陳達

核能與核安全：日本福島核事故分析與思考

陳達

1 核能是當今人類社會不可或缺的能源

19世紀末，天然放射性的發(fā)現(xiàn)開創(chuàng)了人類認識物質(zhì)世界的新篇章，揭開了核科學技術(shù)的序幕。20世紀初葉，核科學技術(shù)在理論和實驗研究上均得到了快速發(fā)展并獲重大突破，其中核裂變現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)讓人們認識到物質(zhì)質(zhì)量虧損將轉(zhuǎn)變成以往任何化石及其他能源所不可比擬的巨大能量，這就是核能。人類歷史上，科學技術(shù)進步所取得的最新成果往往首先被應(yīng)用于當時的軍事斗爭，核科學技術(shù)也不例外。二戰(zhàn)期間，基于核裂變原理的原子彈就被成功研制生產(chǎn)，并于1945年8月6日和9日分別投向日本廣島和長崎，事實證明其巨大殺傷力是任何冷兵器和熱兵器所不能比擬的。迄今為止，核武器仍然是國際軍事競爭中不可替代的殺手锏。

二戰(zhàn)結(jié)束后，科學家們開始轉(zhuǎn)向核能和平利用的研究和實踐，以期讓核能造福人類。20世紀五六十年代，以前蘇聯(lián)奧布涅斯克實驗型核電站、美國希平港核電站和英第安角1號核電站、法國舒茲核電站、德國奧珀利海姆核電站等為代表的第一代核電站先后被建造，用于驗證核電在工程上的可行性并證明是成功的。第一代核電站功率均比較小，商業(yè)利用價值不大，但它們卻為后期核電站的開發(fā)建設(shè)奠定了重要的理論基礎(chǔ)，積累了許多寶貴的工程經(jīng)驗并建立了可供參考的一整套設(shè)計、運行和管理規(guī)程。隨后，核電站在世界范圍內(nèi)被大規(guī)模興建，1970年達到167臺，1990年達到328臺，2000年達到438臺。根據(jù)國際原子能機構(gòu)（International atomic energy agency，IAEA）公布的數(shù)據(jù)，截至2010年底全世界在運行核電機組共計441臺（總裝機容量達3.75億千瓦）、在建核電機組67臺（裝機容量0.64億千瓦），核電年發(fā)電量約占世界發(fā)電總量的15%。核電比例超過30%的國家和地區(qū)共12個，核電比例占10%以上的國家和地區(qū)達21個。法國在運行核電機組58臺，2010年核電總量為 4101億千瓦時，核電比例高達70%以上；美國擁有世界近1/4的核電機組，2010年核電總量為8071億千瓦時，其核電比例約為20%。核能已成為當今人類社會不可或缺的重要能源，核電是目前世界電力供應(yīng)的重要組成部分。

中國是一個世界大國，國家建設(shè)和經(jīng)濟發(fā)展對能源有較大需求，但長期以來主要依靠化石能源，其占中國能源結(jié)構(gòu)的70%左右。煤炭、石油資源已日趨枯竭，其對環(huán)境造成的污染和溫室氣體的排放也不容忽視。大力發(fā)展綠色可再生能源，如太陽能、風能、水能、生物質(zhì)能、潮汐能、地熱能等，逐步改變能源結(jié)構(gòu)已勢在必行。核電作為一種清潔能源，具有其他能源不可比擬的優(yōu)勢。中國是世界上少數(shù)幾個擁有比較完整核工業(yè)體系的國家之一。20世紀70年代，國務(wù)院做出了發(fā)展核電的決定，經(jīng)過 30多年的努力，中國核電從無到有，得到了一定的發(fā)展。截至 2012年 3月，中國在運行核電機組16臺，總裝機容量1182萬千瓦，2011年核電比例僅為1.85%，遠低于世界平均水平，還有很大發(fā)展空間。中國人均能源資源占有率較低，分布也不均勻，為保證中國能源的長期穩(wěn)定供應(yīng)，有效節(jié)能減排，核能將成為必不可少的替代能源。2007年，國務(wù)院頒布的《核電中長期發(fā)展規(guī)劃（2005—2020）》中提出：到2020年，核電運行裝機容量爭取達到 4000萬千瓦；核電年發(fā)電量達到2600～2800億千瓦時；考慮核電的后續(xù)發(fā)展，2020年末在建核電容量應(yīng)保持在 1800萬千瓦左右。后來又計劃將2020年的目標調(diào)整為7000萬千瓦。積極推進核電建設(shè)，保障能源供應(yīng)與安全，保護環(huán)境，實現(xiàn)電力工業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和可持續(xù)發(fā)展，已成為中國能源建設(shè)的一項重要政策。

