核电站能避免一场大灾难吗?

2022年8月26日下午1:14
谷歌地球
艾德莱曼
核能安全主任

随着乌克兰核电站爆发全面军事冲突的可能性越来越大,那里的局势变得越来越严峻。据报道,8月25日,该核电站暂时失去了对其安全运行至关重要的所有场外电力,迫使其依靠现场备用电源。尽管炮击仍在继续,但其安全系统似乎没有受到重大破坏。但如果冲突升级,这种情况可能会迅速改变,如果紧急措施失败,可能会带来灾难。根据受损的性质和程度,福岛第一核电站可能会经历一次或多次堆芯熔毁或乏燃料池起火,这可能引发与2011年福岛第一核电站事故甚至1986年切尔诺贝利事故更严重的辐射释放。

幸运的是,期待已久的国际原子能机构(IAEA)前往中国的任务可能很快就会成为可能。虽然国际原子能机构在核安全方面的权力有限,即使在和平时期也是如此,但它可以采取一些实际措施,帮助核电站应对任何可能破坏其高放射性反应堆堆芯和乏燃料冷却系统的损害。

为了确定最有助于降低大规模放射性泄漏风险的措施,了解六座苏联时代的950兆瓦VVER-1000/V-320 (V-320)反应堆的主要弱点是很重要的。正如许多新闻报道所指出的那样,V-320是一种轻水反应堆,与西方设计的压水反应堆(PWRs)相比,切尔诺贝利的RBMK更具共性。一个主要的区别是,与切尔诺贝利反应堆不同,V-320有一个耐压、低泄漏的钢筋混凝土安全壳结构。然而,V-320缺乏西方设计的轻水反应堆标准的某些安全特征,而且确实如此长期以来的担忧在发生严重事故时,V-320安全壳比大多数西方设计的压水堆安全壳更容易被破坏或绕过。

一个担忧是相对高可能性受损的堆芯可能会迅速融化,穿过升高的安全壳,进入下面一个不密封的隔间。虽然这并不一定会导致放射性物质大量快速释放到环境中,但它可能会导致类似今天福岛的情况,即安全壳建筑物地下室受损的堆芯继续向地下水中释放辐射。此外,尽管安全壳提供了一些防止外部冲击的保护,比如飞机坠毁,但这种冲击可能会导致根据美国能源部的说法,“沉重的混凝土碎片……和其他碎片撞击了主冷却系统上方的操作层。”

电站停电,即所有交流电都中断,是可能影响轻水反应堆的最严重事件之一。这样的事件可能由持续的军事交战导致的大范围火灾和爆炸引发,这些火灾和爆炸破坏了核电站的开关站和其他电气设备。如果核电站失去所有场外电力,反应堆将关闭,核电站将完全依赖备用电源。

第一道防线是现场的一套20台应急柴油发电机,每个反应堆有3台,另外2台普通发电机在一栋单独的建筑里,为5号和6号反应堆提供支持。所有柴油发电机都失灵的情况不太可能发生,但确实存在。例如,福岛第一核电站的海啸淹没了核电站,除了一台应急柴油发电机和配电系统外,其他所有设备都瘫痪了,这就是所谓的共因故障。其他常见故障可能会影响柴油发电机,比如附近一家水电站大坝的故障。这可能会导致冷却池的损失,冷却池用于冷却核电站的柴油发电机,使其能够正常工作。

在柴油发电机发生故障的情况下,其他备用电源可以在现场使用,例如现场附近的化石燃料发电厂。但如果无法获得这些设备,核电站唯一的办法就是实施乌克兰为应对福岛核事故而制定的紧急措施。这些措施包括使用便携式柴油发电机和柴油动力泵,以便在所有其他措施失效时提供紧急冷却。但是,成功的可能性是不确定的,因为在目前的情况下,执行这些任务所需的设备和人员都非常脆弱。而且这些设备的可靠性取决于自3月份俄罗斯占领以来测试和维护的好坏——这是一个很大的问号。在美国的核电站,由于维护要求松懈,此类设备偶尔会被发现无法正常工作。

一个车站停电

如果一个正在运行的反应堆失去了所有的交流电力,它的发电汽轮机就会关闭,使水通过反应堆堆芯的主冷却剂泵和使水通过蒸汽发生器的给水泵都将停止工作。在这种情况下,除非操作人员采取紧急措施恢复堆芯冷却,否则反应堆容器内的水位将下降,燃料组件将迅速升温并开始降解。最终,熔化的燃料会掉到反应堆容器的底部,并通过它融化到安全壳的底部,在那里它会与混凝土发生反应。在那之后,辐射从安全壳泄漏到环境中的程度将取决于事故进展的具体性质。

