福島核事故引發(fā)的若干思考

張忠岳

（中國原子能科學(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)生歷史上罕見的里氏9級大地震。巨大的海嘯接踵而至，迅猛洶涌，浪高達20米，所過之處，破壞嚴重。福島核電廠為防范反應(yīng)堆嚴重事故所設(shè)置的備用電池和應(yīng)急柴油發(fā)電機組，都因被海水所淹而失去功能，致使受損反應(yīng)堆一回路長時間不能恢復(fù)工作。雖然反應(yīng)堆在地震中自動停堆，但由于堆芯長期得不到足夠冷卻，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)進入附近海洋及地下水體，對環(huán)境造成嚴重危害。事故初期，東京電力公司（簡稱東電）曾嘗試通過排氣減壓及從外部補給海水來保全壓力容器，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，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。

福島核事故后果嚴重，大量放射性物質(zhì)逸出廠區(qū)，造成廣大地區(qū)長期的嚴重環(huán)境后果。按國際核事件分級標準[1]，被定為7級事故（最高級別），與1986年蘇聯(lián)的切爾諾貝利事故相當。

福島核事故對日本核電發(fā)展造成重大沖擊，民調(diào)顯示，近50%日本國民對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，國土面積（包括日本列島周圍領(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重，日本國民擔(dān)憂核電風(fēng)險太大，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，行動遲緩。與此同時，福島核事故也提出了今后核電建設(shè)中許多估計難以避免、而且不易解決的問題，值得認真討論與思考。

1 選址和延壽審批問題

1.1 選址

核電發(fā)達國家（包括日本）對核電廠選址都有嚴格規(guī)范。遵照規(guī)范辦事，按理在設(shè)計壽期之內(nèi)，不應(yīng)該遭遇超出設(shè)計預(yù)期的強烈地震，也不至于發(fā)生嚴重事故。

福島第一核電廠各個機組的情況，如表1所示[3]。

由表1可知：

1) 事故發(fā)生時，1號機組已經(jīng)順利運行40年，達到了設(shè)計壽期。

2) 3號機組受損稍輕，穩(wěn)定運行的時間約35年。但據(jù)報道，4號機組乏燃料水池嚴重受損。

3) 關(guān)于5、6號機組，報道很少，估計受損不重。與1、2號機組相比，它們“年輕”7～8歲、似乎應(yīng)該更“強壯”一些，或許在設(shè)計上也有所改進。

里氏9級大地震在歷史上極其罕見。從這次地震震級之高、破壞程度之嚴重、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，是當初設(shè)計時所未曾估計到的。如果當時已經(jīng)預(yù)測廠址附近會發(fā)生如此強烈的地震，估計沒有人敢冒險選擇這樣的地區(qū)建造核電廠。

綜上所述，可以得出如下結(jié)論：

1) 就1號機組順利運行到設(shè)計壽期終點而言，當年選址（40年前）似乎不當。

2) 2～6號機組都在設(shè)計壽期之內(nèi)遭遇超過其防御能力的強烈地震（海嘯）襲擊，這種情況，很令人擔(dān)憂。因為福島發(fā)生的實際情況顯示：在設(shè)計壽期內(nèi)（或在比設(shè)計壽期更長的時間內(nèi)）廠址附近不發(fā)生強烈地震的設(shè)計預(yù)期并未實現(xiàn)，真實情況與之相反。1號機組獲準延壽不過一年，就遭到地震（海嘯）的嚴重破壞，似乎也十分“出人意外”。由此可見，福島核電廠的設(shè)計（至少是抗震設(shè)計）和管理潛在風(fēng)險很大，應(yīng)有待改進。機組商業(yè)運行后，通常每隔10年（如在中、法、俄、美等國）要求進行一次全面細致的安全評估（包括抗震安全），對于機組延壽，更需要作詳細周到的審核。近年來，日本對廠址外部地震地質(zhì)條件的變化及變化趨勢的預(yù)測，已具備很強能力，但在福島核事故中似未見到預(yù)測、預(yù)警的作用，令人難以理解。如果預(yù)測廠址附近在未來10～20年中，可能發(fā)生里氏9級地震，則1號機組延壽計劃，估計不可能通過，而對尚在設(shè)計壽期內(nèi)運行的機組，則應(yīng)部署相應(yīng)的事故防范和緩解措施。但實際情況，似乎并不是這樣。

表1 福島第一核電廠第1～6號機組概況Table 1 Overview of Unit 1～6 of Fukushima daiichi NPP

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

1.2 機組延壽問題

福島第一核電廠1號機組順利運行40年（設(shè)計壽期屆滿）后，申請延長壽期。報道稱，申請順利通過，獲準繼續(xù)運行。審批通過后不過一年左右，就發(fā)生了福島核事故。人們對于審批程序是否嚴格周到，深表疑慮。

