福島核電站全廠斷電事故分析(堆工中心)

日本福島核電站嚴(yán)重事故分析及啟發(fā)中國(guó)廣東核電集團(tuán)中科華核電技術(shù)研究院反響堆中心2023.04介紹內(nèi)容日本核電現(xiàn)狀及福島核電站簡(jiǎn)介福島核電站嚴(yán)重事故主要進(jìn)程福島核電站事故初步分析經(jīng)驗(yàn)反響、改進(jìn)及啟發(fā)第一局部

日本核電現(xiàn)狀及福島核電站情況日本核電概況：1966年，日本第一座核電站開始商運(yùn)。日本有17個(gè)核電站、共55臺(tái)機(jī)組，核電占發(fā)電比重30%，預(yù)計(jì)至2023年，將占到40%。一、日本核電現(xiàn)狀及福島核電站情況

5附圖1：日本核電站分布圖一、日本核電現(xiàn)狀及福島核電站情況

福島核電站：〔目前世界最大核電站〕由福島一站和福島二站組成，共10臺(tái)機(jī)組〔一站6臺(tái)，二站4臺(tái)〕，均為沸水堆附圖2：福島第一核電站廠區(qū)布置圖地震前運(yùn)行核電站各機(jī)組情況：福島核電一廠1、2、3號(hào)機(jī)正常運(yùn)行，4、5、6號(hào)機(jī)正在大修或停堆檢修，福島核電二廠四臺(tái)機(jī)組正常運(yùn)行。電站機(jī)組號(hào)堆型安全殼地震時(shí)狀態(tài)電功率（MW）商運(yùn)核島供應(yīng)商一廠1BWR-3MARKI運(yùn)行中4601971GE2BWR-4MARKI運(yùn)行中7841974GE3BWR-4MARKI運(yùn)行中7841976東芝4BWR-4MARKI停堆檢修中7841978日立5BWR-4MARKI停堆檢修中7841978東芝6BWR-5MARKII停堆檢修中11001979GE二廠1BWR-5MARKII運(yùn)行中11001982東芝2BWR-5MARKII運(yùn)行中110019834日立3BWR-5MARKII（改進(jìn)）運(yùn)行中11001985東芝4BWR-5運(yùn)行中11001987日立一、日本核電現(xiàn)狀及福島核電站情況

一、日本核電現(xiàn)狀及福島核電站情況

福島核電廠采用單層循環(huán)沸水堆技術(shù)〔從上世紀(jì)50年代開始逐步開展起來的輕水堆堆型，先后開發(fā)了BWR-1至BWR-6和第三代先進(jìn)沸水堆〔ABWR〕〕福島MARKI為雙層平安殼，內(nèi)層為鋼襯平安殼〔梨形〕，設(shè)計(jì)壓力4bar左右，容積較小〔數(shù)千立方米〕，外層非預(yù)應(yīng)力混凝土平安殼。鋼平安殼由干井和濕井構(gòu)成，干井中間是壓力容器。濕井為環(huán)形結(jié)構(gòu)，里面裝了4000噸的水，起過濾放射性物質(zhì)和抑制平安殼內(nèi)壓力作用。干井反響堆壓力容器濕井〔抑壓水池〕一、日本核電現(xiàn)狀及福島核電站情況－－平安殼福島一站的MARKII平安殼在MARKI根底上進(jìn)行了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，內(nèi)層鋼平安殼改為圓錐形，干井直接位于濕井上方，濕井改為圓柱形結(jié)構(gòu)，兩者之間通過導(dǎo)管相連。濕井（抑壓水池）干井一、日本核電現(xiàn)狀及福島核電站情況－－平安殼

福島核電站特點(diǎn)介紹Mark-I/II平安殼系統(tǒng)比較Mark-IMark-II一、日本核電現(xiàn)狀及福島核電站情況－－平安殼安全殼類型典型電站極限壓力熱負(fù)荷極限條件下的早期失效MarkIBrownsFerry9.10bar260℃~310℃很可能發(fā)生MarkIILimerick10.69bar287℃~310℃不太可能發(fā)生附圖6：Mark-I/II平安殼系統(tǒng)示意圖BWR3HPCI:高壓安注系統(tǒng)CS

:堆芯噴淋系統(tǒng)D/G

:柴油發(fā)電機(jī)ADS:自動(dòng)卸壓系統(tǒng)IC

:隔離冷卻系統(tǒng)

(汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，排熱能力稍差)

