错与罚：日本核泄漏图解.doc

日本福岛核事故已进入第6天，此次核泄漏危机在过去的5天里逐步升级，至今仍未得到有效控制。欧洲能源专员冈瑟·厄廷格将这次由地震、海啸引发的核灾难形容为“现代启示录”。在对过去5天发生的事情进行梳理时，我们发现日本当局在此次事故中应对失当、表现乏力，其中教训值得各国政府和核电行业吸取。

在分析这次核事故之前，我们首先需要简单了解核电站的工作原理和核泄漏防护原理。日本福岛第一、第二核电站的所有10座核反应堆在1971-1988年间建成运行，均属沸水型反应堆（Boiling Water Reactors，BWR）。其工作原理是核燃料棒在反应堆堆芯发生可控的链式反应，产生大量热量；这些热量传递给反应堆压力容器内的水，这些水被加热后产生蒸汽，直接推动蒸汽涡轮发电机产生电能。
这个回路里的水，在反应堆运转后是沸腾的，蒸汽通过涡轮发电机后需要进入一个冷凝器，冷凝器引入海水进行冷却，蒸汽冷却后重新变成液态水流回反应堆压力容器。
为什么停堆后冷却那么重要
在这次地震发生后，日本福岛第一、第二核电站的反应堆都已自动“停堆”，为什么还会出现如此严重的核泄漏？这是因为在核电术语里“停堆”，只是通过计算机控制向反应堆芯插入控制棒，停止链式反应，但是核燃料棒里的反射性元素自衰变仍然产生大量热量。这样就必须保持冷却水循环，以保证核燃料棒不会因为温度过高而出现包裹金属熔解破损，导致严重核泄漏。

    沸水型反应堆运行过程示意图，图中蓝色部分即为冷却水循环，最左边的部分即为进行链式反应的炉心。(点击可看大图)

众所周知，核燃料在发生链式反应时会产生大量对人体有害的放射性物质，如碘131、铯137。为了避免这些放射性物质泄漏，核电站设置了多层防护。
第一层防护：核燃料棒外壳
福岛核电站有三层防护，第一层就是核燃料棒的外壳——锆合金，这层锆合金包裹可以避免核燃料棒里的放射性物质与冷却水接触，可以承受1200度的高温。很多根核燃料棒、控制棒（用途是吸收中子，控制链式反应的程度）及相关机构就组成了反应堆堆芯装置。
第二层防护：反应堆压力容器
第二层防护是反应堆压力容器，反应堆堆芯就是放置在这个压力容器里。反应堆工作时会产生巨大的蒸汽压力，所以反应堆压力容器由高强度合金钢制成。其防护作用是，在核燃料棒的锆合金外壳出现破损的时候，保证放射性物质不会大规模泄漏。
第三层防护：混凝土安全壳
第三层防护是混凝土安全壳，福岛核电站的安全壳由约1米厚的预应力钢筋混凝土和约6毫米厚的内衬钢板组成。它的主要作用是，在反应堆压力容器爆炸或破损后，大量放射性物质、放射性废水不会泄漏到外界去。值得一提的是，前苏联切尔诺贝利核电站的反应堆是没有安全壳的，反应堆爆炸轻易将并不坚固的厂房炸开，导致大量反射性尘埃直接进入外界大气。
其它需要认识的附属结构
1、压力抑制水池，它与混凝土安全壳连通，用于控制混凝土安全壳内的内部压力和装盛冷却水。2、混凝土安全壳的钢制顶盖，在更换核燃料棒时需要打开。3、乏燃料棒（使用过的核燃料棒）冷却水池，乏燃料棒在刚从反应堆取出时仍具有非常高的温度，需要放在水池里冷却，再运出核电站。4、操作厂房，位于核电站厂房的最高一层，装有吊车等设备，装卸核燃料棒等操作在此进行。

