福岛核事故历程及教训

福岛核事故及启示
摘要：本文详细叙述了2011年日本福岛第一核电站所发生的七级核事故，并分析了该次事件对日本及国际造成的影响，从技术、政府政策、民众素质等层面提出了福岛危机带给我国的经验教训。

关键字：福岛第一核电站；事件过程；核辐射；经验教训
0前言
2011年3月11日下午，在日本福岛第一核电站发生7级核事故。

事故起因于日本东部海域发生的里氏9.0级地震及引发海啸，导致位于本州岛东部沿海的福岛第一核电站停堆，并因断电导致若干机组发生失水冷却事故，继而多处反应堆厂房被摧毁，大量放射性物质释放到大气。

在为这次核电重大事故惋惜的同时，我们更应该重视这次事故带来的教训。

能源危机越来越严重的当下因噎废食是不现实的，要借此机会充分认识到核电发展在各方面存在的隐患，进而依靠科技的力量去避免或改进才为良策。

1福岛第一核电站概述
福岛第一核电站位于日本福岛县双叶郡大熊町沿海。

因日本地处环太平洋地震带上，发生高强度地震的频次相对较高，伴生海啸发生的几率很大。

但是因日本土地资源稀少，又考虑到海水冷却的便利性，迫使其只能把核电站设立在相对安全的沿海地区。

福岛第一核电站有六台机组，设置在在同一厂址，均为沸水堆，属于东京电力公司，其具体运行参数见表1。

水堆来说多了一道屏障。

在事故工况下，放射性物质外释的概率更低。

图11至5号机使用的典型沸水反应堆马克1号围阻体截面图
1：堆芯与燃料棒，5：乏燃料池，8：压力槽，11：干井，18：水（湿井），24：抑压池
（湿井在围阻体底部形成一个环形槽）
从安全壳的设计角度看，福岛核电厂安全壳为双层安全壳，内层安全壳为钢安全壳，外层为非预应力钢筋混凝土安全壳，钢制安全壳的内部总容积仅数千立方米，事故情况下，一旦反应堆内释放出高温高压介质时，其升温升压进程会较快，短时间内即可能达到其设计的承压极限，导致安全壳内放射性物质向环境释放的可能性加大，由此可以看出，其在事故期间对放射性物质的包容性相对较弱。

