日本核電事故與核安全

1、2011.3 綿陽日本核電事故與核安全核廢物與環(huán)境安全國防重點學(xué)科實驗室李全偉 高級工程師123全民普及核物理要電更要核安全崢嶸初露三里島北國之春的災(zāi)難切爾諾貝利惡夢福島將走向何方輻射防護(hù)保平安1 2 3 4 5 6 7 2北國之春的災(zāi)難9級大地震3北國之春的災(zāi)難15米大海嘯4北國之春的災(zāi)難福島第一核電站5北國之春的災(zāi)難系列爆炸與泄漏3月11日13時46分，大地震發(fā)生，自動停堆3月12日14時30分，1號反應(yīng)堆廠房發(fā)生氫氣爆炸3月14日11時01分，3號反應(yīng)堆廠房發(fā)生氫氣爆炸3月15日6時10分，2號反應(yīng)堆安全殼出現(xiàn)爆炸聲3月15日6時15分，4號反應(yīng)堆廠房發(fā)生爆炸3月15日9時30分，4號反

2、應(yīng)堆廠房發(fā)生火災(zāi)3月16日5時45分，4號反應(yīng)堆廠房再次發(fā)生火災(zāi)3月16日10時許，3號反應(yīng)堆再次發(fā)生氫氣爆炸6北國之春的災(zāi)難系列爆炸與泄漏7北國之春的災(zāi)難系列爆炸與泄漏8北國之春的災(zāi)難輻射難民 9北國之春的災(zāi)難輻射難民10北國之春的災(zāi)難幾級事故？三里島5級、切爾諾貝利7級、福島幾級？11全民普及核物理質(zhì)能轉(zhuǎn)換核能是從哪里來的呢？愛因斯坦在1905年提出相對論時指出，物質(zhì)的質(zhì)量和能量是同一事物的兩種不同形式，質(zhì)量可以消失，但同時會產(chǎn)生能量。兩者之間的定量關(guān)系是：Emc212全民普及核物理平均結(jié)合能13全民普及核物理質(zhì)量虧損當(dāng)重原子核分裂成較輕的原子核或輕原子核聚合成較重的原子核時，會發(fā)生質(zhì)量虧

3、損。損失的質(zhì)量轉(zhuǎn)換成巨大的能量，這就是核能的本質(zhì)。原子核的質(zhì)量總是小于組成其核內(nèi)質(zhì)子與中子質(zhì)量的總和14全民普及核物理鈾核裂變當(dāng)中子撞擊一個鈾原子核時，鈾核吸收一個中子分裂成兩個較輕的原子核，同時發(fā)生質(zhì)能轉(zhuǎn)換，放出很大的能量，并產(chǎn)生23個中子，這就是舉世聞名的鈾核裂變反應(yīng)。裂變反應(yīng)釋放出巨大的核能，1千克鈾-235裂變釋放出的能量，相當(dāng)于2500噸標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒產(chǎn)生的能量。15全民普及核物理鏈?zhǔn)椒磻?yīng)16全民普及核物理中子減速17全民普及核物理裂變產(chǎn)物裂變反應(yīng)通式:235U921n0A1F1Z1A2F2Z21n0能量裂變產(chǎn)物:鈾-235的熱中子裂變方式在40種以上，生成的初級裂變產(chǎn)物（裂變碎片）在8

4、0種以上。裂變產(chǎn)物中存在著200多種放射性同位素，大部分除了放出粒子外，還放出射線。18全民普及核物理放射性19全民普及核物理、20全民普及核物理放射性衰變21要電更要核安全反應(yīng)堆構(gòu)成22福島沸水堆核電站示意圖23要電更要核安全反應(yīng)堆原理主要原理：人工方法控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)使原子核能和平利用的設(shè)備。主要技術(shù)：利用減速劑（慢化劑）將裂變的快中子減速為熱中子。主要組成部分：堆芯、中子反射層、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。24二氧化鈾陶瓷芯塊25輕水堆的核燃料組件26核反應(yīng)堆堆芯27反應(yīng)堆安全殼 安全殼是防止放射性物質(zhì)逸入環(huán)境的最后一道屏障28要電更要核安全三道屏障第一道屏障: 燃料元件包殼（cladding）第二