2 日本福島核電站事故基本情況分析

20世紀70年代，日本在福島縣雙葉群大熊町沿海建造了世界上最大的核電機組群，由福島第一核電站 6臺機組和福島第二核電站4臺機組組成。福島核電機組均采用只有一條冷卻回路的單循環(huán)沸水堆，高溫高壓蒸氣直接從堆芯中產(chǎn)生，推動汽輪機發(fā)電，蒸汽壓力約7 MPa，干燥度不小于99.75%。目前，全球400余臺機組中大約1/4是沸水堆，但多數(shù)已不采用這種單層循環(huán)沸水堆。福島核電站設(shè)計壽期是40年，已快接近退役。但運營單位——東京電力公司，基于經(jīng)濟利益考慮，用現(xiàn)行60年壽期設(shè)計標準來申請延長服役，即延至2031年退役。核電機組許多地方出現(xiàn)老化跡象，包括反應(yīng)堆容器中子氫脆、壓力容器腐蝕、熱交換器核廢料處理系統(tǒng)出現(xiàn)腐蝕等，存在著許多不安全的隱患。

2011年3月11日，日本本州島東海岸發(fā)生里氏9.0級特大地震。地震發(fā)生后，運行中的福島第一核電站1，2，3號機組和第二核電站全部4個機組均通過液壓系統(tǒng)將位于堆芯下部的控制棒插入堆芯，成功實現(xiàn)自動“停堆”，這表明該核電站達到了超基準地震事故設(shè)計標準。地震導(dǎo)致核電廠外部電源和廠用電喪失，立即啟動緊急柴油發(fā)電機供電，以冷卻堆芯燃料組件。全廠共設(shè)有13臺緊急柴油發(fā)電機，其中水冷式發(fā)電機9臺，空冷式發(fā)電機4臺，地震發(fā)生前12臺備用，1臺待修。地震發(fā)生后，2臺空冷式發(fā)電機無法使用，1臺空冷式發(fā)電機和全部水冷式發(fā)電機組均正常運作。柴油發(fā)電機供電一個多小時后，高度達14 m以上的強海嘯將位于海拔13 m高處的柴油發(fā)電機全部淹沒，導(dǎo)致其無法繼續(xù)供電。只能依靠備用電池組供電，但供電時間非常有限。隨后，調(diào)入3臺移動式柴油發(fā)電機，但因接口不匹配，無法引入。在導(dǎo)熱冷卻系統(tǒng)斷電停運情況下，整個反應(yīng)堆處于高溫蒸發(fā)狀態(tài)，金屬元件與水反應(yīng)生成氫氣，在適當濃度和高溫條件下發(fā)生化學爆炸并起火，安全防護設(shè)施嚴重受損，廠房面目全非，致使大量放射性物質(zhì)向外界泄露。

福島核事故一方面歸因于突如其來的特大地震和海嘯雙重自然災(zāi)害，另一方面也有人為因素存在，是“天災(zāi)”和“人禍”共同作用造成的惡果。福島核電站已接近壽期，部分部件出現(xiàn)老化現(xiàn)象，存在安全隱患。運營單位對核電機組設(shè)備、部件檢查維護不到位，事故發(fā)生后部分關(guān)鍵設(shè)備無法發(fā)揮作用。早期單一回路的沸水堆設(shè)計存在缺陷，全廠失去電力后，核反應(yīng)堆無法注水冷卻，緊急情況下只能排放蒸氣回路中含放射性的蒸氣來減壓，造成環(huán)境污染；對堆芯融化事故估計不足，安全殼設(shè)計中未考慮氫氧復(fù)合系統(tǒng)，更未考慮堆芯融化物穿透壓力容器而外泄的嚴重后果。福島核電站遭自然災(zāi)害襲擊后，日本東京電力公司對其可能產(chǎn)生危及人類社會和公眾安全的后果估計不足甚至考慮甚少，僅從自身經(jīng)濟利益出發(fā)，采取保守冷卻方式，千方百計考慮如何保住核電站以減少損失，而未采取更有利于公眾安全的果斷處置措施，最終造成堆芯融化，放射性物質(zhì)外泄。事故發(fā)生后，2011年3月14日，日本政府宣布為4級核事故，3月18日升級為5級核事故，經(jīng)過25 d后亦即4月12日宣布為7級頂級事故。核事故的劃分，IAEA有基本規(guī)范，不同級別核事故的發(fā)生和出現(xiàn)需要采取相應(yīng)的應(yīng)急響應(yīng)和應(yīng)急行動，以把危害和影響降到最低。福島事故25 d后，日本政府才突然將其升至7級核事故，而放射性物質(zhì)的釋放和泄露不是跳躍式的，這在一定程度上反映出測試數(shù)據(jù)的混亂和不一致，管理不到位，影響和貽誤政府決策，致使無法開展有效控制和補救措施，加重了事態(tài)發(fā)展。事故發(fā)生后，日本政府向外界公布事故發(fā)展動態(tài)和應(yīng)對處置措施等方面信息的準確性和及時性也有待商榷。