而非预应力钢筋混凝土结构的外层安全壳，承载能力相对较差，与先进压水堆的钢筋预应力混凝土安全壳相比，在事故情况下，其失效风险相对较高。

从安全设计角度来看，福岛沸水堆对外部电源有很强的依赖性。

其在丧失全部交流电后，不得不依靠堆芯隔离冷却系统（RCICS）来实现堆芯冷却和堆芯注水。

这个系统最重要的动力源是需要蒸汽驱动汽轮机，带动一个水泵。

蒸汽在堆芯产生，经过顶部的汽水分离器，进入主蒸汽管线，然后驱动这个汽轮机，带动水泵，把上方的冷凝水箱的水注入到堆芯中，以此达到堆芯冷却的目的。

此外，福岛第一核电站消氢装置的设置也不尽合理。

作为60年代的标准设计，福岛核电厂针对严重事故工况下反应堆可能释放出的氢气，未安装相应的氢气浓度探测装置和消氢装置。

因此，在本次事故进程中，造成一、二、三号机组最终因为氢气浓度不断增加而发生氢爆，破坏了包容放射性物质的最后一道屏障。

2事故过程
2011年3月11日下午13时46分日本仙台外海发生里氏9.0级地震。

地震时，福岛第一核电站一号、二号、三号机组处于正常运行状态，四号、五号、六号机组处于停堆换料
大修中。

地震发生后，控制棒上插，反应堆安全停堆。

停堆后堆芯热功率在几分钟内由正常的1400兆瓦下降到只剩余热，但仍有约4%的热量，功率持续下降，但下降速度变慢。

为保证堆芯冷却防止超压，工作人员计划由安注系统向堆芯补水。

但地震摧毁了电网，厂外电源不可用后启动应急柴油机，向堆芯内注入清水（非含硼水）。

大约一小时后，海啸袭击，导致柴油机房被淹，15时41分一号和二号机组的应急柴油机宣布不可用。

此后只有容量较小的蓄电池，在事故后8小时内为压力容器的冷却做了一定贡献，但仍未阻止一、二、三号堆芯冷却失效。

日本自卫队紧急运送更多备用发电机到福岛第一核电站，此时才发现柴油发电机的接口和核电站的接口不兼容，堆芯冷却暂时停止。

[1]一号机事故过程
2.1
2.1一号机事故过程
由于冷却系统故障，日本政府于11日16时36分宣布进入“核能紧急事态”。

稍后，由于一号机组的反应堆水位监测功能恢复正常，警戒状态得以解除，但是在17时07分又重回警戒状态。

3月12日清早，东京电力公司报告，多处移动探测车测到了正在升高的放射性碘和铯，汽轮机房的辐射强度正在升高，公司开始考虑卸压，排放含放射性物质的热气进入大气层。

上午，一号反应堆内部压强是“设计容量”的三倍。

安全壳内部越来越高的温度可能引起压强的增高，而冷却水泵和促使热气通过热交换器的风扇都必须依赖可靠的电源。

为了保住压力容器，操作员必须要卸压，防止压力容器超压爆炸。

13时30分，一号机组附近探测到放射性铯-137和碘-131，这意味着堆芯已经暴露于空气，从而发生部分堆芯熔毁或核燃料棒护套损毁。

此时压力容器内的温度约为550摄氏度，堆芯已经裸露并产生大量氢气，故含有氢气的蒸汽，通过卸压水箱简单的降温和过滤就被排放到厂房大气中。

3月12日15时36分，一号机发生氢气爆炸。

四名员工因此受伤。

反应堆厂房的屋顶及外墙的上半部分被炸毁，只剩下钢结构。

政府官员表示，反应堆的安全壳仍旧无损，并没有发生大规模放射性物质外泄。

20时05分，按照《核能管控法》和首相菅直人的指示，日本政府命令向一号机内注入海水，尽力冷却反应堆可能会熔毁的堆芯。

21时，东京电力公司发表，已经在20时20分开始将海水注入于反应堆，准备稍后用硼酸为中子吸收剂注入于反应堆，希望这动作可以促使避免发生“临界事故”。

23时，东京电力公司发表声明，由于在22时15分又发生地震，暂时停止注入海水，稍后又重新启动。

在3月13日11时55分，操作人员开始通过灭火系统将海水注入一、三号机围阻体。

在3月14日1时10分，由于所有储水池内的海水都已用尽，只好暂时停止注入海水。

3时20分又恢复水源供应。

3月14日5时，核电站附近的辐射剂量率测量大约为0.038微希沃特每小时，15时进一步降为0.035微希沃特每小时。

二号机事故过程
2.2
2.2二号机事故过程
3月14日13时25分，2号机的冷却功能停止。

此时，冷却水水位正在降低，2号机的4米长核燃料棒已经完全暴露约140分钟之久，直到20时07分，核燃料棒仍旧有3.7米暴露在外，有堆芯熔毁的可能性。

此后工作人员成功地将海水注入反应堆，覆盖了核燃料棒下半段但是上半段仍旧暴露在外。

21时37分，东京电力公司报告，在核电站大门测量到的最高辐射剂量率3130微希沃特每小时。

在22时35分，辐射剂量率降低至326微希沃特每小时。

大约在23时整，4米长的燃料棒又第二次完全暴露。

东京电力公司发表，3号机的氢气爆炸可能引起2号机冷却系统发生故障，因为用来冷却2号机的五个水泵之中，在3号机爆炸之后，其中四个已失效，剩下的一个水泵也短暂的停止工作。

由于压力槽的一个气流流量计不小心被关掉，造成压力槽内部的压强升高，海水不能正常注入，造成燃料棒完全暴露。

为了补充海水，工作人员必须先开启一个气阀，降低压力槽内部的压强。

在3月15日4时11分，气阀开启成功，又可以将海水注入反应堆。

3月15日6时10分，2号机传出爆炸声。

爆炸可能损坏了压力槽下方的抑压系统。

核电厂内800名工作人员中，不必要人员都开始撤离，只留下50人员敢死队，称为福岛50勇士，继续冷却工作。

在爆炸之前辐射等效剂量率大约为73微希沃特每小时，在爆炸两个小时之后，等效剂量率很快就升高至8217微希沃特每小时。

爆炸发生3小时之后，继续提高至11900微希沃特每小时，冷去失败。

3月18日，东电公司指出，核电站在地震后处于停电状态，应急发电机也因海啸而出现故障无法使用，一、二、三号机组的核反应堆已无法冷却，如要恢复冷却功能，必须先修复外来电源。