HPCICSCSD/GD/GICIC系統(tǒng)堆芯主蒸汽管線ADS系統(tǒng)CSPumpCSPump柴油發(fā)電機(jī)給水管線外電源HPCIPump一、日本核電現(xiàn)狀及福島核電站情況－－應(yīng)急冷卻系統(tǒng)

BWR4LPCIPump堆芯主蒸汽管線ADS系統(tǒng)CSPumpCSPump柴油發(fā)電機(jī)給水管線外電源HPCIPumpRCICPump

HPCICSCSLPCI

LPCILPCILPCID/GD/GRCICHPCI:高壓安注系統(tǒng)

(汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng))CS

:堆芯噴淋系統(tǒng)LPCI:低壓安注系統(tǒng)D/G:柴油發(fā)電機(jī)ADS:自動(dòng)卸壓系統(tǒng)RCIC:堆芯隔離冷卻系統(tǒng)

(汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，冷卻能力較強(qiáng))一、日本核電現(xiàn)狀及福島核電站情況－－應(yīng)急冷卻系統(tǒng)

福島第一核電廠的沸水堆在設(shè)計(jì)時(shí)并未考慮反響堆堆芯的風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)對(duì)措施，在三里島和切爾諾貝利事故后，開始關(guān)注超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故和嚴(yán)重事故。日本政府認(rèn)為日本的反響堆平安設(shè)計(jì)可以保證平安，不必要在在法規(guī)上進(jìn)一步的對(duì)嚴(yán)重事故再加以要求，主要靠業(yè)主自主開展提升平安和降低風(fēng)險(xiǎn)方面的工作。原子力平安保安院〞〔NISA〕讓業(yè)主采用PSA手段進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)研究，并研制事故規(guī)程〔AM〕，針對(duì)超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故和嚴(yán)重事故。2002年各個(gè)業(yè)主在PSA分析的根底上，為日本全部的核電廠制定事故規(guī)程〔AM〕〔非嚴(yán)重事故管理導(dǎo)那么〕。一、日本核電現(xiàn)狀及福島核電站情況－－事故管理

日本BWR核電廠事故應(yīng)對(duì)措施反響堆及平安殼補(bǔ)水措施-增加管線，以便消防水、海水等外部水源可以對(duì)壓力容器、平安殼等進(jìn)行注入。增加及修改增加及修改增加及修改增加及修改一、日本核電現(xiàn)狀及福島核電站情況－－事故管理

日本BWR核電廠事故應(yīng)對(duì)措施平安殼排熱措施-能承受高壓的管線作為通風(fēng)管道，用于平安殼通風(fēng)，防止平安殼超壓及用于平安殼排熱。增加局部一、日本核電現(xiàn)狀及福島核電站情況－－事故管理

第二局部

福島核電站事故主要進(jìn)程二、福島核電站事故主要進(jìn)程

2023年3月11日14時(shí)46分〔北京時(shí)間13時(shí)46分〕發(fā)生在日本本州東海岸附近海域的里氏9級(jí)地震－－歷史最大。地震震中位于北緯38.1度，東經(jīng)142.6度，震源深度約20公里；地震引發(fā)約14米高海嘯－－超過電站防波堤〔約5.7米〕。二、福島核電站事故主要進(jìn)程

強(qiáng)烈地震是福島一廠嚴(yán)重事故起因，受地震影響，機(jī)組自動(dòng)停堆，失去廠外電后應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)。但地震后大約1小時(shí)，地震驅(qū)動(dòng)的海嘯淹沒了廠房，致使應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)、泵、閥門和其它設(shè)備不可用，最終導(dǎo)致超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)全廠斷電事故。二、福島核電站事故主要進(jìn)程

福島事故進(jìn)程二、福島核電站事故主要進(jìn)程－－福島事故主要進(jìn)程〔均為日本時(shí)間〕

1號(hào)卸壓，放射性劑量上升，公眾撤離15日和16日兩次起火平安殼內(nèi)事故進(jìn)程〔以一號(hào)機(jī)組為例〕：依靠非能動(dòng)的隔離冷卻系統(tǒng)〔IC〕在初始階段對(duì)堆芯進(jìn)行冷卻蒸汽通過平安閥進(jìn)入抑壓水池，但由于喪失最終熱阱，抑壓水池內(nèi)的水不斷升溫導(dǎo)致沸騰，從而使平安殼內(nèi)壓力不斷升高，堆芯裸露并損傷；在鋼平安殼壓力過高情況下〔8.2bar，2.1倍設(shè)計(jì)壓力〕，進(jìn)行平安殼排氣操作，之后不久發(fā)生氫氣爆炸，導(dǎo)致二次平安殼〔反響堆廠房〕受損，放射性大量釋放；根據(jù)事故管理規(guī)程，采用外部水源〔消防水或海水等〕對(duì)堆芯進(jìn)行注水冷卻，同時(shí)平安殼排氣帶走熱量積極恢復(fù)外部電源、恢復(fù)注水排熱手段〔進(jìn)行中〕二、福島核電站事故主要進(jìn)程