5、道屏障: 一回路壓力邊界(primary system envelope)第三道屏障: 安全殼(containmant)29要電更要核安全冷卻系統(tǒng)主冷卻劑泵（主泵）是保證冷卻水流過堆芯帶走熱量，不可須臾停運的重要設(shè)備。為防止失水事故造成堆芯損壞，設(shè)有應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)：由安全注入罐、高壓安全注入系統(tǒng)和低壓安全注入系統(tǒng)組成。安全殼噴淋系統(tǒng)可燃?xì)怏w控制系統(tǒng)30要電更要核安全沸水堆核電站福島核電站屬沸水反應(yīng)堆，是美國GE于1950年代中期研發(fā)成功的一種輕水核反應(yīng)堆。沸水堆核電站所占比例僅次于壓水堆核電站，我國目前沒有這種類型的核電站。沸水堆核電站的工作原理：氧化鈾核裂變后的熱量對水加熱，產(chǎn)生大量蒸汽，

6、直接推動汽輪機(jī)發(fā)電，蒸汽冷卻后流回反應(yīng)堆芯。 包容一次安全殼的密封廠房形成二次安全殼，靠蒸汽凝結(jié)來降低事故壓力，它是防止放射性氣體外逸的另一道屏障。31控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)裝在壓力容器底部，發(fā)生事故時將所有控制棒同時快速插入堆芯以實現(xiàn)緊急停堆。設(shè)置應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)以防止失水事故。3233崢嶸初露三里島反應(yīng)堆失水1979年3月28日凌晨4時，美國賓夕法尼亞州的三里島核電站2號反應(yīng)堆的操作室里，紅燈閃亮，汽笛報警，渦輪機(jī)停轉(zhuǎn)，堆芯壓力和溫度驟然升高，2小時后，大量放射性物質(zhì)溢出。6天以后，堆芯溫度才開始下降，蒸氣泡消失引起氫爆炸的威脅免除了。100噸鈾燃料雖然沒有熔化，但有60%的鈾棒受到損壞，反應(yīng)堆最

7、終陷于癱瘓。事故發(fā)生后，全美震驚，核電站附近的居民驚恐不安，約20萬人撤出這一地區(qū)。美國和西歐一些國家政府不得不重新檢查發(fā)展核動力計劃。34美國賓夕法尼亞州三里島核電站35崢嶸初露三里島事故分析反應(yīng)堆二回路的水泵發(fā)生故障后，二回路的事故冷卻系統(tǒng)自動投入，但因前些天工人檢修后未將事故冷卻系統(tǒng)的閥門打開，致使這一系統(tǒng)自動投入后，二回路的水仍斷流。當(dāng)堆內(nèi)溫度和壓力在此情況下升高后，反應(yīng)堆自動停堆，卸壓閥也自動打開，放出堆芯內(nèi)的部分汽水混合物。同時，當(dāng)反應(yīng)堆內(nèi)壓力下降至正常時，卸壓閥由于故障未能自動回座，使堆芯冷卻劑繼續(xù)外流，壓力降至正常值以下，于是應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)自動投入，但操作人員未判明卸壓閥沒有

