杜铭海：“后福岛”时代，现代核电如何“解除”社会的担心？

“后福岛”时代，现代核电如何“解除”社会的担心？ 杜铭海退休核工程师，dumhai@126.com2011-10-24 9月底，福岛第一核电厂已把三台损坏机组的堆芯温度降到100℃以下，东京电力公司预计年底能实现冷停堆；准备清除4个乏燃料水池和3个反应堆内的核燃料，进入事故处理的中、长期阶段。9月30日，日本政府撤销了电厂周围20公里疏散区的禁令，撤离的5.9万居民中3万人已回到家中。尽管还有许多难题和风险，事故再度恶化的忧虑解除了，全世界核工业可以稍微舒口气了。 但是，福岛核事故后果严重，投下的阴影很长时间不会消失。社会各界对核电、特别是现代核电（即现在运行的核电机组）安全的忧虑长期存在，甚而发酵。核工业从未面对如此深刻的信任危机。“中国政府高层发展核电的态度以及社会公众对安全高效发展核电的信心因此受到了很大影响”(张国宝)。有些官员早就担心现代核电的安全风险，有的核专家出招主张对现代核电进行彻底改造。银行也在收紧银根，某些在建项目资金紧张……现代核电必须直面回答人民、政府官员、绿色和平人士，甚至核工业内部的“纠结”,才能顺利前行。 “后福岛”时代，核工业很难“彻底”解除社会各界人士、特别是政府官员对现代核电的忧虑，因为不存在统一的、有科学根据的、国内外一致认同的“先进”标准。美国核管会和核工业界在福岛核灾难后做了许多调查研究，核安全专责小组提出“凡涉及核电厂堆芯损坏以及放射性物质泄漏失控的事故，即使没有对公众健康造成显著的影响，从本质来说也是不可接受的”。这或许可作为核电在“后福岛”时代“存活”的条件和安全的衡量尺度。采取一切可能的防范和缓解措施，确保不发生堆芯损坏以及放射性物质泄漏失控的事故，应当成为世界核工业努力追求的核安全目标。 以此为方向，真诚面对社会公众对核电、特别是对现代核电安全的质疑，简单、明瞭地回答其可能性和现实性，或许是有益的尝试。 1.核电对“天灾人祸”有准备吗？ 答：有准备，但准备不够；有认识，但认识严重不足。对地震、海啸、洪水、飓风、龙卷风、飞射物、火灾、爆炸、冲击波、非法入侵、破坏等有设计标准和防范措施。但受认识水平的限制或误导，设防或准备都不足。特别是对某些事件、事件组合或次生灾害的严重性、多机组场址的相互影响，根本就没有想到。因此，曾认为多机组场址的机组不会同时进入“应急状态”，现在看来是错误的。福岛核事故是“天灾”对设防与准备不足的滨海核电厂冲击造成的多台机组严重损坏，环境后果相当严重。除少数先知先觉者外，绝大多数核能工作者没有足够的思想认识或技术准备。 2.福岛核事故是最严重的核事故吗？ 答：不是。可能有更严重的损坏和后果。美国核管会曾设想事态更严重和更大的疏散范围，致使日本前首相菅直人产生更严峻的事态想象，因而萌发“弃核”的思想。MIT、其它研究报告曾列出极端外部事件可能造成更严重的后果。 日本政府给IAEA的报告说“地震引起外部电源损坏，但已确认地震并没有对核安全重要系统、设备或构筑物造成损坏”。这个结论有待证实、或者永远也查不清了。4个乏燃料水池是否发生了泄漏，还存在争议。如有严重泄漏，现场辐射与环境释放会更严重。 3.福岛事故可以避免或者缓解吗？ 答：可以。如有“微小”的实体改进和适当的技术和物质准备，福岛事故最多是个三级事件。从环境后果看，或许可“忽略不计”。我曾在《福岛核事故的“根本”教训》（中国能源网，2011/04/15）谈到，靠“淹没”堆芯的水“蒸发”排出余热的概念。现在，全世界核工业都在探讨堆芯“充水-排汽”、从根本上确保安全的战略： －微小的实体改进：● 电厂所有建筑物的进出口和地面层的门窗增设防水密封；● 电厂所有建筑物的进/出电缆管沟、工艺管沟进行防水隔离处理；● 现场地面上的水箱/油箱采取固定措施。 －最低物质准备：● 重型推土机● 消防车（喷嘴容量：70吨/小时,2.0MPa）● 油罐车(给消防车供燃油)● 消防水龙带、连接管● 电瓶车（移动式直流电源）● 矿工安全帽（带电池照明灯）● 其它常用物质与工具…… －初始响应行动:● 推土机疏通厂区通道；● 用电瓶车直流电源打开反应堆压力容器自动降压电磁安全阀（数个）向环境排汽；● 用消防车、水龙带连接反应堆压力容器注水系统的接管，给压力容器充水（确保供水流量70吨/小时），坚持连续运行12小时以上。（现场有各种水源，经培训、演习，2小时内可准备完毕。） －基本原理：“充水-排汽”，利用水汽化（蒸发）导出堆芯余热，保证反应堆第一道屏障（燃料包壳）的完整性，避免堆芯放射性不可控地释放。进而降压降温，使反应堆尽快进入“冷停堆”状态：● 海啸保持现场淹没的时间很短，很快就可消退（“湿场址”除外）。● 沸水堆有可靠的非能动余热导出系统和足够的存水，2小时内，堆芯温度不会导致水-燃料锆包壳化学反应，危及燃料包壳的密封性。● 停堆2小时，堆芯余热不到满功率的1.0%，产汽量不到70吨/小时。现场有足够的水源（无需含硼水），能坚持12小时。（堆芯余热随时间呈指数关系减少。坚持运行的时间越长，堆芯温度越低，越安全）。● 2小时内有可能完成现场通道清理、消防车进入现场适当位置、接通水源和注水等操作（假如设施就在现场附近高处或现场防水密封厂房内，可通过现场培训、演习证明）。● 堆芯充水-排汽，耗水量最少，蒸汽排入大气，是最可靠的“热阱”。● 排汽的放射性水平约为主冷却剂的1/100,主要放射性核素是活化产物，毒性不高，与燃料包壳熔化的不可控释放相比，对环境影响可忽略不计（仍需使用环境影响模型和程序估算释放的影响）。● 坚持“充水-排汽”12小时是“初始响应行动”，为电厂应急响应指挥组织转入后续响应（“冷停堆”）赢得宝贵时间。因现场没有强烈的辐射，一切后续准备都比较容易实施。 －现场试验：据《国际核工程》（10月13日）报道，12日福岛第一核电厂现场消防队进行了应急冷却注水演习。用消防车、水龙带从300米外海水进水口取水，约3小时内就能重新开始给1-3#机组注水：● 注海水，水源可靠，但距离稍远，准备就绪时间稍长。● 如有更近的水源，准备时间有可能控制在2小时内。● 因停堆到现场失去可靠交流电源历时～1小时内堆芯余热正常排出；沸水堆有蓄电池电源，非能动的堆芯隔离冷却系统可靠运行，延时3小时实现“充水-排汽”仍有可能保证燃料包壳的完整性。 http://s7.sinaimg.cn/middle/94328698gb00b9417f316&690福岛消防队员在注海水演习中展开水龙带 4.国内现在运行的压水堆机组面对福岛类似的威胁，能避免或缓解严重后果吗？ 答：完全可能。基本原理和行动步骤可与沸水堆完全相同。但充水-排汽点不同，排汽进入安全壳。幸运的是，中国的M310型压水堆设计，安全壳留有安装排汽过滤系统的余地，排汽仍可进入环境大气，而且可使排出蒸汽的放射性水平更低（1/500）。 如果第二道屏障（主回路系统）完整，采用蒸汽发生器（SG）充水-排汽（充水量40吨/小时），行动更简单。用管钳打开主蒸汽管道上的大气释放阀，排出的蒸汽不含任何放射性。 5.“充水-排汽”能避免或缓解“内部”事件的严重后果吗？ 答：有待详细分析研究，很有可能。例如三里岛事故，完全可以“如法炮制”。只要在2小时内给蒸汽发生器“充水-排汽”，就没事了。 三里岛事故发生在核电发展初期（79年），缺少运行、异常事件处理经验，判断、操作失误。