    核燃料棒的外壳——锆合金。锆合金能够避免核燃料棒与冷却水直接接触，能承受1200度的高温。

    切尔诺贝利核电站的反应堆没有混凝土安全壳，反应堆爆炸后轻易将并不坚固的厂房炸开，导致大量反射性尘埃直接进入外界大气。

   附：福岛第一核电站反应堆结构图

3月11日
3月11日13时46分，日本东部海底发生里氏9.0级特大地震。地震发生后，福岛第一核电站的1、2、3号机组和第二核电站的全部4个机组均成功实现“停堆”；事发时，第一核电站另外的4、5、6号机组处于定期检修状态。在停堆后，核燃料棒仍然放出大量自衰变热量，需要继续进行冷却，直至实现“冷温停止”的稳定状态，所以在“停堆”后核电站的应急柴油发电机启动以维持冷却水循环。但不幸的是，在一个小时后，海啸带来的洪水淹没了柴油发电机，导致水泵缺乏电力供应，第一核电站的1、2号机组和第二核电站的1、2、4号机组丧失冷却功能。
这一故障，导致反应堆压力容器内水温、压力上升，混凝土安全壳内蒸汽压力上升。晚上19时许，日本首相菅直人发布“核能紧急事态宣言”，疏散福岛第一核电站为中心半径3公里之内的居民，同时要求3公里至10公里的居民不要外出。
3月12日
福岛第一核电站1号机组从凌晨起释放蒸汽，避免安全壳因压力过大损坏。这一措施导致了微量核泄漏，上午10时测得的福岛第一核电站正门核辐射浓度是7时40分的73倍。菅直人下令，12日凌晨5点44分起，建议居民疏散范围从第一核电站半径3公里以内扩大至10公里。
由于温度过高，1号机组反应堆压力容器内的冷却水蒸发速度加快，出现水位下降情况，核燃料棒上部部段露出水面处于干烧状态。下午13时许，1号机组附近探测到放射性元素铯137，这表明核燃料棒的锆合金外壳已开始熔毁，“堆芯熔化”险情首次出现。16时许，1号机组厂房发生氢气爆炸，这是锆合金在高温下与水发生反应产生的氢气，这些氢气泄漏至最上层的操作厂房发生爆炸，整个操作厂房的外壁、顶部被炸飞。在爆炸发生后，核电站厂区内辐射剂量一度升至1.015毫西弗/小时，到18时才下降至0.0705毫西弗/小时。幸运的是，这次爆炸并未损坏混凝土安全壳。晚上22时许，抢修当局开始向1号反应堆注入海水实施冷却。
3月13日
13日凌晨5时许，第一核电站3号机组丧失冷却功能，随后抢修当局进行灌注冷却水和释放蒸汽作业，核电站厂区辐射剂量一度升至1.2042毫西弗/小时。但由于未知原因，3号机组后来处于无法注水的状态，在反应堆压力容器内水位下降后，也出现核燃料棒干烧、锆合金外壳破损的情况。
13日下午，抢修当局开始向3号机组注入海水，并继续释放安全壳内的蒸汽。下午14时许，第一核电站厂区出现1.5575毫西弗/小时的辐射剂量，之后有所下降。
3月14日
14日上午11时许，第一核电站3号机组也发生氢气爆炸，上层操作厂房外壁出现破洞，爆炸导致了11人受伤。反应堆压力容器、混凝土安全壳没有受损。
下午16时许，福岛第一核电站2号机组发生“紧急事态”，反应堆压力容器内的水位急速下降。据称出现这个情况的原因是，注入海水的水泵因燃料耗尽停止工作。这一疏忽一度导致全长约4米的核燃料棒全部露出水面，处于严重的干烧状态，核燃料棒锆合金外壳发生烧熔破损。
3月15日
15日6时10分，第一核电站2号机组发生爆炸，压力抑制池出现破损。由于压力抑制池与混凝土安全壳是连通的，所以此次爆炸导致了安全壳内部放射性气体大量泄漏。8时31分，第一核电站正门测得的辐射剂量为8.217毫西弗/小时，为普通人每年可被辐射剂量上限的8倍；10时22分，3号机组附近测得400毫西弗/小时的辐射剂量，人在附近停留2小时即会出现呕吐等辐射病症状，这已经是非常严重的核泄漏。
另外在上午9时40分，第一核电站4号机组发生了氢气爆炸并起火，上层操作厂房出现两个边长8米的四方形的空洞。发生氢气爆炸的原因是，乏燃料棒冷却水池由于缺乏冷却，高温导致乏燃料棒的锆合金外壳与水作用产生氢气。这一情况是非常危险的，因为乏燃料棒冷却水池缺乏坚固屏蔽，一旦乏燃料棒的锆合金外壳损毁，大量放射性物质将直接进入外界大气。 15日下午，日本政府将第一核电站疏散隐蔽半径扩大至30公里。晚上抢修当局曾试图向4号机组厂房的乏燃料棒冷却池注水，但未能成功。
3月16日
16日7时许，第一核电站4号机组厂房再次发生火灾，火焰从15日爆炸形成的破洞喷出。9时许，东京电力公司表示，4号机组厂房冷却池里存放的乏燃料棒可能再次达到临界，研究用直升机向其撒放硼酸。10时许，第一核电站附近升起白烟，因为现场辐射剂量太高，抢修人员未能靠近查明情况。11时许，日本首先菅直人表示，3号机组的混凝土安全壳可能已经破损。东京电力公司则表示，可能是因为3号机组的乏燃料棒冷却池过热产生蒸汽。
下午，日本自卫队直升机曾试图向3号机组厂房喷洒冷却水，但因为辐射剂量过高放弃。日本文部科学省则宣布，在距离第一核电站21公里处测得的辐射剂量为0.33毫西弗/小时，为正常值的6600倍，这是在人员疏散半径外测得的最高值。
3月17日
17日上午9时许，日本自卫队两架CH-47大型直升机在第一核电站3号机组厂房上空实施注水冷却作业。但注水作业后，核电站厂区的辐射剂量没有变化，约为3.7毫西弗。

