核電專家詳解談我國核電站設計思路

　　我們時時刻刻都在接觸天然輻射

　　應關注電離輻射對人體健康的影響

　　編者按

　　日本福島核事故引發的話題依然受到公眾關注。今天，我們邀請了我國核電領域權威專家、中國工程院院士、中核集團科技委副主任葉奇蓁，來回答讀者朋友關心的三個問題：一、有那么多預置的安全措施，為什么福島核電站最終仍然面臨“焦頭爛額”的局面？二、針對福島發生問題的環節，我國核電設計時是否有相應的對策？三、我國核反應堆的安全靠什么來保證？

　　問題一：

　　福島為何“焦頭爛額”？

　　記者：許多讀者有一個疑問，那就是既然有那么多預置的安全措施，面對突發事故，福島核電站為什么最終仍然面臨“焦頭爛額”的局面？

　　葉奇蓁：核電站設計的時候，對環境安全還有三項基本要求，第一條，反應堆一旦出現故障的時候，反應堆要停下來。第二，反應堆余熱要導出。核電站唯一跟鍋爐不一樣的地方，就是鍋爐停止燃燒就沒有能量了，最多紅顏色燙手而已，核電站卻繼續發出一些余熱，大概是原功率的6.6%左右，還要把這些能量導出來，繼續冷卻。第三，把放射性物質包容在安全殼內。如果遵守了這三條原則，即使發生任何事故，也不會對環境發生影響。福島做到了第一條，但后面兩條沒有做到，這就是它產生的問題。

　　我們來回顧一下整個事故的過程。福島第一核電站有六臺機組。1號機組是按照0.18g（g指地面重力加速度）設計的（現在核電站設計是按地面加速度的力度來衡量的，跟常規的地震烈度不一樣，按地面加速度就可以比較嚴格地按照力學原理，來計算建筑物、設備、管路等能不能承受某個地震烈度），其余機組按0.45g或者0.46g設計。3月11日，日本強烈地震引發了海嘯。這次9級地震相當于0.52g，超出了設計標準。

　　地震發生后，福島第一核電站安全系統正常啟動。首先安全停堆，安注系統和應急堆芯冷卻系統立即啟動，在廠外電源喪失的情況下，應急柴油機也正常啟動。也就是說，海嘯之前，核電站的運行是正常的。第一是停堆，第二冷卻系統啟動起來，把余熱導出去。

　　但是，第一核電站海堤設計高程是5.7米，而這次地震引發的海嘯在福島核電站地區是14米，這就使應急柴油機房進水，一小時后停止運行。此時，儀控系統改由蓄電池供電，設計容量只能維持8小時。

　　13小時以后，移動發電機到達，但是因為配電裝置在底層，被水淹了，無法接通，直到3月12日15時還無法接通，改接新電源線給水泵供電，但這個時間已經晚了。超設計的海嘯高程導致全廠斷電，沒有外電源，也沒有內部的應急電源，全廠長時間斷電，導致堆芯冷卻手段長期不可用。第二條安全要求，也就是余熱導出，在一小時后就失去了。

　　由于余熱導出冷卻失效，造成反應堆溫度、壓力升高，冷卻劑不斷喪失，燃料露出來了，原來是水和蒸汽包容的。露出來的燃料溫度就很高了，平時水蒸汽的溫度大概200多度，沒有冷卻以后，就到了上千度以上。一千到兩千度的情況下，下面還有一部分水，水跟鋯起了化學作用，產生了氫氣。安全殼外面有個廠房，氫氣就跑到廠房頂部集中，當濃度達到10%的時候（一般控制在4%以下），遇到空氣中的氧氣，就發生了氫爆。12日，1號機組氫爆，14日，3號機組氫爆，15日，2號機組氫爆，這樣把廠房就炸開了，使廠房裸露。

　　有人說已經停堆了，怎么還會出問題呢？因為剛停堆，把堆里的乏燃料卸到水池里，還有余熱，剛卸出來有百分之幾的余熱。地震1小時以后，水同樣沒有冷卻，這個水是敞開的，在一個大氣壓下，一百多度的水，就造成了蒸發，水位就很快下降。幾天以后，每個堆還約有1萬千瓦的熱量。一萬千瓦的熱量如果沒有冷卻的話，一天可以燒開三百噸水，所以他們用直升機向燃料廠房灑水冷卻，但效果很小。

　　問題二：

　　我國有否相應措施？

　　記者：針對福島核電站出現問題的那些環節，我國核電站設計中有相應的安全措施嗎？請詳細介紹一下。

　　葉奇蓁：針對福島核電站出現的問題，我國核電站設計中有大量的安全措施：第一，抗地震設計。凡是牽涉到核電站安全的，都要按安全停堆地震來設計，這個話的含義是，即使是地震的情況下，我的系統還要保持功能，能把堆停下來。所以，廠房的地基應放在完整的基巖上，必須遠離斷層，特別是地表產生裂縫或者錯動的活動斷層，絕對不能建核電站。