关键失误是停堆后系统正常反应（主回路降压，安注系统正常投入）期间停止安注箱“安注”（非能动响应），导致燃料包壳温度升高，致使锆包壳与蒸汽发生反应，释放出大量热能和爆炸性氢气。蒸汽-锆包壳氧化是放热反应，发热量超过堆芯余热。恶性循环，导致堆芯熔化。 三里岛事故后分析确认：压水堆事故停堆后系统正常响应、降压，2小时内堆芯温度不致使包壳材料与蒸汽发生化学反应，释放额外的热量和氢气。 6.福岛事故的根本教训是什么？ 答：狭义地说，没有思想和技术准备，错过了最佳响应时机。 就轻水堆严重（超设计基准）事故而言，确保不发生堆芯损坏以及放射性物质泄漏失控事故的关键是确保第一道屏障的完整性：－立即停堆，停止链式核反应，使堆芯进入并保持深度次临界；－主回路降压、降温，排出堆芯剩余发热；－在2小时内，采用一切措施，继续排出堆芯剩余发热，确保燃料包壳温度不致使包壳材料与蒸汽发生化学反应。 在可以想像、最困难的情景下，满足上述要求的手段因事故初因不同而不同，无法详细列举。每个电厂都可以有一个电厂特征的初始响应内/外部战略清单，但最简捷、直接、切实可行的办法是独立的外部战略：在2小时内实现堆芯连续“充水-排汽”12小时以上，直至恢复余热排出系统正常运行，进入稳定的“冷停堆”状态。 广义地讲，核电安全设计的基础理念—“纵深防御”哲学有缺陷，概率论方法学有误导，使轻水堆安全设计思维面临困境，难以应对。 美国核管会核安全专责小组的报告认为：现行核安全监管体系建立在“纵深防御”哲学基础上，应对严重事故的体系是个“拼凑体”。发现哪儿有漏洞或薄弱环节，采取“打补丁”办法。福岛核事故的普遍意义在于从外部挑战“纵深防御”哲学，使之面对广泛的极端严重事件谱，没有普遍有效的“补丁”。●天灾、人祸与人为活动事件是客观现实，不以人的意志为转移。对此，核电设计应当是确定论的，概率论只是个工具；●大多数外部事件直接挑战“纵深防御”哲学，使“防御”战略“防不胜防”，在潜在的、全范围的、各种各样的损坏状态下，确认的响应能力不能保证成功；●科学技术的发展和现实证明，某些“天灾人祸”的发生概率被严重低估了。采用新的、固定式硬件“防御”，代价高昂，性能价值没有保证，而且因造成损坏的情景变化，很容易使之“有和没有一样”。 在这种情况下，应当广开思路，转变思想观念和思维定势。最容易想到的是用“疏导”方式化解僵局。以确定论为基础，以概率论为工具，“防御”和“疏导”（或称“缓解”）相结合，更侧重“疏导”，以不变（或微调）应万变，或许是应对各种极端挑战的切实可行的战略。 这种思维不是书斋里研究的成果。美国核工业界和核管会对9.11事件产生联想，进行了广泛分析和研究，取得共识。福岛事故后，全世界核工业都在重复类似的分析，得出了相同的结论。 上述分析仅适用于轻水堆。就极端外部事件（特别是“人祸”）而言，还预示下一代核能系统不可能取消“场外应急”，也没有所谓的“傻瓜堆”。从防止“堆芯损坏以及放射性物质泄漏失控的事故”角度看问题，“第四代核能论坛”选定的六个候选系统最有希望的是铅冷快堆和熔盐堆，特别是熔盐堆。 7.开发内陆核电是必然趋势，应加快制定其“核安全及环境保护具体要求” 答：内陆地区更需要核电，但没有必要另行制定“核安全及环境保护具体要求”。 首先，沿海经济发达地区和老工业区污染非常严重，需要核电的“理由”自明。内陆地区、特别是“天府之国”四川和重庆地区，污染已相当严重；某些地区环境条件相当脆弱，即使有煤炭，也不适宜建造更多“火电”，“理由”是不能走“先污染、后治理”的老路，代价太高。所以，“先沿海、后内陆”有违“地区公平”之嫌。 