3月11日，日本東北部海域發(fā)生9.0級強烈地震，并由之引發(fā)據(jù)說最高達23米的海嘯，日本東京電力公司的福島第一核電廠受到極大影響，發(fā)生了世界核電史上的第三起嚴重事故。這次事故不僅再次證明比設(shè)計基準事故更可怕的嚴重事故是可能發(fā)生的，更為重要的是由于這次事故的新特點，對現(xiàn)在世界核電界通行的一些和安全設(shè)計理念提出了挑戰(zhàn)。它不僅對日本，而且會對全世界核電今后的發(fā)展產(chǎn)生重大的影響。本文試圖對這次嚴重事故的發(fā)展過程做一歸納，并分析事故發(fā)生的原因。因篇幅所限，應從事故吸取的些經(jīng)驗教訓和對于今后核電發(fā)展的啟示，將另文探討。

1.  事故過程的簡要回顧

      作為鋪墊，首先簡要介紹一些有關(guān)的沸水堆（BWR）知識。沸水堆與壓水堆一樣，是從上世紀50年代開始逐步發(fā)展起來的輕水堆堆型，先后開發(fā)了BWR-1至BWR-6和第三代先進沸水堆（ABWR）。它以沸騰輕水為慢化劑和冷卻劑，并在反應堆壓力容器內(nèi)直接產(chǎn)生飽和蒸汽推動汽輪發(fā)電機組做功發(fā)電。汽輪機乏汽冷凝后經(jīng)凈化、加熱，再由給水泵送入反應堆壓力容器，形成閉合循環(huán)。目前在全世界10多個國家與地區(qū)共有投運沸水堆機組92臺，占世界核電裝機總量的21%。在這次福島核電事故前，一直有著良好的運行記錄。

      沸水堆壓力容器雖與壓水堆的類似，但設(shè)計壓力為壓水堆的一半。由于堆功率密度低，堆芯大，容器內(nèi)還有再循環(huán)泵、汽水分離器和干燥器，故體積較后者大得多。沸水堆燃料組件為正方形有盒組件，其內(nèi)燃料棒按7×7或8×8排列。燃料芯塊為不同富集度的二氧化鈾，平均富集度為2.0%~3%，。福島3號機組還部分采用了混合鈾钚氧化物燃料。與壓水堆一樣，沸水堆停堆后，堆芯還有很大的剩余釋熱必須導出，否則可能使燃料棒包殼熔化，甚至燃料芯塊也會熔化，導致嚴重事故。

      沸水堆的控制棒呈十字形，插在四個方盒組件之間。沸水堆的控制棒從堆底引入，這樣可以空出堆芯上方空間用以安裝汽水分離器和干燥器。由于沸水堆壓力容器底部設(shè)有為數(shù)眾多的控制棒和中子探測器貫穿孔，增加了小失水事故的可能性?？刂瓢趄?qū)動機構(gòu)較復雜，可靠性要求高，維修困難。

      沸水堆的安全殼依賴蒸汽凝結(jié)來降低事故壓力，故而一次安全殼的容積很小。沸水堆的安全殼由兩個互相隔開的空間組成：壓力空間（又稱干井）和凝汽空間（又稱濕井）。干井包容反應堆壓力容器、控制棒驅(qū)動機構(gòu)、外部循環(huán)泵，以及連接管道和閥門。濕井中除了抑壓水池（福島核電廠抑壓池容積約4000 m3）外，全是自由空間。干井與濕井之間由浸沒在水中的大口徑凝汽管相連通。當發(fā)生失水事故時，干井內(nèi)壓力升高而形成與濕井的壓差，驅(qū)使空氣蒸汽混合物經(jīng)由凝汽管涌流進入抑壓水池，使蒸汽完全凝結(jié)成水。在此過程中安全殼內(nèi)的最大壓力應不超過設(shè)計限值。一次安全殼可采用承壓鋼結(jié)構(gòu)或預應力混凝土結(jié)構(gòu)。

      東京電力公司的福島第一核電廠共有6臺投運機組，全是沸水堆。1號機組電功率439兆瓦，為BWR-3型機組， 1971年3月26日投入商業(yè)運行；2號至5號機組電功率784兆瓦，為BWR-4型機組，1974-1978年間投產(chǎn)；6號機組電功率1067兆瓦，為BWR-5型機組，1979年投產(chǎn)。地震發(fā)生時， 1、2、3號機組正在運行，4號機組正在換料大修，5、6號機組也正處定期停堆檢修之中。為了節(jié)省篇幅、抓住事故的本質(zhì)，筆者擬根據(jù)日本官方和主流媒體發(fā)表的報道，以及自己多年的動力堆運行經(jīng)驗，勾勒出這次嚴重事故的大概輪廓如下。由于日方提供的信息極為有限，特別是缺乏機組內(nèi)部事故后的監(jiān)測圖像，一些判斷只是粗略的推理，不一定完全正確，尚有待以后修正。

