福岛核电站爆炸事故分析

福岛核电站爆炸事故分析及对我国发展核电的思考1、事故背景北京时间2011年3月11日13时46分在日本本州东海岸附近海域（北纬38.1,东经142.6）发生里氏9.0级地震，震源深度24千米，东京有强烈震感，地震引发大规模海啸，造成重大人员伤亡，并引发日本福岛第一核电站发生核泄漏事故。1.1日本电力工业概况日本分为1道（北海道）、2府（东京、大阪）、43个县，共46个行政单位，国土37万km2，2004年人口1.27亿。全国由10个电力公司供电，其中北部为50Hz（北海道、东北和东京），南部为60Hz，由关西60Hz/50Hz变频换流站交换功率。全国电网最高电压等级1100kV（目前以550kV降压运行），以下依次是500、275、220、187、154、132、66、22、6kV共9级，民用电压为110V。10个电力公司为北海道、东北、东京、中部、北陆、关西、中国、四国、九州、冲绳。其中东京电力公司装机容量最大，超过5000万kW，占全国总装机容量的1/4强，所属东京电力中央研究所(CRIEPI)为日本最大的电力研究所，日本第骨干网架，地理接线和各电力公司供电区域分别如图1、2和3所示。日本发电所需的能源基本上都依赖从国外进口，1973年第一次石油危机以后，各家电力公司开始减少对石油的依赖程度，致力于发电能源的多元化，日本目前的发电厂也火电为主。截至2009年底，电网装机容量2.4549亿kW，其中液化天然气（LNG）发电装机容量占25.07%，石油发电装机容量占19.72%，煤炭发电装机容量占15.67%，核电发电装机容量占20.61%，水电发电装机容量占18.93%，其它为地热等新能源发电。预计从2005年到2014年，日本将新增核电装机容量1437万千瓦合计达6149万千瓦，所占比例将上升到23.4%，核能发电量将从2009年的3723亿kWh增加到2014年的4361亿kWh，所占比例增加到141.3%，如图4和5所示。截至2009年底，500kV及以上的架空输电线达8698km；187～275kV线路达14091km；187～500kV的地下输电线路达1914km。相应地，500kV的变电容量达213860MVA；187～275kV的变电容量达220430MVA。东京电力公司是日本最大电力公司，供电区域达3.9万平方公里，包括东京都及其周边区域(大东京市)。2008财年净供电量为289TWh，占日本全国供电总量的33%。2001年7月曾达到历史记录的最高负荷64.3GW。东京电力公司的电力系统有下述几个特点：第一，电力需求集中在大东京市。第二，由于近几十年大型发电站的选址越来越困难，新的发电站选址必需远离拥挤的城市，建设在偏远地区。1.2日本核电站概况据国际原子能机构统计，目前全球核电站有450多个，其中美国、法国和日本占据前三名，分别有103个、59个和57个，日本是地震多发国家，而核电占日本总发电量的三分之一，很多核反应堆设在地震多发地带。全国截至2010年底共有18座核电站，57个反应堆，包括28个沸水反应堆（BWR）、24个加压水冷却反应堆（PWR）、4个先进沸水堆（ABWR）、1个快中子反应堆，总装机容量4873.5万千瓦。在建、规划、定购或邀请的核电机组共13台，装机容量1741.8万千瓦。此次受灾区核反应堆达14座。主要的核电站包括福岛核电站、女川核电站、刈羽核电站等。日本各核电站装机容量、堆型、业主和投运时间如表1和表2所示，地理分布和此次地震受损情况如图6和7所示。