3 福島核事故引發(fā)的幾點思考

3.1 再度引起人們對核電的擔憂與恐懼，對世界核電發(fā)展產(chǎn)生重要影響

1986年4月27日凌晨的切爾諾貝利7級核事故給全球帶來很大危害，并導(dǎo)致核能利用和核電站建設(shè)進入低潮期。事故后，人們思考如何降低堆芯融化率和放射性向大氣釋放率等問題。美國核電用戶要求文件（Utility Requirements Document，URD）和歐洲核電用戶要求文件（European Utility Requirement，EUR）提出了第三代核電站的安全和設(shè)計技術(shù)要求，以提高核電站安全性和可靠性。自 21世紀以來，能源危機促使各國相繼出臺積極的核電發(fā)展規(guī)劃，世界核電發(fā)展開始復(fù)蘇。切爾諾貝利事故陰影尚未揮去，日本福島核電站又發(fā)生了7級核事故，再度引起人們對核電的擔憂和恐懼。受日本福島核事故影響，世界擁有核電的國家紛紛采取應(yīng)對策略，并重新審視本國核電發(fā)展政策。德國政府宣布，2022年關(guān)閉現(xiàn)有全部核電站；瑞士政府也決定逐步退出核能發(fā)電；韓國、印度、意大利、巴西等國對核電發(fā)展持謹慎態(tài)度；美國、法國、俄羅斯等國則基本保持原有核電發(fā)展政策；中國將在保證安全前提下繼續(xù)發(fā)展核電，但核電發(fā)展節(jié)奏可能會有所調(diào)整。福島核事故對各國核電發(fā)展政策包括發(fā)展速度、技術(shù)路線、堆型選擇等產(chǎn)生重要影響，但世界核電事業(yè)仍將向前發(fā)展，并將促使在核電安全設(shè)計、預(yù)防不可抗力因素、核電廠選址條件及事故應(yīng)急響應(yīng)等方面技術(shù)的進一步改進和標準的提高。核安全將被提上一個新的高度。如果再發(fā)生重大核事故，核電發(fā)展恐怕會陷入絕境。

3.2 中國核電建設(shè)應(yīng)立足實際穩(wěn)步推進，不能進行跳躍式發(fā)展

從中國能源需求和能源結(jié)構(gòu)來看，核能仍是不可或缺的能源，積極發(fā)展核電是中國能源長期重大戰(zhàn)略選擇。福島核事故基本不會改變中國核電發(fā)展政策，但重新審視和完善核電長遠規(guī)劃仍是必要的。2007年，國務(wù)院頒布的《核電中長期發(fā)展規(guī)劃（2005—2020）》中提出：到2020年，核電運行裝機容量爭取達到4000萬千瓦。《中國能源中長期（2030，2050）發(fā)展戰(zhàn)略研究》中提出核電發(fā)展的中長期發(fā)展目標為：“2020年核電總裝機規(guī)模達到 7000萬 kW，核電裝機占電力總裝機的4.6%，核發(fā)電量將占總電量的7.0%左右。2030年達到2億kW，核電裝機占電力總裝機的10%，核發(fā)電量占總電量的15%。2050年達到4億kW，核電裝機占電力總裝機的16%，核發(fā)電量占總發(fā)電量的比重為24%?！?020—2030年，裝機容量由7000萬kW增長至2億kW，若按每臺機組100萬kW計算，需要建130臺機組；若按每臺機組150萬kW計算，則需建87臺機組；平均以100臺機組計算，則每年需建10臺機組，且必須是連續(xù)建設(shè)，壓力太大。核能絕不僅僅是核電站，而是包括核資源、核燃料循環(huán)、設(shè)計、建造、運行、管理及核廢物處置等在內(nèi)的產(chǎn)業(yè)鏈，是一個國家綜合實力的體現(xiàn)，是需要長期積累的。從目前情況看，估計難以滿足這個發(fā)展速度的需求。核能發(fā)展非常必要，但不能進行跳躍式發(fā)展而一步到位，應(yīng)該把核安全放在首位，立足實際，循序漸進，穩(wěn)步推進。

