从福岛核电事故看高温气冷堆的安全性

从福岛核电事故看高温气冷堆的安全性二〇一一年三月十三日2目录1福岛核电简介.....................................................................................32福岛核电事故综述.............................................................................42.1应急柴油发电机被海水淹没...................................................42.2核燃料棒破损泄漏....................................................................52.3核电站厂房发生爆炸...............................................................63沸水堆运作原理.................................................................................64福岛核电的安全性.............................................................................74.1沸水型反应堆安全性较弱.......................................................74.2福岛第一核电站1号堆已到寿期..........................................84.3维持冷却水循环的重要性.......................................................85高温堆与压水堆的安全性设计比较...............................................96高温气冷堆的固有安全性..............................................................136.1具有防止放射性释放的多重屏障........................................136.2具有非能动的余热排出系统.................................................156.3具有负反应性温度系数的补偿能力....................................167高温气冷堆失去厂外电源的事故分析.........................................178结论....................................................................................................1931福岛核电简介福岛核电站是世界最大的核电站，位于日本福岛工业区。由福岛第一核电和第二核电组成，共10台机组。福岛第一核电有6台机组，机组容量分别为1号460MWe，2号-5号784MWe，6号1100MWe，1号机组于1967年9月动工，1970年11月并网，1971年3月投入商业运行；2号～6号机组分别于1974年7月、1976年3月、1978年10月、1978年4月、1979年10月投入商业运行。日本福岛第二核电有4台机组，机组容量为1号-4号1100MWe，1号机组于1975年11月开始施工，1981年7月并网，1982年4月投入商业运行。第一核电与第二核电均属于东京电力公司。福岛两座核电站的反应堆均为以普通水作为冷却剂和中子减速剂的沸水反应堆。第一核电1号机组为BWR-3（BWR为“沸水核反应堆”的简称）型机组，2-5号为BWR-4型机组，6号机组为BWR-5型机组。第二核电1号-4号机组均为BWR-5型机组。核电站曾经发生的事故：福岛第一核电站1978年曾经发生临界事故，但是事故一直被隐瞒至2007年才公诸于众。2005年8月里氏7.2级地震导致福岛县两座核电站中存储核废料的池子中部分池水外溢。2008年6月福岛核电站核反应堆5加仑少量放射性冷却水泄漏。2006年，福岛第一核电站6号机组曾发生放射性物质泄漏事4故。福岛核电站各反应堆投入运行时间福岛第一核电站福岛第二核电站反应堆编号投入运行时间反应堆编号投入运行时间1号1971年3月26日1号1982年4月20日2号1974年7月18日2号1984年2月3日3号1976年3月27日3号1985年6月21日4号1978年10月12日4号1987年8月25日5号1978年4月18日6号1979年10月24日2福岛核电事故综述2.1应急柴油发电机被海水淹没3月11日，日本东北部近海发生里氏8.9级特大地震。地震发生后，日本核电安全措施启动，福岛第一核电站的6座核反应堆和第二核电站的4座核反应堆全部自动停止运转，应急柴油发电机启动。但不幸的是，柴油发电机被其后海啸带来的洪水淹没，停止运转。由于缺乏电力，反应堆机组的主水泵无法工作，未能为反应堆提供冷却水循环。这一故障，使得多个反应堆容器内的冷却水温、压力上升。到11日晚，福岛第一核电站的1号反应堆容器压力上升至设计值的1.5倍，2号反应堆容器内水位下降，出现核泄漏危险。为此，日本首相菅直人发布“原子能紧急事态宣言”，疏散福5岛第一核电站为中心半径3公里之内的居民，同时要求3公里至10公里的居民不要外出。出现微量核泄漏到12日凌晨，福岛第一核电站的1号反应堆容器内部辐射强度是正常值的1000倍。日本原子能安全保安院宣布，经济产业相决定命令东京电力公司在福岛第一核电站释放反应堆容器的蒸气，避免反应堆容器及冷却水回路因蒸汽压力过大而爆炸损坏，影响以后的抢修工作。