自从1954年,苏联建成了世界上第一座大规模发电的核电站——奥布宁斯克核电站后。核电安全就像达摩克利斯之剑一样,悬在人类上空。1986年的切尔诺贝利核电站事故终于将这个可怕恶魔释放出来,造成近百万人死亡。2011年的福岛核事故更是作为一起典型的安全事故案例,为世人敲响警钟。
1 核电站的核心安全问题
核能发电原理如图1所示,它以核裂变能代替矿物燃料的化学能,在蒸汽发生器中将热量传给回路中的水,然后形成蒸汽推动汽轮发电机。由于核反应时产生大量的热,所以需要大量的水进行冷却,否则高温将会使反应堆融化造成事故,继而诱发核泄露导致生态灾难。
所以核电站的核心安全问题就是冷却水的可靠循环。
2 福岛第一核电站的供电安全设计
对于冷却水的循环,福岛第一核电站的设计者在关键设备的供电上通过多重措施设计,防范可能发生的风险。
第一道防线:各个机组的电力相互支援。福岛第一核电站有3个机组,通过交联设计,可以保证一台机组意外停堆的时候,旁边的机组还能为其供电,保证关键设备正常运转。
第二道防线:应急柴油发电机。应急柴油发电机会在失去电源后自动启动并为核电机组关键设备供电。应急柴油发电机具有很强的自持能力,而且每个机组不止一台柴油发电机,即使在地震中单台柴油发电机故障,这第二道防线仍然可以发挥作用,保证一切正常。
第三道防线:厂外应急电源。当应急柴油发电机也由于故障损坏的前提下,核电机组仍然可以通过电网从别的电站获取电能,为关键设备供电。要摧毁这道防线,除非摧毁附近的电网。
当时认为,只有战争才会摧毁电网,所以只要设置了前三道防线,核电站的安全基本上就是万无一失了。但是设计者又加上第四道防线。
第四道防线:蓄电池组。有了这道防线,即使核电机组失去应急柴油发电,失去电网的支持,仍然可以在一段时间内保证关键设备供电。这个一段时期,对于福岛第一核电站的各个机组,准确的说是8个小时。如果在这8小时之内能够从厂外运来移动发电机并接入机组,还是可以保持核电机组安全的。
现在设计者认为福岛第一核电站关键设备的供电肯定高枕无忧了,直到“3.11”地震来了。
3 “3.11”地震对福岛第一核电站的影响
2011年3月11日,日本遭遇里氏9级大地震。
这次地震 让所有电厂所有机组停运,各机组因为不能再发电而不能相互支援,第一道防线首先被摧毁了。第二道防线柴油发电机开始发挥作用,为关键设备供电。
强震引发海啸,大约1个小时后,海啸来了。
福岛第一核电站设计只能应对小于5米的海啸,而根据当时日本气象和海事部门的测算,当时袭击日本的海啸最高达到了39.8米,而正面袭击福岛第一核电厂的海啸达到了15米。于是,福岛第一核电厂在海啸来临后,几乎都泡在了10米深的水中。
这时,福岛核电厂的工作人员意识到应急柴油发电机存在致命问题。1、2、3号机组的应急柴油发电竟然布置在厂房的地下室内,也就是地面以下。在10米深的海水中,第二道防线,那处于地下室内的应急柴油发电机很快被摧毁。
第三道防线呢?在浪高最高达到39.8米的海啸中,福岛第一核电厂附近的电塔纷纷倒塌,电网也被摧毁了。
此时,仅仅第四道防线,那些蓄电池还在努力地保证反应堆的安全。
但是第四道防线却只能支撑8个小时,如果8个小时候没有后备电源前来支援,那么第四道防线将被拖垮,核电机组将无险可守,只能静静地,眼睁睁地看着事故发生。
4 罪大恶极的东京电力公司
4.1 急事缓报
海啸过后,福岛第一核电站厂区一片狼藉。福岛第一核电厂赶紧将目前面临的紧迫情况向东京电力公司报告。“核电厂内所有应急发电机损坏,急需要从外部运来应急柴油发电机支援!”
东京电力公司作为日本最大的电力公司之一,常年的太平日子已经让他们失去了忧患意识,他们无视自己的安全隐患,也根本就没预备移动应急发电机。
于是,他们向日本政府求援。但是,东电公司只是简单地向政府表示:“我们福岛核电厂暂时失去了厂用电,希望政府能够给我们提供一些移动应急发电机。当然,福岛核电厂现在一切正常。请放心!”