图1日本骨干电网图图2日本电网地理接线图图3日本各电力公司供电范围图4日本电力企业各类发电设备装机容量图5日本电力企业各类发电设备发电量表1日本在运行的核电机组机组堆型容量（万千瓦）业主投运时间福岛第一核电站1号（FukushimaI）BWR43.9东京电力1971年3月福岛第一核电站2号BWR76东京电力1974年7月福岛第一核电站3号BWR76东京电力1976年3月福岛第一核电站4号BWR76东京电力1978年10月福岛第一核电站5号BWR76东京电力1978年4月福岛第一核电站6号BWR106.7东京电力1979年10月福岛第二核电站1号（FukushimaII）BWR106.7东京电力1982年4月福岛第二核电站2号BWR106.7东京电力1984年2月福岛第二核电站3号BWR106.7东京电力1985年6月福岛第二核电站4号BWR106.7东京电力1987年8月玄海核电站1号（Genkai）PWR52.9九州电力1975年10月玄海核电站2号PWR52.9九州电力1981年3月玄海核电站3号PWR112.7九州电力1994年3月玄海核电站4号PWR112.7九州电力1997年7月滨冈核电站1号（Hamaoka）BWR51.5中部电力1976年3月滨冈核电站2号BWR80.6中部电力1978年11月滨冈核电站3号BWR105.6中部电力1987年8月滨冈核电站4号BWR109.2中部电力1993年9月滨冈核电站5号ABWR132.5中部电力2005年1月东通核电站1号（Higashidori）—东北电力BWR105.3东北电力2005年12月伊方核电站1号（Ikata）PWR53.8四国电力1977年9月伊方核电站2号PWR53.8四国电力1982年3月伊方核电站3号PWR84.6四国电力1994年12月柏崎·刈羽核电站1号（Kashiwazaki-Kariwa）BWR106.7东京电力1985年9月柏崎·刈羽核电站2号BWR106.7东京电力1990年9月柏崎·刈羽核电站3号BWR106.7东京电力1993年8月柏崎·刈羽核电站4号BWR106.7东京电力1994年8月柏崎·刈羽核电站5号BWR106.7东京电力1990年4月柏崎·刈羽核电站6号ABWR131.5东京电力1996年11月柏崎·刈羽核电站7号ABWR131.5东京电力1997年7月美滨核电站1号（Mihama）PWR32关西电力1970年11月美滨核电站2号PWR47关西电力1972年7月美滨核电站3号PWR78关西电力1976年12月大饭核电站1号（Ohi）PWR112关西电力1979年3月大饭核电站2号PWR112关西电力1979年12月大饭核电站3号PWR112.7关西电力1991年12月大饭核电站4号PWR112.7关西电力1993年2月女川核电站1号（Onagawa）BWR49.8东北电力1984年6月女川核电站2号BWR79.6东北电力1995年7月女川核电站3号BWR79.6东北电力2002年1月川内核电站1号（Sendai）PWR84.6九州电力1984年7月川内核电站2号PWR84.6九州电力1985年11月志贺核电站1号（Shika）BWR50.5北陆电力1993年7月志贺核电站2号ABWR130.4北陆电力2006年3月岛根核电站1号（Shimane）BWR43.9中国电力1974年3月岛根核电站2号BWR79.1中国电力1989年2月高滨核电站1号（Takahama）PWR78关西电力1974年11月高滨核电站2号PWR78关西电力1975年11月高滨核电站3号PWR83关西电力1985年1月高滨核电站4号PWR83关西电力1985年6月东海核电站2号（Tokai）BWR105.6日本原子能发电公司1978年11月泊核电站1号（Tomari）PWR55北海道电力1989年6月泊核电站2号PWR55北海道电力1991年4月泊核电站3号PWR91.2北海道电力2009年12月敦贺核电站1号（Tsuruga）BWR34.1日本原子能发电公司1970年3月敦贺核电站2号PWR111.5日本原子能发电公司1987年2月文殊快堆中子原型堆24.6JAEA1994~95年运行，等待重新启动合计：57台4873.5万千瓦表2日本在建、规划、定购或邀请的核电机组机组堆型单机容量（万千瓦）业主开工时间投运时间大间核电站（Ohma）ABWR138.3日本电源开发2007