　　第二，防洪的要求。設計會考慮到臺風、海嘯、海平面上升、暴雨、上游潰堤，以及波浪影響等，超越概率千分之一來確定。廠坪標高要高于基準洪水位。

　　核電是清潔環保能源，人們不必“談核色變”

　　一旦出現核事故，應關注政府的信息發布，不可聽信謠言。

　　第三，應急電源，主網有500千伏，還專門有一個22萬伏的備用電源。設計時每臺機組有兩臺應急柴油機，一臺就能保證應急電源，同時還考慮設置一條專用的備用外電源。

　　第四，嚴重事故的預防和緩解。廠房里有移動式防氫爆措施，有完整的測量系統，一旦氫濃度高了，就消氫，現在還新設計了非能動的氫復合裝置。排放的放射性氣體通過過濾器，把放射性洗掉。同時快速卸壓，將蒸汽排放到安全殼里，因為我國是壓水堆，如果二回路壓力高了，我們再二次排放蒸汽，這時候蒸汽是沒有放射性的，也可以冷卻主回路，主回路的排放是排放在安全殼里。

　　例如，我國秦山核電站周圍邊界的輻射，國家限值0.25毫西弗，實際測量是0.005毫西弗。抽一支煙相當于0.001毫西弗，2005年測得0.0047個毫西弗，相當于抽了5支煙。

　　問題三：

　　如何設置縱深防御系統？

　　記者：核能的優點體現在哪里？我國核反應堆的四道安全屏障是如何設置的？所謂核電站的縱深防御策略是怎么回事？

　　葉奇蓁：核電是清潔能源，核裂變能量是可控的。一公斤的鈾-235裂變釋放的能量，相當于2400噸標準煤燃燒釋放的能量。我們一座百萬千瓦核電站每年只要補充30噸核燃料，同樣功率的火電廠每年要燃燒330萬噸煤。核電大量減少了溫室氣體排放，大量減少了對環境有污染的二氧化碳、二氧化硫等氣體排放，也減少了煤渣，減少了運輸，所以核能的優勢很突出，是我國能源發展的戰略選擇。

　　我國建造的是壓水堆核電站，里面所有的和發生核裂變的物質有接觸的水，都孤立在安全殼里面，跟汽輪機、發電機都是隔離的，這跟日本發生事故的沸水堆是不同的。

　　我國核反應堆有四道屏障保證安全，第一道屏障為燃料芯塊和包殼。核裂變產生的放射性物質98%以上滯留在二氧化鈾陶瓷芯塊中，不會釋放出來。第二道屏障為燃料包殼。燃料芯塊密封在鋯合金包殼內，防止燃料裂變產物和放射物質進入一回路水中，這是完全密閉的，即使產生的氣體也密閉在這里，這里面留有一定的空間，而且鋯管的燃料棒可以承受一定的壓力，最大數量的密閉氣體釋放也不足以使它開裂。第三道屏障為壓力容器和一回路壓力邊界。由核燃料構成的堆芯封閉在鋼質壓力容器內，壓力容器和整個一回路都是耐高壓的，放射性物質不會泄漏到反應堆廠房中。第四道屏障為安全殼，就是混凝土的結構。現在的安全殼直徑約37米，安全殼墻厚將近1米，而且用鋼索扎緊，在內部產生一定壓力的時候，不會把安全殼破壞，可防止放射性物質進入環境。

　　我國核電站采取縱深防御策略，正常運行的時候有一套控制系統，一旦出現事故就把堆停下來，然后有其他的安全系統來保護它。比如，壓力容器沒水了，用安全注入系統補充進去，安全殼里壓力高了，產生大量蒸汽了，有安全噴淋系統，噴進去冷水把壓力降下來。蒸發器里沒有水了，燒干了，用輔助給水系統補充。（胡其峰）

　　■延伸閱讀

　　什么是放射性碘？

　　放射性碘是早期混合裂變產物中的主要成分之一，在核爆炸及反應堆事故中，它是早期污染環境的主要核素。

　　在碘的放射性同位素中，碘-131和碘-125是毒性相對較大的放射性核素。進入血液中的放射性碘，約70%存在于血漿中，30%很快轉移到體內各組織器官內，選擇性地濃集于甲狀腺。所以放射性碘對人體的危害主要表現為甲狀腺損傷。放射性碘廣泛地應用于核醫學診斷。

　　什么是放射性銫？

　　銫共有38個同位素，除銫-133為穩定同位素外，其余均為放射性同位素。放射性銫是核爆料和反應堆運行產生的主要裂變產物。

　　環境中銫-137進入人體后易被吸收，均勻分布于全身；由于銫-137能釋放γ射線，很容易在體外測出。進入體內的放射性銫主要滯留在全身軟組織中，尤其是肌肉中，在骨和脂肪中濃度較低；較大量放射性銫攝入體內后可引起急、慢性損傷。銫-137可作為γ輻射源，用于輻射育種、輻照儲存食品等。（本文圖片選自科學出版社出版的《核與輻射防護手冊》）