福岛核电站爆炸事故分析.docx
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福岛核电站爆炸事故分析
福岛核电站爆炸事故分析及对我国发展核电的思考
1、事故背景
北京时间2011年3月11日13时46分在日本本州东海岸附近海域（北纬38.1,东经142.6）发生里氏9.0级地震，震源深度24千米，东京有强烈震感，地震引发大规模海啸，造成重大人员伤亡，并引发日本福岛第一核电站发生核泄漏事故。
1.1 日本电力工业概况
日本分为1道（北海道）、2府（东京、大阪）、43个县，共46个行政单位，国土37万km2，2004年人口1.27亿。
全国由10个电力公司供电，其中北部为50Hz（北海道、东北和东京），南部为60Hz，由关西60Hz/50Hz变频换流站交换功率。
全国电网最高电压等级1100kV（目前以550kV降压运行），以下依次是500、275、220、187、154、132、66、22、6kV共9级，民用电压为110V。
10个电力公司为北海道、东北、东京、中部、北陆、关西、中国、四国、九州、冲绳。
其中东京电力公司装机容量最大，超过5000万kW，占全国总装机容量的1/4强，所属东京电力中央研究所（CRIEPI）为日本最大的电力研究所，日本第骨干网架，地理接线和各电力公司供电区域分别如图1、2和3所示。
日本发电所需的能源基本上都依赖从国外进口，1973年第一次石油危机以后，各家电力公司开始减少对石油的依赖程度，致力于发电能源的多元化，日本目前的发电厂也火电为主。
截至2009年底，电网装机容量2.4549亿kW，其中液化天然气（LNG）发电装机容量占25.07%，石油发电装机容量占19.72%，煤炭发电装机容量占15.67%，核电发电装机容量占20.61%，水电发电装机容量占18.93%，其它为地热等新能源发电。
预计从2005年到2014年，日本将新增核电装机容量1437万千瓦合计达6149万千瓦，所占比例将上升到23.4%，核能发电量将从2009年的3723亿kWh增加到2014年的4361亿kWh，所占比例增加到141.3%，如图4和5所示。
截至2009年底，500kV及以上的架空输电线达8698km；187～275kV线路达14091km；187～500kV的地下输电线路达1914km。
相应地，500kV的变电容量达213860MVA；187～275kV的变电容量达220430MVA。
东京电力公司是日本最大电力公司，供电区域达3.9万平方公里，包括东京都及其周边区域（大东京市）。
2008财年净供电量为289TWh，占日本全国供电总量的33%。
2001年7月曾达到历史记录的最高负荷64.3GW。
东京电力公司的电力系统有下述几个特点：
第一，电力需求集中在大东京市。
第二，由于近几十年大型发电站的选址越来越困难，新的发电站选址必需远离拥挤的城市，建设在偏远地区。
1.2日本核电站概况
据国际原子能机构统计，目前全球核电站有450多个，其中美国、法国和日本占据前三名，分别有103个、59个和57个，日本是地震多发国家，而核电占日本总发电量的三分之一，很多核反应堆设在地震多发地带。
全国截至2010年底共有18座核电站，57个反应堆，包括28个沸水反应堆（BWR）、24个加压水冷却反应堆（PWR）、4个先进沸水堆（ABWR）、1个快中子反应堆，总装机容量4873.5万千瓦。
在建、规划、定购或邀请的核电机组共13台，装机容量1741.8万千瓦。
此次受灾区核反应堆达14座。
主要的核电站包括福岛核电站、女川核电站、刈羽核电站等。
日本各核电站装机容量、堆型、业主和投运时间如表1和表2所示，地理分布和此次地震受损情况如图6和7所示。
图1日本骨干电网图
图2日本电网地理接线图
图3日本各电力公司供电范围
图4日本电力企业各类发电设备装机容量
图5日本电力企业各类发电设备发电量
表1日本在运行的核电机组
机组
堆型
容量（万千瓦）
业主
投运时间
福岛第一核电站1号（FukushimaI）
BWR
43.9
东京电力
1971年3月
福岛第一核电站2号
BWR
76
东京电力
1974年7月
福岛第一核电站3号
BWR
76
东京电力
1976年3月