年8月2012年岛根核电站3号（Shimane）ABWR137.3中国电力2005年12月2011年12月敦贺核电站3号（Tsuruga）APWR153.8日本原子能发电公司2010年10月2016年敦贺核电站4号APWR153.8日本原子能发电公司2010年10月2017年福岛第一核电站7号（FukushimaI）ABWR138东京电力2009年2013年福岛第一核电站8号ABWR138东京电力2009年2014年东通核电站1号（Higashidori）ABWR138.5东京电力2008年2014年东通核电站2号ABWR138.5东京电力2011年2017年上关核电站1号（Kaminoseki）ABWR137.3中国电力2009年2014年上关核电站2号ABWR137.3中国电力2012年2017年东通核电站2号—东北电力ABWR138.5东北电力2013年2018年浪江·小高核电站（Namie-odaka）BWR82.5东北电力2013年2018年川内核电站3号（Sendai）PWR110九州电力当地政府已经发出邀请合计：13台1741.8日本福岛第一核电站位于福岛县双叶郡大熊町沿海。福岛第一核电有6台机组，1号机组439兆瓦，为BWR-3型机组，1970年下半年并网发电，1971年投入商业运行；2号至5号机组为BWR-4型，760兆瓦，1974-1978年投产；6号机组为BWR-5型，1067兆瓦，1979年投产。六台机组在同一厂址，全是沸水堆，均属于东京电力公司，装机占现役核电装机9.33%，发电量占日本总发电量近6%，主要经由500kV网络向东京送电。图6日本核电站分布图2、福岛核电站事故概况和恶化过程2.1事故序列描述1、2011年3月11日下午，地震发生，控制棒上插，反应堆安全停堆。堆芯热功率在几分钟内由正常的1400兆瓦下降到只剩余热，但仍有约4%，虽然仍在下降，但下降速度变慢。2、停堆后由于地震摧毁了电网，厂外电源不可用，电厂丧失了保安电源，由应急柴油机向堆芯内注入清水。注意是清水，不是硼水，换句话说，操作员采用了比较保守的方法。3、海啸随之而来，柴油机房被淹，应急柴油机不可用，由蓄电池继续供电，虽然容量较小，但是在事故后8小时内还是为压力容器的冷却做了贡献。4、电池耗尽，卡车运来了移动式柴油机，但是柴油发电机的接口和核电站的接口不兼容，堆芯冷却暂时停止。5、为了保住压力容器，电厂运维人员采取措施卸压，防止压力容器超压爆炸。6、12日早，首相菅直人电厂视察，卸压暂时中断，导致安全壳内温度压力仍在上升。7、电厂运维人员继续释放压力容器内部的压力。此时压力容器内的温度约为550摄氏度，堆芯已经裸露并产生大量氢气。8、12日15时36分，1号机组反应堆发生爆炸，厂房顶盖被爆炸完全摧毁，只剩下钢结构。9、爆炸后，利用消防水泵，直接向发生了燃料熔化的1号机组注入海水（并加入硼）进行冷却，一号机组的事故暂时告一段落。10、14日上午11点1分，3号机组反应堆发生爆炸。11、14日晚8时，2号机组堆芯已经全部露出水面，进入干烧状态，2号机组内的压力猛增。12、15日6时10分，2号反应堆发生爆炸。13、15日6时15分，在地震发生前已经处于维修状态、并未工作的4号反应堆起火，并发生爆炸。明火不久被扑灭。爆炸之后，4号反应堆外围建筑出现了两个直径达8米的大洞。14、16日清晨5时45分，4号机组再次发生火情。15、19日上午，5、6号机组的冷却功能恢复，乏燃料池水重新开始循环。16、20日15时46分，1号机组、2号机组已接通外部电源，3号机组、4号机组通过自卫队的喷水基本控制了局势，5号机组、6号机组的温度已经下降到接近正常水平。图7地震受损区域图2.2福岛核事故重要事件节点福岛第1核电站作为日本核事故主体，共拥有6台现役核电机组，其中1～4号机组在地震及海啸中受影响深重，部分机组甚至发生氢气爆炸，致使厂房设施严重受损。福岛第1核电站机组核事故爆炸顺序图和重要事件节点分别如