福島雖未核爆炸，核洩漏為何卻和車諾比相當？

morris_2007

【日經BP社報導】編者按 日本物理學家、技術評論家櫻井淳一直在以自己的觀點揭示福島第一核電站事故的全貌。目前尚未明瞭的一個問題是，放射性物質的洩漏通路。雖然多數意見認為洩露出現在排氣操作時，但櫻井認為這無法解釋莫大污染危害的成因。那麼，放射性物質到底是從哪洩漏出去的呢？

東京電力公開的報告「福島第一核電站 關於東北地方太平洋海域地震對於反應爐設施的影響」中記載著原屬機密的內容，其中包括福島第一核電站1～6號機組相關的技術項目、事故時的各種設備數據，以及根據這些數據對重大爐心受損事故所做分析的結果。這份報告對掌握事故全貌無疑是必不可少的資料。但另一方面，隨著調查的深入，新的疑點也不斷湧現。對於這些疑問，東京電力無疑也還沒有找到答案。

問題有以下5個：〔1〕2號機組與3號機組的隔離時冷卻系統停機的原因；〔2〕2號機組與3號機組的高壓注入系統停機的原因；〔3〕放射性物質洩漏至環境的路徑；〔4〕2號機組反應爐安全殼抑壓室受損的原因；〔5〕各位置爐心熔毀物的存在形態和量。

本文在這5個問題之中，將探討根據公開的數據目前能夠考察的問題〔3〕。


與車諾比周邊地區同級

關於福島第一核電站事故的嚴重程度，按照國際核事件分級表*1，根據釋放到環境中的輻射量，其與1986年4月在前蘇聯發生的車諾比核電站事故一樣定為「七級」。七級雖然是最嚴重的等級，但兩起事故有著本質上的區別。

*1　國際核事件分級表　國際原子能機構制定的事故評價標準之一。分級表共分八級，依次是「零級」（未達級數）、「一級」（異常）、「二級」（一般事件）、「三級」（重大事件）、「四級」（影響範圍有限的事故）、「五級」（影響範圍較大的事故）、「六級」（重大事故）、「七級」（特大事故）。評價根據啟動的安全系統的種類、設施的損傷狀況、工作人員輻射劑量、環境輻射監測綜合評定。

車諾比核電站事故，是在沒有反應爐安全殼的狀態下爐心發生了核爆炸*2。而福島第一核電站事故則是在反應爐安全殼外側發生了氫氣爆炸。兩起事故的巨大差異在於福島第一核電站的反應爐安全殼雖然沒有達到令人滿意的程度，但還是發揮了一定的防護作用。

*2　核爆炸指控制棒拔出或以與之相當的（熱中子吸收較大的冷卻水從爐心蒸發等）反應度快速促進核裂變的事故。

其結果按照筆者的計算，福島第一核電站事故釋放的輻射量即使往大里估算，也只有因地震緊急停堆時1～3號機組3座反應爐爐心輻射量的3％左右。剩餘的約97％都封閉在了1～3號機組的反應爐壓力容器和反應爐安全殼內部。事實上，福島第一核電站事故釋放的輻射量僅為車諾比核電站事故的1/7。

由此可以認為，即便放射性物質進入人體內，長期釋放輻射造成晩發性癌症的風險也應該低於車諾比核電站事故。但是，事情卻並非如此單純。

以福島縣飯館村為例，因放射性物質釋放時的氣象條件影響引發的熱點現象，造成該地區的土地污染與車諾比核電站周邊地區相當，甚至更加嚴重*3。也就是說，雖說福島第一核電站事故釋放的總輻射量雖然不及車諾比核電站事故，但給某些地區造成的土地污染和食品污染的嚴重程度卻與車諾比核電站周邊地區相差無幾。

*3　即便是同一地區，因地形差異等影響，某些場所觀測到的輻射會特別嚴重。

如此嚴重的放射性污染是如何擴散的呢？截至目前，核電站設施的放射性物質洩漏通路還未完全弄清，在這裡，筆者將嘗試回溯至核電站的構造來進行考察。


排氣操作有2套系統

福島第一核電站1～5號機組採用的初期型沸水反應爐（BWR，Boiling Water Reactor）的安全殼稱為「MarkⅠ型」，為了追求經濟性，設計十分緊湊。因此，反應爐安全殼內的空間容積很小，例如，1號機組的容積大約與普通的兩層住宅（長18×寬18×高18m）相當。當發生重大爐心受損事故時，從反應爐壓力容器釋放到反應爐安全殼的大量高溫高壓水蒸氣會導致反應爐安全殼發生過壓破損，有可能造成無法控制的放射性物質釋放。

