核電廠安全如何有力保障?
2018-04-26 16:53:06 來源:

核電廠安全如何有力保障?

核電作為穩定的清潔高效能源,在我國當前調整能源結構、提高清潔能源比例的背景下,理應具有更大的發展空間。

然而目前核電項目的開發受到一定阻力,較多民眾對核電技術和核電的安全狀況缺乏了解,對核電項目采取質疑甚至反對的態度,一些新核電項目遲遲未能裝料,其他新核電廠選址等前期工作舉步維艱。

作者在此結合自己這些年來對核電廠安全審查的工作,對核電廠的安全作出易理解的介紹,希望能夠把核電廠的安全狀況簡潔明了地說明白,也讓公眾對核安全監管工作有更多了解。

核電廠的安全水平有多高?

1984年,我國自主設計的秦山一期核電站開始建造,電功率 30萬千瓦。后續我國建設的核電站還有自主研發的“華龍一號”,美國的AP1000,法國的EPR等。除了秦山三期的CANDU堆外,其他機組雖然具體技術有所區別,但安全設計理念基本源自于美國。

美國核電發展始于上世紀50年代,艾森豪威爾總統上臺后倡導核能的民用,之后的30年間核電迅速發展。隨著核電的發展,美國民眾對核電安全的重視程度越來越大,同時一些擔憂情緒也越來越嚴重,反核的抗議時有發生。尤其是1979年發生三哩島核電站事故后,核電界感受到了空前的壓力。

面對這種形勢,美國核管會試圖用定量方式描述核電廠的風險大小,用來向公眾說明核電廠的安全水平。

1986年美國核管會發布核電廠定量的安全目標“對緊鄰核電廠區域的正常個體,由于反應堆事故所致死亡的風險不應超過美國社會公眾由于其他事故所致死亡的風險總和的千分之一;對臨近核電廠區域的人群,由于核電廠運行所致癌癥死亡的風險不應超過所有其他原因所致癌癥死亡的風險總和的千分之一。”

這兩個千分之一安全目標簡單說就是,核電廠給周邊公眾帶來的死亡和癌癥風險相對于其他因素導致的風險來說應該很微小,并且美國核管會評估美國的核電廠可以滿足這兩個目標。它從風險的角度直觀說明了核電廠的安全水平。

經過30多年的核電技術發展,尤其是現在新建的基本都是第三代核電站技術,核電廠安全水平比當年更有所提高。

核電廠對人的威脅來自什么?

為什么選死亡風險和癌癥風險作為安全目標?就先要說明核電廠對人的威脅到底是什么。

核電廠主要是利用核材料(主要是鈾235和钚239)的裂變反應釋放出能量來進行發電。核材料發生裂變反應后會生成一些不穩定的同位素(如氪85、氙133、碘131、碘133、銫137、鍶89等,稱為放射性核素)。這些放射性核素因為不穩定,會進一步發生衰變。

核電廠的威脅是核素的裂變和衰變反應,會伴隨產生大量的α、β或γ射線等。如果這些射線對人體進行大量照射,能夠使人體細胞內物質發生電離,照射量超出一定值時細胞會死亡導致組織功能失常。如果受照射的細胞未被殺死而發生變異,有可能會導致癌變。

一般認為照射量達到2000mSv時(正常運行的核電廠產生的放射性對周邊公眾一年的照射量通常低于0.1mSv)人體會產生明顯反應,照射量低于100mSv時醫學上還沒有確定的病例,一般認為會增加患癌癥的風險。但輻射致癌的流行病學證據目前尚不充分。

這就是制定兩個千分之一核安全目標的原因。簡單來說,核電廠對人的威脅主要是核裂變所發出的射線或核裂變產生的大量放射性核素衰變所發出射線,損壞人體功能細胞或引發癌癥。

裂變所放出的射線可以通過核設施所設置的屏障加以防護,但大量放射性核素進入環境將導致嚴重后果。

因此,控制了放射性核素也就控制了核電廠的風險。那么,如何控制放射性核素?

如何嚴密設防控制放射性核素?

