福岛核事故原因分析

福岛核事故原因分析作者：苏秀彬日本是一个资源极度贫乏的国家，据统计，日本全国有18座核电站，总共60座核反应堆，大都是属于沸水反应堆。由于沸水反应堆发电量高，没有二回路循环系统，相比压水反应堆，输出功率大，造价性对低廉，一直受到日本核电工业的青睐，日本新设计的第四代反应堆也是采用沸水反应堆。福岛核电站位于北纬37度25分14秒，东经141度2分，地处日本福岛工业区。它是目前世界最大的核电站，由福岛一站、福岛二站组成，共10台机组（一站6台，二站4台），均为沸水堆，受日本大地震和海啸影响，福岛第一核电站受损极为严重，其中1号-4号机组损毁最为严重。目前，福岛第一核电站事故等级为最高级7级。日本福岛第一核电站沸水堆又叫轻水堆，由压力容器及其中间的燃料元件、十字形控制棒和汽水分离器等组成。沸水堆核电站工作流程是：冷却剂（水）从堆芯下部流进，在沿堆芯上升的过程中，从燃料棒那里得到了热量，使冷却剂变成了蒸汽和水的混合物，经过汽水分离器和蒸汽干燥器，将分离出的蒸汽来推动汽轮发电机组发电。福岛第一核电站结构设计图通常，为了安全起见，反应堆冷却系统有三种供电方式。分别为电网供电，柴油机供电和汽轮机发电供给。大地震摧毁了核电站的外部电力供应，循环冷却系统在没有电力供应的情况下停止运转，此时核电站紧急启动了柴油发电机组，来维持循环冷却系统的运行，但不幸的是海啸来了，海水灌入摧毁了发电机组。发电机组损坏之后，核电站启动了备用电池，这种备用电池大概能维持循环冷却系统8小时运行所需要的电力。在这8个小时内，需要找到另外一种供电措施。通过卡车运来了移动式柴油发电机，更不幸的事情发生了，运过来的柴油发电机竟然因为接口不兼容无法连接，8小时过后循环冷却系统停止运转。我们知道：福岛第一核电站一号反应堆的毛输出功率为460万千瓦。但是停堆之后，反应堆中的放射性物质仍然有少量在继续衰变，放出衰变能。这个能量大约占反应堆总输出功率的1%左右。那么这样计算来看，停堆之后反应堆仍然有4.6万千瓦的输出，但是输出功率只占反应堆总功率的33%左右，也就是说实质上，停堆之后的福岛一号反应堆中总放射性衰变能在13.8.万千瓦左右。由于没有了冷却循环，反应堆压力容器中的冷却水在不断地吸收这些衰变能，变成蒸汽，液面下降，同时压力容器内的温度和压力不断升高。为了保证反应堆压力容器的安全，打开蒸汽减压阀降低压力容器内的压力（相当于我们打开高压锅的泄压阀，以达到降温降压目的），将蒸汽排放到消压水腔中，这样重复进行，然而压力容器内的液面始终在下降，最后将堆芯露出液面。由于蒸汽气泡以液体形式存在使得监测液面仪器显示的液面比实际要高，一定程度上给决策者一个误导。当堆芯露出大约50%的时候，这时金属包壳温度开始上升，但是堆芯还没有发生显著的损坏；当堆芯露出大约2/3的时候，包壳温度超过900℃，开始破裂，这时燃料棒产生的裂变产物开始从破裂口泄露；当堆芯露出大约3/4的时候，金属包壳的温度超过1200℃，开始燃烧，与水蒸汽发生下面的反应：Zr+H2O=ZrO2+2H2锆水反应同时释放大量的热量加速了堆芯的融化，同时产生了大量的氢气。1号机组大约产生了300-600kg的氢气，2号和3号大约产生了300-1000kg的氢气。堆芯温度大约为1800℃时，金属包壳和钢结构融化；堆芯温度大约为2500℃时，燃料棒破损；堆芯温度大约为2700℃时，铀锆融化。在融堆的过程中大量裂变产物如氙、铯、碘等，以及裂变产物气溶胶，但这时融化之后的铀和环依然在堆芯中。气态和气溶胶的裂变产物和锆水反应产生的氢气从蒸汽减压阀排放到消压水腔中，然后进入干井中。大量的裂变产物和氢气进入到主防护罩内，然而主防护罩的厚度为3cm，设计的抗压能力为4-5倍大气压，由于氢气和惰性气体（氮）填充，再加上沸腾的消压水腔使得主防护罩像一个沸腾的压力锅一样，使得防护罩内压力上升到8个大气压，随时都有可能发生爆炸。为了保护主防护罩的安全，降低内部压力，只有将氢气、惰性气体以及部分裂变产物气溶胶排放到安全壳的顶部，大家都知道氢气非常易燃，氢气燃烧发生爆炸，摧毁了安全壳顶部也就厂房的屋顶。需要重点强调的是，这次暴炸仅仅是摧毁了厂房屋顶，而厂房只是核电站的最外层结构，这成结构主要的作用是为核电站反应堆的主体结构遮风挡雨。爆炸只是氢气炸开了厂房，而不是反应堆的爆炸。从图片可以看出反应堆的钢筋混凝土建筑没有损坏，虽然发生了惊人的爆炸，但是危害确实是最小的，以上分析为1号和3号机组发生爆炸的原因。与1号和3号机组不同的是2号机组产生的氢气是在主防护罩内部发生爆炸，将消压水腔炸开，直接向外界排放了大量高放射性的冷却水和裂变产物，使得核电站放射剂量顺时严重超标，全部人员紧急撤离。目前，还没有可靠消息证明2号机组氢气爆炸发生在主防护罩内部。4号、5号和6号机组虽然地震之前处于停堆状态，乏燃料储存在乏燃料池中，受地震影响，可能是乏燃料池发生破损，冷却水逐渐泄露。地震过后几天，乏燃料组件开始升温，以4号机组最为严重，乏燃料组建发生了融化，大量的裂变产物释放出去，高温使得反应堆厂房发生了火灾，具体过程如图所示。通过上面对福岛第一核电站1号-6号机组事故原因的分析，冷却系统无法正常运行是这次事故发生的主要原因。