地操作，但受恶劣环境限制，抢险救灾严重受阻，灾害程度进一步加剧[2]。

（7）放射性废水处理设施和手段设计不足，导致厂内聚集大量亟待处理的放射性废水。

2.3 人因

除以上原因外，政府部门和电站业主表现出的种种人因缺失和无能进一步加剧了事故后果。

（1）日本政府严重渎职，核应急管理经验缺失。首先是核安全监管部门对业主东京电力公司的监管和执法长期缺位;其次是核应急部门管理经验严重缺失，没有及时向公众和社会发布事故信息;最后是日本政府盲目拒绝国际援助，贻误抗灾救险的最佳时机[1]。

（2）电站业主严重失职，核安全意识淡薄。首先是过往表现极其恶劣，核安全记录和试验数据多次弄虚作假;其次是事故处理时未把核安全放在首位，一直抱有侥幸心理，迟迟不向堆内注入海水，还第一时间隐瞒实情，导致政府部门错失最佳救援机会。

3 对核电安全设计的启示

当前的核电设计主要采用第三代及以上堆型，安全水平高出福岛第一核电站几个量级，纵深防御、冗余设计、严重事故缓解等理念在设计、建造等环节得以贯彻落实。然而，福岛核事故的发生一方面再次暴露了核电站潜在的危险性，提醒全体从业人员对待核安全必须时刻保持敬畏之心，切不可麻痹大意，另一方面也展现了一些与前两次严重核事故明显不同的特点，需要业界对现有的核电设计进行反思和改进。

3.1 项目选址务必保守慎重

做好项目选址是核电安全设计的基础和前提。日本作为地震频发的国家，海啸也时有发生，从福岛核事故看，选址阶段对极端自然灾害的评估和论证严重不足。应该看到，20世纪60年代设计时，设计者依据的可靠历史记录有限，且当时技术也没有如今先进。设计者往往根据有限的历史记录或描述来揣测、推断海啸的高度，但是人类有记录的历史才几千年，对于地震、海啸、龙卷风、洪水等极端自然灾害的记录更短，千年一遇的准确、真实记录很少，甚至缺乏。因此，在抗极端自然灾害方面的设计上，务必要保守慎重，无论是哪种自然灾害，至少要选取当地历史记录的最高值，并留有足够的裕量。

3.2 充分考虑小概率高风险事件的叠加影响

小概率高风险事件既包括地震、海啸、龙卷风、洪水等在内的外部事件，也包括恐怖袭击、火灾在内的内部事件。小概率高风险事件很难获得真实有效的支持数据，在核安全分析中，分析人员往往会对这些事件忽略不计或估计不够。但福岛核事故告诫我们，即使是强地震和强海啸相继发生，进而引发应急柴油机水淹失效、外电网和交通瘫痪叠加的小概率事件，也有可能发生，而一旦发生，则是颠覆性的严重事故，后果不堪设想。因此，设计初期就应做好多重小概率高风险事件叠加的影响和后果分析，从软硬件上采取足够有效的防范措施。

3.3 选用安全性能更好的堆型

福岛第一核电站1-4号机组设计于20世纪60年代，属于早期的沸水堆技术，如前所析，有明显的设计缺陷，安全水平较低。通过对三次严重核事故的反思和经验反馈，目前国内的核电设计水平有了长足进步，涌现出“华龙一号”、CAP1400、高温气冷堆等具有自主知识产权的安全水平较高的堆型，钠冷快堆、熔鹽堆等安全性能更好的第四代堆型也在积极研发中。核电业主在确定技术路线时，应根据国家布局和核安全监管要求选择当期安全性能更有保障的堆型，并在投运后不断吸收安全设计的新理念，合理可行地对机组进行优化改造。

3.4 厂坪标高选取要有充分的冗余

现有资料显示，福岛第一核电站1-4号机组在事故中的浸水高度为11.5米至15.5米，而设计方选定的海啸最高水位为6.1米，两者差异巨大，充分说明人类认知自然规律是有限的。因此，核电设计阶段，设计人员在选取厂址和厂房标高时，一定要留有充分的冗余，业主方和政府管理部门也要重点审查论证。首先要求干厂址，防止一切可能发生的水淹;其次要充分考虑到厂址地区可能发生的各种气象条件的影响，包括台风、海啸、海平面上升、暴雨、上游溃堤、潮水及波浪影响，留出较大裕量应对极端外部事件叠加的最大洪水，按照千年一遇考虑，同时设计建造防洪防波堤坝。

3.5 完善严重事故的预防和缓解措施

受历史局限，福岛第一核电站设计时根本没考虑严重事故的预防和缓解。安全壳自由空间过小，安全壳内没有消氢装置，主控室没有备用操控手段，未考虑堆芯熔融物滞留设计，这些无疑加剧了事故的恶化速度和严重程度，也让世界各国对制定严重事故的预防和缓解措施有了进一步的认识。

因此，应在现有设计基础上更加注重严重事故预防和缓解措施的平衡[3]，完善严重事故管理导则和主控室应急可居留性，设计针对乏燃料水池和安全壳内的监测手段，配置可靠的备用控制室、壳内消氢装置和安全壳过滤排放系统，进一步优化和改进应对高压熔堆、大体积氢气爆炸、熔融堆芯与混凝土反应、全厂断电等严重事故的具体措施。

3.6 加强应急电源的可靠性设计

国内在运在建的绝大多数核电机组都是传统二代压水堆机组，同福岛第一核电站事故机组一样，全厂断电工况下依赖厂内外应急电源来保证应急堆芯冷却系统正常运行，进而导出堆芯余热。即使是非能动设计的AP1000第三代机组，全厂断电工况下也不能完全摆脱对应急电源的依赖。

因此，核电设计必须高度重视应急电源的可靠性设计。一是要在设计过程中严格贯彻单一故障、冗余性、独立性等保守原则，并采取增加高位应急电源、增大蓄电池容量、防水淹封堵等有效措施，提高厂内应急柴油发电机组、蓄电池组的可靠性;二是要与电网公司合作提高厂外电网的供电级别和可靠性;三是要设置可靠的移动应急电源作为厂内已有应急电源的补充和后备。

4 结语

日本福岛核事故是迄今为止世界第三起严重核事故，深刻影响了世界核电发展进程以及公众对核电的信任和支持，后果非常严重，教训也相当深刻。究其原因，既有极端自然灾害因素，也有早期沸水堆的设计缺陷，以及相关机构的种种失职和无能。福岛核事故的发生表明现有的核电设计还需要进一步反思与改进，包括项目选址、小概率高风险事件、厂坪标高、应急电源、严重事故缓解等方面。需要指出的是，福岛核事故经验和教训的总结将是一个长期的过程，随着国内外认识的不断深入，核电的安全设计也必须进一步优化和完善。

参考文献

[1]张禄庆.日本福岛核事故原因初探及启示[J].中国核工业报，2011，1（1）： 3-5.

[2]王中堂，柴国旱.日本福岛核事故[M].北京：原子能出版社，2014.

[3]张琳，李文宏，杨红义.福岛核事故后核电厂安全改进行动分析[J].原子能科学技术，2014，48（3）：486-491.