審批核電機組延長壽期，是很復(fù)雜的工作。以福島第一核電廠1號機組為例。它要求申請方提供能夠反映部件、設(shè)備、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)當前真實情況的完整、可信的數(shù)據(jù)（包括這些參數(shù)在40年中每隔5年或10年的變化過程）；要求收集離廠址近、中、遠區(qū)域曾經(jīng)發(fā)生過的地震的歷史記錄；要求預(yù)測當下震情以及未來發(fā)展趨勢；要求制定完備的規(guī)范標準，對所提供數(shù)據(jù)的測定方法和數(shù)據(jù)本身的可靠性進行檢驗，并指導(dǎo)按可信的方法求出結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)在強震（海嘯）下的安全裕度（見圖1）。

鑒于福島核事故發(fā)生以來，東電曾有數(shù)據(jù)漏報和數(shù)據(jù)失實的情況，人們不免懷疑，審批工作是否足夠認真細致。如果確實進行過嚴格審評，如果審評結(jié)果確實表明1號機組還可以成功運行20年，那么1號機組在事故中的破壞也許不致如此嚴重。這個問題，只能等待以后全面公布事故分析報告時再作分曉了。

2 反應(yīng)堆壓力容器裂縫問題

據(jù)報道，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號和2號機組）壓力容器在地震中發(fā)生裂縫（數(shù)據(jù)在事故中測到，有待補充、核實）。

過去一直認為，壓力容器的特點是“不可更換，在整個使用壽期內(nèi)絕對不允許破裂，反應(yīng)堆啟動后對壓力容器不能再進行充分檢查”[1]。如果報道屬實，則福島核事故提供了一個反例，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€使用壽期中，絕對不允許破裂”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，是一個嚴重的問題。對于發(fā)生堆芯熔化的嚴重事故來說，尤其如此。

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

圖1 機組延壽審批順序示意Fig.1 Sketch of unit life extension approval

3 關(guān)于一址多堆的問題

從經(jīng)濟性考慮，一址多機組無疑是很合理的。同一廠址建造多個機組，可以節(jié)省前期工程費用和共用設(shè)施費用，錯開各機組的施工日期，有利于勞動力和施工機具的使用效率，并縮短建造周期[1]。目前，多數(shù)核電廠都做一址雙機組或4個機組的安排，估計可以減少投資15%～20%，經(jīng)濟效益十分可觀。因此，同一廠址布置的機組數(shù)目，有日益增多的趨勢。福島核事故從反面提供了一個“經(jīng)驗”。由于1、2、3號機組受到破壞，使整個廠區(qū)陷入嚴重污染和秩序混亂的狀態(tài)。5、6號機組，雖然大體完好，亦很難維持正常運行。據(jù)報道，第一核電廠1～6號機組很可能全部廢棄。如果采納6個機組全部報廢的計劃，則經(jīng)濟損失將十分巨大。在正常情況下一址多堆帶來的巨大經(jīng)濟利益和一址多堆在嚴重事故下可能蒙受的巨大經(jīng)濟損失之間，很難找到“平衡”，因為它畢竟是一個帶有高度不確定性的概率問題，而不是一個確定性的問題。但對于像日本這樣國土面積很小、地震多發(fā)的高震級國家，這個問題是應(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，是很難處理的問題，恐怕需要有新的設(shè)計思想、新的廠區(qū)布局。

4 結(jié)束語

1) 福島核事故是一場不幸的核災(zāi)難，損失慘重。同時，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題。例如，機組正式運行后，對外部地震地質(zhì)條件的變化和發(fā)展進行定時的、長期的監(jiān)察、預(yù)測、分析、研究，就是對改進和提高抗震安全大有好處的辦法。有些則是“老問題遇到新情況”。例如，壓力容器鋼在長期中子輻照以后韌性下降，本來是老問題，但在異常強烈的地震作用和運行40年后申請延壽的特殊情況下，就需要特別審慎了。

2) 主張大力發(fā)展核電的專家們認為“核電是安全的”，對于廠址附近區(qū)域不可能發(fā)生異常強烈地震（海嘯）作用的情況，這是對的。但對于可能遭遇類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)險太大”，也不無道理?？峙乱煌闆r，不同對待，不能一概而論。

3) 福島核事故后，日本大大加強了對東日本和西日本沿海許多地區(qū)地震地質(zhì)條件變化及未來發(fā)展趨勢的預(yù)測和研究，而且得到了很多成果。這種工作意義很大，是需要認真學(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.場地 地震 設(shè)計地震[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.