核安全三问三答

 编者按

    日本福岛核事故引发的话题依然受到公众关注。今天，我们邀请了我国核电领域权威专家、中国工程院院士、中核集团科技委副主任叶奇蓁，来回答读者朋友关心的三个问题：一、有那么多预置的安全措施，为什么福岛核电站最终仍然面临“焦头烂额”的局面？二、针对福岛发生问题的环节，我国核电设计时是否有相应的对策？三、我国核反应堆的安全靠什么来保证？

    问题一：

    福岛为何“焦头烂额”？

    记者：许多读者有一个疑问，那就是既然有那么多预置的安全措施，面对突发事故，福岛核电站为什么最终仍然面临“焦头烂额”的局面？

    叶奇蓁：核电站设计的时候，对环境安全还有三项基本要求，第一条，反应堆一旦出现故障的时候，反应堆要停下来。第二，反应堆余热要导出。核电站唯一跟锅炉不一样的地方，就是锅炉停止燃烧就没有能量了，最多红颜色烫手而已，核电站却继续发出一些余热，大概是原功率的6.6%左右，还要把这些能量导出来，继续冷却。第三，把放射性物质包容在安全壳内。如果遵守了这三条原则，即使发生任何事故，也不会对环境发生影响。福岛做到了第一条，但后面两条没有做到，这就是它产生的问题。

    我们来回顾一下整个事故的过程。福岛第一核电站有六台机组。1号机组是按照0.18g（g指地面重力加速度）设计的（现在核电站设计是按地面加速度的力度来衡量的，跟常规的地震烈度不一样，按地面加速度就可以比较严格地按照力学原理，来计算建筑物、设备、管路等能不能承受某个地震烈度），其余机组按0.45g或者0.46g设计。3月11日，日本强烈地震引发了海啸。这次9级地震相当于0.52g，超出了设计标准。

    地震发生后，福岛第一核电站安全系统正常启动。首先安全停堆，安注系统和应急堆芯冷却系统立即启动，在厂外电源丧失的情况下，应急柴油机也正常启动。也就是说，海啸之前，核电站的运行是正常的。第一是停堆，第二冷却系统启动起来，把余热导出去。

    但是，第一核电站海堤设计高程是5.7米，而这次地震引发的海啸在福岛核电站地区是14米，这就使应急柴油机房进水，一小时后停止运行。此时，仪控系统改由蓄电池供电，设计容量只能维持8小时。

    13小时以后，移动发电机到达，但是因为配电装置在底层，被水淹了，无法接通，直到3月12日15时还无法接通，改接新电源线给水泵供电，但这个时间已经晚了。超设计的海啸高程导致全厂断电，没有外电源，也没有内部的应急电源，全厂长时间断电，导致堆芯冷却手段长期不可用。第二条安全要求，也就是余热导出，在一小时后就失去了。

    由于余热导出冷却失效，造成反应堆温度、压力升高，冷却剂不断丧失，燃料露出来了，原来是水和蒸汽包容的。露出来的燃料温度就很高了，平时水蒸汽的温度大概200多度，没有冷却以后，就到了上千度以上。一千到两千度的情况下，下面还有一部分水，水跟锆起了化学作用，产生了氢气。安全壳外面有个厂房，氢气就跑到厂房顶部集中，当浓度达到10%的时候（一般控制在4%以下），遇到空气中的氧气，就发生了氢爆。12日，1号机组氢爆，14日，3号机组氢爆，15日，2号机组氢爆，这样把厂房就炸开了，使厂房裸露。

    有人说已经停堆了，怎么还会出问题呢？因为刚停堆，把堆里的乏燃料卸到水池里，还有余热，刚卸出来有百分之几的余热。地震1小时以后，水同样没有冷却，这个水是敞开的，在一个大气压下，一百多度的水，就造成了蒸发，水位就很快下降。几天以后，每个堆还约有1万千瓦的热量。一万千瓦的热量如果没有冷却的话，一天可以烧开三百吨水，所以他们用直升机向燃料厂房洒水冷却，但效果很小。

    问题二：

    我国有否相应措施？

    记者：针对福岛核电站出现问题的那些环节，我国核电站设计中有相应的安全措施吗？请详细介绍一下。

    叶奇蓁：针对福岛核电站出现的问题，我国核电站设计中有大量的安全措施：第一，抗地震设计。凡是牵涉到核电站安全的，都要按安全停堆地震来设计，这个话的含义是，即使是地震的情况下，我的系统还要保持功能，能把堆停下来。所以，厂房的地基应放在完整的基岩上，必须远离断层，特别是地表产生裂缝或者错动的活动断层，绝对不能建核电站。