8、回座，反而關(guān)閉了應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)，停止了向堆芯內(nèi)注水。一系列操作上的失誤與設(shè)備上的故障交織在一起，使一次小的故障急劇擴(kuò)大，造成堆芯熔化的嚴(yán)重事故。 36美國三里島事故示意圖37崢嶸初露三里島事故后果反應(yīng)堆二回路失水后無法導(dǎo)出余熱，2/3堆芯損壞，50氣態(tài)裂變產(chǎn)物從燃料中釋放出來進(jìn)入安全殼，絕大部分碘和銫溶解于安全殼內(nèi)的水中。由于安全殼的良好屏障作用，事故后大氣中131I放射性最大濃度為1.2Bq/m3，僅相當(dāng)于安全標(biāo)準(zhǔn)的0.5。附近居民受到的最大個人劑量不超過1mSv；有3名電廠職工略超過年劑量限值50mSv，事故對公眾未造成任何輻射傷害，對環(huán)境的影響微不足道。事故造成三里島2號反應(yīng)堆最終陷于

9、癱瘓而報廢。 38切爾諾貝利核電站堆頂39切爾諾貝利惡夢瞬發(fā)超臨界1986年4月26日，切爾諾貝利核電站4號石墨沸水反應(yīng)堆停堆進(jìn)行電機(jī)性能試驗，操作人員切斷安全保護(hù)系統(tǒng)，將堆內(nèi)大部分控制棒迅速拔出，剩下8根時，反應(yīng)堆功率失控，被切斷的安全保護(hù)系統(tǒng)無法動作。瞬發(fā)超臨界導(dǎo)致反應(yīng)堆功率劇增，堆芯熔化，熔融的燃料碎粒與冷卻劑發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而引起蒸汽爆炸和氫氣爆炸，石墨燃燒，主回路系統(tǒng)和反應(yīng)堆廠房被破壞，大量放射性物質(zhì)逸入大氣，爆炸碎片飛落到廠房上面引起多處起火。放射性嚴(yán)重泄漏，大范圍污染環(huán)境和人員傷亡。40切爾諾貝利核電站爆炸現(xiàn)場41切爾諾貝利惡夢事故范圍爆炸造成噸多強(qiáng)輻射物泄漏，10天內(nèi)陸續(xù)

10、進(jìn)入環(huán)境的放射性總量達(dá)121018Bq，其中惰性氣體(6-7)1018Bq(相當(dāng)于100堆內(nèi)總量)，131I為21018Bq(約占堆內(nèi)總量60)，137Cs為91016Bq(約占堆內(nèi)總量50)，134Cs為61016Bq(約占堆內(nèi)總量20)。由于大氣擴(kuò)散，整個北半球受到氣載放射性不同程度的污染，在核電廠周圍6萬多平方公里受到直接污染。42切爾諾貝利核電站事故示意圖43切爾諾貝利惡夢事故后果爆炸造成30人當(dāng)場死亡，現(xiàn)場消防人員和廠內(nèi)職工幾十人受到可能致死劑量的照射，237人得急性放射病，320多萬人受到不同程度核輻射侵害。 前蘇聯(lián)政府先后組織了約60萬人進(jìn)入隔離區(qū)參加事故應(yīng)急處理，平均每人接受輻

11、射劑量約100mSv（少數(shù)達(dá)500mSv），有7000多人已經(jīng)在事故發(fā)生后5年內(nèi)死去。從30km半徑范圍內(nèi)撤離的居民達(dá)13.5萬人，平均每人接受輻射劑量1020mSv，遠(yuǎn)高于公眾的規(guī)定限值1mSv/a。44切爾諾貝利核電站事故應(yīng)急現(xiàn)場45切爾諾貝利惡夢事故分析操作層面操作人員玩忽職守，違反工藝規(guī)程，違規(guī)操作。如切斷安全保護(hù)系統(tǒng)；將堆內(nèi)大部分控制棒迅速拔出；關(guān)掉蒸氣分離器的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)等。技術(shù)層面有重大的設(shè)計缺陷。如反應(yīng)性正氣泡系數(shù)、控制棒引入正反應(yīng)性等。決策層面石墨水冷堆是在軍用生產(chǎn)堆基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，安全性低，體積龐大，為節(jié)省造價，無安全殼，發(fā)生事故時無法挽救。46切爾諾貝利核電站的“石棺”