三、福島核電站事故主要進(jìn)程

乏燃料水池事故進(jìn)程〔以四號(hào)機(jī)組為例〕：由于長(zhǎng)時(shí)間喪失冷卻，儲(chǔ)水由于衰變熱蒸發(fā)或地震可能產(chǎn)生的裂縫泄露，水位不斷下降導(dǎo)致組件裸露。在較高溫度下，包殼與水池沸騰蒸發(fā)的蒸汽發(fā)生鋯水反響，產(chǎn)生氫氣。鋯水反響產(chǎn)生巨大的熱能使燃料芯塊熔化，并釋放大量的放射性核素。隨后氫氣爆炸損壞了外層平安殼，大量放射性釋放到環(huán)境。積極恢復(fù)外部電源、恢復(fù)注水排熱手段〔進(jìn)行中〕二、福島核電站事故主要進(jìn)程

現(xiàn)狀〔4月6號(hào)〕二、福島核電站事故主要進(jìn)程

按照國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)對(duì)核時(shí)間的分級(jí)〔見附表1〕，日本原子力平安保安院將事件定為4級(jí)核事故,后調(diào)整為5級(jí)、7級(jí)。附表1：國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)核事件分級(jí)表(INES)級(jí)別說明準(zhǔn)則實(shí)例7特大事故大量核污染泄露到工廠以外，造成巨大健康和環(huán)境影響。1986年前蘇聯(lián)切爾諾貝利核事故6重大事故一部分核污染泄漏到工廠外，需要立即采取措施來挽救各種損失。1957年前蘇聯(lián)基斯達(dá)姆核事故5具有廠外風(fēng)險(xiǎn)的事故有限的核污染泄漏到工廠外，需要采取一定措施來挽救損失。1979年美國(guó)三里島核事故4沒有明顯廠外風(fēng)險(xiǎn)的事故非常有限但明顯高于正常標(biāo)準(zhǔn)的核物質(zhì)被散發(fā)到工廠外，或者反應(yīng)堆嚴(yán)重受損或者工廠內(nèi)部人員遭受嚴(yán)重輻射。1999年日本東海村核事故3重大事件很小的內(nèi)部事件，外部放射劑量在允許的范圍之內(nèi)，或者嚴(yán)重的內(nèi)部核污染影響至少1個(gè)工作人員。2事件這一級(jí)別對(duì)外部沒有影響，但是內(nèi)部可能有核物質(zhì)污染擴(kuò)散，或者直接過量輻射了員工或者操作嚴(yán)重違反安全規(guī)則。1異常這一級(jí)別對(duì)外部沒有任何影響，僅為內(nèi)部操作違反安全準(zhǔn)則。0偏離安全上無重要意義二、福島核電站事故主要進(jìn)程

第三局部

福島核電站事故初步分析里氏9級(jí)地震以及繼發(fā)的海嘯是世界災(zāi)難，超出了核電廠原設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)，是超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故的疊加；東京電力公司證實(shí)襲擊福島第一、第二核電站的海嘯浪高超過14米。福島第一核電站海嘯設(shè)防高度為5.7米，福島第二核電站海嘯設(shè)防高度為5.2米。海嘯數(shù)據(jù)是基于設(shè)防8級(jí)地震的。但本次地震為9級(jí)。福島第一核電站反響堆廠房、汽機(jī)廠房?jī)H高出海平面10-13米三、福島核電站事故初步分析

福島第一核電站是六十年代設(shè)計(jì)建造的首批商業(yè)電站，其設(shè)計(jì)和平安標(biāo)準(zhǔn)反響了當(dāng)時(shí)的認(rèn)識(shí)和水平。福島核電廠機(jī)組運(yùn)行已超過其設(shè)計(jì)壽期40年，其很多系統(tǒng)部件可能存在老化現(xiàn)象。電源問題：失去所有電源、余熱無法導(dǎo)出導(dǎo)致堆芯裸露此外，現(xiàn)場(chǎng)處置措施不夠給力？三、福島核電站事故初步分析

