作者:张慧敏 赵庆南 来源: 中国科学报 发布时间:2019/7/25 9:24:40
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从热剧《切尔诺贝利》反观我国核电安全——
“三代核电厂不会重演切尔诺贝利事故”

“华龙一号”可以抵御9级烈度的地震以及商用大型飞机的外部撞击。

 

■张慧敏 赵庆南

最近,根据苏联切尔诺贝利核电站事故改编的迷你剧《切尔诺贝利》将观众带入到对核事故的恐惧及热议中。

切尔诺贝利核事故是如何发生的?类似事故会发生在我国吗?“华龙一号”等三代核电厂的安全性如何?

探因切尔诺贝利核事故

具有讽刺意味的是,这起迄今为止世界上最严重的核事故起源于一次旨在提高安全性的试验。该试验意在检验失去厂外电源的情况下,汽轮机依靠惯性自转继续发电,在备用的应急柴油发电机投入前可以提供多久的电力。

试验计划在电厂25%功率下进行,但在由100%功率向25%功率降功率过程中,由于操作失误,导致功率掉到了1%,几乎停堆。这是事故的第一张多米诺骨牌。

为了尽快提升功率以达到试验要求,操作员违反了操作规程,抽出了几乎所有可以控制核反应速度的控制棒——当控制棒插入,核反应速率就会降低,功率降低;反之,当控制棒抽出,核反应速率升高,功率提升。

如果反应堆是车,控制棒就既是油门又是刹车。

当操纵员“踩满油门违规驾驶”时,功率一段时间后开始迅速提高,面对“超速时可能车毁人亡的风险”,操纵员又按下了紧急停堆的按钮,试图插入所有控制棒进行“刹车”。

不幸的是,切尔诺贝利所采用的RBMK式反应堆的控制棒设计有问题,在控制棒最初一段插入时仍会提升功率而不是降低,相当于刹车的第一脚仍是给油门。在反应堆已经“满油门”状态时,这一脚“油”下去,4秒钟内,功率上升到满功率的100倍,直接“爆缸”。

由于反应堆功率瞬间提升造成流过反应堆芯的水瞬间被加热汽化,蒸汽压力骤升超过管道可以承受的压力,造成了蒸汽爆炸。

这并非核爆炸——就像高度白酒可以燃烧、啤酒不会燃烧一样,低浓缩铀的核燃料从物理上永远不会发生核爆炸。

经过多年调查分析,当时的爆炸当量约为100吨至300吨TNT,远小于核武器万吨级的当量。但爆炸所产生的压力和能量足以推动混凝土顶盖、掀翻换料机、冲破反应堆厂房的屋顶,形成高压烟羽上升至高空。风将放射性产物吹到邻近国家,造成污染。

类似事故不会在我国发生

我国的核电厂大都采用压水堆,而切尔诺贝利事故中的RBMK堆型是采用石墨作为慢化剂的压力管式沸水堆,两者在设计上存在巨大差异。这种差异简单来说,类似于独轮车和四驱越野车的区别。

压水堆采用“负反馈”机制的设计,即在功率增长的情况下,随着反应堆温度的升高,会引入负的反应性,自发地降低反应速率,不会发生功率暴增的情况。压水堆像一辆自带稳定系统的汽车,在速度突然增加的情况下,刹车会自动被踩下。

而RBMK堆芯由于设计问题,存在“正反馈”。功率增加时会导致堆芯内水的汽化增多,水的减少会导致核反应增强,进一步提升功率。就像一辆会自动加速的汽车,在速度突然增加的情况下,RBMK反应堆“油门“反而会自动增大。

由此可见,压水堆在设计上具有固有安全性,所以不会发生堆芯爆炸的事故,只可能发生因冷却不足而导致的堆芯熔化事故(如美国三里岛事故)。需要特别指出的是,三里岛事故导致的放射性泄漏远小于切尔诺贝利核事故,其中最关键的原因就是RBMK堆型没有完整的安全壳,而三里岛的压水堆有个巨大且结实的安全壳,将整个反应堆用钢筋混凝土结构的巨大“壳体”完全罩住,即使发生堆芯熔化,放射性物质也会包容在“壳体”内部,不会释放到环境中。

三里岛的核电厂属于二代压水堆,而我国已建的压水堆核电厂大都为二代+三代压水堆,相比第二代核电厂,安全性又得到了极大的提升,堆芯熔化事故发生的可能性已经大幅降低。除采用更为先进的双层安全壳外,通过一系列设计改进,基于可靠的科学分析,堆芯熔化的概率已经降至1×10-6/堆 · 年以下,即100万堆年都难以发生一次堆芯熔化的事故。

“华龙一号”的安全性措施

虽然堆芯熔化的事故已基本上不可能发生,但出于纵深防御的安全理念,在我国目前具有完全自主知识产权的“华龙一号”等三代核电厂设计中也考虑了针对堆芯熔化事故的缓解措施。这些措施大都为了保障安全壳的完好性和密封性,避免放射性物质进入环境。

例如在“华龙一号”中就设置了诸多保障措施,如压力容器内的熔融物滞留,通过向堆腔注水并冷却反应堆压力容器外壁面实现,能够避免熔融物进入安全壳,保证安全壳底板不会被熔穿;设置氢气复合器,能够在不燃烧的情况下催化复合安全壳内的氢气与氧气,避免安全壳内的氢气爆炸;双层安全壳,外层安全壳能够抵抗大飞机撞击,从而保证内层安全壳的完好、密封性等。

目前三代压水堆核电厂已经非常安全,但出于对核电厂绝对安全的追求,以及对公众健康的极度责任感,安全相关的研发工作一直在进行。

我国在核电厂事故及核安全方面的研究能力,已与世界一流水平接轨。在事故现象和机理的前沿研究领域,我国也开展了很多工作,已建设或即将建设多个先进实验装置。此外,在理论研究和仿真程序开发方面,国内也开展了大量的工作。

当前,核安全已被纳入到国家总体安全体系,上升为国家安全战略。核安全高于一切,它始终是核能发展的生命线。

作者系中核集团中国核电工程有限公司核电安全研究中心工程师

《中国科学报》 (2019-07-25 第8版 装备制造)
 
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