看完《切爾諾貝利》 中國核電工程師有話說
2019年07月24日20:32

  原標題:我是中國的核電工程師,看完《切爾諾貝利》我有話說!

  來源:每日經濟新聞

  HBO五集迷你劇《切爾諾貝利》,豆瓣評分高達9.6分,是根據前蘇聯切爾諾貝利核電站的事故改編的。該劇從播出到完結至今,引發了廣泛關注與討論。

  本劇帶領觀眾深入這個人類曆史上最慘烈的核事故現場,通俗易懂地解釋了複雜的核科學,但也把觀眾們嚇得不輕。在日本福島核事故的八年後,“核事故與核輻射”又一次成為熱門話題。

圖片來源:豆瓣
圖片來源:豆瓣

  核安全也是中國國家安全的重要組成部分,理應得到公眾的關注。今天,讓我們跟隨中核集團中國核電工程有限公司核電安全研究中心工程師的視角,一起深入瞭解核科學:

  作為一名長期奮戰在一線的核電工程師,突然發現自己的專業知識成為大眾關心的話題。在一集不落刷完劇後,今天想從一名核電從業者與核電安全研究者的角度和大家聊聊切爾諾貝利到底發生了什麼,類似事故會不會在我國發生↓

  切爾諾貝利核事故為什麼會發生?

  具有諷刺意味的是,這起迄今為止世界上最嚴重的核事故起源於一次旨在提高安全性的試驗。該試驗意在檢驗失去廠外電源的情況下,汽輪機依靠慣性自轉繼續發電,在備用的應急柴油發電機投入前可以提供多久的電力。

  試驗計劃在電廠25%功率下進行,但在由100%功率向25%功率降功率過程中,由於操作失誤,導致功率掉到了1%,幾乎停堆,這是事故的第一張多米諾骨牌。功率突然降低會導致阻礙核反應的物質濃度升高,正常情況下,只有待這些產物被消耗後才能正常提升功率。

  但是,為了盡快提升功率以達到試驗要求,操作員違反了操作規程,抽出了幾乎所有可以控製核反應速度的控製棒,當控製棒插入,核反應速率就會降低,功率降低;反之,當控製棒抽出,核反應速率升高,功率提升。如果反應堆是車,控製棒就既是油門又是刹車。

  當操縱員“踩滿油門違規駕駛”時,功率一段時間後開始迅速提高,面對“超速時可能車毀人亡的風險”,操縱員又按下了緊急停堆的按鈕,試圖插入所有控製棒進行“刹車”。

《切爾諾貝利》截圖
《切爾諾貝利》截圖

  不幸的是,切爾諾貝利所採用的RBMK式反應堆的控製棒設計有問題,在控製棒最初一段插入時仍會提升功率而不是降低,相當於刹車的第一腳仍是給油門,在反應堆已經“滿油門”狀態時,這一腳“油”的威力,不亞於速度與激情中的NO2噴射器,在4秒鍾內,功率上升到滿功率的100倍,直接“爆缸”。

控製棒落下,反而增加了反應性
控製棒落下,反而增加了反應性
 

  燃燒的石墨塊和燃料向上直噴,濃煙衝向 1000 米高空,火花濺落在反應堆廠房、汽輪機廠房等建築物屋頂。同時由於油管損毀、電纜短路及強輻射,廠區內總共引發了幾十處火災。

  但是,切爾諾貝利的爆炸仍非核爆炸。即核反應堆永遠不可能發生核爆炸,這也是劇里的官員們一直不相信反應堆爆炸的原因。這是由於核電廠所有的核燃料是低濃縮鈾,而原子彈需要的則是高濃縮鈾,就像高度白酒可以燃燒,啤酒不會燃燒一樣,低濃縮鈾的核燃料從物理上就可以確認永遠不會發生核爆炸。

  那麼,切爾諾貝利的爆炸到底是怎麼發生的呢?

  這是由於反應堆功率瞬間提升造成流過反應堆芯的水瞬間被加熱汽化,蒸汽壓力驟升超過管道可以承受的壓力所造成的蒸汽爆炸。劇中的“切爾諾貝利三勇士”的行動就是為了排出地下室的水,防止高溫的堆芯熔融物與地下水池接觸發生蒸汽爆炸。(雖然目前科學界對蘇聯科學家計算的結果存在爭議,但無論怎樣都不可否認“三勇士”的犧牲自我、拯救他人的偉大精神!)

  事故後經過多年的調查分析,估算爆炸當量約為100噸至300噸TNT,並不算很劇烈,遠小於核武器萬噸級的當量。但爆炸所產生的壓力和能量足以推動混凝土頂蓋、掀翻換料機、衝破反應堆廠房的屋頂,形成高壓煙羽上升至高空。風將放射性產物吹到鄰近國家,造成汙染。

  類似事故會不會在我國發生?