该公司在3月17日之前，已铺设了向二号机组输电用的新的电缆，并在3月18日进行发电站内部进行接续作业。

这项作业首先在设备损坏程度较轻的二号机组进行，并希望18日晚上就能恢复输电以启动冷却装置。

三号机事故过程
2.3
2.3三号机事故过程
3月13日清早，新闻发布会报告三号机的紧急冷却系统也已失效。

5时38分，由于失去电力，无法将冷却水注入反应炉。

工作人员开始修复电源，降低气压。

混合氧化燃料棒一度曾经有3米暴露在外，没有被冷却水遮掩。

原子力安全保安院的官员表示，水位计显示水位升高至只覆盖了燃料棒2米的位置，这是非常严重状况，很可能燃料棒会遭受损坏。

其它计表的读数与这数据有差别，可能水计表也发生故障。

7时30分，东京电力公司开始准备外释放射性蒸气，技工用手操作，缓慢开启气阀，降低压力槽内的压强。

9时20分，顺利完成整个程序。

9时25分，开始通过消防泵将含有硼酸的水注入压力槽。

13时12分，由于水位继续降低，压强不断升高，所以决定改使用海水。

15时整，东京电力公司表示，虽然注入大量海水，反应炉内的水位并没有升高，辐射量反而增加。

3月14日1时10分，由于储水池的海水完全罄尽，海水注入作业暂时停止。

3时20分，水源恢复，继续注入海水。

上午11时01分，三号机也导致氢气爆炸，造成7人受伤、11人下落不明，但核装置保护设施尚未受损。

3月16日上午，有消息传出四号机因过热冒出白烟，其后证实三号机组因“耗乏燃料池”无法冷却，水分蒸发成水蒸气，从而形成了白烟并发生火警，厂房内辐射水平一度急升，全部工作人员撤离，其后辐射水平稍为回落。

随后政府官员表示，三号机组的安全壳部分可能受损，放射性物质可能随蒸气向外扩散，正计划向核电厂注入硼酸，减低核裂变速度。

同日下午，日本仙台市内霞目驻地的陆上自卫队第1直升机团曾尝试用直升机吊运大型盛水容器，将水注入三号机组内以作降温，但未能成功。

3月17日上午9时48分，9时52分，10时00分，三架航空自卫队CH-47直升机分别实施了三次人工降水（每架飞机载水7.5吨），可是效果不佳。

3月18日，当局再次向受损的三号机组注水降温。

经过陆空两路的灌水工作，核电厂周围的辐射水平在当天轻微回落，并在远处可见水蒸气从反应堆厂房升起。

自此，三号机组情形逐步缓解。

2.4四、五、六号机组事故过程
3月11号大地震发生时，四号机组因定期维修正处于关机状态。

此时所有的燃料棒都被搬运到位于建筑物最上层的乏燃料水池，以冷却乏燃料衰变热。

3月14日乏燃料池的水温上升到84℃，比正常水温高出近60℃。

3月15日6时，因氢气积累导致乏燃料池附近发生爆炸，损坏了四号机的屋顶和三号机的部分建筑。

9时40分，乏燃料池着火，导致外层建筑物崩落，乏燃料外释，造成放射性污染。

12时整，员工将大火扑灭。

3月16日5时45分，四号机二次起火，外壁两次破洞，大火三十分钟后熄灭。

但此时四号建筑物的大半外墙已经倒塌，公司决定开始用直升机向四号机喷洒硼酸。

3月16日，五号及六号反应堆出现温度微升，工作人员灌水进入这两座反应堆中，以冷却降温。

3月18日日本原子力安全保安院指出五号及六号反应堆电力供应中，确认过核
燃料池已注满水。

3月19日日本原子力安全保安院指出六号机两台紧急柴油发电机启动并提供电力给五号机过核燃料冷却系统，冷却系统正常运行。

3事故后果
日本福岛核事故发生后，多次爆炸和泄压过程造成了大范围的核辐射污染，大面积的隔离区使数万计的居民背井离乡，家园何时重建，孩子何时上学，电力何时恢复，核辐射是否影响健康都是未知数。

现如今地震已经过了九个月，从长远来看，这场不幸的天灾引发的诸多人祸事故，究竟对日本带来哪些深远影响？
核辐射对环境的影响
3.1
3.1核辐射对环境的影响
事故当时，一、三、二号机组相继爆炸，四号机组厂房轻微破损，使得放射性物质释放到大气中去。

3月19日在这四台机组边界西门放射性剂量率为0.3131mSv/h,北门为0.2972mSv/h；IAEA持续监测，3月20日21点，辐射监测仪表测量的数据显示，福岛第一核电厂西门放射性剂量率为269.5μSv/h、服务厂房北部数据3054.0μSv/h；3月21日22：00,辐射监测仪表测量的数据显示西门放射性剂量率为269.5μSv/h,北门为2019.0μSv/h。