放射性核素主要由核燃料裂變而來,產生后也存在于陶瓷的核燃料芯塊內,除少量氣體外,一般很難擴散出來。燃料芯塊被裝在鋯合金或其他可靠的燃料包殼管內,組成一根根燃料棒。

燃料包殼管外是用于帶出反應堆熱量的冷卻水,冷卻水在反應堆金屬壓力容器、主管道和蒸汽發生器內循環流動(即核電廠一回路冷卻系統)。一回路系統又被約一米厚的混凝土安全殼罩在里面。

因此,放射性核素正常情況下是由陶瓷燃料芯塊、燃料包殼、一回路冷卻劑系統邊界、安全殼4層屏障包裹著,一般很難逃脫出來,對周邊的人員帶來的照射比自然界存在的天然放射性照射還要低一個量級。(我們生活的自然界本來就存在著大量的放射性,如宇宙射線,放射性核素氡222、釷220、鉀40等。)

那么會不會發生異常,甚至事故呢?

核電廠的核心部件是核反應堆,它就像一個大爐子,一根根裝有核材料的燃料棒按一定形式進行排列后裝進反應堆壓力容器內。

運行時核材料通過裂變以及裂變產物的衰變反應發出熱量,熱量傳導到燃料棒表面,然后被冷卻水帶走,并通過蒸汽發生器產生蒸汽推動汽輪機發電。

核反應堆有兩個主要風險點,一是核反應堆的反應性控制。假如反應堆意外引入一個大的反應性,鈾-235裂變反應快速增加,發熱量短期內快速增大,可能導致反應堆熔化、解體。

目前,反應堆的反應性變化情況已經能夠準確計算(反應堆的核設計誤差基本在1/1000左右),使得現在的核反應堆通過保守準確的設計,采用冗余的停堆系統,物理上排除一次引入過大反應性,并且通過堆芯反應性溫度負反饋設計,已經讓反應性控制非常可靠。

但反應堆停堆后衰變反應還在繼續,一段時間內還會產生大量的衰變熱,這是另外一個風險點。

因此必須保證冷卻水持續循環帶出熱量,才能避免堆芯(包括上面提到的包容放射性核素的燃料芯塊、燃料包殼)被燒化,進而破壞各道屏障,使放射性核素跑出來,對公眾帶來威脅。

為了讓反應堆的余熱在任何情況下都能有效導出,核電廠設置了大量的安全系統,包括應急堆芯冷卻系統、余熱導出系統、輔助給水系統等。

這些系統能不能保證各種事故情況下發揮作用,保證核電廠對外界的影響滿足要求?這就是核安全審查中的事故分析。

核電廠采用一種確定論的事故分析方法。如果核電廠發生事故,那肯定是由于某個設備和系統發生故障,所以確定論分析方法先根據工程經驗、統計數據,以及專家判斷等方式列出一個可能發生的故障清單,叫始發事件清單。

隨后分析始發事件會怎么發展,核電廠設計的安全系統怎樣工作來使事件得到控制,最后計算后果是否滿足驗收準則。

為了使分析結果具有說服力,確定論分析方法對所有可能的異常假設都需進行分析。比如對管道的破裂分析,會全面地對各種部位、各種尺寸的破口譜進行包絡性分析等。

也就是說核電廠配備了很多事故緩解系統,且對同樣功能的系統基本都采取冗余設置。所以核電廠即使發生事故也并不那么可怕,在安全審查時對各種可能發生的事故都進行了保守分析。因此放射性后果都是能夠接受的。

那么發生天災怎么辦?

核電廠對于災害的防護應該是世界上所有的人造工程中最嚴格的。

比如地震,核電廠考慮對廠址所在區域可能發生的最大可能地震(萬年一遇的地震)進行設防,而一般我們住的房子的設防標準差不多是五百年一遇地震;對洪水考慮最大可能的洪水水位;對爆炸考慮方圓十公里范圍內的各種爆炸源可能發生的爆炸等。通過這些苛刻的設計要求,核電廠才會被批準建造。

現在的第三代核電廠還在設計中增加了緩解嚴重事故的專用系統。所謂嚴重事故就是反應堆堆芯熔化的事故。也許你會問,前面事故分析不是對各種可能的情況都進行了假設分析,都能保證堆芯結構完整嗎?

是的,但是核能界惟恐設計考慮得還不全面,萬一發生沒預防到的情況怎么辦?于是,增加了嚴重事故緩解系統,要求就是不管前面分析結果怎樣,最后還要分析反應堆堆芯熔化的情況,從而保證即使堆芯熔化,放射性物質對場外的影響也有限。

可以說,核電廠對放射性核素是層層設防,以保證萬無一失。

作者單位:生態環境部(國家核安全局)核電安全監管司

(吳錦坤 宋琛修)

責任編輯:zN_2203
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