      3月11日，日本時間14時46分，9.0級超強地震發(fā)生后，福島核電廠三臺正常運行機組全都自動停堆。地震毀壞了外部電網(wǎng)，致使290多萬戶家庭斷電。失去廠外電源后，電廠自備的應急柴油發(fā)電機隨即啟動供電，向反應堆補水并進行堆芯應急冷卻。一個小時后，高達十米左右的海嘯接踵襲來，頃刻間將應急柴油發(fā)電機房淹沒過頂，所有應急柴油機組功能全失，電廠喪失了全部交流電源。蓄電池又頂了上去，使應急堆芯隔離冷去系統(tǒng)繼續(xù)工作。8個小時后蓄電池再也無能為力，出現(xiàn)全廠斷電，連儀表指示和現(xiàn)場照明也都失去了。情況急劇惡化。強震引起反應堆壓力容器出現(xiàn)泄漏，反應堆水位下降，汽輪發(fā)電機房地下室積水放射性水平持續(xù)上升。與此同時，安全殼干井壓力不斷上升，1號機組干井壓力最高達到其設(shè)計壓力的2倍。堆芯的剩余釋熱使得反應堆水溫持續(xù)升高。盡管有泄漏，壓力容器的壓力不斷上升，1號反應堆壓力最高升至設(shè)計壓力的1.5倍。隨著壓力容器水位下降，燃料組件逐漸裸露出水面，燃料棒的鋯-2合金包殼與高溫水蒸氣發(fā)生鋯-水反應，產(chǎn)生大量氫氣，積聚在壓力容器上部汽腔里。同時，由于包殼破損，放射性裂變氣體（如碘-131等）和易揮發(fā)金屬裂變產(chǎn)物（如銫-137）從堆芯逸出。為了保住壓力容器不被超壓破壞，日本政府命令開啟泄壓閥泄壓，導致反應堆廠房內(nèi)氫氧急劇復合，發(fā)生化學爆炸。反應堆廠房炸得只剩下鋼筋骨架。隨后在廠區(qū)周圍測得超標輻射水平和人工放射性核素。電廠決定使用最后一招，用消防水泵向反應堆注入海水淹沒堆芯。這些現(xiàn)象在1、2、3號機組上大同小異地相繼重復出現(xiàn)。三臺機組的堆芯出現(xiàn)程度不同的熔毀。日方估計，最多的達到70%以上。壓力容器出現(xiàn)破損，也不排除安全殼地板受損的可能。筆者特別關(guān)注3號機組的狀態(tài)。該機組的功率近于1號機組的二倍，相應地剩余釋熱也大得多，而且采用了混合鈾钚氧化物（MOX）燃料，對環(huán)境的影響風險更加巨大。據(jù)報道，當消防隊員向3號反應堆充灌海水時，發(fā)現(xiàn)堆芯水位不見提升。當時筆者就擔心是否安全殼底部出現(xiàn)裂縫。后來多次報道3號機組往外冒黑煙。又有報道說，3號機組汽輪機廠房地下室積水中放射性嚴重超標，在廠區(qū)周邊的土壤里測出放射性核素钚的存在。對這些現(xiàn)象可能而又合理的解釋是，3號反應堆的堆芯部分熔融，并熔穿壓力容器，落到安全殼底板上，與底板混凝土發(fā)生化學反應，從而破壞了安全殼的完整性。正處于換料大修的4號機組，以及正在定期維修的5、6號機組情況有所不同。主要問題出在乏燃料儲存水池上。為了換料方便，乏燃料水池被設(shè)置在反應堆廠房的與安全殼、壓力殼頂部齊平的4層平臺上。由于乏燃料水池儲水1500立方米，外加三次換料卸出的乏燃料（包括4號機組剛卸出的一爐乏燃料在內(nèi)）。很可能主要由于強震引起水池滲漏，致使水池水位緩慢下降，乏燃料組件逐漸裸露，因鋯-水反應放出氫氣，也引起化學爆炸。最后也只得采用海水浸泡乏燃料儲存水池的招數(shù)。所以，筆者降這次福島核電廠嚴重事故定性描述為一起由極端外部事件疊加導致全廠斷電而引發(fā)的群堆共模嚴重事故，也就是說，超強地震與超高海嘯共同作用導致福島核電廠出現(xiàn)全廠斷電，長時間的全廠斷電引發(fā)了同一個廠址的多座反應堆同時發(fā)生類似的嚴重事故。。盡管隨著時間的推移，堆芯的剩余釋熱逐漸減少，事故的嚴峻形勢得以緩解，此次核事故的大氣污染’估計不會發(fā)展到像當年前蘇聯(lián)切爾諾貝利事故那樣的地步，但福島核電廠周邊地區(qū)和海域均已檢測到超標嚴重的放射性污染和人工放射性核素，24萬多人被撤離疏散。電廠已經(jīng)存積了數(shù)萬噸的高、中、低放廢水。令人氣憤的是，日本政府未向國際社會和鄰國事先通報，就往海洋傾倒了1萬多噸的“低放”廢水，其放射性水平超過日本法定標準500倍。日本政府已宣布，福島第一核電廠報廢。目前最緊迫而又最困難的任務是要盡快將福島第一核電廠各座反應堆堆芯中所有的燃料與環(huán)境隔離，并予以循環(huán)冷卻，以徹底消除進一步產(chǎn)生大量廢水并擴大海洋污染危險的源頭。事故的處理與善后將是一個長期而相當艱難的過程。