3.3 核電站選址應(yīng)慎之又慎，提高對極端氣候和自然災(zāi)害等因素的預(yù)期

核電站建造受許多因素的制約，如地震、海嘯、颶風、冰雪、水文、地質(zhì)、氣象、空中飛行器的墜落撞擊事故、周邊環(huán)境（如易燃易爆倉庫）、人口、交通等。最近，世界范圍內(nèi)極端氣候愈發(fā)頻繁。核電站選址應(yīng)慎之又慎，提高對災(zāi)難性天氣和毀滅性自然災(zāi)害所造成核事故的預(yù)想，提升對超設(shè)計基準事故的應(yīng)對能力，這是至關(guān)重要的。迄今為止，中國在役和在建核電站均以沿海地區(qū)為主。從能源分布考慮，中國核電規(guī)劃中擬建核電站有部分在內(nèi)陸。目前，對于能否將核電站建造在中國內(nèi)陸還存在不同看法和一些爭論。核電站需要有充足的水源冷卻，內(nèi)陸核電站一般需10億m3以上水庫容量，且該部分水量不能進入城市管網(wǎng)作為生活用水和工業(yè)用水。從中國地理人文情況來看，不難規(guī)劃出合適、合理可行的內(nèi)陸核電場址。目前，世界在役和在建核電站中有很大一部分為內(nèi)陸核電站。美國、法國、俄羅斯、加拿大等國的核電站大部分建在內(nèi)陸。與沿海核電站相比，內(nèi)陸核電站選址及規(guī)劃設(shè)計更應(yīng)該反復(fù)論證，要充分考慮自然災(zāi)害和極端氣候?qū)λ吹挠绊?、核事故發(fā)生后對內(nèi)陸和河湖周邊環(huán)境的影響以及核事故應(yīng)急措施的有效性等一系列復(fù)雜問題，不能受利益驅(qū)動而降低選址標準、忽視選址細節(jié)。從目前情況來看，核電站場址一旦被批準選定、建成電站并運行后，對周圍環(huán)境參數(shù)的變化及影響考慮甚少。2011年日本發(fā)生3級以上地震1.9萬余次，在3月11日之前的一個多月中，福島附近地震不斷，頻度加大，震級上升，應(yīng)該引起核電站管理運行部門關(guān)注。雖不能判斷大地震何時出現(xiàn)，但可對服役近 40年來設(shè)備的抗震能力進行全面檢查評估，以保證核電站的電、水正常供應(yīng)。核電站建成后，應(yīng)密切關(guān)注其周圍環(huán)境參數(shù)的變化并及時采取相應(yīng)措施，以提高核電站對極端氣候和自然災(zāi)害的應(yīng)對能力。

3.4 充分考慮緩解措施，提高核電站超設(shè)計基準事故應(yīng)對能力

核電站的周密設(shè)計是保證其安全運行的基礎(chǔ)，也是事故災(zāi)難發(fā)生時消除或降低危害的保證。核電站設(shè)計中均需充分考慮正常概率情況下的設(shè)計基準事故，如斷電、失水、燃料元件破損等，并作全面分析評價，然后予以設(shè)防解決。對于千年一遇或千年不遇的極小概率超設(shè)計基準事故，充分考慮并作全面分析，但不需要設(shè)防。因為過多的冗余設(shè)計不但會使核電站建造成本大幅提高，也會帶來一系列工程上的問題，必要性不大。對于核電站超基準事故并疊加，應(yīng)增加相應(yīng)的緩解措施，以將危害降到最低。

3.5 加大對核電站的檢查維護力度，嚴格審核核電站延期退役

核電站是一個很復(fù)雜的系統(tǒng)，長期運行過程中難免會出現(xiàn)小故障。運營單位應(yīng)加大對核電機組及設(shè)備的檢查和維護力度，確保核電站高效安全運行，確保事故發(fā)生時關(guān)鍵設(shè)備能發(fā)揮效能。目前，世界范圍內(nèi)正在運行的400余臺核電機組中大約1/3建造于20世紀70年代，約1/2建造于20世紀80年代，部分機組已接近退役。受當時核電理論水平和工程實踐經(jīng)驗及制造控制能力的局限，早期核電站的安全水平與后來建造的核電站存在一定差距，且經(jīng)過三四十年的持續(xù)運行，其性能較初始狀況也要差得多。因此，應(yīng)該加倍重視在役早期核電站的檢查維護力度，性能達不到現(xiàn)行新標準的，應(yīng)予以整治或關(guān)閉。要嚴格控制達到壽期的核電站退役，不能為了追求經(jīng)濟利益而降低標準，批準其延長壽期。