為了避免這種事態的發生，設計時分別在反應爐安全殼的幹井和相當於抑壓室水槽上部空間的濕井都設置了排氣系統（圖1）。在此次事故中，雖然普遍認為隨著排氣操作的進行，大量的碘131（半衰期8.04年）和銫137（半衰期30.1年）等放射性物質釋放到了環境之中，但筆者對於這個觀點持懷疑態度。

圖1：福島第一核電站的設備構成概要         為了防止意外情況發生，幹井（D/W）與濕井（W/W）分別設置了排氣管路。（a）為1號機組，（b）為2～4號機組的排氣管路。圖中省略了閥門。《日經製造》根據東京電力資料製作。

排氣操作之外的洩漏可能性

上述兩套排氣系統操作時，幹井排氣操作會直接向環境釋放大量的放射性物質*4。而濕井的排氣操作中，大量的蒸汽會在通過水池的過程中冷卻並凝縮，放射性物質也將在此過程中存在於水中。福島第一核電站事故之時實施的排氣操作均為後者。

*4　德國、法國、瑞士等地的輕水反應爐，為了減少釋放到環境中的輻射量，在連接排氣筒的配管中設置了輻射過濾器。未採取這一措施的日本的安全思路無疑已經落伍。

放射性物質存在於水中的比例取決於放射性物質的核素、抑壓室的壓力、溫度和通過水的厚度（通過距離）*5。美國橡樹嶺國家實驗室（OakRidge National Laboratory）實施的標準條件實驗的結果顯示，碘131溶于水的比例為99.0～99.9％。

*5　在美國三里島核電站事故中，由於碘131洩漏時經過了水，因此釋放到環境中的輻射量極小。具體來說，相當於反應爐停機時碘131的3×10-5％。

反言之，由排氣操作（2號機組抑壓室的損傷與排氣操作相當，也包含在內）釋放到環境中的碘131等核素的輻射量，因抑壓室水池的效果僅為0.1～1.0％。這種程度的劑量應該不會成為福島縣等地的主要污染源。

東京電力的報告顯示，1號機組在3月12日14時30分實施了1次排氣操作（圖2），3號機組在3月13日中午到3月15日下午共實施了5次排氣操作（圖3）。2號機組沒有實施排氣操作。

圖2：1號機組的反應爐安全殼幹井（D/W）與抑壓室（S/C）的壓力變化         實施了1次排氣操作。根據東京電力資料製作。

圖3：3號機組的反應爐安全殼幹井（D/W）與抑壓室（S/C）的壓力變化         實施了5次排氣操作。根據東京電力資料製作。

然而，釋放到環境中的輻射量基本沒有受到這些排氣操作的影響，從3月15日一早開始就顯著增加。而且，在飯館村等特定地區，累積輻射量也從3月15日開始激增。

這個事實提示我們，除了排氣操作之外，放射性物質還有其他的洩漏通路。


排查洩漏通路

有可能成為放射性物質從反應爐安全殼洩漏的通路有〔1〕人員閘門；〔2〕機械搬運出入口；〔3〕電氣滲透件（線纜貫通部分）；〔4〕濕井的排氣操作；〔5〕頂蓋內襯等5條。其中可能性最大的是〔4〕濕井的排氣操作和〔5〕頂蓋內襯。然而，如上所述，濕井的排氣操作不會成為主要洩漏通路，因此，推測洩露來自頂蓋內襯應該比較合理。

頂蓋是指覆蓋反應爐安全殼頂部的巨大穹頂部分（圖4）。頂蓋與反應爐主體以圓形的法蘭盤相連，為了確保氣密性，內面安裝有彈性和耐熱性俱佳的方型矽橡膠內襯，並用以機器人系統準確管理扭矩的螺栓固定。

圖4：MarkⅠ型與改進版MarkⅠ型的構造圖         （a）為MarkⅠ型，（b）為改進版MarkⅠ型。二者的構造基本相同，但尺寸有異。改進版MarkⅠ型的反應爐熱功率比是MarkⅠ型的1.4倍，幹井空間容積比是2.1倍，濕井空間容積比是1.7倍，池水量比是1.3倍。改進版MarkⅠ型反應爐熱功率比的增幅之所以小於幹井空間容積比的增幅，是因為「改善」了MarkⅠ型的缺點。根據日本原子能安全委員會資料製作。

