福島核事故引發(fā)的若干思考

張忠岳

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

2011年3月11日，日本福島第一核電廠所在的日本東北部宮城縣地區(qū)發(fā)生歷史上罕見(jiàn)的里氏9級(jí)大地震。巨大的海嘯接踵而至，迅猛洶涌，浪高達(dá)20米，所過(guò)之處，破壞嚴(yán)重。福島核電廠為防范反應(yīng)堆嚴(yán)重事故所設(shè)置的備用電池和應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組，都因被海水所淹而失去功能，致使受損反應(yīng)堆一回路長(zhǎng)時(shí)間不能恢復(fù)工作。雖然反應(yīng)堆在地震中自動(dòng)停堆，但由于堆芯長(zhǎng)期得不到足夠冷卻，終于導(dǎo)致燃料熔化，熔融物質(zhì)熔穿壓力容器，大量放射性物質(zhì)進(jìn)入附近海洋及地下水體，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重危害。事故初期，東京電力公司（簡(jiǎn)稱(chēng)東電）曾嘗試通過(guò)排氣減壓及從外部補(bǔ)給海水來(lái)保全壓力容器，但收效不大，反而在反應(yīng)堆高端聚集了由水蒸氣帶出的、因高溫鋯-水反應(yīng)所生成的大量氫氣，導(dǎo)致氫氣爆炸，廠房受損。據(jù)東電估計(jì)，要清除大面積核污染、使核電廠及其附近地區(qū)的環(huán)境恢復(fù)到事故之前狀態(tài)，將是十分復(fù)雜和曠日持久的工作，少則十幾年，多則幾十年。

福島核事故后果嚴(yán)重，大量放射性物質(zhì)逸出廠區(qū)，造成廣大地區(qū)長(zhǎng)期的嚴(yán)重環(huán)境后果。按國(guó)際核事件分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[1]，被定為7級(jí)事故（最高級(jí)別），與1986年蘇聯(lián)的切爾諾貝利事故相當(dāng)。

福島核事故對(duì)日本核電發(fā)展造成重大沖擊，民調(diào)顯示，近50%日本國(guó)民對(duì)核電安全性深表疑慮，人們要求放棄核電，改用別種能源（如頁(yè)巖氣或各種可再生能源）取代。

日本地處環(huán)太平洋地震帶，國(guó)土面積（包括日本列島周?chē)I(lǐng)海）僅占地球表面積0.2%，而年平均地震釋放的能量則占全球地震釋放能量的15%[2]。處于如此嚴(yán)峻的地震（海嘯）地質(zhì)條件之下，福島核事故造成的損失又如此嚴(yán)重，日本國(guó)民擔(dān)憂核電風(fēng)險(xiǎn)太大，應(yīng)該是可以理解的。

福島核事故損失慘重，部分原因在于東電在事故處理中，決策猶豫，行動(dòng)遲緩。與此同時(shí)，福島核事故也提出了今后核電建設(shè)中許多估計(jì)難以避免、而且不易解決的問(wèn)題，值得認(rèn)真討論與思考。

1 選址和延壽審批問(wèn)題

1.1 選址

核電發(fā)達(dá)國(guó)家（包括日本）對(duì)核電廠選址都有嚴(yán)格規(guī)范。遵照規(guī)范辦事，按理在設(shè)計(jì)壽期之內(nèi)，不應(yīng)該遭遇超出設(shè)計(jì)預(yù)期的強(qiáng)烈地震，也不至于發(fā)生嚴(yán)重事故。

福島第一核電廠各個(gè)機(jī)組的情況，如表1所示[3]。

由表1可知：

1) 事故發(fā)生時(shí)，1號(hào)機(jī)組已經(jīng)順利運(yùn)行40年，達(dá)到了設(shè)計(jì)壽期。

2) 3號(hào)機(jī)組受損稍輕，穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)間約35年。但據(jù)報(bào)道，4號(hào)機(jī)組乏燃料水池嚴(yán)重受損。

3) 關(guān)于5、6號(hào)機(jī)組，報(bào)道很少，估計(jì)受損不重。與1、2號(hào)機(jī)組相比，它們“年輕”7～8歲、似乎應(yīng)該更“強(qiáng)壯”一些，或許在設(shè)計(jì)上也有所改進(jìn)。