由图2可以清晰看出12日到20日日本上空辐射量的变化。

图23月12日—20日日本部分地区辐射计量的变化
事故初期，由于机组事故状态没有得到有效控制，堆芯损坏程度不断加剧，放射性物质持续排放，导致福岛核电厂附近居民的应急撤离半径逐步扩大，从开始的撤离半径3km到后来的10km，最后扩大到20km,同时要求居住在20-30km范围内的居民留守室内，避免过量的放射性物质吸入以及沉降污染。

在事故发生后，东京电力公司一直努力采取各种补救措施，以抑制堆芯的劣化，并减少放射性物质的排放。

但是环境放射性水平监测证实福岛第一核电厂存在大量的放射性泄漏，环境放射性指标持续升高，尤其是邻近海域测出大量放射性核素。

核辐射对人体健康造成的危害是难以估计的。

以当年的切尔诺贝利事件为例，当时数以千计的儿童食用受污染的牛奶后患上了甲状腺癌；此后几十年很多畸形胎儿出生；乌克兰和白俄罗斯至少拨出十亿美元用于对死伤者的赔偿、救治和护理。

从人文的角度分析，核辐射对日本民众造成的损失是惨重的。

核辐射对海洋生物也有巨大影响。

几千吨的核污染废水排入太平洋虽然不能造成海洋生物直接死亡，但一些半衰期较长的放射性同位素会在食物链中积聚起来，有可能导致鱼类和海洋哺乳动物群体数量死亡率上升的问题。

[2]生态系统及生物圈的不确定因素也导致我们无法正确估计其影响力，但是毫无疑问，大自然会再次对这次核事故做出超出
科学家和生态学家预估的反应。

对经济的影响
3.2对经济的影响
3.2
首先，核泄漏给日本农牧渔业带来的打击是致命的。

福岛事故后，日本不少地方相继检测到了放射性的碘、铯、氢、氙、氪等元素，放射性污染使得当地牛奶、新鲜蔬菜，如菠菜、春葱等的放射性剂量已经超过日本相关部门规定的食入限值。

同时，东京电力公司还排放了9000吨核污染的废水进入大海。

经过核污染的辐射，海洋生物都受到很大影响，对日本的渔民起到了很大的冲击作用，日本的餐饮业也会遭受到深远的影响。

核污水入海甚至会对邻近国家如韩国中国近海的渔业产生一定消极作用。

其次，地震和福岛核事故间接导致了日本汽车、电子行业的萎缩。

一方面，核电站爆炸将长期导致日本电力供应不足，工厂停产将导致日本产业特别是重工业生产的延滞。

[3]另一方面，日本掌握着汽车零部件、电子产品中高端零件的生产，大地震将迫使全球众多合资厂商面临缺货困境而不得不停产一年两年，没有替补产品的情况下很有可能导致其市场份额缩水。

4事故原因及经验教训
技术问题
4.1技术问题
4.1
核电站选址
4.1.1核电站选址
4.1.1
福岛核事故带给我们最直观的印象就是不要把核电站建在可能引发海啸或其他地质灾害的地方。

核电站的选址手册上清楚地写着“厂址的自然条件必须满足核电厂选址的技术要求，应尽可能的避免或减少自然灾害（如地震、洪水及灾害性自然条件）造成的后果，并应有利于排出的放射性物质在环境中稀释。