矽橡膠內襯具有-60～250℃的耐熱性。但在巨大的壓力和高溫下仍然可能發生熱變形，導致氣密性受損。東京電力的報告顯示，1～3號機組反應爐安全殼幹井空間、濕井空間的設計壓力和溫度均為約400kPa（表壓）和138℃。

而從事故時的壓力溫度來看，1號機組約為800kPa（表壓）和500℃*6 ，2、3號機組約為600kPa（表壓）和接近200℃，都遠遠超過了設計值*7。如此一來，碘131和銫137等放射性物質很可能隨著反應爐安全殼內高溫高壓的氫和氮一同從內襯部分噴出。

*6　根據文獻，在2011年3月13～15日期間，溫度曾經達到600～800℃。

*7　1～3號機組均于2011年3月15日達到最高溫度。

這一推論有幾個事實可以佐證。第一，進入2號機組調查的機器人在最高層的地面檢測到的輻射劑量率異常之高*8。第二，如果設想內襯部分沒有洩露，那麼反應爐安全殼壓力應該在短時間內達到設計壓力的2倍。第三，在福島第一核電站正門觀測到的輻射劑量率沒有在排氣操作（2號機組抑壓室的損傷與排氣操作相當，也包含在內）時出現明顯增加。還有第四，2號機組抑壓室發生損傷3個小時後，福島第一核電站正門的輻射劑量率儘管增加到了平時的20倍，但此時的風向與飯館村方向相反，是北北東方向。

*8　報導的110mSv/h的數值比在核電站現場作業時的數值高出一位數。最高層整體之所以污染如此嚴重，可能的原因只有一個——反應爐安全殼頂蓋噴出了含有放射性物質的氣體。

由以上情況，我們可以推測：〔1〕釋放到環境中的放射性物質大部分是從內襯部分洩漏而來，而非排氣操作；〔2〕飯館村嚴重污染的主要原因不是2號機組抑壓室損傷（與排氣操作相當）造成的放射性物質釋放。


放射性污染是設計問題

按照筆者的計算，輕水反應爐可能釋放的最大規模輻射量會達福島第一核電站事故的10～數10倍。會引發如此嚴重事態的重大爐心受損事故的成因不僅限于地震和海嘯，還包括美國三里島核電站事故那樣的連鎖機械故障及隨之出現的人為失誤、以及恐怖襲擊之類的故意破壞行為、飛機墜毀等外部飛行物等。因此，對於輕水反應爐的安全性，必須要更加慎重地反覆進行討論。

本文討論的放射性污染問題，所追究的是重大爐心受損事故發生時的最後一道生命線——反應爐安全殼，說白了就是MarkⅠ型的設計。關於MarkⅠ型的安全性，美國的反應爐製造商和核能管理委員會曾在1970年代進行過探討，推動了日後改進版MarkⅠ型和MarkⅡ型的開發。MarkⅠ型與這些新型安全殼的決定性差異在於空間容積的大小，而MarkⅠ型偏小。

如果發生事故的反應爐安全殼（MarkⅠ型）的空間容積有2倍大小，壓力和溫度無疑就都能控制在設計值之內，也能夠避免抑壓室受損。其結果，即使發生嚴重事故，釋放到環境的輻射量估計也能控制在技術標準值以內。

由此可見，發覺到了問題但沒有積極採取安全措施的反應爐製造商、對安全審查影響巨大的研究者的責任無疑是重大的*9。（特約撰稿人：櫻井 淳）

*9　這裡的研究所是主要是指東京大學和日本原子能研究開發機構（原日本核能研究所輕水反應爐安全性研究部門）。安全審查和安全規制委員會委員約6成為來自這兩個組織的研究者。

http://big5.nikkeibp.com.cn/news/tren/61889-20120711.html?ref=ML&limitstart=0

設計問題?

孤寂如雲

核洩漏劑量與核爆炸無必要關聯。

123Go

孤寂如雲 發表於 2012-8-14 01:16
核洩漏劑量與核爆炸無必要關聯。

不說「必要關聯」的話, 仍然是有關聯吧.
整體研究, 討論一下核爆炸會有幫助.

孤寂如雲

123Go 發表於 2012-8-14 04:01
不說「必要關聯」的話, 仍然是有關聯吧.
整體研究, 討論一下核爆炸會有幫助. ...

這點我同意。