福岛第一核电站4号
BWR
76
东京电力
1978年10月
福岛第一核电站5号
BWR
76
东京电力
1978年4月
福岛第一核电站6号
BWR
106.7
东京电力
1979年10月
福岛第二核电站1号（FukushimaII）
BWR
106.7
东京电力
1982年4月
福岛第二核电站2号
BWR
106.7
东京电力
1984年2月
福岛第二核电站3号
BWR
106.7
东京电力
1985年6月
福岛第二核电站4号
BWR
106.7
东京电力
1987年8月
玄海核电站1号（Genkai）
PWR
52.9
九州电力
1975年10月
玄海核电站2号
PWR
52.9
九州电力
1981年3月
玄海核电站3号
PWR
112.7
九州电力
1994年3月
玄海核电站4号
PWR
112.7
九州电力
1997年7月
滨冈核电站1号（Hamaoka）
BWR
51.5
中部电力
1976年3月
滨冈核电站2号
BWR
80.6
中部电力
1978年11月
滨冈核电站3号
BWR
105.6
中部电力
1987年8月
滨冈核电站4号
BWR
109.2
中部电力
1993年9月
滨冈核电站5号
ABWR
132.5
中部电力
2005年1月
东通核电站1号（Higashidori）—东北电力
BWR
105.3
东北电力
2005年12月
伊方核电站1号（Ikata）
PWR
53.8
四国电力
1977年9月
伊方核电站2号
PWR
53.8
四国电力
1982年3月
伊方核电站3号
PWR
84.6
四国电力
1994年12月
柏崎·刈羽核电站1号（Kashiwazaki-Kariwa）
BWR
106.7
东京电力
1985年9月
柏崎·刈羽核电站2号
BWR
106.7
东京电力
1990年9月
柏崎·刈羽核电站3号
BWR
106.7
东京电力
1993年8月
柏崎·刈羽核电站4号
BWR
106.7
东京电力
1994年8月
柏崎·刈羽核电站5号
BWR
106.7
东京电力
1990年4月
柏崎·刈羽核电站6号
ABWR
131.5
东京电力
1996年11月
柏崎·刈羽核电站7号
ABWR
131.5
东京电力
1997年7月
美滨核电站1号（Mihama）
PWR
32
关西电力
1970年11月
美滨核电站2号
PWR
47
关西电力
1972年7月
美滨核电站3号
PWR
78
关西电力
1976年12月
大饭核电站1号（Ohi）
PWR
112
关西电力
1979年3月
大饭核电站2号
PWR
112
关西电力
1979年12月
大饭核电站3号
PWR
112.7
关西电力
1991年12月
大饭核电站4号
PWR
112.7
关西电力
1993年2月
女川核电站1号（Onagawa）
BWR
49.8
东北电力
1984年6月
女川核电站2号
BWR
79.6
东北电力
1995年7月
女川核电站3号
BWR
79.6
东北电力
2002年1月
川内核电站1号（Sendai）
PWR
84.6
九州电力
1984年7月
川内核电站2号
PWR
84.6
九州电力
1985年11月
志贺核电站1号（Shika）
BWR
50.5
北陆电力
1993年7月
志贺核电站2号
ABWR
130.4
北陆电力
2006年3月
岛根核电站1号（Shimane）
BWR
43.9
中国电力
1974年3月
岛根核电站2号
BWR
79.1
中国电力
1989年2月
高滨核电站1号（Takahama）
PWR
78
关西电力
1974年11月
高滨核电站2号
PWR
78
关西电力
1975年11月
高滨核电站3号
PWR
83
关西电力
1985年1月
高滨核电站4号
PWR
83
关西电力
1985年6月
东海核电站2号（Tokai）
BWR
105.6
日本原子能发电公司
1978年11月
泊核电站1号（Tomari）
PWR
55
北海道电力
1989年6月
泊核电站2号
PWR
55
北海道电力
1991年4月
泊核电站3号
PWR
91.2
北海道电力
2009年12月
敦贺核电站1号（Tsuruga）
BWR
34.1
日本原子能发电公司
1970年3月
敦贺核电站2号
PWR