12、471991年在切爾諾貝利事故現(xiàn)場481991年在普里皮亞季空城49福島將走向何方為什么爆炸？50福島將走向何方氫氣爆炸首先，地震九級和海嘯高達(dá)十米，核電站設(shè)計時沒有考慮到。但在地震時是準(zhǔn)確地自動停堆了，這時如果冷卻系統(tǒng)能正確工作，也就不會有太大的問題。問題就出在這里，海嘯產(chǎn)生的海浪淹沒緊急發(fā)電機(jī)和備用電器系統(tǒng)，使之損壞。備用電池系統(tǒng)持續(xù)的時間不可能太久，所以冷卻系統(tǒng)不能正常工作。冷卻系統(tǒng)無法正常工作，水不能將反應(yīng)堆內(nèi)部的熱量帶走，核燃料被高壓的壓力容器包在里面，溫度越積越高。就危險了。因為這里有水，水和高溫的核燃料接觸后就可能分解成氫氣。為了冷卻系統(tǒng)，需要往里面注水，但壓力高注不進(jìn)去，必須將

13、里面的高溫蒸汽排出來，這樣高溫氫氣就和氧氣接觸，發(fā)生了爆炸。51堆內(nèi)的放熱過程燃料元件包殼表面與冷卻劑直接接觸，熱量由包殼的外表面?zhèn)鬟f給冷卻劑的熱交換過程。核燃料芯鋯包殼冷卻劑（水）熱量熱量52福島將走向何方鋯水反應(yīng)鋯水反應(yīng)：ZrH2OZrO22H2嚴(yán)重事故下,輕水堆喪失衰變余熱排出手段后,堆芯燃料溫度持續(xù)上升超過1300K時,鋯合金包殼將與水或水蒸氣發(fā)生強(qiáng)烈化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生大量氫氣。氫氣將通過主回路壓力邊界或壓力容器的破口釋放到安全殼中,在產(chǎn)生源附近或與安全殼內(nèi)的空氣混合后可能發(fā)生燃燒或爆炸。氫氣爆炸會對安全殼完整性構(gòu)成嚴(yán)重威脅，造成放射性物質(zhì)泄漏到環(huán)境中。53福島將走向何方冷卻！冷卻！建立一

14、個縱深的安全體系：外部電網(wǎng)備用電源應(yīng)急備用電池應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)冷卻水泵某軍用反應(yīng)堆安全體系：西南電網(wǎng)西北電網(wǎng)自備2.5萬千瓦火電廠兩組備用電池多部柴油發(fā)電機(jī)冷卻水泵美國核管會安全標(biāo)準(zhǔn)：應(yīng)急體系要保持1個月的應(yīng)急動力（冷卻能力）冷卻水：含硼冷卻水（硼-10中子吸收截面：4000 b；鈾-235中子裂變截面：582 b）54福島將走向何方關(guān)注乏燃料3月15日6時15分，4號反應(yīng)堆廠房發(fā)生爆炸3月15日9時30分，4號反應(yīng)堆廠房發(fā)生火災(zāi)3月16日5時45分，4號反應(yīng)堆廠房再次發(fā)生火災(zāi)地震發(fā)生時，4號反應(yīng)堆正在進(jìn)行定期檢查，堆內(nèi)沒有燃料，火災(zāi)和爆炸應(yīng)該是乏燃料引起。乏燃料是堆內(nèi)取出的用過的燃料組件，放射

15、性水平極高，要在水池中冷卻180天以上，等待后處理。乏燃料水池和核反應(yīng)堆不同，外部沒有安全殼。55乏燃料所有操作在水下進(jìn)行56福島將走向何方注水！注水！美國核管會主席格雷戈里姚茨科16日說，日本福島核電站4號機(jī)組乏燃料池的所有水已消耗殆盡。這意味著，如果無法向乏燃料池注水，乏燃料組件將裸露在外，其中的核燃料棒將越來越熱，最終完全熔化。姚茨科當(dāng)天在美國眾議院舉行的一個聽證會上說，4號機(jī)組核反應(yīng)堆周圍輻射水平“極高”，工作人員可能在很短時間內(nèi)就遭受“致命輻射”，因此，他們很難靠近反應(yīng)堆，也無法采取措施阻止核燃料棒進(jìn)一步升溫。乏燃料之所以危險，最大的問題是它一旦破損，就會釋放出大量放射性物質(zhì)，和煙氣