http://s9.sinaimg.cn/middle/94328698gb00b98775db8&690美国国家航空航天局描述全球空气颗粒物污染情况的新地图 其次，任何一个核电厂都有其“特定”的地理位置和环境条件（如大气扩散条件、废液排放考虑等）约束，但都必须满足统一的“核安全及环境保护具体要求”。对内陆场址“另行制定”超规范、苛刻的要求，没有科学根据，也加重了地方的经济负担。这种“提法”或“特色”，以不要为好。因为全世界都没有这种“提法”。第三，核电既是举世公认的“清洁能源”，如可“确保不发生堆芯损坏以及放射性物质泄漏失控事故控事故”，再“妖魔化”核电，提出“一滴也不能排”，岂只“有失公平”？那会使内陆地区永远也用不上清洁的核电。 这次日本现代史上最严重地震和海啸，直接夺去2万多人的生命；但次生灾害即福岛核事故对“电厂工作人员和普通居民的健康风险可忽略不计”，实际上无死亡。类似的情况还可想联想“积极发展水电”的环境和天灾威胁（如75年板桥水库垮坝事件的教训）。环保与能源管理者决策时，应当慎重而又理性。 8.全世界广泛关心发燃料水池和储存安全问题 答：相对极端外部事件，乏燃料水池安全是第二位的。因为水池结构简单，设计安全标准高，乏燃料释热量小，只要不发生大泄漏，问题不大。因此，只要水池有可靠的仪表，事故初期关注水位指示变化或现场核实水位，及时补水，就没有很大威胁。但如水池发生大泄漏，问题可能很严重。美国人对此特别重视，采用外部补水战略，提出的补水容量也很大（5小时内开始，至少以100吨/小时的流量连续补水）。我认为，应对乏燃料水池泄漏，关键是早发现、尽快进行封堵，减少或停止泄漏。现场就有可用的材料（木材、钢板、胶合板、防水密封剂、膨胀插塞等），无需特殊准备。 乏燃料长期储存安全问题不大。电厂、地区中心水池或干桶储存100年，不会因锆包壳腐蚀问题产生放射性泄漏，但尽可能早地转入地区中心水池或干桶储存更可取。因技术、安全、核扩散担心以及最终处置核废物形态要求，后处理问题既敏感又复杂，美国蓝带委员会也没提出什么新招，我们更不必紧张。密切跟踪国外技术进展、适当安排科学研究是明智的决策。 9.很多人说中国核电“大跃进”；外国人说“飞快”发展 答：“善良”的担心有道理；对别人的赞扬，头脑要“清醒”。福岛事故前，中国有个规划良好的核电发展思路，尽管不同利益集团之间有点“纠结”，但整个事业发展蓬蓬勃勃。政府对福岛事故的反应是“警惕”，认真考虑社会对核安全的担心；所幸反应不“过当”，在建核电机组的进度没有受影响，这是很好的现实。反观全世界，美国的反映最“淡定”，一切照旧。70年代开工后停建的机组，业主提出申请续建，核管会照常批准，因为有稳定的政策；AP1000设计与建造申请，尽管压力很大，核管会仍然不放过任何疑点，西屋公司必须老老实实提供依据并进行修正。或许年底有可能通过审评，一切按照法定程序进行，个别人无法施加影响。这种制度性的优势值得国家政策研究部门认真“研究”。我理解善“良人”的担心，但不赞成“大跃进”的说法。因为国家有经济实力和大量外汇储备，有现成的M310设计和工程建设经验，有引进、在建的AP1000项目，少一点“折腾”（所谓的“改革”或“创新”），别人70-80年代能办成的事，（每年建成10台百万千瓦压水堆核电机组），现在我们也应能办到。搞核电的追求很简单，就是多建点核电，少挖点煤炭，使环境污染轻点，矿难死亡少点，寒冷的冬天普通老百姓能用电取暖、看电视。我认为当前核电建造，最关键的还是体制问题：政府部门各司其职，不擅权、越权、颠倒或错位；德高望重的核电专家和顾问们，也请立足民族和国家的利益提供咨询意见，不必揣摩“长官”意志或顾虑“不换思想就换人”的压力。 中国大力发展核电，获得世界许多国家和友人赞赏。