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自作孽不可活——福岛核电站事故始末

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吉米 发表于 2019-12-9 19:39:33 | 显示全部楼层 |阅读模式
世界上,几乎所有人都知道美国是世界上核电站最多的国家,很多人也知道,法国是世界上核电站第二多的国家,核电能排到世界上第三名的是谁呢?没错,这个国家就是日本。
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  日本共有在运行的商用核电站共计54座,其中30坐是沸水堆,剩下的24座是压水堆。同时,日本还有数座试验快堆,几座气冷堆和一座重水堆。
  从核电在国家电力中的占比来说,日本仅次于法国,排名世界第二。日本核电电量占到了全国总电量的29.21%。
  对一个资源匮乏而工业发达的国家来说,核电上天赐给他们的礼物。核电因为清洁,廉价,能量密度大等优点。从70年代开始,一直为日本的经历发展提供能 源,是日本工业发展的重要的基础。直到福岛核事故前夕,日本还还对为其国家的核电业规划更加宏大的蓝图。但是,由于贪婪,由于自私,由于侥幸,日本将上帝 送给他们的礼物变成了上帝给他们的惩罚。
  日本核电站的大规模建设始于70年代,那是日本正是经济发展的黄金时期,强劲的经济对能源的渴望一天比一天强烈,而作为一个资源匮乏的岛国,日本继续一种经济廉价的能源解决他们的燃眉之急。
  在这种情况下,沸水堆核电站,由于其结构简单,造价便宜,维护方便,建造周期短等优点,受到了日本政府的青睐。尤其是通用电器公司的“Mark1”沸水反应堆,成了日本建设核电站的首选堆型。
  这种堆型的建筑方式十分特别。它是先建造反应堆的核心部分,包括堆芯,热传输系统,安全系统,然后在外面简单的加一个厂房。相比压水堆先建造固若金汤的安全壳,然后开始建反应堆相比,“Mark1”型反应堆的建筑省钱省工省力,简直像搭积木一样简单。
  福岛第一核电站的6台机组,福岛第二核电站的4台机组,虽然由于建造年代不同,其技术水平有高有低,但是基本构型都和“Mark1”反应堆一致。
  在那个时候,人们认为反应堆十分安全,像压水堆那样巨大而坚固的安全壳,人们觉得是多此一举。而直到1979年发生的三里岛事故,人们才发现正是那层 安全壳,才避免了三里岛事故演变成一场灾难。而在1986年,人们才发现没有安全壳的沸水堆发起疯来是多么恐怖。
  从切尔诺贝利核事故发生后,福岛核电站虽然同为沸水堆,但是这么贵重的东西不能就因为是没有安全壳的沸水堆就拆了吧,那只得采取补救措施了。于是,福岛核电站所属的东京电力公司为这些核电站加上了一层所谓的“安全壳”。
  这个所谓的“安全壳”,就是在反应堆厂房外围加上了一层稍微厚一点的钢筋混凝土结构而已。之所以这个称为“所谓的安全壳”,是因为真正的安全壳并不是 简单的一层水泥,而是包括喷淋系统,气体交换系统,预应力混凝土结构等一系列复杂的系统和结构的。福岛核电站对与反应堆厂房的这种改造,仅仅寻求心里安慰 而已。
  。
  日本是一个处于断层带上的岛国,地震是这个国家已经的自然现象。为了尽量减少地震的破坏性,日本对于地震的研究一直走在世界的前列。对于核电站这么重要的东西,日本的相关研究机构当然不会放过。
  地震带来的次灾害是海啸,福岛核电站关于海啸的初始设计是基于一个例子。这个例子是1960年的智利大地震,当时这场地震引发了3.1米高的海啸。这 场海啸算是这几十年来比较大的海啸了。于是福岛设计时,就将海堤能预防海啸的高度设为5米。比智利那次海啸还多出了近2米,福岛核电站的老板东京电力公司 就这么安慰自己。
  但2008年,日本地震调查研究促进会总部经过研究,提出一个分析模型,这个分析模型显示,如果日本岩手县附近发生如1896年明治三陆冲那样大的地 震(8.3级),那么福岛核电厂附近海域的海啸将达到惊人的15米,这么高的海浪足以淹没整个福岛第一核电厂!这个预言是惊人的,当时谁也没想到这个海啸 会在仅仅三年后真的发生了。
  作为福岛核电站的老板东电公司,他们极其讨厌这些研究机构的模型和假设,他们认为这些研究人员是吃饱了撑得没事干,整天想些事情来折磨东电。如果真的接受这个假设,那建筑新的海堤的资金将是一大笔钱,但是,可能这海堤在一百年内都发挥不到作用。
  虽然内心讨厌这些研究机构,东电公司表面上还是做得很谦虚,他们发了一道回信,信上说:“尊进的各位研究人员,感谢你们对福岛核电站的关心,但是我们经过评估和考虑,觉得你们的假设过于空洞,我们决定保持现状。”。
  虽然拒绝了这个协会,但是另一个机构不久又给东电发了个研究报告。
  2009年,日本土木工程学会通过研究,他们认为福岛应该至少将福岛海堤防海啸的标准提高了6.1米。
  可是当土木工程学会将自己的研究报告告诉东京电力公司时,东电的领导想都没想就拒绝了:“没事没事,就算有这么高的海水漫过来,我们直接用海水泵向海里排水,也能保证核电站不被淹没。”
  东电公司就这么两次错过了拯救福岛核电站的机会,或许这两次是上帝的暗示,既然拒绝改变,那上帝也会发怒的,不作死就不会死。
  下面让我们穿越回2011年,进入当时福岛核电站,看看究竟发生了什么?
