核安全大作业

三里岛核事故 摘要：本文简要介绍了三里岛核电站系统组成、事故经过、应急处理和事故后清理工作概况；详细分析了事故原因、事故引起的强烈反响及实际损失。虽然使这次事故成为严重事故的主要因素是操作人员的错误操作，但有很多客观因素对操作人员的行动起了作用，如像训练不够、缺乏明确的操作规程、没有认真吸取从前事故的教训、以及控制室设计上的缺陷等。不管这次事故是否可以用操作人员的错误来解释，在存在着上述所有缺点的条件下，像三里岛这样的事故实际上是不可避免的。为了防止像三里岛那样的严重核事故，核管理委员会和核工业界的组织机构、工作程序和习惯做法，尤其是思想认识，必须作根本的改变。 关键词：三里岛；核电站；事故；原因；影响 The Nuclear Accident of Three Mile Island Abstract: This article briefly introduced the system components of Three Mile Island nuclear power plant, the development of the accident, emergency treatment, and Clean-up work after the accident. We also made a detailed analysis of the cause, terrible influence and severe damage of the accident. While the major factor that making this incident a serious accident is operator’s error operation, but there are many objective factors played a role, such as lack of training and clear operating procedures, not learned the lessons from previous incidents and the design flaws in control room, etc. No matter whether the accident can be explained by operator error, the accident is inevitable in this condition. To prevent such a serious nuclear accident, there must be a fundamental change in organization, procedure, customary practice of the Nuclear Regulatory Commission and nuclear industry, especially the ideology. Key words: Three Mile Island; nuclear power plant; accident; cause; influence 1979年3月28日美国的三里岛核电站2号机组发生了一次严重的反应堆堆芯失水事故，造成堆芯和核燃料的破坏以及放射性气体外逸。事故发生过程的混乱不仅暴露了从国家管理机构到电站管理及运行部门的薄弱环节，还揭露了设备设计、制造、人员操作水平经不起一次本来极为平凡的事故的考验。事故影响波及全国各阶层，并对国外的核工业及核电事业有所震动。 1 三里岛电站系统简介 三里岛位子美国东北部的宾夕法尼亚州，在宾州首府哈里斯堡东南约15公里处，是流经该城的萨斯奎哈纳河上的一个小岛。岛上有两座压水堆。一号堆的电功率为792兆瓦，1971年动工兴建，1974年投入运转。二号堆的电功率为880兆瓦，1973年动工兴建，1978年I2月建成。发生事故的是二号堆。这座反应堆从建成到发生事故，总共只运转了三个月。 图1 二号堆系统简图 反应堆主冷却剂系统： 二个回路。