里氏9級(jí)大地震在歷史上極其罕見(jiàn)。從這次地震震級(jí)之高、破壞程度之嚴(yán)重、廠外居民撤離規(guī)模之大的情形分析，廠區(qū)烈度應(yīng)可達(dá)到日本氣象廳JMA-7度。廠址附近發(fā)生破壞性如此巨大的地震和海嘯，顯然，是當(dāng)初設(shè)計(jì)時(shí)所未曾估計(jì)到的。如果當(dāng)時(shí)已經(jīng)預(yù)測(cè)廠址附近會(huì)發(fā)生如此強(qiáng)烈的地震，估計(jì)沒(méi)有人敢冒險(xiǎn)選擇這樣的地區(qū)建造核電廠。

綜上所述，可以得出如下結(jié)論：

1) 就1號(hào)機(jī)組順利運(yùn)行到設(shè)計(jì)壽期終點(diǎn)而言，當(dāng)年選址（40年前）似乎不當(dāng)。

2) 2～6號(hào)機(jī)組都在設(shè)計(jì)壽期之內(nèi)遭遇超過(guò)其防御能力的強(qiáng)烈地震（海嘯）襲擊，這種情況，很令人擔(dān)憂。因?yàn)楦u發(fā)生的實(shí)際情況顯示：在設(shè)計(jì)壽期內(nèi)（或在比設(shè)計(jì)壽期更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)）廠址附近不發(fā)生強(qiáng)烈地震的設(shè)計(jì)預(yù)期并未實(shí)現(xiàn)，真實(shí)情況與之相反。1號(hào)機(jī)組獲準(zhǔn)延壽不過(guò)一年，就遭到地震（海嘯）的嚴(yán)重破壞，似乎也十分“出人意外”。由此可見(jiàn)，福島核電廠的設(shè)計(jì)（至少是抗震設(shè)計(jì)）和管理潛在風(fēng)險(xiǎn)很大，應(yīng)有待改進(jìn)。機(jī)組商業(yè)運(yùn)行后，通常每隔10年（如在中、法、俄、美等國(guó)）要求進(jìn)行一次全面細(xì)致的安全評(píng)估（包括抗震安全），對(duì)于機(jī)組延壽，更需要作詳細(xì)周到的審核。近年來(lái)，日本對(duì)廠址外部地震地質(zhì)條件的變化及變化趨勢(shì)的預(yù)測(cè)，已具備很強(qiáng)能力，但在福島核事故中似未見(jiàn)到預(yù)測(cè)、預(yù)警的作用，令人難以理解。如果預(yù)測(cè)廠址附近在未來(lái)10～20年中，可能發(fā)生里氏9級(jí)地震，則1號(hào)機(jī)組延壽計(jì)劃，估計(jì)不可能通過(guò)，而對(duì)尚在設(shè)計(jì)壽期內(nèi)運(yùn)行的機(jī)組，則應(yīng)部署相應(yīng)的事故防范和緩解措施。但實(shí)際情況，似乎并不是這樣。

表1 福島第一核電廠第1～6號(hào)機(jī)組概況Table 1 Overview of Unit 1～6 of Fukushima daiichi NPP

3) 日本國(guó)土面積狹小，據(jù)預(yù)測(cè)，未來(lái)許多地區(qū)發(fā)生強(qiáng)烈地震和巨大海嘯的趨勢(shì)還將惡化，在這種情況下，對(duì)核電廠抗震能力的要求是否應(yīng)該提高，提高到什么程度，核電成本過(guò)高的問(wèn)題怎么考慮，如果不要求提高抗震要求，遭遇類(lèi)似福島核事故的風(fēng)險(xiǎn)怎么對(duì)付，這些問(wèn)題將要求在規(guī)范修訂時(shí)給出明確回答。這些問(wèn)題不僅日本存在，其他國(guó)家也存在，只是程度不同而已。

1.2 機(jī)組延壽問(wèn)題

福島第一核電廠1號(hào)機(jī)組順利運(yùn)行40年（設(shè)計(jì)壽期屆滿）后，申請(qǐng)延長(zhǎng)壽期。報(bào)道稱(chēng)，申請(qǐng)順利通過(guò)，獲準(zhǔn)繼續(xù)運(yùn)行。審批通過(guò)后不過(guò)一年左右，就發(fā)生了福島核事故。人們對(duì)于審批程序是否嚴(yán)格周到，深表疑慮。