但是这一措施也导致了微量核泄漏，上午10时测得的福岛第一核电站正门核辐射浓度是7时40分的73倍。日本首相菅直人下令，12日凌晨5时44分起，建议居民疏散避难的范围从第一核电站半径3公里以内扩至10公里。福岛县政府12日也要求以第二核电站为中心半径3公里之内的居民疏散。2.2核燃料棒破损泄漏到12日上午10时，东京电力公司召开记者会宣布，福岛第一核电站和第二核电站的6个反应堆的水温已经超过了120度，而且还在继续上升中。东京电力公司承认，无法控制这些核反应堆水温的上升。更为严重的是，福岛第一核电站有反应堆容器内部水位比核燃料棒最高处低了50厘米，这意味着核燃料棒有部分部位得不到冷却，外层包裹金属可能会被高温烧蚀熔解，出现更严重核泄漏。12日下午13时左右，日本原子能安全保安院宣布，在福岛6第一核电站附近探测到放射性铯元素，确定已出现核燃料棒破损、核燃料泄漏情况。2.3核电站厂房发生爆炸12日下午16时许，福岛第一核电站1号反应堆机组厂房发生爆炸，厂房的外墙和屋顶在爆炸中坍塌。爆炸发生后，在核电站周边检测到的辐射剂量增加至每小时1.015毫希。日本官房长官在晚上20时许召开记者会称，此仅为厂房内氢气爆炸，核反应堆安全壳没有受到损伤。并且核电站周边的辐射剂量在18时许已降低至每小时0.0705毫希。晚上10时许，日本方面决定向1号反应堆注入海水实施冷却，目前抢修工作仍在进行中。3沸水堆运作原理沸水反应堆以轻水（普通水H2O）作为冷却剂和中子慢化剂。反应堆冷却系统内压强保持在70个大气压。在这里，来自汽轮机的给水进入压力容器后，在280℃左右沸腾。汽水混合物经过堆7芯上方的汽水分离器和蒸汽干燥器过滤掉液态水后直接送到汽轮机。离开汽轮机的蒸汽经过冷凝器凝结为液态水（给水）后，回流至反应堆，完成一个循环。因沸水堆中一次蒸汽直接通往汽轮机，故该系统被称为“直接循环系统”。由于此时堆芯的传热速度直接由系统中水的循环速度所决定，因此大型的沸水堆的堆芯围筒（coreshroud）外均装有喷射泵（jetpump），以加快循环速度。与压水反应堆相比，沸水反应堆的构造更为简单，且大大降低了反应堆的工作压力和堆芯温度，因此显著提高了反应堆的安全性，降低了造价。但由于沸水堆的循环系统直接连接了堆芯和汽轮机，因此可能造成汽轮机受到放射性污染，给设计和维修带来麻烦。4福岛核电的安全性4.1沸水型反应堆安全性较弱日本福岛第一、第二核电站的所有10座核反应堆在1971-1988年间建成运行，均属沸水型反应堆。其工作原理是核燃料棒在反应堆堆芯发生可控的链式反应，产生大量热量；这些热量传递给反应堆容器内的水，这些水被加热后产生蒸汽，直接推动蒸汽涡轮发电机产生电能。这个回路里的水，在反应堆运转后是沸腾的，蒸汽通过涡轮发电机后需要进入一个冷凝器，冷凝器引入海水进行冷却。沸水型反应堆与压水型反应堆相比，属于单循环反应堆，沸8水产生的蒸汽用来直接推动汽轮，不象压水堆那样有蒸汽发生器隔离。万一发生故障，蒸汽里就带有放射性物质，设计上的安全性较弱。但沸水型反应堆的经济性较好，日本国内发展的均是沸水型反应堆。长期以来，一直有核专家质疑，日本作为一个地震频繁的地区，使用这样的结构是否合理。4.2福岛第一核电站1号堆已到寿期一般核电站堆芯设计都是40年，其实福岛核电站1号机组已经到了寿命，但是根据美国的经验，到了40年，还可以延寿20年，甚至寿命到了60年还可以延续。“效益非常好，扔了很可惜。延寿需要严格审查，是不是满足现在的安全要求。”今年2月7日，东京电力公司和福岛第一原子力发电所刚刚完成了一份对于福岛一站一号机组的分析报告，指出这一机组已经服役40年，出现了一系列老化的迹象，包括原子炉压力容器的中性子脆化，压力抑制室出现腐蚀，热交换区气体废弃物处理系统出现腐蚀，并为其制定了长期保守运行的方案。这一机组的计划延寿20年，正式退役需要到2031年。4.3维持冷却水循环的重要性在这次地震发生后，日本福岛第一、第二核电站的反应堆都已自动停止运行，为什么还会出现如此严重的核泄漏？这是因为在核电术语里“停堆”，只是通过计算机控制向反应堆芯插入控制棒，停止链式反应，但是核燃料棒里的反射性元素自衰变仍然产9生非常大的热量。这样就必须保持冷却水循环，保证核燃料棒不会因为温度升高而出现包裹金属熔解破损，导致严重核泄漏。但是在这次事故中，福岛第一、第二核电站有多个反应堆停堆后，因为配套的柴油发电机被海水淹没，冷却水循环停止。核燃料自衰变产生的热量，将反应堆容器内的水加热至120度，极大的蒸汽压力会使一回路出现破损、甚至反应堆容器会发生爆炸。5高温堆与压水堆的安全性设计比较首先，在反应性的控制上，压水堆所需要的反应性控制当量大，尽管在压水堆中有大量的控制棒，但由于水堆的中子扩散长度较短，每个控制棒的当量是不大的，单靠控制棒控制反应性是不够的，控制棒只能够控制快速变化的的反应性变化，缓慢变化的反应性变化还必须依靠调节冷却剂中的硼浓度和使用固体可燃毒物的手段。而在高温堆，由于中子扩散长度较长，单根控制棒的反应性控制当量是比较大的，为了保证反应堆的运行，单靠控制棒控制反应性是可以的，不需要象压水堆那样，再采取其他的手段。即使在球床高温气冷堆，控制棒放在反射层，反应性控制当量也是比较大的，在反射层中安放12－16根控制棒，就能够实现反应堆的热停堆，燃料燃耗所需要的反应性控制可以采用添加燃料球的方法加以实现。在一回路压力调节和控制上，在压水堆中必须有专门的设备来控制一回路的压力，防止一回路超压，以避免发生堆内沸腾。因此，在压水堆一回路中有稳压器，而在高温气冷堆中冷却剂是10氦气，在运行条件下，氦气冷却剂不会发生相变，不需要严格的压力控制，压力调节不需要专用的设备，只是通过压缩机对一回路内的氦气进行吞吐，即可调节一回路的压力。余热排出一直是影响核电站中安全运行的一个棘手的问题，也是核电站区别于常规电站的原因所在。所有的核电站都设有专门的余热排出系统。在压水堆中，除了在AP1000中设计了非能动的余热排