每个回路两台主泵、一台能产生过热蒸汽的直流式蒸汽发生器（SG）。堆芯出口冷却剂从SG顶端进入，换热后从SG底部流向两台并联布置的主泵入口。如果在满功率时失去给水，SG将在约一分钟内发生干涸。 一台稳压器布置在其中一个回路的热段，用于控制主系统压力和补偿冷却剂的容积变化。稳压器卸压阀PORV在稳压器压力达到15 .5MPa时开启，将冷却剂排放至稳压器卸压箱。如果卸压阀出现不能关闭或内漏的缺陷，可以手动关闭卸压阀上游的电动隔离阀以阻止冷却剂泄漏。某些电厂瞬态会导致PORV阀的开启，如机组甩负荷，失去主给水。 直流式蒸汽发生器（2） 图2反应堆主冷却剂系统 图3 直流蒸汽发生器 给水系统： ? 三台凝泵。 ? 一套含8台混床的凝结水全流量精处理装置。 混床的树脂失效后，需要用水和厂用压空将结块的树脂捣碎并传输到树脂再生系统进行再生。厂用压空系统与仪用压空系统相连。 ? 三台凝升泵。 ? 二台主给水泵（无除氧器） 。 ? 三台辅助给水泵（两台电动泵，一台汽动泵）。 图4 主给水、辅助给水系统 冷却剂系统上充下泄、高压安注系统： 正常运行时，主系统下泄流经过净化，进入容控箱，再经过一台上充泵（共三台，正常工况时一台运行）升压后做为上充流返回主系统。上充流量通过一个气动阀调节，以控制和维持稳压器的水位，保证主系统的水装量。上充泵同时提供4台主泵的轴封水。 一旦专设安全系统触发，在高压安注阶段，另一台处于备用的上充泵立刻投入运行，两台上充泵做为高压安注泵将换料水箱的高硼水注入主系统。专设安全系统运行时，主系统下泄自动隔离。 图5 主系统上充下泄、高压安注系统 2 三里岛事故的发生 事故开始于3月28日早晨4点左右。事故的初因原是很平常的:二次回路冷凝水泵故障停运。这样的故障本来是不会引起严重后果的。反应堆的安全连锁系统按设计相应作出了响应:主给水泵停运涡轮机停转;紧接着两个辅助给水泵自动开动。但是，随后发生的一系列故障和错误却酿成了不可挽回的后果。由于出水阀门在两天以前检修后忘了打开，故在辅助给水泵启动以后没有水流注入两个蒸汽发生器。而运行人员又未觉察到此阀门已关闭的指示，致使蒸汽发生器二次侧水很快烧干。一回路因失冷而迅速超温超压；稳压器的卸压阀在主给水泵停运后约3至6秒自动开启，反应堆控制棒也在压力继续升高到16.2MPa后，在第9至12秒间落下，但堆芯继续通过放射性衰变产生热量。此后堆芯冷却系统压力开始回降，但回降后卸压阀卡住未回座而指示卸压阀开启的红灯却已熄灭。卸压阀的继续泄放使堆芯冷却系统压力继续下降而稳压器水位迅速上升。当堆芯冷却系统压力下降至11.3MPa时，堆芯紧急冷却系统的高压注水泵自动开启向一回路注水。由于运行人员缺乏必要的训练和判断能力，不能判断一回路压力下降而稳压器内水位上升的原因，因而采取了错误的对策:在稳压器内水位上升到最高点后人工关闭了紧急堆芯冷却系统的高压注入泵。在一回路水继续通过卸压阀外泄而又得不到补给的情况下，因压力降低而产生了芯内沸腾，堆内水逐渐减少，造成堆芯外露（据分析，堆芯完全暴露约一小时，部分暴露约十小时)。燃料组件因失去冷却而过热，致使堆芯严重损坏。大量放射性物质由于燃料包壳破损而进入一回路水，随着重新开放的紧急堆芯冷却水从稳压器的卸压阀泄出，注入安全壳内的卸压箱。事故开始15分钟后卸压箱的安全隔膜破裂，大量高温的含放射性的一回路水溢到安全壳的地面上，其中一部分通过污水泵自动流入辅助厂房(估计流入辅助建筑内的有1625立方米，安全壳内积存的有2556立方米)。这些高温的一回路水溢出容器、流到地面后剧烈蒸发，导致放射性气体和气溶胶向外释放。大量含放射性的水从安全壳地面传输到辅助建筑中，提供了一条放射性气体和气溶胶泄入环境的通路。这种结构是反应堆制造商巴布柯克·威尔科克斯公司的设计所特有的，该公司承认这是他们在安全壳设计上的一个漏洞。 图6 事故期间稳压器压力和水位变化趋势 3 事故后的大规模技术支援 事故后的一个月里，为了控制事态的发展使反应堆稳定下来，人们作出了很大努力。由于电站本身对事故的发生缺乏准备，从事故次日开始，吁请了大规模的技术支援。