杜銘海(退休的核工程師，dumhai@126.com)

2012-02-26

“3.11”日本福島核事故快一周年了。盡管三臺(tái)損壞的反應(yīng)堆已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了政府?dāng)M定的目標(biāo)，進(jìn)入核燃料清除和反應(yīng)堆退役階段，但事故的影響和余波還在演進(jìn)。日本政府想穩(wěn)定局勢(shì)，重新啟動(dòng)安全審評(píng)合格的核電機(jī)組，社會(huì)公眾和地方政府的安全疑慮是重大障礙。世界其它有核或準(zhǔn)備發(fā)展核電的國(guó)家和國(guó)際社會(huì)正在認(rèn)真分析并吸取福島事故的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，制定保證核安全的各種措施，恢復(fù)核電正常發(fā)展，認(rèn)識(shí)上的分歧和爭(zhēng)論還廣泛存在。應(yīng)對(duì)能源需求增長(zhǎng)和減排壓力的“核復(fù)蘇”受到壓抑，溫室氣體的排量在上升……如何看待福島核事故，拓展核電的未來還要做更多工作。其中，關(guān)鍵是政府決策層和社會(huì)公眾的“認(rèn)識(shí)”問題。

福島事故的里程碑意義

應(yīng)當(dāng)說，通過廣泛調(diào)查和分析研究，福島核事故的起因已經(jīng)清晰，應(yīng)當(dāng)汲取的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)也逐漸明確。簡(jiǎn)單地說，就是極端外部自然事件組合對(duì)設(shè)防/準(zhǔn)備不足核電廠的災(zāi)難性沖擊，所幸后果并不那么嚴(yán)重。相對(duì)天災(zāi)直接造成的沿海地區(qū)人員死亡和其它損失，福島事故對(duì)周圍居民健康的影響仍然是“心理”上的[1-3]。

但是，整個(gè)社會(huì)、特別是核工業(yè)對(duì)福島事故認(rèn)識(shí)必須進(jìn)一步深化并做出轉(zhuǎn)變。代表性的觀點(diǎn)是美國(guó)核管會(huì)提出調(diào)查結(jié)論：“凡涉及核電廠堆芯損壞以及放射性物質(zhì)泄漏失控的事故，即使沒有對(duì)公眾健康造成顯著的影響，從本質(zhì)來說也是不可接受的”[4]。采取一切可能的防范和緩解措施，確保不發(fā)生“放射性物質(zhì)泄漏失控的事故”，應(yīng)當(dāng)成為世界核工業(yè)努力追求的安全目標(biāo)。

早在核能和平利用初期，核科學(xué)先驅(qū)就意識(shí)到核能的特征并提出確保核安全根本原則。體現(xiàn)在核反應(yīng)堆運(yùn)行方面，就是：

－立即停堆，停止鏈?zhǔn)胶朔磻?yīng)，使堆芯進(jìn)入并保持深度次臨界狀態(tài)；

－主回路降壓、降溫，排出堆芯核衰變熱；

－保持安全殼的完整性，防止放射性物質(zhì)失控地進(jìn)入外環(huán)境。

從反應(yīng)堆發(fā)展初期至福島事故前夕，核科學(xué)與核工業(yè)一直在“縱深防御”哲學(xué)理念的指引下，結(jié)合運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋和前瞻性安全研究，認(rèn)識(shí)并落實(shí)這三項(xiàng)原則，使運(yùn)行核反應(yīng)堆安全性不斷提升。福島事故的“里程碑”意義在于補(bǔ)充、完善并糾正了核科學(xué)和核工業(yè)界的認(rèn)識(shí)：外部事件對(duì)反應(yīng)堆安全的影響被低估了，極端外部事件組合對(duì)多堆場(chǎng)址的沖擊可能存在負(fù)面效應(yīng)；“縱深防御”哲學(xué)有缺陷，面對(duì)廣泛可能的挑戰(zhàn)性情景，多重屏障存在被瓦解的可能，單純防御可能“防不勝防”，需要“轉(zhuǎn)變”觀念；確保反應(yīng)堆安全的關(guān)鍵在于確保核燃料包殼的密封性，必須以“疏導(dǎo)”為主，可靠地排出衰變熱；安全殼的完整性比密封性更重要，是確保放射性釋放受控的最終手段。