别人说句“好话”，不能飘飘然，忘乎所以；或许隐含善意地提醒，更值得警惕；即使是“当头棒喝”，也不必“火冒三丈”，说我们“历来”怎样、“一贯”如何。要鼓实劲，不要鼓虚劲。把设备质量做好，把国内的核电项目做好，比什么样的“豪言壮语”都强。应当牢记：核电是“舶来品”，我们的基础、科研、工程技术实践和经验与国际先进水平还有很大差距。老老实实做“学生”，没有什么不好。这是科学态度，但愿永远不要改变。 结论 －核电和其它任何能源技术一样，没有“绝对”安全；核电安全性一直在不断改进、提高，不存在法定的“最先进的标准”。－“后福岛”时代，“不发生堆芯损坏以及放射性物质泄漏失控事故”，或许应当成为核工业界追求的新的核安全目标。－现代轻水堆核电机组的安全是有保证的。适应新情况、新要求，实现“不发生堆芯损坏以及放射性物质泄漏失控事故”安全目标，无需按照某种模式做重大硬件改造。参照国际上通行的实践和经验，少量修改、调整和采购是必要的，大量的是软件改进，已经有成熟或新提出的改进范例。－轻水堆还有几十年发展的生命力，继续研究改进轻水堆技术（如耐高温的包壳材料和新型燃料）是方向。下一代核能系统还处于开发期，技术上还没有获得突破，新冷却剂（如铅、熔盐，）研究是方向。 纯属个人观点，与任何组织或个人无关。欢迎转载、批评和指正。 注释： 1.USNRC，Recommendations for Enhancing Reactor Safty in the 21st Century，THE NEAR-TERM TASK FORCE REVIEW OF INSIGHTS FROM THE FUKUSHIMA DAI-ICHI ACCIDENT，JULY 12, 2011.2.NEI, Drill confirms three-hour time delay for seawater injection, 13 October 20113.US NEI, B.S.b Phase 2 & 3 Submittal Guideline, NE106-12, Revision 2, December 2006。文中对PWR列出7个缓解战略；对沸水堆列出10个缓解战略。4.SLOVENIA, SLOVENIAN NATIONAL REPORT ON NUCLEAR STRESS TESTS Progress Report, September 2011。该国只有一台美国西屋建造的压水堆，即科尔思考核电厂。国家的应力测试后提出缓解战略就是一台压水堆机组的缓解战略。此文对我国核电厂开展工作有较高的参考价值，特别是移动式设备采购清单。5．NASA 发布全球空气质量地图 东亚空气污染严重，http://www.sina.com.cn 2010年09月27日14:03，新浪环保。6.J. Buongiorno, R. Ballinger, M. Driscoll, B. Forget, C. Forsberg, M. Golay, M. Kazimi, N. Todreas, J. Yanch，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. 文中有一段说：“所有工程构筑物（如电厂、桥梁、摩天大楼、水坝、高速公路）如经受的负荷远远超过它们的设计，都会损坏。福岛县内一个灌溉水坝在地震袭击下发生灾难性损坏，但媒体几乎没有报道。出现这样的损坏怎么能说水电是安全的？含有很高环境危险的能源工业构筑物如钻井平台、煤矿和水坝的设计基准选择与核电设计一致吗？不然的话，作为一个社会，我们能盲目地赞同某些工艺技术比其它技术有更高的风险吗？”7.钱钢,［往事］1975年驻马店水库溃坝事件,南方周末,2005年8月25日第1124期