111.5
日本原子能发电公司
1987年2月
文殊快堆
中子原型堆
24.6
JAEA
1994~95年运行，等待重新启动
合计：
57台
4873.5万千瓦
表2日本在建、规划、定购或邀请的核电机组
机组
堆型
单机容量（万千瓦）
业主
开工时间
投运时间
大间核电站（Ohma）
ABWR
138.3
日本电源开发
2007年8月
2012年
岛根核电站3号（Shimane）
ABWR
137.3
中国电力
2005年12月
2011年12月
敦贺核电站3号（Tsuruga）
APWR
153.8
日本原子能发电公司
2010年10月
2016年
敦贺核电站4号
APWR
153.8
日本原子能发电公司
2010年10月
2017年
福岛第一核电站7号（FukushimaI）
ABWR
138
东京电力
2009年
2013年
福岛第一核电站8号
ABWR
138
东京电力
2009年
2014年
东通核电站1号（Higashidori）
ABWR
138.5
东京电力
2008年
2014年
东通核电站2号
ABWR
138.5
东京电力
2011年
2017年
上关核电站1号（Kaminoseki）
ABWR
137.3
中国电力
2009年
2014年
上关核电站2号
ABWR
137.3
中国电力
2012年
2017年
东通核电站2号—东北电力
ABWR
138.5
东北电力
2013年
2018年
浪江·小高核电站（Namie-odaka）
BWR
82.5
东北电力
2013年
2018年
川内核电站3号（Sendai）
PWR
110
九州电力
当地政府已经发出邀请
合计：
13台
1741.8
日本福岛第一核电站位于福岛县双叶郡大熊町沿海。
福岛第一核电有6台机组，1号机组439兆瓦，为BWR-3型机组，1970年下半年并网发电，1971年投入商业运行；2号至5号机组为BWR-4型，760兆瓦，1974-1978年投产；6号机组为BWR-5型，1067兆瓦，1979年投产。
六台机组在同一厂址，全是沸水堆，均属于东京电力公司，装机占现役核电装机9.33%，发电量占日本总发电量近6%，主要经由500kV网络向东京送电。
图6日本核电站分布图
2、福岛核电站事故概况和恶化过程
2.1事故序列描述
1、2011年3月11日下午，地震发生，控制棒上插，反应堆安全停堆。
堆芯热功率在几分钟内由正常的1400兆瓦下降到只剩余热，但仍有约4%，虽然仍在下降，但下降速度变慢。
2、停堆后由于地震摧毁了电网，厂外电源不可用，电厂丧失了保安电源，由应急柴油机向堆芯内注入清水。
注意是清水，不是硼水，换句话说，操作员采用了比较保守的方法。
3、海啸随之而来，柴油机房被淹，应急柴油机不可用，由蓄电池继续供电，虽然容量较小，但是在事故后8小时内还是为压力容器的冷却做了贡献。
4、电池耗尽，卡车运来了移动式柴油机，但是柴油发电机的接口和核电站的接口不兼容，堆芯冷却暂时停止。
5、为了保住压力容器，电厂运维人员采取措施卸压，防止压力容器超压爆炸。
6、12日早，首相菅直人电厂视察，卸压暂时中断，导致安全壳内温度压力仍在上升。
7、电厂运维人员继续释放压力容器内部的压力。
此时压力容器内的温度约为550摄氏度，堆芯已经裸露并产生大量氢气。
8、12日15时36分，1号机组反应堆发生爆炸，厂房顶盖被爆炸完全摧毁，只剩下钢结构。
9、爆炸后，利用消防水泵，直接向发生了燃料熔化的1号机组注入海水（并加入硼）进行冷却，一号机组的事故暂时告一段落。
10、14日上午11点1分，3号机组反应堆发生爆炸。
11、14日晚8时，2号机组堆芯已经全部露出水面，进入干烧状态，2号机组内的压力猛增。
12、15日6时10分，2号反应堆发生爆炸。
13、15日6时15分，在地震发生前已经处于维修状态、并未工作的4号反应堆起火，并发生爆炸。
明火不久被扑灭。
爆炸之后，4号反应堆外围建筑出现了两个直径达8米的大洞。
14、16日清晨5时45分，4号机组再次发生火情。
15、19日上午，5、6号机组的冷却功能恢复，乏燃料池水重新开始循环。
16、20日15时46分，1号机组、2号机组已接通外部电源，3号机组、4号机组通过自卫队的喷水基本控制了局势，5号机组、6号机组的温度已经下降到接近正常水平。