對(duì)于確保反應(yīng)堆安全三原則，核科學(xué)與核工業(yè)的認(rèn)識(shí)沒有分歧，普通公眾也可以理解。但在執(zhí)行、實(shí)現(xiàn)三原則上，存在不同觀點(diǎn)和認(rèn)識(shí)。問題不在于“立即停堆，停止連鎖反應(yīng)，使堆芯進(jìn)入并保持深度次臨界狀態(tài)”的方法和手段，而是“排出堆芯剩余發(fā)熱”的目標(biāo)和對(duì)“安全殼完整性”的認(rèn)識(shí)。

無論任何原因?qū)е路磻?yīng)堆事故狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)緊急停堆后的首要任務(wù)是“排出”堆芯的剩余發(fā)熱，目標(biāo)是保持核燃料包殼的密封性。采取各種措施，使主系統(tǒng)降溫、降壓，充分利用反應(yīng)堆系統(tǒng)已有的冷卻劑流過堆芯帶出余熱是第一要?jiǎng)?wù)。最極端、最困難的條件是反應(yīng)堆失去“所有”動(dòng)力（外部電源，內(nèi)部交流、直流電源，壓縮空氣和控制測(cè)量?jī)x表顯示），廣泛的基礎(chǔ)設(shè)施損壞甚至失去主控室功能，而“排出余熱”的“要求”沒有任何改變。

對(duì)于現(xiàn)代輕水堆，在這種極端外部條件下系統(tǒng)本身保持核燃料包殼完整性的時(shí)間范圍與堆型和設(shè)計(jì)有關(guān)。只要在此時(shí)間范圍內(nèi)使用移動(dòng)式電源啟動(dòng)一個(gè)可用的應(yīng)急冷卻系統(tǒng)給堆芯充水，靠堆芯內(nèi)的水汽化排出余熱，就可化解危機(jī)，贏得進(jìn)一步應(yīng)急準(zhǔn)備的時(shí)間（12小時(shí)）。簡(jiǎn)單地說，核安全的“核心信條”是：使堆芯內(nèi)水流動(dòng)，就能贏得時(shí)間，進(jìn)而避免導(dǎo)致福島事故那么嚴(yán)重的堆芯熔化[5]。

保持核燃料包殼完整性是保持“安全殼的完整性”的前提。核燃料包殼完整，不發(fā)生鋯包殼氧化，發(fā)熱量小很多；即使萬一出現(xiàn)主系統(tǒng)管道泄漏和/或核燃料包殼破裂，確保安全殼完整性仍然比密封性重要。及時(shí)采取安全殼排汽、甚至排氣的放射性釋放風(fēng)險(xiǎn)很小，采取安全殼過濾排汽（氣）措施是受控的、后果預(yù)知的風(fēng)險(xiǎn)，至少可使釋放的放射性總量減少4－5個(gè)數(shù)量級(jí)[6]。

上述極端困難的外部條件不是不可能或“不可想象”的。福島事故與上述情況大體相應(yīng)，但不是最壞。如地震震中距電廠更近或地質(zhì)狀況更不利，反應(yīng)堆重要系統(tǒng)和設(shè)備的制造和土建安裝質(zhì)量存在某種缺陷，就有可能發(fā)生損壞或泄漏，情況會(huì)更復(fù)雜。就此而言，即使最先進(jìn)的輕水堆設(shè)計(jì)也不能完全排除堆芯損壞和放射性釋放的可能性。

堆芯“充水-排汽”理念

“充水-排汽”，就是充分利用主回路系統(tǒng)現(xiàn)成的水源，使堆芯內(nèi)的水保持流動(dòng)；以保持核燃料包殼的完整性為目標(biāo)，使堆芯內(nèi)的水汽化/蒸發(fā)排出堆芯余熱，為長(zhǎng)期可靠地排出余熱贏得進(jìn)一步的準(zhǔn)備時(shí)間。