有关工业部门和政府机构都响应求援号召迅速前住。直接为控制反应堆本身而工作的技术人员人数，从3月29日的10余人增加到4月17日的将近2000人。这些人24小时轮班，解决的问题主要是: 1.临界控制    在事故发生后两小时出现的热瞬变使人担心有重新达到临界的可能，于是开始在一回路水中紧急掺硼。 2.燃料温度控制    在堆芯由于沸腾而逐渐失水后，反应堆压力容器内出现气泡，使主 冷却泵因空化现象而强烈振动。运行人员由于担心主冷却泵损坏而将其关闭，这使得堆芯的冷却条件更趋恶化。运行人员曾数次试图恢复主泵运行，但系统在变化了的条件下很难重新启动主冷却泵。支援人员努力恢复了一台主冷却泵的运行，将热量导出，同时也制订了对付意外情况的应急计划:如果所有冷却泵都一一失灵，则试用自然循环;如自然循环失效，则人工启动高压注入泵注入冷却水等。 3.氢气控制    反应堆压力容器内产生了大量氢气，在其上部形成一个气泡，其中一部分随一回路水释入安全壳，曾在安全壳里产生过一次小的氢气爆炸。大量氢气的产生是没有预料到的。产生的原因是由于燃料的铅包壳在高温下与水蒸汽作用，由此估计燃料包壳的温度曾超过1200C。仍在反应堆压力容器里的大量氢气曾使联邦核管理委员会感到极度紧张，担心氢气爆炸会使反应堆压力容器与安全壳破裂和促使堆芯熔化。他们向公众宣布了这种推测和担心，使公众的恐怖情绪大为升级。为了防止发生爆炸，首先用催化复合器降低安全壳里空气中的氢含量，然后根据反应堆压力容器内气泡中的氢与冷却剂中溶解的氢处于动态平衡的特点，降低一回路水中的氢含量以迫使更多的氢从气泡中转入冷却剂。经过一周的努力，压力容器中的氢气泡终于消失。据事后分析，压力容器中根本不存在产生氧的条件，更不可能形成爆炸性的氢氧混合气体。核管会的估计和轻率向公众宣布是错误的。但作为事故后反 应堆的安全处置，安全除氢的经验仍是很有意义的。 类似的项目共有20余项。通过以上努力，到4月27日，反应堆状况完全稳定下来，遂关闭主回路泵，令其自然回流散热，实现了安全停堆。 4 清理工作 电站的清理工作进展比较缓慢。其原因除了一些事先没有料到的技术问题以外，还有经费限制、政治阻力和法律手续等方面的问题。为了将放射性、废物运到美国西北部的西北太平洋实验所进行处置，人们作出了巨大努力，但遇到的政治和行政方面的阻力很大。在去污过程中有几十个项目需要事先经核管会批准，但几乎没有一项及时得到批准。辅助建筑物中的去污工作从事故发生后就开始进行，但到1979年底还只处理了大约30%。两个EPicox-II型水处理系统的效率不却原先预计的那样高，水中的最浮物清除得不是很好，因而不得不设计另一种系统来处理安全壳中的积水。安全壳里的清理须待里面的放射性经过一段时间的衰变后才能着手进行。安全壳在事故后大约一年的时间里一直大门紧闭，将含有大量放射性惰性气体的空气密闭在壳里。1979年夏由贝齐特尔公司提出了一个对安全壳内进行清理的初步日程:1980年4月首次进入安全壳;1981年开始安全壳去污;1982年卸开反应堆压力容器的顶盖，取出燃料;1984年完成反应堆冷却系统的去污。实际进程是1980年6月底开始通风，排出安全壳中约43000居里Kr-85；同年7月底首次进入安全壳。随着安全壳内情况逐渐明确，对去污工作提出了一系列新的课题，去污计划也有了大幅度的修改。例如，进入安全壳后发现有许多强放射性颗粒随一回路水散布到各处，形成了许多热点。为了拟订去污方案，要求确定这些热点的位置，公司决定出资研制在很强的放射性本底下寻找和测量热点的装置。这一类课题的解决，反过来又影响向了去污的进程。移去损坏的堆芯的工作于1985-1986年进行，而全部清理工作则到1988年完成。 5 事故原因 总统委员会围绕这次事故及与造成事故有关的各种因素进行了六个月的调查之后, 得出如下结论: 首先,  三里岛操作人员非常缺乏训练。对操作一个正常运行的电站来说, 他们的训练也许够了, 但是, 训练中对可能发生的严重事故没有足够的注意。他们的知识深度不够, 甚至高级的反应堆操作人员也是这样, 对于应付如象他们所碰到的那种混乱局面毫无准备。 