3.6 加快先進核電技術(shù)的自主研發(fā)，注重技術(shù)整合先進核電技術(shù)是核電站安全的基礎(chǔ)，應(yīng)加快更安全堆型的研發(fā)并掌握關(guān)鍵技術(shù)。中國核電發(fā)展的技術(shù)路線為：熱中子反應(yīng)堆—快中子反應(yīng)堆—受控核聚變堆。目前，中國在運行的核電機組多為二代堆，在建的核電機組以中國自主研發(fā)的CPR1000和CNP1000二代加壓水堆和引進的 AP1000、EPR等三代堆為主，在研的四代堆有鈉冷快堆、高溫氣冷堆、熔鹽堆、超臨界水冷堆。中國所涉及的核電站反應(yīng)堆類型繁多、過于分散，實施起來五花八門，建議在一定階段對相關(guān)技術(shù)和研發(fā)力量進行有效整合，要齊心協(xié)力，以盡快形成自主研發(fā)能力，不能為部門利益所驅(qū)而堅持各自為戰(zhàn)。

3.7 提倡核安全文化，始終將核安全擺在核電發(fā)展首位

切爾諾貝利核事故和三哩島核事故完全是由人為因素引起，福島核事故的直接起因是多重小概率自然災(zāi)害的疊加，但事故應(yīng)對過程中也存在一定人因問題。加強核安全文化建設(shè)，著力提高核電站從業(yè)人員包括決策層、管理層、技術(shù)層以及監(jiān)督部門的核安全知識、核安全技能和核安全意識，進一步完善運行規(guī)程、應(yīng)急響應(yīng)和培訓體系，保障核電站日常運行安全，增強核事故安全處置能力。提高政府對核電發(fā)展的調(diào)控和介入力度，加強對設(shè)計、施工和運營企業(yè)的監(jiān)督和控制，以確保將核安全落實到核電發(fā)展的每一個環(huán)節(jié)。福島核事故再次使人們對核電安全產(chǎn)生擔憂。積極通過多種渠道，提高公眾對核電的認識和認同，為核電發(fā)展營造良好的外部環(huán)境。

3.8 加快核電相關(guān)專業(yè)人才培養(yǎng)和人才儲備

核電發(fā)展亟需設(shè)計研發(fā)、運行維護、管理監(jiān)督等方面的專業(yè)人才，特別是核專業(yè)人才。核專業(yè)人才緊缺將成為制約未來中國核電快速發(fā)展的一大障礙。根據(jù)國防科工局以前的統(tǒng)計，按照一座百萬千瓦級核電站需要400人計算，到2020年新增30座百萬千瓦核電站需要核電人才超過1.2萬人。以上數(shù)據(jù)僅是在2020年核電運行裝機容量 4000萬千瓦基礎(chǔ)上估算出來的。如果核電建設(shè)目標再度提高，核專業(yè)人才需求缺口將更大。核工業(yè)人才隊伍的成長周期較長，人才培養(yǎng)需從長計議。除清華大學、西安交通大學和上海交通大學等已有核專業(yè)高校外，2007年全國9所高校申請開設(shè)的核專業(yè)通過教育部審批，并于 2008年開始招生，這些高校包括南京航空航天大學、哈爾濱工業(yè)大學、武漢大學、華南理工大學、電子科技大學和中國科技大學等。后來，北京航空航天大學、南京理工大學等高校也相繼新增與核技術(shù)有關(guān)的專業(yè)。從核專業(yè)人才需求形勢出發(fā)，國家把核專業(yè)作為特色緊缺專業(yè)和學科給予重點扶植，無疑是合適的決策，但力度還有待加強，以支持高校搭建更為完善的人才培養(yǎng)軟硬件平臺并探索多模式人才培養(yǎng)體系，提高核專業(yè)畢業(yè)生的質(zhì)量和素質(zhì)，以滿足核電發(fā)展的人才需求。

日本福島核事故給全球帶來了巨大危害和嚴重影響，也再次為人們敲響了核安全警鐘。人們需深刻反思并從中吸取經(jīng)驗教訓，讓“安全第一”切實落實到核電站設(shè)計、運行和管理的每一個環(huán)節(jié)，以確保核電事業(yè)安全健康發(fā)展。發(fā)展核能為人類社會服務(wù)毋庸置疑，但核安全是首位，重中之重！?

【作者單位：南京航空航天大學材料科學與技術(shù)學院核工程系】

（摘自《南京航空航天大學學報》2012年5期）