      這次嚴重事故對于核電在包括中國在內(nèi)的全世界范圍的復蘇，將是一次極為沉重的打擊。這次事故在投運核電機組運營管理與嚴重事故操作程序、核電機組安全設(shè)計的理念、有關(guān)多堆廠址的安全管理、如何重新建立公眾對核電的接受心理等方面提出的新課題，將是核電今后進一步發(fā)展不可回避的挑戰(zhàn)。

2.  事故原因的初步分析

      如上所述，筆者將福島核電廠這次嚴重事故定性為一起由極端外部事件疊加導致全廠斷電而引發(fā)的群堆共模嚴重事故。筆者試將這次事故的原因分析歸納如下：

2.1  極端外部事件的疊加是造成這次事故的直接導火索

      一般而言，發(fā)生地震后，核電廠會自動停堆。當外部電網(wǎng)遭到破壞后，電廠自備的應急柴油機組會立即啟動，以保證反應堆堆芯的應急冷卻。這次福島核電廠抗住了破壞強度超過電廠抗震設(shè)計能力5倍的地震襲擊。即使反應堆因強震引發(fā)中、小破口失水事故，那也屬于設(shè)計基準事故之一，完全可以依靠應急柴油機組從容應對，限制后果。但超大海嘯的破壞力遠遠超過電廠設(shè)計的預想，全部應急柴油發(fā)電機組喪失功能。超強地震與超大海嘯的疊加造成長達七、八天的全廠斷電，堆芯長時間得不到冷卻，最終導致了嚴重事故的發(fā)生。這次極端外部事件的疊加，還打破了同一廠址的幾座反應堆不可能同時發(fā)生嚴重事故的思維模式。在遠遠超過設(shè)計標準的極端稀有天災面前，沒有一種設(shè)計能打包票說絕對無問題。

2.2  早期核電設(shè)計，缺少預防和緩解嚴重事故的安全措施

      沸水堆安全性的一個重要基石是：沸水堆壓力容器比壓水堆的大很多，沸水堆的自然循環(huán)能力也遠高于壓水堆。所以，只要保證沸水堆燃料組件始終浸沒在水中，就不會發(fā)生堆芯熔融。近二十年來，沸水堆技術(shù)也有了很大的進步，日本海建成了世界頭兩臺第三代先進沸水堆。但是福島第一核電廠的機組設(shè)計與建造完成于美國三里島事故之前，當時還沒有形成嚴重事故的清晰概念，更談不上預防和緩解嚴重事故的安全措施了。從事故處理過程可見，這種設(shè)計欠缺主要表現(xiàn)在以下幾方面：

      （1）4套應急堆芯冷卻系統(tǒng)全部失靈

      沸水堆的第一道安全屏障是燃料組件包殼。為了保證其完整性，必須保證燃料組件始終被水浸沒并被持續(xù)冷卻。沸水堆的應急堆芯冷卻系統(tǒng)就是設(shè)計用于發(fā)生堆芯失水時直接向堆內(nèi)注入冷卻水，以防止堆芯熔化。它又分為4個子系統(tǒng)：①自動卸壓系統(tǒng)，在主系統(tǒng)發(fā)生破損時使汽水混合物直接經(jīng)排汽管進入抑壓水池被冷凝，可使反應堆迅速卸壓，以利于其他子系統(tǒng)的注水。②高壓堆芯噴淋系統(tǒng)。在發(fā)生失水事故時，該系統(tǒng)通過噴淋環(huán)管直接向堆芯噴淋注水。除正常電源外，此系統(tǒng)還設(shè)置了獨立的柴油發(fā)電機供電。③低壓堆芯噴淋系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過環(huán)管向堆芯直接噴淋注水，防止堆芯裸露。④低壓冷卻劑注水系統(tǒng)。這是余熱導出系統(tǒng)的一種運行方式，用于在失水事故時向反應堆容器注水，使堆芯浸沒而不裸露。上述三個噴淋和注水系統(tǒng)又排列組合成三組。設(shè)計者認為，在自動卸壓系統(tǒng)配合下，任何一組失效都不影響應急堆芯冷卻功能。