第二, 可用于处理这一事故的一些特殊操作程序, 不管怎么说都是非常混乱的, 而且可引起操作人员采取错误的行动, 实际情况也确实如此。 第三, 未把以前的事故教训归纳成清楚的条文, 并交给操作人员。这两点可以用以下的具体事例来说明。 巴布科克·威尔科克斯公司(核蒸汽系统供应者)的一位高级工程师, 在较早发生的一起与三里岛事故非常类似的事故中曾指出, 操作人员错误地关掉了应急冷却系统。他指出, 很幸运, 在当时条件下, 操作人员的错误未导致严重事故。他告诫说, 在其他情况(如后来三里岛出现的情况) 下, 就可能发生非常严重的事故。他极力主张, 必须写成清晰易懂的条文, 并交给操作人员。这个备忘录在三里岛事故前13个月写成, 然而并未据此制定出新的条文。总统委员会就巴布科克·威尔科克斯公司和核管理委员会范围内的这次事敌与其他一些类似事故所作的调查发现, 知识缺乏而导致操作人员采取错误行动的现象既存在于核管理委员会内, 也存在于电力公司及其供应商之中。 他们发现, 整个管理体系住往缺乏连贯性，就是说, 经常提出一些重要的安全问题, 也可能研究到某种深度, 但均未最终解决。而且, 从这些研究中获得的教训也到不了最需要知道此事的那些个人和机构的手中。上述威尔科克斯公司的事故事例能说明这一点; 核管理委员会内部的各种警告(有关某些小破裂事故情况下可能发生的操作错误的警告) 也能说明这一点, 在另外几个例子中, 核管理委员会的有关部门对于许可证审批过程中提出的一些问题, 没有一直过问到最终解决, 同样能说明这一点。 在他们的 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 中提到的其他许多例子都说明, 在核安全方面不重视人的因素。再举一个例子。三里岛2 号核电站的控制室在很多方面有缺点。控制盘太大, 有几百种警告指示器, 有些关键指示仪表安装在操作人员看不到的地方。在控制窒里, 几乎没有现代数据处理技术的影子。尽管如此, 对于正常运行的核电站来说, 这个控制室也许还算是可以的。 然而, 在事故条件下, 该控制室就显示出有严重缺点。在发生事故的最初几分钟内, 有100多个警报出现, 但没有排除次要信号以便使操作人员的注意力集中于重要警报的系统。警报数据没有用清晰的和非常易懂的形式显示出来。例如, 尽管给出了反应堆冷却剂系统内的温度和压力, 但是, 没有压力和温度相结合共同说明冷却水正在变成蒸汽的直接指示。总的说来, 几乎未注意在瞬息万变和比较混乱的事故条件下人与机器的相互影响。设计上的缺点大概是由于注意力只集中在大破裂事故上的缘故。这时, 操作人员没有时间做重要的操作。设计忽略了在发展缓慢的小破裂事故(类似于三里岛的事故) 中操作人员的各种要求。 总之, 虽然使这次事故成为严重事故的主要因素是操作人员的错误操作, 但有很多客观因素对操作人员的行动起了作用, 如象训练不够、缺乏明确的操作规程、没有认真吸取从前事故的教训、以及控制室设计上的缺陷等。这些缺点可归因于电力公司、设备供应者和管理核动力的联邦政府委员会。 因此, 不管这次事故是不是用操作人员的错误来“解释” , 我们确信, 在存在着上述所有缺点的条件下, 像三里岛这样的事故实际上是不可避免的。为了防止像三里岛那样的严重核事故, 核管理委员会和核工业界的组织机构、工作程序和习惯做法, 尤其是思想认识, 必须作根本的改变。 6 事故引起的强烈反响和实际损失 三里岛事故的发生，在美国引起了强烈反响。美国《核新闻》称它为“核电史上最重要的新闻事件”，并为此发了特刊。当时的总统卡特偕同夫人亲自到三里岛视察，并于事故后一星期通过电视发表能源声明，宣布成立一个以达特茅斯学院校长开梅尼为主席的总统三里岛事故委员会(开梅尼委员会)，拨款100余万美元进行为期半年的调查。与此同时，参议院委派的哈特委员会，众议院的能源与生产分委会和核管会任命的洛哥文小组也纷纷赴三里岛调查。当时的三里岛，技术专家与政界人物云集。一次技术性事故似乎成了一个全国性的政治事件。在事故后的头两个星期里，75000人的反核能势力进军华盛顿。