    3月12日，福岛第一核电站。日本发生8.9级地震后，福岛第一核电站反应堆自动停止运转，但应急柴油发电机却因被洪水淹没停止了运转。

    3月12日，福岛核电站1号机组厂房发生氢气爆炸，造成厂房外墙和屋顶在爆炸中坍塌，不过幸运的是这次爆炸并未损坏混凝土安全壳。。

    3月14日，福岛第一核电站3号机组11时01分发生氢气爆炸，反应堆所在建筑遭到损坏，但放置反应堆的压力容器和混凝土安全壳没有损坏。

    3月15日，福岛第一核电站2号机组发生爆炸，此次爆炸使安全壳受损，并导致放射性气体大量泄漏。

    3月17日的福岛核电站卫星图，图中可见4个机组都受损严重。日本方面开始出动直升机直升机、核电站注水降温。(点击可看大图)

    福岛第一核电站事故进度表(注：表中所提及的图A、图B、图C为对应的泄漏事故示意图，对应图片列在进度表下方)

1号机组
3号机组
2号机组
4号机组
11日
丧失冷却功能

丧失冷却功能

12日00-12时
部分堆芯熔化（图A）

12日12-24时
氢气爆炸、操作厂房破损（图B）

13日00-12时

丧失冷却功能

13日12-24时

部分堆芯熔化（图A）

14日00-12时

氢气爆炸、操作厂房破损（图B）

14日12-24时

部分堆芯熔化（图A）
乏燃料棒冷却水池失去冷却。
15日

爆炸，安全壳破损（图C）
氢气爆炸，操作厂房破损
16日00-12时

安全壳破损（可能）（图C）

操作厂房发生火灾

   附：图解福岛第一核电站泄漏事故

从前面整理的福岛核事故发展进程，我们可以发现福岛第一核电站在震后的5天时间里是依次出现险情、并逐步扩大的，这说明日本当局的抢修工作存在明显漏洞。
1、对核事故估计不足
福岛第一、二核电站是世界最大的核电站，共有10台发电机组，其中第一核电站的第1至4号机组在1971年-1978年间投入运行，均已达到或接近服役寿命。在这次事件中，可以看到第一核电站的第1至4号机组出现了严重事故，但第二核电站的机组均处于可控状态，对比鲜明。
在第一核电站的1号机组发生故障后，日本当局采取灌注海水等措施后，12日当天即将事故控制住。但3号、2号机组却在之后的13日和14日相继出现与1号机组同样的事态发展。这可以说明，日本当局在最初2天对事故估计不足，没有迅速对3号机组采取灌注海水等有效措施，导致16日的核泄漏扩大。
2、出现危险低级失误
在14日下午，2号机组反应堆压力容器内出现水位下降，核燃料棒全部露出水面的情况。导致危险状况的原因竟是灌注海水的水泵燃料耗尽。这种低级失误其实只要调配有专人负责观察水泵等器材的工作状态即可及时发现。
3、未能进行全局统筹
在15日出现了最令人匪夷所思的情况，4号机组厂房内用于存放乏燃料棒的冷却池沸腾，存放的乏燃料棒有可能重新达到临界。乏燃料棒是指使用过的核燃料棒，乏燃料棒在刚从反应堆取出时仍具有非常高的温度，需要放在水池里冷却，再运出核电站；4号机组在震前正好处于检修状态，所有存有刚卸出的乏燃料棒。这可谓“死灰复燃”，出现这种情况说明，日本抢修当局只将注意力集中在反应堆，忽略了其它需要保持冷却的设施。
4、统一指挥建立迟缓
11日晚发生核紧急状态，到13日已有1号、3号两个机组相继出现严重事故。但日本方面直至15日才成立“福岛核电站事故对策统合总部”，日本首先菅直人任总部长，而在此前根本不清楚谁是问责官员或第一协调联络人。