      從上述系統(tǒng)的工作原理不難看出，其發(fā)揮功效的前提是必須具備交流電源。不幸的是這次事故中，地震加海嘯不僅造成壓力容器小破口失水，而且喪失了全部交流電。由于抑壓水池失電，無法使蒸汽冷凝下來，泄壓效果受到影響。由于失電，堆芯得不到有效冷卻，反應堆水溫與壓力居高不下，3套應急堆芯冷卻系統(tǒng)全都失效。泄漏造成堆芯失水，燃料組件而熔化，釀成嚴重后果。顯然，如果能采用或增加一些現(xiàn)在普遍采用的非能動的應急堆芯冷卻設(shè)施，應能有效緩解事故后果。

      （2）由于認為堆芯極不可能熔化，安全殼設(shè)計中未考慮氫氧復合系統(tǒng)。在這次事故處理過程中，也未見到安全殼內(nèi)氫氧復合系統(tǒng)動作，以避免氫爆的報道。

      （3）安全殼的設(shè)計理念存在缺陷

      沸水堆安全殼的設(shè)計理念是基于，無論是反應堆超壓，還是主回路失水，都能使安全殼中的蒸汽迅速冷凝而降低使用壓力。所以其安全殼的自由空間比較小。圖必須能否讓蒸汽冷凝下來就成了設(shè)計與事故處理成敗的關(guān)鍵。如上所述，這次事故中抑壓水池的冷凝器由于失電而失效，導致1號機組安全殼干井壓力升至設(shè)計壓力的兩倍，非常危險。

      （4）由于早期設(shè)計認為沸水堆堆芯極不可能熔化，更未考慮堆芯熔融物穿透壓力容器壁的嚴重后果。直到第三代先進沸水堆（ABWR）設(shè)計時，才在反應堆壓力容器與安全殼之間設(shè)置了一個收集與冷卻堆芯熔融物的設(shè)施，從而杜絕了堆芯熔融物與安全殼地板作用、破壞安全殼完整性的可能。

2.3  營運單位的核安全文化意識淡薄

      日本作為亞洲首屈一指的核電先進國家，在輕水堆核電設(shè)計、設(shè)備制造、核電廠運行本土化方面取得了出色的業(yè)績。我國在核電發(fā)展初期曾向日本核電企業(yè)學習了許多先進經(jīng)驗。但是這次福島核電廠事故處理過程的媒體報道，顯示東京電力公司（以下簡稱“東電”）高層領(lǐng)導的核安全意識，突出表現(xiàn)在應對突發(fā)事件的能力方面還有很大的提升空間。東電決策層表現(xiàn)出的麻木、猶豫、慌亂與自私，實在令人扼腕嘆息。僅舉數(shù)例說明：

      （1）全廠斷電事故危及到6臺機組的生死存亡，以最快的速度恢復現(xiàn)場交流電供應是頭等重要的大事。但是令人費解的是，不知遇到了什么困難，從地震發(fā)生到恢復供電耗費了七、八天時間，大大超出設(shè)計所能承受的限度。看不到一點救兵如救火的氣勢。

      （2）從向現(xiàn)場拉電纜的進展速度，東電領(lǐng)導層早就可判斷出堆芯面臨著極大的熔化風險，必須立即用消防水泵向反應堆充灌海水，以避免堆芯熔化。但是這個決心顯然是下晚了，執(zhí)行得更不得力。原想保住機組，結(jié)果適得其反，損失更加巨大。

      （3）1號機組產(chǎn)房氫爆噸壞后，東電領(lǐng)導也判斷出是發(fā)生了氫氣爆炸，但沒有能及時想出預防措施。直到4號機組氫爆后，才悟出人為破壞廠房密封的應對措施。