  2011年3月11日,福岛第一核电厂1、2、3号机组正处于满功率运行状态,一切正常。4、5、6、号机组正在进行停堆大修。
  但是,4号机组反应堆刚进行卸料操作不久,从反应堆内卸出的乏燃料暂时存放在乏燃料池中。刚从反应堆内拉出来的核燃料具有极强的放射性,不断的放出大量的衰变热。不过这些乏燃料均泡在超过7米深的乏燃料水池中。
  乏燃料水池的作用有两个方面,第一个方面就是冷却乏燃料。乏燃料内的水是纯度极高的提纯水,几乎和蒸馏水一个级别。这些冷却水从乏燃料池入口流入,流 进乏燃料时带走乏燃料产生的衰变热,再流出乏燃料池进行冷却。正是这种源源不断的流水才能保证乏燃料的冷却。乏燃料池内的容量虽然很大,大约有一个3个标 准游泳池那么大,但是若流水被阻断,乏燃料强大的衰变热也会很容易的将这已满池的水蒸发干净。
  。
  乏燃料池还有一个功能,就是屏蔽辐射。水是辐射线的良好的屏蔽体,一般来说,7米深的水可将乏燃料的辐射线降低约1百万倍。因此,虽然乏燃料池水下的燃料辐射可能有上万毫西弗,但是乏燃料池水面上的辐射却可以接近于零。
  在正常情况下,乏燃料池应该是反应堆厂房内辐射最低,最干净的地方。当然,这也仅仅是正常情况下。
  下午14点46分,日本本州岛东海岸区域发生里氏9级地震。
  核电厂不怕地震,即使大地震,核电站也未必会怕。核电厂的选址十分严格,一般的核电厂都是建在一个整块的地层上,比如说一个整块的岩层上。同时,在反 应堆建造期间,大量的混凝土保证反应堆的底部是一个牢不可破的整体。正因为如此,在地震来临时,反应堆只会整体产生轻微的摇晃,而不会导致反应堆厂房以及 建立在这个牢固地基上的设备跌落或损坏。
  在地震刚发生时,福岛核电站毫无压力,1、2、3号机组的地震监测仪器马上就探测到了强烈的震动。根据预设的程序,反应堆自动停堆,各机组的应急柴油机正常启动,给反应堆的各个核心设备供电。
  自动停堆后,反应堆控制棒插入堆芯,完全吸收了链式反映产生的中子。此时,不再有新的裂变能量产生。此时,只要反应堆的衰变热导出系统正常,那就一切正 常,什么事故也没有。在地震发生后的半个小时内,这一切确实都是正常的,各个机组主控室内操纵员冷静地按照预定的程序操纵反应堆。或许,这次地震本来仅仅 只是他们下班后的一个谈资而已。
  然而一个小时后,一切都改变了。因为这时来了一个比地震更可怕的恶魔--海啸!。
  核电厂防御事故的思路是纵深防御。所谓纵深防御,就和打仗一样,面对敌人设好几道防线,当第一道防线被突破时,还有第二道,第三道,只要这些防线中有一道防线守住,就可以保证不会出事。
  福岛核电厂也是一样,为了保证在任何情况下都能保证关键设备的正常供电,福岛核电厂的供电系统也有几道防线。
  首先第一道防线是各个机组的电力相互支援。这样可以保证一台机组意外停堆的时候,旁边的机组还能为其供电,保证关键设备正常运转。不过可惜的是,这次地震让所有电厂所有机组停运,各机组因为不能再发电而不能相互支援,第一道防线被摧毁了。
  不过这只是第一道防线而已,后面还有好几道防线呢?这个时候福岛核电厂所有的人员都很淡定。
  这第二道防线便是应急柴油发电机,应急柴油发电机会在失去电源后自动启动并为核电机组关键设备供电。应急柴油发电机具有很强的自持能力,而且每个机组不止 一台柴油发电机,即使在地震中单台柴油发电机故障,这第二道防线仍然可以发挥作用,保证一切正常。在地震后,这第二道防线正常发挥了作用。一切仍然正常。