審批核電機(jī)組延長(zhǎng)壽期，是很復(fù)雜的工作。以福島第一核電廠1號(hào)機(jī)組為例。它要求申請(qǐng)方提供能夠反映部件、設(shè)備、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)當(dāng)前真實(shí)情況的完整、可信的數(shù)據(jù)（包括這些參數(shù)在40年中每隔5年或10年的變化過(guò)程）；要求收集離廠址近、中、遠(yuǎn)區(qū)域曾經(jīng)發(fā)生過(guò)的地震的歷史記錄；要求預(yù)測(cè)當(dāng)下震情以及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)；要求制定完備的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)所提供數(shù)據(jù)的測(cè)定方法和數(shù)據(jù)本身的可靠性進(jìn)行檢驗(yàn)，并指導(dǎo)按可信的方法求出結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)在強(qiáng)震（海嘯）下的安全裕度（見(jiàn)圖1）。

鑒于福島核事故發(fā)生以來(lái)，東電曾有數(shù)據(jù)漏報(bào)和數(shù)據(jù)失實(shí)的情況，人們不免懷疑，審批工作是否足夠認(rèn)真細(xì)致。如果確實(shí)進(jìn)行過(guò)嚴(yán)格審評(píng)，如果審評(píng)結(jié)果確實(shí)表明1號(hào)機(jī)組還可以成功運(yùn)行20年，那么1號(hào)機(jī)組在事故中的破壞也許不致如此嚴(yán)重。這個(gè)問(wèn)題，只能等待以后全面公布事故分析報(bào)告時(shí)再作分曉了。

2 反應(yīng)堆壓力容器裂縫問(wèn)題

據(jù)報(bào)道，在福島核事故中，有3座反應(yīng)堆堆芯熔化、熔融物質(zhì)熔穿壓力容器外逸，并有兩座反應(yīng)堆（1號(hào)和2號(hào)機(jī)組）壓力容器在地震中發(fā)生裂縫（數(shù)據(jù)在事故中測(cè)到，有待補(bǔ)充、核實(shí)）。

過(guò)去一直認(rèn)為，壓力容器的特點(diǎn)是“不可更換，在整個(gè)使用壽期內(nèi)絕對(duì)不允許破裂，反應(yīng)堆啟動(dòng)后對(duì)壓力容器不能再進(jìn)行充分檢查”[1]。如果報(bào)道屬實(shí)，則福島核事故提供了一個(gè)反例，它表明，反應(yīng)堆壓力容器的結(jié)構(gòu)完整性，在極端情況下是可能被破壞的?！霸谡麄€(gè)使用壽期中，絕對(duì)不允許破裂”不一定做得到。

反應(yīng)堆壓力容器裂縫，意味著一回路壓力邊界完整性的破壞，意味著防御放射性物質(zhì)外逸的一道重要屏障的喪失，是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。對(duì)于發(fā)生堆芯熔化的嚴(yán)重事故來(lái)說(shuō)，尤其如此。

福島核事故中反應(yīng)堆壓力容器裂縫的原因，目前還難以準(zhǔn)確判斷。根據(jù)為數(shù)不多的報(bào)道推測(cè)，容器材料在長(zhǎng)期中子輻照之后，韌度降低，可能是原因之一。如果確實(shí)如此，可從另一角度說(shuō)明，1號(hào)機(jī)組延壽審批中可能有考慮不周之處。