鋼平安殼空間較小〔數(shù)千立方米〕，在堆芯損壞嚴(yán)重事故情況下平安殼內(nèi)升壓進(jìn)程會(huì)較快，容易導(dǎo)致平安殼超壓失效NUREG-1150報(bào)告，“嚴(yán)重事故風(fēng)險(xiǎn)：美國(guó)5座核電廠的評(píng)估〞，針對(duì)美國(guó)PeachBottom核電廠〔BWR3，MARKI〕指出：最可能發(fā)生堆芯損壞的原因就是，全廠斷電疊加堆芯注水失效。美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室針對(duì)BWR3、4指出：在喪失最終熱阱的嚴(yán)重事故情況下，高溫蒸汽釋放到抑壓水池中會(huì)產(chǎn)生明顯的熱分層現(xiàn)象，抑壓水池很容易沸騰并導(dǎo)致平安殼內(nèi)壓力迅速上升；三、福島核電站事故初步分析－－設(shè)計(jì)缺陷

從目前掌握的資料來看，福島核電廠未安裝針對(duì)嚴(yán)重事故氫氣風(fēng)險(xiǎn)的相關(guān)系統(tǒng)，無有效的氫氣濃度監(jiān)測(cè)和消氫措施，導(dǎo)致嚴(yán)重事故下氫氣風(fēng)險(xiǎn)難以控制。從目前查閱的資料來看，福島核電廠通過硬質(zhì)管道進(jìn)行平安殼氣體排放〔事故后無法開啟〕，也沒有有效的放射性過濾排放措施，從而無法做到放射性盡量最小化釋放。從目前獲取的信息來看，福島核電廠事故發(fā)生過程中采用的相關(guān)干預(yù)措施，在干預(yù)內(nèi)容、干預(yù)時(shí)機(jī)、干預(yù)風(fēng)險(xiǎn)等方面存在問題，配套事故規(guī)程不完善，相關(guān)人員認(rèn)識(shí)缺乏。沒有嚴(yán)重事故管理導(dǎo)那么來統(tǒng)籌組織、處置事故后果。三、福島核電站事故初步分析－－設(shè)計(jì)缺陷

第四局部

經(jīng)驗(yàn)反響、改進(jìn)及啟發(fā)福島核電廠的地震及其引發(fā)的海嘯，已經(jīng)遠(yuǎn)超過核電廠的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，因此，無論對(duì)于二代核電站還是三代核電站，遭遇這種超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)自然災(zāi)害，其后果和損害都是很大。應(yīng)該看到，福島核電廠發(fā)生的嚴(yán)重事故也存在電廠超期服役、設(shè)備老化等非技術(shù)因素，不應(yīng)一味的將該事故的發(fā)生歸結(jié)到技術(shù)落后、平安性不高的原因。我國(guó)核電站多為壓水堆，且屬于80年度后期技術(shù)，防御和抵抗類似事故的能力要強(qiáng)；不應(yīng)由于福島事故的發(fā)生，就否認(rèn)或貶低二代加核電廠的平安；四、經(jīng)驗(yàn)反響、改進(jìn)及啟發(fā)穩(wěn)壓器反應(yīng)堆汽輪機(jī)主泵蒸汽發(fā)生器發(fā)電機(jī)給水泵凝汽器循環(huán)泵控制棒四、經(jīng)驗(yàn)反響、改進(jìn)及啟發(fā)－－壓水堆的優(yōu)勢(shì)我國(guó)核電與福島核電站相比：福島我國(guó)地震地震帶地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定海嘯發(fā)生基本不具備發(fā)生條件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)60年代90年代安全殼承壓能力較弱較強(qiáng)安全殼消氫無能動(dòng)+非能動(dòng)全廠斷電汽動(dòng)泵汽動(dòng)泵+非能動(dòng)系統(tǒng)嚴(yán)重事故管理導(dǎo)則無已有并全面推廣四、經(jīng)驗(yàn)反響、改進(jìn)及啟發(fā)中廣核旗下主力堆型CPR1000及CPR1000+：采用二代改進(jìn)型壓水堆核電技術(shù)方案，充分借鑒三代核電廠的相關(guān)設(shè)計(jì)理念；增加了合理適用的嚴(yán)重事故預(yù)防和緩解措施：非能動(dòng)消氫系統(tǒng)；