在15日，日本首先菅直人曾严厉批评东京电力公司，“不能从核电站撤出职员，如果撤离，东电100%将破产，你们要有心理准备。”而日本自卫队方面也有官员指责东京电力公司和核保安院，称东电向他们保证安全，但氢气爆炸却导致多人受伤。并且在核电站进行抢修工作的自卫队员却不懂海水灌注的程序。
5、透明度仍有待提高
国际原子能机构（IAEA）总干事天野之弥（日籍）在16日上午的记者会上，就与日本政府有关福岛第一核电站事故的通报机制表示，“无论信息的质与量都有改善的空间。”IAEA各成员国的批评也集中在日方信息不足及公布迟缓上。天野反复强调核电站的“情况相当严重”，为直接获取事故的“一手信息”，他本人最快将于17日前往日本。
另外此次核事故的定级也存在问题，在3月13日，日本政府曾将此次核事故定为4级，但此后并未作出修正。但有些核专家认为，日本当局试图轻描淡写福岛事件的严重性。法国核安全局（ASN）局长拉科斯特15日表示，福岛第一核电站事故相当于国际核能事件分级表（INES）第二位的“6级”水平。而美国科学与国际安全研究所（ISIS）主任、物理学家戴维·奥尔布赖特也认为此次核事故已接近6级，甚至可能会上升至与前苏联切尔诺贝利核电站事故相同的“7级”。（具体分级标准见下表）

    14日，福岛第一核电站爆炸现场，这时1号和3号机组都已发生爆炸。3号机组发生爆炸与当局对事态估计不足有很大关系。(点击可见大图)

    受损的福岛第一核电站3号（左）与4号反应堆。4号机组因乏燃料棒失去冷却也引发了爆炸。4号机组的事故本可在避免之列。

    国际原子能机构（IAEA）总干事天野之弥称日本政府有关福岛第一核电站事故的通报机制有改善空间，并表示将于17日前往日本。

    国际核事故分级标准表
    国际核事故分级标准（INES）制定与1990年。这个标准是由国际原子能机构（IAEA）起草并颁布，旨在设定通用标准以及方便国际核事故交流通信。
级别
说明
准则
实例
7
特大事故
大量核污染泄露到工厂以外，造成巨大健康和环境影响。
1986年前苏联切尔诺贝利核事故
6
重大事故
一部分核污染泄漏到工厂外，需要立即采取措施来挽救各种损失。
1957年前苏联基斯达姆核事故
5
具有厂外风险的事故
有限的核污染泄漏到工厂外，需要采取一定措施来挽救损失。
1979年美国三里岛核事故
4
没有明显厂外风险的事故
非常有限但明显高于正常标准的核物质被散发到工厂外，或者反应堆严重受损或者工厂内部人员遭受严重辐射。
1999年日本东海村核事故
3
重大事件
很小的内部事件，外部放射剂量在允许的范围之内，或者严重的内部核污染影响至少1个工作人员。

2
事件
这一级别对外部没有影响，但是内部可能有核物质污染扩散，或者直接过量辐射了员工或者操作严重违反安全规则。

1
异常
这一级别对外部没有任何影响，仅为内部操作违反安全准则。

0
偏离
安全上无重要意义

法国核安全局（ASN）局长拉科斯特15日表示，福岛第一核电站事故相当于国际核能事件分级表（INES）第二位的“6级”水平。

对于日本当局的表现，欧洲能源专员冈瑟·厄廷格15日将此次福岛核电站事故形容为“现代启示录”，他表示，日本政府“几乎失去了对福岛核电站的控制”。
确实，日本福岛核电站是世界上最大的核电站，多达4台核电机组先后出现泄漏事故，地震、海啸同时袭击，这是前所未有的状况，日本当局在应对时并没有先例可以依循。“现代启示录”是一个非常恰当的用词，各国政府应该从这次核事故中吸取教训，更好地保障各国的核电站安全。