图7地震受损区域图
2.2福岛核事故重要事件节点
福岛第1核电站作为日本核事故主体，共拥有6台现役核电机组，其中1～4号机组在地震及海啸中受影响深重，部分机组甚至发生氢气爆炸，致使厂房设施严重受损。
福岛第1核电站机组核事故爆炸顺序图和重要事件节点分别如图8和表3~7所示。
图8福岛第1核电站机组核事故爆炸顺序图
表3福岛第1核电站1号机组
时间
主要事件
11日
14:
42
丧失电源
15:
36
堆芯安注系统不可用
23:
49
压力容器压力异常升高
12日
13:
30
开始卸压
14:
36
氢爆
19:
20
向压力容器内注海水
13日
10:
55
开始利用消防设施向1号机组安全壳内注入海水
14日
00:
10
临时中断注水作业
19日
19:
10
已成功连接场外电源
目前
反应堆正在灌注海水
表4福岛第一核电站2号机组
时间
主要事件
11日
14:
42
丧失电源
15:
36
堆芯安注系统不可用
13日
13:
00
维持2号机组的注水功能
14日
12:
25
堆芯冷却功能丧失
13:
18
2号机组堆内水位有下降倾向。
19:
10
准备利用消防设施向2号机组注海水
21:
50
压力容器内压力异常升高，水位再次下降
23:
00
开始卸压
15日
05:
10
听到爆炸音，抑压池破损
07:
25
机组冒白烟
19日
19:
10
已成功连接场外电源
20日
检查电气设备
目前
正在注入海水
表5福岛第一核电站3号机组
时间
主要事件
11日
14:
42
丧失电源
13日
04:
10
堆芯冷却功能丧失
07:
41
开始卸压
10:
55
开始利用消防设施向3号机组安全壳内注淡水
12:
12
开始利用消防设施向3号机组安全壳内注海水
14日
00:
10
因1、3号机组注水口海水减少，停止注水
02:
20
再次开始海水注入
06:
44
压力容器内压力异常升高
10:
01
氢爆
15日
09:
22
辐射剂量升高，至16日07：
47，达到400mSv/h
16日
07:
34和09:
00
看到冒白烟
17日
08:
48
利用直升机注水
18:
05
利用消防设施注水
18:
35
再此通过直升机注水
18日
13:
00
利用消防设施注水
13:
42
利用美国军用消防车进行注水（1台）
23:
30
东京消防厅进行地面注水20分钟，注水60吨
19日23:
30～20日02:
40
持续注水13.5小时，注水量是乏燃料池容量的两倍以上
20日
11:
30
安全壳压力在上升
14:
30
据东京电力辅导事务所报告，安全壳压力已稳定
目前
正在注入海水
表6福岛第一核电站4号机组
时间
主要事件
14日
03:
08
乏燃料池水温升高至84℃
15日
05:
14
确认4号机组厂房外墙部分坍塌
08:
38
反应堆厂房3层着火，已扑灭。
16日
04:
45
发生火灾，自行熄灭。
17日
17号自卫队空中侦察的结果，确认了4号机组乏燃料池中有水存在
20日
08:
30
日本自卫队及东京电力结束了向4号机组乏燃料池注水作业。
注水工作持续了1个多小时，共注水80吨。
目前
厂房严重损毁，堆芯内无燃料组件
表7福岛第一核电站5、6号机组
时间
主要事件
15日
乏燃料池水温升高
20:
00
水位高出燃料组件2.1m以上，但与5个小时前相比，水位下降了40cm
17日
仍处于安全状态
18日
乏燃料池中水温在缓慢上升
在反应堆厂房屋顶开洞孔，防止发生氢爆
19日
凌晨
修复了一台6号机组的应急柴油发电机
19日
04:
00
5号机组余热排出系统（RHR）泵恢复运行，水温开始下降
2.2福岛核事故机组最新状态
IAEA对福岛第一核电站机组状态的说明表8所示。
表8福岛核事故机组最新状态
机组
1
2
3
4
5
6
电功率/热功率（MWt/MWe）
460/1380
784/2381
784/2381
784/2381
784/2381
1100/3293
反应堆类型
BWR-3
BWR-4
BWR-4
BWR-4
BWR-4
BWR-5
地震发生时机组状态
运行自动停堆
运行自动停堆
运行自动停堆
停堆检修中
停堆检修中
停堆检修中
堆芯和燃料