这一系列事件发生的速度有多快?一个模拟对全功率运行的V-320核电站停电的模拟表明,蒸汽发生器将在1.2小时后变干,堆芯将在2.6小时后开始升温,裂变产物将在此后不久开始释放,反应堆容器的下封头将在4.3小时后失效。考虑到时间很短,运营商必须在核电站停电的情况下迅速做出反应,采取紧急措施防止堆芯受损。

(虽然这种快速发展的事故在美国压水堆中是可能发生的,但它们配备了由蒸汽轮机驱动的辅助给水泵,因此不需要交流电源来运行。如果电站发生停电,电机驱动的紧急给水泵不可用,这些涡轮驱动的泵可以延迟堆芯加热的时间,在堆芯熔化之前为恢复供电提供更多时间。这些泵的正常工作在一定程度上取决于电池的直流电的可用性,这是操作员控制涡轮转速和阀门所需要的。因此,该系统根据电池寿命提供了额外的应对时间,大多数美国工厂的电池寿命为4到8小时。然而,V-320没有这样的系统。)

根据研究根据乌克兰核监管机构的要求,如果运营商在蒸汽发生器干化之前执行了应急程序,他们可以将蒸汽发生器干化前的时间延长至停电开始后的8小时,而其他应急措施可能会将堆芯损坏再推迟10小时。堆芯损坏每延迟一分钟,操作员就有时间在现场重建更可靠的电力供应。

这表明,在核电站停电的情况下,操作员迅速采取行动以延缓堆芯损坏的重要性,也是为什么乌克兰核电站工作人员在极端胁迫下工作(甚至可能受到俄罗斯军事监督人员的折磨)的报道如此令人担忧的原因。如果核电站工作人员不能迅速和适当地作出反应,有明确的指挥路线和行动自由,那么他们成功执行这些复杂、困难行动的可能性将大大降低。他们处理这些潜在情况的训练水平也是一个因素。除此之外,他们的反应将取决于现场应急柴油发电机和其他应急设备是否有足够的燃料,更不用说设备的状态以及它是否能免遭进一步的军事攻击。无论何时、无论多长时间,如果设备不能正常工作,那它就毫无用处了。

对于关闭的反应堆,可用的应急响应时间窗口随着燃料冷却而增加。例如,一项分析对一个停堆的压水堆核电站停电事故进行的一项研究发现,在反应堆启动33小时后,假设容器仍然充满水,堆芯升温和损坏的时间将超过6.6小时。因此,只要反应堆保持关闭状态,就会有一些额外的安全余量。即便如此,堆芯中的燃料和反应堆容器附近池中的乏燃料仍将保持危险的高温,并继续需要主动冷却以防止过热和损坏,尽管所需的冷却速度将会降低。

乏燃料怎么办?

与西方压水堆不同的是,他们的乏燃料池位于安全壳建筑外,在不那么坚固的辅助建筑中,V-320反应堆的乏燃料池位于安全壳建筑内。虽然这降低了它们对军事打击的脆弱性,并可能在乏燃料损坏的情况下抑制放射性物质的释放,但它带来了额外的并发症。由于反应堆堆芯和乏燃料池的耦合更为紧密,影响其中一个的事故更有可能也涉及到另一个。正如前面所讨论的,容器不能提供完全的保护。一个研究发现这些类型反应堆的乏燃料池事故可能导致至少30公里(18.6英里)外相当严重的放射性污染,因为穿透安全壳的管道泄漏。

该工厂有一个干桶储存设施用于乏燃料。虽然它在任何容器之外,但它呈现出较低的大量放射性释放的风险。这些木桶是相当坚固的钢筋混凝土结构。要想从桶中发生大规模的泄漏,不仅需要有一个大的桶口,而且还需要持续加热桶内的乏燃料,这将破坏燃料并为其提供动力。例如,如果有一股炙热的长时间大火吞没了木桶,这可能是可能的,但可能不是来自几枚炮弹的袭击。

我们能做些什么呢?

国际原子能机构和核电站运营商可以采取的最实际的措施是,在发生长时间的场外断电或其他类型的损害时,加强核电站的恢复能力,包括:

  • 确保在需要时有效地为现场的应急柴油发电机和其他柴油动力应急设备补充足够的燃料;
  • 确保有足够的优质水储备可靠地供应应急水泵;
  • 检查和维护柴油发电机和其他应急设备,确保其可靠运行;和
  • 检讨工厂的紧急反应程序,并进行演练,以灌输信心,使他们相信这些程序是可行的,员工可以在紧急情况下执行这些程序。

当然,只有在俄罗斯合作的情况下,国际任务才能完成这些步骤。应该如此。希望各方都能认识到,确保核电站继续运行,避免发生大规模污染事件,符合他们的最大利益。与福岛核事故不同,福岛核事故是由一场无法控制的自然灾害造成的,而战时袭击造成的事故是完全可以预防的。