圖1 機(jī)組延壽審批順序示意Fig.1 Sketch of unit life extension approval

3 關(guān)于一址多堆的問(wèn)題

從經(jīng)濟(jì)性考慮，一址多機(jī)組無(wú)疑是很合理的。同一廠址建造多個(gè)機(jī)組，可以節(jié)省前期工程費(fèi)用和共用設(shè)施費(fèi)用，錯(cuò)開(kāi)各機(jī)組的施工日期，有利于勞動(dòng)力和施工機(jī)具的使用效率，并縮短建造周期[1]。目前，多數(shù)核電廠都做一址雙機(jī)組或4個(gè)機(jī)組的安排，估計(jì)可以減少投資15%～20%，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。因此，同一廠址布置的機(jī)組數(shù)目，有日益增多的趨勢(shì)。福島核事故從反面提供了一個(gè)“經(jīng)驗(yàn)”。由于1、2、3號(hào)機(jī)組受到破壞，使整個(gè)廠區(qū)陷入嚴(yán)重污染和秩序混亂的狀態(tài)。5、6號(hào)機(jī)組，雖然大體完好，亦很難維持正常運(yùn)行。據(jù)報(bào)道，第一核電廠1～6號(hào)機(jī)組很可能全部廢棄。如果采納6個(gè)機(jī)組全部報(bào)廢的計(jì)劃，則經(jīng)濟(jì)損失將十分巨大。在正常情況下一址多堆帶來(lái)的巨大經(jīng)濟(jì)利益和一址多堆在嚴(yán)重事故下可能蒙受的巨大經(jīng)濟(jì)損失之間，很難找到“平衡”，因?yàn)樗吘故且粋€(gè)帶有高度不確定性的概率問(wèn)題，而不是一個(gè)確定性的問(wèn)題。但對(duì)于像日本這樣國(guó)土面積很小、地震多發(fā)的高震級(jí)國(guó)家，這個(gè)問(wèn)題是應(yīng)該考慮的。一址多堆在重大事故下如何分區(qū)管理、分區(qū)救援，是很難處理的問(wèn)題，恐怕需要有新的設(shè)計(jì)思想、新的廠區(qū)布局。

4 結(jié)束語(yǔ)

1) 福島核事故是一場(chǎng)不幸的核災(zāi)難，損失慘重。同時(shí)，它也提出了一些在今后核電發(fā)展中有待討論和思考的問(wèn)題。例如，機(jī)組正式運(yùn)行后，對(duì)外部地震地質(zhì)條件的變化和發(fā)展進(jìn)行定時(shí)的、長(zhǎng)期的監(jiān)察、預(yù)測(cè)、分析、研究，就是對(duì)改進(jìn)和提高抗震安全大有好處的辦法。有些則是“老問(wèn)題遇到新情況”。例如，壓力容器鋼在長(zhǎng)期中子輻照以后韌性下降，本來(lái)是老問(wèn)題，但在異常強(qiáng)烈的地震作用和運(yùn)行40年后申請(qǐng)延壽的特殊情況下，就需要特別審慎了。

2) 主張大力發(fā)展核電的專(zhuān)家們認(rèn)為“核電是安全的”，對(duì)于廠址附近區(qū)域不可能發(fā)生異常強(qiáng)烈地震（海嘯）作用的情況，這是對(duì)的。但對(duì)于可能遭遇類(lèi)似福島核事故那樣極端情況的地區(qū)（如日本沿海），民眾擔(dān)心“核電風(fēng)險(xiǎn)太大”，也不無(wú)道理?？峙乱煌闆r，不同對(duì)待，不能一概而論。

3) 福島核事故后，日本大大加強(qiáng)了對(duì)東日本和西日本沿海許多地區(qū)地震地質(zhì)條件變化及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)測(cè)和研究，而且得到了很多成果。這種工作意義很大，是需要認(rèn)真學(xué)習(xí)的。

[1]連培生，編著.原子能工業(yè)[M].北京：原子能出版社，2002.（LIAN Pei-sheng.Atomic Energy Industry [M].Beijing: Atomic Energy Press,2002.）

[2]笠原慶一，著.防災(zāi)工程中的地震學(xué)[M].鄭斯華，等譯.北京：地震出版社，1992.（笠原慶一.Seismology in Disaster Prevention Project [M].Translated by ZHENG Si-hua et.al.Beijing:Seismological Press, 1992.）

[3]IAEA.Nuclear power reactor in the world，reference data series NO.2[R].Vienna 2004.

[4]周錫元，等著.場(chǎng)地 地震 設(shè)計(jì)地震[M].北京：地震出版社，1990.（ZHOU Xi-yuan, et.al.Site-Earthquake-Seismic Design [M].Beijing:Seismological Press, 1990.）

[5]А.Н.Бирбраев.Расчёт Конструкций на Сейсмостйкости[M].圣彼得堡：Наука出版社，1998.