壓水堆主回路系統(tǒng)保持完整，可利用蒸汽發(fā)生器(SG)可靠地排出余熱。室外大氣是可靠的熱阱，可利用的水源也比較多，消防水是最方便的選擇。排出的蒸汽沒有任何放射性，對(duì)環(huán)境沒有任何不利的影響。

相對(duì)沸水堆，壓水堆主回路壓力邊界出現(xiàn)泄漏，情況比較復(fù)雜，因?yàn)闆]有那么多的非能動(dòng)余熱導(dǎo)出系統(tǒng)。為確保核燃料包殼的完整性，唯一的辦法是在包殼材料許可的最大限值下降溫、降壓[7]，把壓水堆“轉(zhuǎn)化”為沸水堆，利用“充水-排汽”模式排出熱能。

“后福島”時(shí)代，現(xiàn)代核反應(yīng)堆必須視此為可能面對(duì)的極端情景，認(rèn)真分析研究。具體分析每個(gè)反應(yīng)堆在這種狀態(tài)下實(shí)際可采取的最佳戰(zhàn)略行動(dòng)是核電廠業(yè)主的任務(wù)。但不考慮特定情況，普遍適用、靈活、簡(jiǎn)單的手段就是現(xiàn)場(chǎng)有移動(dòng)式電源和水源。再具體、簡(jiǎn)單、方便些，就是電瓶車、消防車、水龍帶......從最近美國(guó)核研究所的報(bào)道看，核工業(yè)主動(dòng)添置的應(yīng)急設(shè)施也就是這類的設(shè)備[8]。先進(jìn)反應(yīng)堆，有的采用“創(chuàng)新”設(shè)計(jì)導(dǎo)出堆芯余熱（如AP1000），有的強(qiáng)化各種屏障的能力（如EPR），但現(xiàn)在都認(rèn)識(shí)到，遲早要有上述的移動(dòng)式電源和水源。

如是，采用這么簡(jiǎn)單的措施，現(xiàn)代反應(yīng)堆的安全性至少可上一個(gè)“臺(tái)階”。因?yàn)楝F(xiàn)代反應(yīng)堆總的堆芯損壞頻度(CDF)中，“全廠停電”是主因（占25－70%，甚至更高）[9] 。

這種思維，美國(guó)人稱之為“緩解”戰(zhàn)略并納入“縱深防御”哲學(xué)的范疇[4]。從積極主動(dòng)化解矛盾的觀點(diǎn)，稱之為“疏導(dǎo)”理念更確切，概念更清晰、合理。

初始響應(yīng)——“疏導(dǎo)”理念執(zhí)行要點(diǎn)

實(shí)施“疏導(dǎo)”理念，要重視、發(fā)揮人的主觀能動(dòng)性。過去的核安全分析，“人因”的消極方面被“放大”了，缺少“辨證”觀點(diǎn)。核安全主要靠“人”。在極端復(fù)雜、困難或“無章可循”的情況下，人的主觀能動(dòng)性甚至“臨場(chǎng)發(fā)揮”，有可能以極小的代價(jià)換取全面的勝利。不鼓勵(lì)“英雄行為”和“魯莽舉動(dòng)”，但最困難、危急局面和關(guān)鍵時(shí)刻仍然要堅(jiān)持核工業(yè)的職業(yè)操守和犧牲精神。

實(shí)施“疏導(dǎo)”理念，主要涉及“軟件”方面的改進(jìn)和最低限度采購(gòu)。安全相關(guān)系統(tǒng)（設(shè)備）的變更極少，而且是非常細(xì)微的改進(jìn)。就壓水堆而言，借鑒先進(jìn)堆的某些設(shè)計(jì)，建議的“硬件”改進(jìn)是：

—汽動(dòng)/柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)輔助給水系統(tǒng)的閥門控制方式增加“故障投入”模式。

—穩(wěn)壓器卸壓閥控制回路增設(shè)“連續(xù)降壓”控制功能。在主回路壓力邊界出現(xiàn)泄漏的情況下，保持堆芯內(nèi)的水流動(dòng)并變?yōu)?ldquo;充水-排汽”模式，排出堆芯余熱。