16、一起外泄，擴(kuò)散到很遠(yuǎn)的地方。據(jù)報道，四號機(jī)組有783個乏燃料組件。57日本自衛(wèi)隊直升飛機(jī)海中取水 58福島將走向何方重演悲劇？事態(tài)還在發(fā)展中，下結(jié)論為時尚早，作出判斷也有困難。悲劇會不會重演？我認(rèn)為不會。理由有兩點：首先，福島沸水堆是水堆，停堆后因失水事故導(dǎo)致堆芯熔化，燃料破損和氫氣爆炸，部分放射性裂變產(chǎn)物釋放到環(huán)境中，主要是放射性氣體。切爾諾貝利是石墨堆，開堆時因瞬發(fā)超臨界事故導(dǎo)致壓力爆炸，氣體全釋放，堆芯石墨及構(gòu)件等固體噴射出來，形成放射性碎片、核塵埃，整個飄上去，擴(kuò)散得很厲害。第二是安全殼，也是最重要的。切爾諾貝利沒有安全殼，所以爆炸時產(chǎn)生了大量放射性塵埃飄到空氣中，直到歐洲各地。福島核

17、電站有安全殼，99%以上的放射性物質(zhì)還是在堆里，它的事故就不可能有切爾諾貝利那么大。59福島將走向何方最壞的情況60福島將走向何方啤酒不能點燃福島核電站會像原子彈一樣爆炸嗎？所有核反應(yīng)堆都不可能像原子彈那樣爆炸，原因很簡單：原子彈爆炸要求鈾-235的富集度在90%以上。而核反應(yīng)堆中的鈾-235富集度一般在5%以下，即使失控，也不可能像原子彈那樣爆炸。福島核電站在反應(yīng)堆冷卻之后，有可能會走永久封存這一條路。61輻射防護(hù)保平安預(yù)防疏散福島核電站最壞的情況就是堆芯或乏燃料熔化，核燃料大量外泄，放射性物質(zhì)被風(fēng)及海水向遠(yuǎn)處傳播，造成大面積環(huán)境污染，大量人員受到過量照射。目前核電站周圍的居民已經(jīng)疏散，更多

18、是出于謹(jǐn)慎和預(yù)防的原則。NHK的放射物質(zhì)監(jiān)測報告：東京的輻射測量值為正常的20倍，是相對本底輻射強(qiáng)度而言，自然本底輻射一年的總劑量一般是15mSv。62輻射防護(hù)保平安自然本底輻射63輻射防護(hù)保平安全國輻射監(jiān)測國家核安全局3月17日發(fā)布全國城市輻射環(huán)境自動監(jiān)測站實時連續(xù)空氣吸收劑量率監(jiān)測值。結(jié)果表明我國環(huán)境輻射水平未受到日本核電事故的影響。 64中國放射性安全標(biāo)準(zhǔn)希沃特（Sievert），用于衡量輻射對生物組織的傷害，每千克人體組織吸收1焦耳能量為1Sv（希）Sv是很大的單位，通常使用mSv（毫希）、Sv（微希）1Sv1000mSv1000000Sv照射人員照射劑量職業(yè)放射工作人員受照劑量當(dāng)量限