”然而原则性的东西说起来简单，实践却很困难。

首先，如何能准确预言灾害在目前来说就是一个还未攻克的难题。

和前苏联相比，日本整个国家地形狭小，且处于地震带，所以即使发生了大规模核电事故也不可能像切尔诺贝利事件一样划出近30公里的无人地带，故核电站的选址务必慎重。

[4]表面上，福岛第一核电站在选址时对特大自然灾害的综合评估不足是导致此次灾难的直接原因。

福岛核电站的抗震性能是符合要求的，是更加不可预期的海啸导致冷却系统失灵，进一步引发核危机。

4.1.2
应急策略不完善
4.1.2应急策略不完善
压水堆和沸水堆一个比较显著的差别就是压水堆一回路中流过的是硼酸溶液，而沸水堆一回路中流过的是清水。

所以一旦往沸水堆中注入降温效果更好的硼酸溶液，会给反应堆的运行带来负影响，一般反应堆就变得不可再次利用。

地震发生后操作人员开始通过安注系统向反应堆内注水，虽然有机会，但是直到爆炸发生也没有向堆芯内注入硼水。

一方面东京电力公司不希望反应堆就此报废，一方面是对反应堆的承受能力抱有侥幸心理。

客观的说，操作人员在最大限度的保护反应堆，但是没有最大限度地保护公众的安全。

有媒体说这次事故是东京电力公司见利忘义的人祸，从这个角度讲，不无道理。

安全应对策略缺陷
4.1.3安全应对策略缺陷
4.1.3
在核安全故障分析中，研究人员一般会把一些概率很低的事件忽略不计。

而福岛经验告诉我们，有些被忽略的事情可能恰好同时发生了。

福岛核事故是特大地震、特大海啸、全厂断电、应急柴油机损毁、辅助给水系统瘫痪等一系列小概率事件同时发生造成的。

正常情况下，核电站有一套完善的安全运行系统。

其次序为：停堆→柴油机组启动，向应急冷却系统供电→柴油机组失效时，蓄电池向应急冷却系统供电→柴油机
组失效且蓄电池失效时，运来的柴油机组，向蓄电池充电。

但在福岛核电站柴油机组失效，不得不使用“蓄电池向应急冷却系统供电”时，工作人员才发现，由于接口不匹配，柴油机组无法接上。

[5]8小时后，蓄电池电能储备耗尽而得不到补充，而导致整个应急冷却系统停止，随后反应堆的热量蓄积导致了堆芯融化。

从概率统计的角度来讲，这些小概率事件同时发生的概率是极其微小的，但是一旦发生造成的后果却相当严重，甚至超过人们的评估能力。

更复杂的系统不代表更高的安全系数。

为此，科学家开始设计开发非能动的反应堆，如当前更容易被认可的AP1000技术。

核安全专家更应该着重于在保障其安全的同时尽量简化过程的复杂性。

从概率学的角度来看，每增加一个设备，安全系数就要乘上一个小于1的系数，导致安全系统呈负增长趋势。

东京电力公司掩盖问题，管理不善
4.1.4东京电力公司掩盖问题，管理不善
4.1.4
管理对任何企业来讲都是一个极复杂又不容易控制的难题。

核电站倾向于隐瞒小型事故，因为事故曝光很有可能导致核电站停用，引起社会恐慌，反核人员抗议，甚至政治不稳定。

在处理这次重大事故时，东京电力公司并未高效妥当地处理问题，其罪过主要有三。

东京电力公司曾多次反应堆隐瞒事故，篡改数据，隐瞒安全隐患。

其中，福岛第一核电站1号机组，反应堆主蒸汽管流量计测得的数据曾在1979年至1998年间先后28次被篡改。

这种不负责任的行为是其罪过之一。

福岛核电站由六台机组组成，其中一号机组服役40年，已经出现许多老化的迹象，包括原子炉压力容器的中性子脆化，压力抑制室出现腐蚀，热交换区气体废弃物处理系统出现腐蚀。

而且反应堆安全壳是防止核外泄的重要屏障，其寿命只有四十年左右，一旦损坏后果不堪设想。

由于日本能源供应后备不足，这一机组在去年计划再延寿20年，2031年正式退役。

只考虑经济利益，不顾安全隐患就草率决定延期是其罪过之二。

此外，东京电力公司在机组爆炸后并未在第一时间向政府部门真实汇报情况，而是隐瞒实情，从而导致政府和自卫队救援延误，事情才一发不可收拾。

直到地震四天后，日本政府终于才宣布与东京电力公司联合成立核事故对策综合本部。

没有在第一时间公开信息，阻断多米诺骨牌的连锁反应是其罪过之三。

以上事实说明东京电力公司在内部安全管理和与政府部门沟通上都存在很严重的问题，管理不善是导致灾难发生的一个重要因素。

政府策略
4.2政府策略
4.2
核电不仅是一种简单的供电能源，其特有的核辐射特性注定政府在其使用过程中具有指导和保护功能。

核事故发生后，政府有责任保护其国民和社会财产的安全，故而政府的对核策略也是很重要的。

没有坚持信息公开
4.2.1没有坚持信息公开
4.2.1
核安全涉及千家万户，必须接受全社会监督。

有人提出，公开核事故信息会引发社会恐惧，强化反核力量，但若一味对事故隐瞒遮掩，一旦问题失控，不仅要付出巨大的社会成本，连核能发电本身都会失去社会各界的信任和支持，效果会更糟。

此次事件本身就有很多不确定因素，再加上日本政府发布关键信息时含糊其辞，对核泄漏事件的严重性估计不足，因此，使得日本民众对于核泄漏事故带来的消极心理反应剧增，反而大于地震、海啸灾难的心理反应，并且有逐步升级的趋势。

消极情绪甚至会给救灾工作带来很不好的影响，在以后的恢复建设中也可能发展成为一支阻碍力量。

如若政府及时坦诚地公开信息，呼吁国民团结一致，对抗天灾，可能事件的发展会有更好的机会。