實(shí)施要點(diǎn)：

—進(jìn)行本機(jī)組、本現(xiàn)場(chǎng)的系統(tǒng)研究、分析和準(zhǔn)備，確定不同響應(yīng)戰(zhàn)略的行動(dòng)時(shí)限、“入口條件”和行動(dòng)步驟。

—執(zhí)行手段要茁壯、簡(jiǎn)單、靈活、易行。通過最簡(jiǎn)單的培訓(xùn)，即使現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行甚至輔助人員（如消防和保安人員）也會(huì)執(zhí)行。

—電廠領(lǐng)導(dǎo)和管理層要首先接受培訓(xùn)并“親身”參加實(shí)際演練。

—電廠組織機(jī)構(gòu)和人員配置做適應(yīng)性變更，明確授權(quán)現(xiàn)場(chǎng)第一責(zé)任人和后備人選。機(jī)組值長(zhǎng)是“第一”責(zé)任人，現(xiàn)場(chǎng)值班“安全工程師”（又稱“值班技術(shù)顧問”）是最合適的“后備”人選。安全工程師隸屬電廠核安全處，有單獨(dú)的值班崗位和現(xiàn)場(chǎng)巡視、檢查職責(zé)[10]。

—發(fā)生嚴(yán)重事件，立即通知電廠應(yīng)急響應(yīng)指揮，同時(shí)進(jìn)行分析判斷。無須請(qǐng)示或批準(zhǔn)，即可在30分鐘內(nèi)采取初始響應(yīng)行動(dòng)：

■壓水堆主回路系統(tǒng)基本完整：

●30分鐘內(nèi)手動(dòng)打開主蒸汽系統(tǒng)大氣釋放閥，確保輔助給水系統(tǒng)正常啟動(dòng)給SG補(bǔ)水，監(jiān)視、保持SG水位（不滿水）；同時(shí)給凝結(jié)水箱補(bǔ)水；

●如輔助給水泵故障，必須使用移動(dòng)式水泵，在90分鐘內(nèi)以40m3/小時(shí)的流量給SG補(bǔ)水。

■主系統(tǒng)壓力邊界出現(xiàn)泄漏：

●視主系統(tǒng)降壓速率和堆芯溫度變化趨勢(shì)，決定是否在30分鐘內(nèi)實(shí)施穩(wěn)壓器卸壓閥連續(xù)降壓。同時(shí)確定“充水”位置，在90內(nèi)以70m3/小時(shí)的流量給堆芯連續(xù)充水，控制堆芯溫度和壓力，實(shí)現(xiàn)“充水-排汽”運(yùn)行模式。

●視堆芯狀態(tài)演變，適時(shí)利用“另外”后備的移動(dòng)式水源，以70m3/小時(shí)的流量通過安全殼噴淋或低壓安注管路，實(shí)現(xiàn)“安全殼水淹”。

●連續(xù)監(jiān)視安全殼內(nèi)的溫度和壓力，適時(shí)手動(dòng)投入安全殼過濾排汽（氣）系統(tǒng)，確保安全殼的完整性。

—最起碼的工具是帶照明的“礦工”式安全帽、通信聯(lián)絡(luò)手段和必要的電工工具。

—依靠的主要信息是堆芯/SG溫度和壓力,水位指示不可靠。為確保堆芯核燃料組件不裸露，SG不滿水，應(yīng)當(dāng)通過模擬或事故分析，繪制“堆芯/SG水位與溫度、壓力的相應(yīng)關(guān)系曲線”。

初始響應(yīng)——實(shí)施“疏導(dǎo)”理念是在電廠嚴(yán)重事故情景下，溝通電廠正常運(yùn)行與電廠嚴(yán)重事件應(yīng)急響應(yīng)之間的“橋梁”和轉(zhuǎn)入電廠應(yīng)急響應(yīng)的“過渡過程”。過渡得好，可為后續(xù)響應(yīng)創(chuàng)造最佳條件，盡早恢復(fù)正常冷卻功能，進(jìn)入“冷停堆”狀態(tài)。

文中引用的行動(dòng)時(shí)限和充水流量數(shù)值的準(zhǔn)確性還要結(jié)合機(jī)組的特定設(shè)計(jì)，利用模型/程序（如常用的MELCOR、MAAP）加以驗(yàn)證[11]。