  答案是否定的。

  我國的核電廠大都採用壓水堆,而切爾諾貝利事故中的RBMK堆型是採用石墨作為慢化劑的壓力管式沸水堆,兩者在設計上存在巨大差異。這種差異簡單來說,類似於獨輪車和四驅越野車的區別。

  壓水堆的採用“負反饋”機製的設計,即在功率增長的情況下,隨著反應堆溫度的升高,會引入負的反應性,自發的降低反應速率,不會發生功率暴增的情況。壓水堆像一輛自帶穩定系統的汽車,在速度突然增加的情況下,刹車會自動被踩下。

壓水堆
壓水堆

  而RBMK堆芯由於設計問題,存在“正反饋”。功率增加時會導致堆芯內水的汽化增多,水的減少會導致核反應增強,進一步提升功率。

RBMK
RBMK

  因此,RBMK反應堆就像一輛會自動加速的汽車,在速度突然增加的情況下,油門反而會自動增大。因此RBMK堆芯的運行需要特別小心,一隻腳要始終放在刹車上。可悲的是,切爾諾貝利事故中,所有“刹車”措施全部被取消了。可見,壓水堆在設計上具有固有安全性。

  故壓水堆不會發生堆芯爆炸的事故,只可能發生因冷卻不足而導致的堆芯熔化事故(如美國三里島事故)。需要特別指出的是,三里島事故導致的放射性泄漏遠小於切爾諾貝利核事故,其中最關鍵的原因就是RBMK堆型沒有完整的安全殼,而三里島的壓水堆有個巨大且結實的安全殼,將整個反應堆用鋼筋混凝土結構的巨大“殼體”完全罩住,即使發生堆芯熔化,放射性物質也會包容在“殼體”內部,不會釋放到環境中。

  三里島的核電廠屬於二代壓水堆,而我國已建的壓水堆核電廠大都為二代+三代壓水堆,相比第二代核電廠,安全性又得到了極大的提升,堆芯熔化事故發生的可能性已經大幅降低。除採用更為先進的雙層安全殼外,通過一系列設計改進,如:非能動熱量導出系統、主管道破前漏(LBB)技術、設備抗震能力提升、高可靠性的儀控系統、主泵軸封破口消除等措施,確保反應堆即使在發生全廠斷電、地震等事故時,仍可安全停堆,基於可靠的科學分析,堆芯熔化的概率已經降至1×10-6/堆 · 年以下,即100萬堆年都難以發生一次堆芯熔化的事故。

RBMK無完整安全殼
RBMK無完整安全殼
壓水堆雙層安全殼
壓水堆雙層安全殼

  關於“華龍一號”安全性的討論

  雖然堆芯熔化的事故已基本上不可能發生,但出於縱深防禦的安全理念,在我國目前具有完全自主知識產權的“華龍一號”等三代核電廠設計中也考慮了針對堆芯熔化事故的緩解措施。這些措施大都為了保障安全殼的完好性和密封性,避免放射性物質進入環境,例如在“華龍一號”中就設置了如下措施:

  壓力容器內的熔融物滯留,通過向堆腔注水並冷卻反應堆壓力容器外壁面實現,能夠避免熔融物進入安全殼,保證安全殼底板不會被熔穿;

  設置氫氣復合器,能夠在不燃燒的情況下催化復合安全殼內的氫氣與氧氣,避免安全殼內的氫氣爆炸;

  設置非能動安全殼熱量導出系統,能夠在安全殼密封的情況下排出安全殼內的熱量,維持安全殼內壓力小於其承載能力;

  雙層安全殼,外層安全殼能夠抵抗大飛機撞擊,從而保證內層安全殼的完好、密封性;同時,兩層安全殼之間的環形空間也能滯留從內層安全殼泄漏的放射性物質。

華龍一號電廠針對嚴重事故的緩解策略
華龍一號電廠針對嚴重事故的緩解策略

  所有這些設計改進措施都是建立在充分的研發基礎上的。為了更準確的理解事故現象和機理,同時也是為了充分驗證各系統的性能,在三代堆的設計中進行了大量的理論和實驗工作。

  華龍一號設計全面平衡地貫徹了核安全縱深防禦原則和設計可靠性原則,創新性地採用“能動與非能動相結合的安全設計理念”

  目前三代壓水堆核電廠已經非常安全,但出於對核電廠絕對安全的追求,以及對公眾健康的極度責任感,安全相關的研發工作一直在進行。

  我國在核電廠事故及核安全方面的研究能力,已與世界一流水平接軌。在事故現象和機理的前沿研究領域,我國也開展了很多工作,已建設或即將建設多個先進實驗裝置。此外,在理論研究和仿真程序開發方面,國內也開展了大量的工作。

  幾點結論

  因為堆型設計存在很大區別,我國的核電廠不可能發生切爾諾貝利事故那樣的爆炸。

  三代核電廠不僅不會發生爆炸,而且通過多個設計改進,堆芯熔燬的概率已經大幅減小,一個機組運行一百萬年,都不會發生一次。

  以華龍一號核電廠為例,我國的核電廠在設計階段就考慮了最惡劣和極端的事故工況,並設置了嚴重事故的預防與緩解措施,從事實上避免了放射性的大規模釋放。

  我國已經開展並還將開展大量核安全相關的科研工作,以保證核電廠和公眾的絕對安全。

  當前,核安全已被納入到國家總體安全體系,上升為國家安全戰略。核安全高於一切,將始終是核能發展的生命線。

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