  然后就是第三道防线,就是厂外应急电源。当应急柴油发电机也由于故障损坏的前提下,核电机组仍然可以通过与电网从别的电站获取电能,为关键设备供电。 要摧毁这道防线,除非摧毁附近的电网。以前,人们认为只有战争才会摧毁电网,因此,人们认为,设置了这三道防线,核电站基本上是万无一失了。
  但是,不放心的设计师并没有满足于此,他们还设置了第四道防线。
  这道防线,就是蓄电池组。有了这道防线,即使核电机组失去应急柴油发电,失去电网的支持,仍然可以在一段时间内保证关键设备供电。这个一段时期,对于福岛 第一核电站的各个机组,准确的说是8个小时。如果在这8小时之内能够从厂外运来移动发电机并接入机组,还是可以保持核电机组安全的。
  但是不幸的是,天灾人祸加在一起。这四道精心布置的纵深防线却被一一突破,终于酿成了堪比切尔诺贝利核事故的人类和平利用核能史上的第二次7级核事故。
  前文已经讲过,福岛核电站只能应对小于5米的海啸。这么柔弱的海啸防御能力,即使是一场较大的台风,也可以让福岛核电站发生水淹事故。我好奇的是,福岛核电站这几十年来运气竟然如此之好,难道这几十年来连台风也没遇到过?
  而同时,福岛核电厂的应急柴油发电机布置也存在问题。1、2、3号机组的应急柴油发电竟然布置在厂房的地层地下室内。所谓地下室,也就是地面以下。这样来看,这些应急柴油机的竟然是布置在海平面以下的。我不理解当时这样布置发电机的理由。
  地震发生后一个小时,海啸来了。根据当时日本气象和海事部门的测算,当时袭击日本的海啸最高达到了39.8米,而正面袭击福岛第一核电厂的海啸达到了15 米。这个时候,懂算术的孩子都知道,减去福岛第一核电厂那可怜的5米不到的海啸防御能力,福岛第一核电厂在海啸来临后,几乎都泡在了10米深的水中。
  在10米深的海水中,第二道防线,那出于地下室内的应急柴油发电机很快被摧毁。第三道防线呢?在浪高最高达到39.8米的海啸中,福岛第一核电厂附近的电塔纷纷倒塌,电网也被摧毁了。
  此时,仅仅第四道防线,那些蓄电池还在努力地保证反应堆的安全。
  但是第四道防线却只能支撑8个小时,如果8个小时候没有后备电源前来支援,那么第四道防线将被拖垮,核电机组将无险可守,只能静静地,眼睁睁地看着事故发生。
  海啸过后,福岛第一核电站厂区一片狼藉。福岛第一核电厂内的各机组主控室内的操纵员赶紧将目前面临的紧迫情况直接向东京电力公司报告。他们报告的内容均一致:“核电厂内所有应急发电机损坏,急需要从外部运来应急柴油发电机支援!”
  东京电力公司从前是不喜欢研究机构从理论上分析自己下属的核电厂的潜在安全隐患的。以前他们拒绝了研究机构关于福岛核电厂海啸预警能力不足的研究结果,当然也拒绝了随之产生的应急方案—“他们根本没有预备移动应急发电机”。
  因此,当福岛核电厂传来急需移动发电机的求援电报时,东电公司总部的主管一片茫然,很久之后,他们想起了给政府打电话,向日本政府求援。但是,东电公司没有把事故说得那么严重,因为这样太丢面子了。
  东电公司只是简单地向政府表示:“我们福岛核电厂暂时失去了厂用电,希望政府能够给我们提供一些。当然,福岛核电厂现在一切正常。请放心!”