他们这种自信的表述,让日本政府放了心,但还是指定关西电力公司进行支援。
4.2 危机来临
时间在流逝,8小时后,作为第四道防线的蓄电池耗尽了最后的电能,3月11日23点,福岛第一核电厂已经完全失去了厂用电。
由于没有足够的冷却水供给,反应堆内的燃料棒的热无法导出,导致堆芯内的冷却水温度不断升高,最终沸腾。高温高压的蒸汽开始突破堆芯回路内的一些薄弱环节,开始向厂房内泄漏。而由于冷却水变成蒸汽从堆芯内逃逸出去,使得燃料棒开始裸露在空气中,彻底失去了冷却。
失去冷却的燃料棒如恶魔一样,开始展开其狰狞的面目。
燃料棒由于堆芯水蒸气的不断蒸发,开始裸露在空气中。燃料棒内的热量首先将自身熔化,然后巨大的热量又熔化了包裹着燃料的锆合金。这是灾难的真正开始,熔化的高温锆合金与高温水蒸汽发生反应产生大量的氢气,氢气由于其密度低,开始不断的从毁坏的反应堆溢出,在厂房顶部聚集。
同时,失去包裹的燃料中,大量的放射性元素在水蒸汽的裹挟下,在反应堆厂房内四处飘荡,甚至随着反应堆厂房向外泄漏。
4.3 希望乍现
移动发电车终于来了。
在解决了应急电源接口不可用和电源不知道怎么接入的问题后,到了12日凌晨,应急电源被接入核电站,各种水泵又开始运转起来。此时,距离福岛核电厂失去全部电力以及过去了好几个小时。
4.4 危如累卵
交流电已经接入,各个重要的电机和阀门又可以运转了,工作人员赶紧想反应堆内注入冷却水。但是又有了新的问题,反应堆回路内由于压力太高,冷却水根本无法注入。
这个时候,东电公司才意识到问题的严重性,他们想到了一个对自己的利益来说更加好的方法,那就是给反应堆泄压。
所谓的给反应堆泄压就是将反应堆内的放射性蒸汽排放到空气中。虽然放射性气体的释放会污染周围的环境,包括土地和海洋,但是可以降低反应堆内的压力。当反应堆内压力下降后,继续给反应堆注入干净的纯水。
同时,地震发生以来,日本政府对福岛核电厂也是万分紧张,多次询问福岛第一核电站是否需要政府介入,但是福岛核电厂和东电公司依然说:“没问题,我们自己能摆平。”
经过多次泄压操作后,福岛第一核电站终于没有发生切尔诺贝利核事故中那样的蒸汽爆炸,但是这却是以牺牲坏境来换取救援时间的做法。救援人员终于可以将冷却水注入反应堆内了,但是他们不知道是有意还是无意,忽略了另外一个问题,那就是反应堆厂房顶端聚集的大量的可燃气体——氢气。
4.5 大祸铸成
反应堆内依然在持续的注入冷却水,不过又出现了新的问题—水量不够!这意味着已经严重损坏的反应堆又一次失去冷却!
接着,现场人员检测到反应堆厂房内含有大量的氢气,由于反应堆失去冷却,温度持续升高,随时都会有爆炸的风险!听到这个消息,所有的救援人员扔下东西跑了,不跑就等于送死,没有日本人愿意为了这个反应堆送命。
12日15时36分,福岛第一核电站一号机组首先发生了氢气爆炸。此次爆炸的强度之大,使得反应堆厂房顶端的混凝土全部被炸飞,只剩下一个空荡荡的钢结构架子。随后,2号机组局部爆炸。
14日下午14时11分,设计较先进的3号机组发生了爆炸,反应堆厂房瞬间成了废墟。
4号机组。4号机组反应堆中没有燃料,但是它有乏燃料池(就是燃耗深度已达到设计卸料的核燃耗料)。乏燃料池由于水泵失电停运后,成了一池死水。接着,乏燃料池发生的一切和1、2、3号机组内发生的情况一模一样。乏燃料得不到足够冷却,池水开始慢慢被蒸发干净,燃料棒熔毁,锆水反应,生成大量的氢气。接着,氢气发生爆炸,炸毁乏燃料池厂房。
乏燃料池的爆炸比反应堆的爆炸更加麻烦。反应堆爆炸后,反应堆厂房的混凝土废墟,厚厚的钢结构都还覆盖着损坏的反应堆。这样能屏蔽一部分辐射,使得人员可以比较近距离的处理废墟。
乏燃料池则不然,它的厂房仅仅是一个钢结构上蒙一层铁皮,爆炸后,整个乏燃料池便暴露在了空气中。乏燃料棒上致命的辐射线可以让任何敢于接近它的人立刻死去。
到了这个时候,福岛第一核电站已经成了辐射恶魔的天堂。那4座冒着白烟的反应堆废墟,就如四个张牙舞爪的恶魔,将那里变成人间地狱。
5 几点启示
5.1 良好的设计是有效防灾的基础
福岛第一核电站在关键设备的供电上也算是煞费苦心,但是显然对极端情况缺乏充分的考虑;没有消除氢气的设计,为事故埋下隐患;安全壳设计得并不安全,没能隔离辐射源。
5.2 健全的安全管理是有效防灾的保证
福岛第一核电站运行多年来,东电公司自己也排查出众多安全问题,因为怕停产整顿影响经济效益,并没有认真整改,甚至伪造数据。还曾经被研究机构分析出存在安全隐患,但是东电公司拒绝接受。
5.3 完善的应急处置机制是有效减灾的必然手段
灾害发生后,东电公司才发现应该配备移动发电车;支援的发电车来了后,才发现应急供电接口不可用,原因是日常疏于维护和海水的浸泡;清理检查完供电接口后还要查图纸,因为没有员工知道怎么接线。
5.4 认真负责的态度是有效减灾的必然要求
在整个危机处置中,东电公司除了道歉、掩饰和欺骗外,没有任何有效的行动。
他们为了利益泯灭了良知!
在失去蓄电池电能不久,现场的工程师就已经向福岛核电厂和东电公司的管理层建议,使用海水作为冷却水来冷却反应堆。但是,因为用海水冷却反应堆意味着这些核电机组要彻底报废。而每台机组的造价高达数亿美元,每年还能创造数亿美元收入。所以他们没有采取断然措施。
面对越来越不可控的局面,东电公司还有很多次机会引入海水冷却,却一直心存侥幸,直至不可收拾。
面对含有辐射物质的大气和海水,核电站周围的居民被疏散了。撤离中,这些居民很淡定,并不是他们真的不怕辐射,而是他们的耳边一直回响着东电公司的话:“只是反应堆损坏,损坏而已,没有对环境造成影响。”
很快,日本宣布国内所有的核电站停止运行。一个已经存在了30多年的核电大国,突然间成了一个零核电的国家。