簡(jiǎn)單結(jié)論

福島事故的里程碑意義在于揭示核科學(xué)與核工業(yè)安全理念需要“轉(zhuǎn)變”：確保核安全的關(guān)鍵在于保持核燃料包殼的完整性；“縱深防御”哲學(xué)需要“疏導(dǎo)”理念的輔助，“充水-排汽”（不是排氣）是理想模式；安全殼的完整性比密封性更重要，安全殼過濾排汽/氣是降低放射性環(huán)境影響的最后手段。

嚴(yán)重事故畢竟是小概率事件，暴露的某些設(shè)計(jì)缺陷需要消除（如系統(tǒng)隔離和密封），但大規(guī)模的固定式防御手段（如防浪大壩和圍墻）的必要性和有效性不能確定，便攜式電源和移動(dòng)式水源更靈活、有效。

輕水堆的安全性能一直在不斷改進(jìn)。設(shè)備制造和建安質(zhì)量是確保核安全的物質(zhì)基礎(chǔ)，但體制和文化是核工業(yè)面臨的嚴(yán)重挑戰(zhàn)。人類能夠吸收過往的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，隨時(shí)做好應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件的準(zhǔn)備，不再重演“過去的故事”。

完全是個(gè)人觀點(diǎn)，與任何組織或個(gè)人無關(guān)；注明個(gè)人郵箱，希望聽到反駁意見。

注釋：(引用資料均可在網(wǎng)上查到)

1. WNN, Low risk from major accident consequences, 02 February 2012

2. US NRC, MODELING POTENTIAL REACTOR ACCIDENT CONSEQUENCES, NUREG/BR-0359, January 2012

3. MIT, Technical Lessons Learned from the Fukushima-Daichii Accident and Possible Corrective Actions for the Nuclear Industry: An Initial Evaluation，MIT-NSP-TR-025，May 2011.

4. US NRC, Recommendations for Enhancing Reactor Safety in the 21ST Century, July 12, 201

5. Declan Butler, France 'imagines the unimaginable', Nature news 11 January 2012

6. M310型反應(yīng)堆設(shè)計(jì)有安全殼過濾排氣系統(tǒng)；水汽化的凈化效果～100；過濾排汽系統(tǒng)的凈化效果大于500，因此總效率～2x10-5

7．美國(guó)憂思科學(xué)家聯(lián)盟(UCS)核安全工程主任洛克博姆(David Lochbaum)曾指出，福島1#機(jī)組緊急停堆后堆芯冷卻、加熱速率高達(dá)到164℃/小時(shí)和138℃/小時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過技術(shù)規(guī)格書的規(guī)定（冷卻速率為55℃/小時(shí)），但沒有發(fā)現(xiàn)任何問題，證明沸水堆燃料的鋯合金包殼能承受很高的冷卻速率而不出現(xiàn)破損。詳見David Lochbaum, Fukushima Dai-Ichi Unit 1: The First 30 Minutes，UCS, May 24, 2011

8. USNEI, U.S. Nuclear Industry Adopts Initiative to Acquire More Emergency Equipment,February 21, 2012

9. INL，Analysis of Station Blackout Risk，NUREG/CR-6890, Vol. 2，December 2005

10.三里島事故后，世界許多核電廠曾增設(shè)“值班技術(shù)顧問”或“安全工程師”崗位，專司運(yùn)行異常和重大事故處理職能。盡管許多核電廠的這種設(shè)置保留下來，但多半不再“跟班倒”。現(xiàn)在看來，恢復(fù)“倒班”是有效的措施。

11.文中引用行動(dòng)時(shí)限和充水流量多依據(jù)下述三個(gè)資料：1）NE1，B.S.b Phase 2 & 3 Submittal Guideline，NE106-12 Revision 2，December 2006；2）Shih-jen wang, Chun-sheng Chien, and Te-chuan Wang, Simulation of Maanshan TMLB` sequence with Melcor 1.8.3, Nuclear Technology, Vol., 126 APR. 1999; 3) NUREG-1150-vol.1 Severe Accident Risks: An Assessment for Five U.S. Nuclear Power Plants, Final Summary Report part-2, Summary of Plant Results, December 1990