  日本政府很信任东京电力公司,毕竟是日本最大的电力公司之一,他们都说没事了,那肯定就是没事了。不过,日本政府听说福岛核电厂需要救援,还是指定关西电力公司支援福岛核电厂。
  但是,时间是关键,第四道防线只能撑8个小时!到了3月11日23点,福岛第一核电厂已经完全失去了厂用电。
  此时,反应堆内发生的事情,和三里岛核事故,切尔诺贝利核事故那时的反应堆内发生的事故一模一样。
  由于没有足够的冷却水供给,反应堆内的燃料棒的衰变热无法导出,导致堆芯内的冷却水温度不断升高,最终沸腾。高温高压的蒸汽开始突破堆芯回路内的一些 薄弱环节,开始向厂房内泄漏。而由于冷却水变成蒸汽成堆芯内逃逸出去,使得燃料棒开始裸露在空气中,彻底失去了冷却。
  失去冷却的燃料棒如恶魔一样,开始展开其狰狞的面目。
  作为沸水堆核电站,福岛核电站的反应堆设计十分独特。围绕着反应堆,有一个巨大的-圆形水槽。在反应堆出现故障时,这个圆形水槽可以与反应堆联通,通过这个圆形水槽内的水来冷却因为衰变热不断升温的反应堆。
  不过,这个圆形水槽与反应堆联通需要通过一道用电驱动的阀门。在事故发生后的前八个小时,蓄电池组的电能可以保持这道阀门全开,而不久以后,由于蓄电池电能耗尽,这道阀门因为失去动力而关闭,反应堆彻底失去了冷却。
  1、2、3号机组电力失去在差不多的时间。由于衰变热无法排除,堆芯温度不断升高,反应堆由于承受不来高压,开始产生破口。堆芯中的冷却水不断蒸发却得不到补充。
  燃料棒由于堆芯水蒸气的不断蒸发,开始裸露在空气中。燃料棒内的热量首先将自身熔化,然后巨大的热量又熔化了包裹着燃料的锆合金。这是灾难的真正开始,熔 化的高温锆合金与高温水蒸汽发生反应产生大量的氢气,氢气由于其密度低,开始不断的从毁坏的反应堆溢出,在反应度厂房顶部聚集。
  同时,失去包裹的燃料中,大量的放射性元素在水蒸汽的裹挟下,在反应堆厂房内四处飘荡,甚至随着反应堆厂房向外泄漏。
  这次事故与三里岛和切尔诺贝利事故不同的地方在于,前两次事故发生时,反应堆操纵员对堆芯内发生的一切浑然不觉。而福岛核事故不同,反应堆操纵员对三台机组内发生的事故几乎一清二楚!
  但是,他们没有采取断然措施。在失去蓄电池电能不久,现场的工程师就已经向福岛核电厂和东电公司的管理层建议,使用海水作为冷却水来冷却反应堆。但是,从福岛核电厂到东电公司,没有一个人敢拍这个板。
  为什么?因为用海水冷却反应堆意外着这些核电机组要彻底报废。而每台机组的造价高达数亿美元,而且每年创造的收入又是数亿美元。如果东电公司的老板怪罪下来,拍板的人当然吃不了兜着走。
  利益泯灭了良知。
  当然,作为福岛核电站的所有者东电公司,他们不到万不得已也是不会下令用海水冷却反应堆的。他们一直以来心存侥幸,这几十年来福岛经历了多次地震都安然无恙,他们认为福岛核电厂这次还会挺过去的。
  接着,现场的工作人员报告,反应堆厂房内辐射剂量快速升高,高出正常水平上万倍,这意味着反应堆已经损坏。但是东电公司的领导认为,虽然反应堆出现损坏,但是修复后仍然可以继续使用。
  东电公司的领导层之所以这么淡定,还有一个原因就是移动发电车已经运到了福岛核电厂现场。他们相信,接上移动电源后,一切都会转危为安。
  移动发电车运抵现场后,却出现了一系列的问题。
  首先,原本为应急预备的电源接口,很多已经损坏,或者因为泡水,存在短路或者接地的风险。如果贸然接入电源,不仅不能供电,移动发电车还很有可能因为短路被烧毁。为此,抢险人员不得不先对电源接口进行清洁和检查,这就耽误了很多时间。



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