    第二，防洪的要求。设计会考虑到台风、海啸、海平面上升、暴雨、上游溃堤，以及波浪影响等，超越概率千分之一来确定。厂坪标高要高于基准洪水位。

    第三，应急电源，主网有500千伏，还专门有一个22万伏的备用电源。设计时每台机组有两台应急柴油机，一台就能保证应急电源，同时还考虑设置一条专用的备用外电源。 

    第四，严重事故的预防和缓解。厂房里有移动式防氢爆措施，有完整的测量系统，一旦氢浓度高了，就消氢，现在还新设计了非能动的氢复合装置。排放的放射性气体通过过滤器，把放射性洗掉。同时快速卸压，将蒸汽排放到安全壳里，因为我国是压水堆，如果二回路压力高了，我们再二次排放蒸汽，这时候蒸汽是没有放射性的，也可以冷却主回路，主回路的排放是排放在安全壳里。 

    例如，我国秦山核电站周围边界的辐射，国家限值0.25毫西弗，实际测量是0.005毫西弗。抽一支烟相当于0.001毫西弗，2005年测得0.0047个毫西弗，相当于抽了5支烟。 

    问题三：

    如何设置纵深防御系统？

    记者：核能的优点体现在哪里？我国核反应堆的四道安全屏障是如何设置的？所谓核电站的纵深防御策略是怎么回事？

    叶奇蓁：核电是清洁能源，核裂变能量是可控的。一公斤的铀-235裂变释放的能量，相当于2400吨标准煤燃烧释放的能量。我们一座百万千瓦核电站每年只要补充30吨核燃料，同样功率的火电厂每年要燃烧330万吨煤。核电大量减少了温室气体排放，大量减少了对环境有污染的二氧化碳、二氧化硫等气体排放，也减少了煤渣，减少了运输，所以核能的优势很突出，是我国能源发展的战略选择。

    我国建造的是压水堆核电站，里面所有的和发生核裂变的物质有接触的水，都孤立在安全壳里面，跟汽轮机、发电机都是隔离的，这跟日本发生事故的沸水堆是不同的。 

    我国核反应堆有四道屏障保证安全，第一道屏障为燃料芯块和包壳。核裂变产生的放射性物质98%以上滞留在二氧化铀陶瓷芯块中，不会释放出来。第二道屏障为燃料包壳。燃料芯块密封在锆合金包壳内，防止燃料裂变产物和放射物质进入一回路水中，这是完全密闭的，即使产生的气体也密闭在这里，这里面留有一定的空间，而且锆管的燃料棒可以承受一定的压力，最大数量的密闭气体释放也不足以使它开裂。第三道屏障为压力容器和一回路压力边界。由核燃料构成的堆芯封闭在钢质压力容器内，压力容器和整个一回路都是耐高压的，放射性物质不会泄漏到反应堆厂房中。第四道屏障为安全壳，就是混凝土的结构。现在的安全壳直径约37米，安全壳墙厚将近1米，而且用钢索扎紧，在内部产生一定压力的时候，不会把安全壳破坏，可防止放射性物质进入环境。

    我国核电站采取纵深防御策略，正常运行的时候有一套控制系统，一旦出现事故就把堆停下来，然后有其他的安全系统来保护它。比如，压力容器没水了，用安全注入系统补充进去，安全壳里压力高了，产生大量蒸汽了，有安全喷淋系统，喷进去冷水把压力降下来。蒸发器里没有水了，烧干了，用辅助给水系统补充。（本报记者 胡其峰）

    ■延伸阅读

    什么是放射性碘？

    放射性碘是早期混合裂变产物中的主要成分之一，在核爆炸及反应堆事故中，它是早期污染环境的主要核素。

    在碘的放射性同位素中，碘-131和碘-125是毒性相对较大的放射性核素。进入血液中的放射性碘，约70%存在于血浆中，30%很快转移到体内各组织器官内，选择性地浓集于甲状腺。所以放射性碘对人体的危害主要表现为甲状腺损伤。放射性碘广泛地应用于核医学诊断。

    什么是放射性铯？

    铯共有38个同位素，除铯-133为稳定同位素外，其余均为放射性同位素。放射性铯是核爆料和反应堆运行产生的主要裂变产物。

    环境中铯-137进入人体后易被吸收，均匀分布于全身；由于铯-137能释放γ射线，很容易在体外测出。进入体内的放射性铯主要滞留在全身软组织中，尤其是肌肉中，在骨和脂肪中浓度较低；较大量放射性铯摄入体内后可引起急、慢性损伤。铯-137可作为γ辐射源，用于辐射育种、辐照储存食品等。