已损毁
已损毁
已损毁
无燃料棒
估计未损毁
估计未损毁
安全壳完整性
没有报告损毁
疑遭损毁
无信息
大修布置
估计未损毁
估计未损毁
场外电源
恢复中
恢复中
不可用
不可用
不可用
不可用
应急柴油发电机
不可用
不可用
不可用
不可用
2台应急柴油发电机为5、6号机组供电
厂房
严重损毁
轻微受损
严重损毁
严重损毁
无损毁报告
无损毁报告
RPV水位
燃料组件约一半高度处
大修布置
燃料组件上方
RPV压力
稳定
无可靠数据
稳定
大修布置
无信息
无信息
安全壳压力干井
无信息
稳定
稳定
大修布置
无信息
无信息
向RPV内注水
海水注入
海水注入
海水注入
大修布置
不需要
不需要
向CV内注水
不可用
不可用
不可用
不需要
不需要
不需要
乏燃料池温度
无信息
无信息
无信息
无信息
趋于稳定
趋于稳定
颜色说明：
红色表示情况严重；黄色表示需要关注；绿色表示不需要马上关注。
3、事故分级
日本原子能安全保安院（相当于我国的国家核安全局）3月13日按照“国际核能事件分级表”，把核电站爆炸泄漏事故定为4级，“国际核能事件分级表”把核事件按严重程度分为零至7级。
4级意味着核事件可定性为“事故”，将“在当地产生影响”。
由于最近几天发生了反应堆燃料熔毁、向外界泄漏放射性物质的情况，19日该机构根据国际标准将福岛第一核电站1号、2号和3号机组的核泄漏等级定为5级，与1979年美国三里岛核电站核泄漏事故等级相当，4号机组的核泄漏等级为3级。
1979年3月28日，美国宾夕法尼亚州三里岛核电站制冷系统出现故障，致使核反应堆部分熔化，最终造成美国最严重的一次核泄漏事故，至少15万居民被迫撤离。
历史上，1986年的苏联切尔诺贝利核事故被定义为最严重的7级。
当年4月26日，位于今乌克兰境内的切尔诺贝利核电站4号反应堆发生爆炸，造成30人当场死亡，8吨多强辐射物泄漏。
这次核泄漏事故使电站周围6万多平方公里土地受到直接污染，320多万人受到核辐射侵害，造成人类和平利用核能史上最大一次灾难。
4、事故原因分析
此次日本福岛第一核电厂的爆炸事故，表象上看是由于地震这一外部自然事件不可抗力所引起，但实际上，最根本的却在于：
其机型属于沸水堆为二代核电技术、设计存在一定问题、设备已经老化等内部原因造成的。
4.1日本福岛核电——二代技术“危险的沸水堆”
福岛核电站采用的是“沸水堆”，属于二代核电技术。
主要工作原理是：
冷却剂（水）从核反应堆堆芯下部流进，在沿堆芯上升的过程中，从核燃料棒那里得到热量，冷却剂沸腾，变成了蒸汽和水的混合物，通过汽水分离器分离出高温蒸汽用来推动汽轮发电机组发电。
因此堆芯内冷却剂不断被消耗，必须由给水系统不断的补充水，水从汽轮机处冷凝得来，由泵送回堆芯内。
由主泵提供动力保证一回路内冷却剂的流动使堆芯内热量分布均匀，并能充分带走燃料棒的热量。
因沸水堆只有一个回路，由于蒸汽是在反应堆内产生，并直接进入汽轮机，因此带有极强的放射性，汽轮机也会受到放射性的沾染。
在事故状态下，放射性物质容易泄露扩散。
再者，由于在沸水堆堆芯顶部要安装汽水分离器等设备，故控制燃料反应性的控制棒需从堆芯底部向上插入。
简单地说，日本福岛核电采用第二代沸水堆技术存在以下安全问题：
（1）采用单回路循环，放射性直接进入汽轮机常规岛，容易泄露，问题严重；
（2）控制棒从对芯底部往上插，一旦断电，就失效，引起事故；
（3）沸水堆蒸汽回路的压力较小，所以整个蒸汽回路的抗压能力小于压水堆，容易引起失水事故（LOCA）。
日本福岛核电采用二代技术“危险的沸水堆”是产生此次事故的技术层面原因。
4.２日本福岛沸水堆——存在设计问题
（1）抗震能力设计不足
曾任东芝公司核电站设计师的后藤政志13日说，可以初步认定福岛第一核电站1号机组发生的放射性物质泄漏事故是核电站抗震能力不足和设备老化所致。
日本民间组织“原子能资料信息室”共同代表伴英幸也认为，发生事故是东京电力公司没有充分考虑核电站应对海啸的能力。
福岛第一核电站1号机组在设计时考虑了防震问题，但显然没有充分考虑应对如此高强度地震的能力，这次地震的强度远远超出1号机组的抗震能力
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