19、值20（50）mSv/a照射量20mR/d公眾個人受照劑量當(dāng)量限值1（5）mSv/a照射量2mR/d65輻射防護(hù)保平安西北風(fēng)放射性塵埃會吹到中國來嗎？地球自轉(zhuǎn)由西向東，高空氣流永遠(yuǎn)是自西向東運動。CCTV說：4月份以前風(fēng)是向太平洋刮的。如果真的發(fā)生猛烈爆炸將放射性塵埃吹向高空，在氣流吹動過程中，放射性會不斷被稀釋擴(kuò)散在大氣中，到達(dá)千里之外時已經(jīng)相當(dāng)微弱。放射性物質(zhì)的影響和放射總量有關(guān)，如果總量不是很大，即使擴(kuò)散過來，對環(huán)境和人體的影響也很小。 66輻射防護(hù)保平安空中的放射性核反應(yīng)堆堆芯或乏燃料熔化破裂逸出的放射性物質(zhì)中，主要有：惰性氣體氙，133Xe（5.7d）；氪，85Kr（10.7y）；氡

20、，222Rn（3.82d）鹵族元素碘，131I（8d）量較大，對人體的危害較大。揮發(fā)核素碳，14C（5700y）；釕，106Ru（10.7y）易揮發(fā)核素銫，137Cs（30y），會造成造血系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)損傷。67輻射防護(hù)保平安輻射傷害機(jī)理軀體效應(yīng)。電離輻射對機(jī)體的損傷其本質(zhì)是對細(xì)胞的滅活作用，當(dāng)被滅活的細(xì)胞達(dá)到一定數(shù)量時，軀體細(xì)胞的損傷會導(dǎo)致人體器官組織發(fā)生疾病，最終可能導(dǎo)致人體死亡。遠(yuǎn)期效應(yīng)。表現(xiàn)為誘發(fā)白血病和癌癥，也可能導(dǎo)致壽命縮短，即由于受照射使人的機(jī)體過早衰老或提前死亡。具體機(jī)制不甚明了，一般看法是由于輻射使體細(xì)胞發(fā)生某種突變所致。遺傳效應(yīng)。在電離輻射影響下，可導(dǎo)致遺傳基因發(fā)生突變，當(dāng)

21、生殖細(xì)胞中的DNA受到損傷時，后代繼承母體改變了的基因，導(dǎo)致有缺陷的后代。因此，一定要避免大劑量照射。68電離輻射對生物機(jī)體的作用69輻射防護(hù)保平安輻射防護(hù)三原則國際輻射防護(hù)委員會（ICRP）提出輻射防護(hù)三項基本原則：（1）輻射實踐的正當(dāng)性。進(jìn)行伴有輻射照射的任何實踐之前，都必須作出正當(dāng)性的判斷：獲得的利益大于代價（包括健康損害和非健康損害的代價）。（2）防護(hù)與安全最優(yōu)化。可合理達(dá)到的盡量低的水平。（3）個人當(dāng)量劑量限值。參與實踐的綜合照射所致的個人總有效劑量和有關(guān)器官或組織的總當(dāng)量劑量，不超過劑量限值。70輻射防護(hù)保平安外照射外照射的特點接受外照射時， 、X射線穿透能力強(qiáng)，吸收劑量在0.25戈瑞以下時，人體一般不會有明顯效應(yīng)。但是，劑量再增加，就可能出現(xiàn)損傷。當(dāng)達(dá)到幾個戈瑞時，就可能使部分人死亡。接受同樣數(shù)量的吸收劑量，受照射時間越短，損傷越大。吸收同樣數(shù)量劑量，分幾次照射，比一次照射損傷要輕。 不同部位的組織和器官對電離輻射敏感性也不同。71輻射防護(hù)保平安外照射的防護(hù)外照射的防護(hù)措施：（1）距離防護(hù)。所受劑量與放射源距離的平方成反比，在情況允許下，應(yīng)盡量遠(yuǎn)離放射源。（2）時間防護(hù)。所受劑量與操作放射源的時間成正比，在放射源周圍時間越長，所受劑量越大。（3）屏蔽防護(hù)。對單一射線的防