      （4）偌大一座核電廠，測量液體的放射性活度，前后兩次竟然能差上百倍。簡直荒唐到令人難以理解的地步。

      （5）這次事故處理中干得最快的可能要算向大海里傾倒1萬多噸超標500倍的“低放”廢水了。常人都能想出更好的替代辦法，東電領(lǐng)導為什么偏偏看中往大海里倒呢？原因很簡單：雖然現(xiàn)在挨點罵，可后面就啥事不用管了。實在是沒有一點點大型企業(yè)的社會責任心。

      這次事故處理的連連失誤，可能也與缺少外部的技術(shù)支持有關(guān)。1988年，筆者曾考察過福島核電廠。當時的廠長告訴我，東芝與日立兩大承包商各有300人的技術(shù)支持隊伍常住現(xiàn)場，隨時提供服務。從這次現(xiàn)場撤離的人數(shù)可看出，外部技術(shù)支持力量大減。而公司內(nèi)部的檢修部門，只是管管檢修合同的簽約、驗收等，自己不會干。

      聯(lián)想起媒體披露東電的安全記錄不佳，造假已不止一次被曝光。與這次事故有直接關(guān)系的是，原子能安全保安院先前要求東電自查，確認是否已充分檢查核電廠設(shè)施。東電2月28日向原子能安全保安院遞交報告，承認沒有檢查6臺機組的33個設(shè)備、部件。其中有一個反應堆溫控系統(tǒng)配電裝置11年來從未接受過檢查。另外，冷卻泵電機、柴油發(fā)電機和其他一些冷卻系統(tǒng)部件缺乏定期檢查。而不作定期檢查意味著，檢查人員偽造記錄并上報。 這樣的核安全文化意識，應該說出事故只是早晚的事。

2.4  政府核安全監(jiān)管機構(gòu)執(zhí)法不力

      2007年日本新瀉發(fā)生大地震，東電的柏崎-刈羽核電廠（7臺機組均為沸水堆）變電站起火。國際原子能機構(gòu)(IAEA)組織專家團赴現(xiàn)場考察。次年，IAEA指出，日本的核電廠不足以抵御大地震的破壞，存在巨大的安全隱患。然而，這一問題未能得到日本政府核安全監(jiān)管當局的重視。

      這次原子能安全保安院接到前述的東電2月28日的自查報告后，3月2日給予批復，認為東電“常規(guī)檢查方案和維護管理不足，定期檢查不充分”。面對這樣一個有前科的電力企業(yè)，原子能安全保安院只是要求東電3個月內(nèi)遞交改正方案。而沒有像2002年那樣，勒令東電關(guān)閉旗下17座反應堆全面自查。 沒想到大自然對人為懈怠的懲罰提前到來，出了這次嚴重事故。如果原子能安全保安院當即令東電停產(chǎn)整頓，到3月11日發(fā)生地震時，反應堆已經(jīng)正常冷卻了9天，事故處理過程肯定是另一種樣式了。

      日本和安全監(jiān)管當局執(zhí)法不力還表現(xiàn)在：連IAEA的專家到現(xiàn)場后都是自己動手采集、檢測樣品，日本官員卻聽憑東電自報的測量數(shù)據(jù)。發(fā)布后又覺得有問題，令其重測。前后相差百倍，貽笑大方。何不自己動手？當然害怕吃劑量，則是另一回事了。

      執(zhí)法最不得力的表現(xiàn)就是這次日本政府未事先向國際社會與周邊鄰國通報，就批準東京電力公司向海里傾倒上萬噸的超標500倍的放射性廢水。作為核安全監(jiān)管機構(gòu)，執(zhí)法的依據(jù)只有一個，那就是法定標準。私自排放超標廢水是違法，監(jiān)管機構(gòu)批準排放超標廢水，則是知法犯法，更不可原諒。嚴重事故處理過程中產(chǎn)生的超標放射性廢水的事故外泄與監(jiān)管機構(gòu)批準超標廢水有目的地向海洋排放完全是兩回事。日本政府批準排放的理由完全站不住腳。

      日本原子能安全保安院狡辯說，也曾考慮過用船裝暫時存放這些廢水，但“時間來不及”，這完全是騙人的謊言。日本有的是現(xiàn)成的大中型油輪。政府征調(diào)條把條油輪儲存10萬噸廢水簡直是小菜一碟，輕而易舉，怎么就來不及？

      日本原子能安全保安院還說，太平洋大得很，增加這點污水微不足道。這更是一派胡言。按照這種邏輯，日本還能將那6萬多噸高放廢水也排到公海里了。歸根到底，還是日本政府缺乏社會道德和應有的責任意識。希望日本政府在今后的福島核電廠善后處理時，要切實承擔起自己應負的責任，不要再做危害包括日本人民在內(nèi)的全人類的事情。

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