在国会山，在核管会总部对面，在拉法耶蒂广场，到处是反核能的标语。一时拥核派钳口，连卡特总统的顾问们都为他的电视演说献计说:“此时如果发表赞许核能的讲话，无异相当于在政治上自杀”。。在这种形势下，核管会急急忙忙宣布另9座同类型的动力堆停堆，暂停颁发新的核电站营造和运行许可证。到5月底至少有6起指向电厂和反应堆制造商的诉讼案件、根据Price-Anderson法案，每起索赔5.6亿美元，其中一起甚至索赔10亿美元。原告索赔的项目是:收入损失、房产贬值、健康受损和“降低了生活的乐趣”等。 然而，实际情况怎么样呢? 反应堆本身的损坏是严重的。当时，根据间接证据和计算机模型估计，堆芯体积约35% 已经成了碎片，而余下的下半部则损失不严重。进入安全壳后，1982年7月，工作人员移去一根控制棒的导向螺栓，塞入了一个特制的电视摄像管。据图象显示，堆芯燃料组件的上部5英尺已破碎坍塌，成了瓦砾状的碎片。据报道，进一步检验未显出任何燃料熔化的迹象，但不排除有某种熔化的可能性。经济损失是严重的。据估计，单是二号堆的总清理费用就达10亿美元。由于二号堆的事故，在事故发生前两个月开始停堆检修的一号堆，几年来一直以“居民的精神压力”为理由被禁止使用。电站不得不向邻州，甚至计划向加拿大购买电力以维持当地居民的供电。电站所属的通用公用事业公司1979年收入下降了31%。到1980年2月为止，保险公司对那些在事故期间失去工作而遭受损失的人的赔偿已达1.3亿美元，被称为核电站保险公司首次大规模的赔偿。然而，真正的辐射危害却出乎意料地小。估计逸出的碘仅为15居里，而氖和氦在2. 5 X106至13 X 106居里之间，事故逸出的长寿命放射性核素的沉积在仪器的可侧限以下。厂址以外的辐射剂量率小于0.01mSv/h，总剂量小于1 mSv。据美国健康、教育与福利部长卡利法诺报告，事故发生期间在厂址周围80公里半径的范围内居民的集体剂量当量为350人/ mSv。据卡特总统的调查委员会报告，经测定，由这次事故引起的厂外辐射剂量低到任何潜在健康影响都可以忽略的程度。由此而在周围80公里范围内引起的潜在癌症死亡增加数为零到不足10例，而在事故诱发的癌症潜伏期内在上述范围内与核无关的癌症死亡将有325000例。因此，这种可能归咎于三里岛放射性泄漏的癌症死亡是实际上无法检出的。居民所受辐射剂量如此之小，使得核管会于1980年4月正式裁定，三里岛事故不是一次按Price-Anderson法案所定义的“非常核事故”(这样一来，也就使得前面所提到的多起索赔案不能成立)。 参考文献： [1] "Der Storfall im Kernkraf twerk von Three Mile Island”B W K. 1979/7  PP.277-284 [2] “Three Mile Island: Now For the Answers “Nuclear Industry  1979/5  PP.3-16 [3] “Three  Mile  Island，Every one's concern” Nuclear News  1979/6  PP.40-47 [4]  E.M .Blake, Nuclear News , 22(9)，26 (1979) [5] Analysis of Three Mile Island-Unit 2 Accident, NSAC-80-1. [6]  胡遵素. 一所亿万美元的学校——浅谈三里岛事故及其影响[J]. 辐射防护, 1984年03期:226-236 [7]  吴畏. 美国三里岛核电站事故及其影响[J]. 电力技术通讯, 1980年01期:66-79 [8]  梁祖. 美国三里岛核电站事故调查报告第二部分:总的看法[J]. 国外核新闻,1980年05期:3-14 [9] 王殿宸. 美国三里岛的核风波[J]. 世界知识, 1979年10期:30-32 [10] Lee Torrey,强增吉. 几乎把宾夕法尼亚州送掉的一星期——三里岛核电厂事故经过[J]. 世界科学译刊，1979年09期：38-42