日本核电事故与核安全

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,2011.3,绵阳,日本核电事故与核安全,核废物与环境安全国防重点学科实验室,李全伟 高级工程师,1,2,3,全民普及核物理,要电更要核安全,峥嵘初露三里岛,北国之春的灾难,切尔诺贝利恶梦,福岛将走向何方,辐射防护保平安,1,2,3,4,5,6,7,2,北国之春的灾难,9,级大地震,3,北国之春的灾难,15,米大海啸,4,北国之春的灾难,福岛第一核电站,5,北国之春的灾难,系列爆炸与泄漏,3,月,11,日,13,时,46,分，大地震发生，自动停堆,3,月,12,日,14,时,30,分，,1,号反应堆厂房发生氢气爆炸,3,月,14,日,11,时,01,分，,3,号反应堆厂房发生氢气爆炸,3,月,15,日,6,时,10,分，,2,号反应堆安全壳出现爆炸声,3,月,15,日,6,时,15,分，,4,号反应堆厂房发生爆炸,3,月,15,日,9,时,30,分，,4,号反应堆厂房发生火灾,3,月,16,日,5,时,45,分，,4,号反应堆厂房再次发生火灾,3,月,16,日,10,时许，,3,号反应堆再次发生氢气爆炸,6,北国之春的灾难,系列爆炸与泄漏,7,北国之春的灾难,系列爆炸与泄漏,8,北国之春的灾难,辐射难民,9,北国之春的灾难,辐射难民,10,北国之春的灾难,几级事故？,三里岛,5,级、切尔诺贝利,7,级、福岛几级？,11,全民普及核物理,质能转换,核能是从哪里来的呢？,爱因斯坦在,1905,年提出相对论时指出，物质的质量和能量是同一事物的两种不同形式，质量可以消失，但同时会产生能量。两者之间的定量关系是：,E,mc,2,12,全民普及核物理,平均结合能,13,全民普及核物理,质量亏损,当,重原子核分裂成较轻的原子核,或轻原子核聚合成较重的原子核时，会发生质量亏损。损失的质量转换成巨大的能量，这就是核能的本质。,原子核的质量总是小于组成其核内质子与中子质量的总和,14,全民普及核物理,铀核裂变,当中子撞击一个铀原子核时，铀核吸收一个中子分裂成两个较轻的原子核，同时发生质能转换，放出很大的能量，并产生,2,3,个中子，这就是举世闻名的铀,核裂变反应。,裂变反应释放出巨大的核能，,1,千克铀,-235,裂变释放出的能量，相当于,2500,吨标准煤燃烧产生的能量。,15,全民普及核物理,链式反应,16,全民普及核物理,中子减速,17,全民普及核物理,裂变产物,裂变反应通式,:,235,U,92,1,n,0,A1,F1,Z1,A2,F2,Z2,1,n,0,能量,裂变产物,:,铀,-235,的热中子裂变方式在,40,种以上，生成的初级裂变产物（裂变碎片）在,80,种以上。,裂变产物中存在着,200,多种放射性同位素，大部分除了放出,粒子外，还放出,射线。,18,全民普及核物理,放射性,19,全民普及核物理,、,、,20,全民普及核物理,放射性衰变,21,要电更要核安全,反应堆构成,22,福岛沸水堆核电站示意图,23,要电更要核安全,反应堆原理,主要原理：,人工方法控制链式反应使原子核能和平利用的设备。,主要技术：,利用减速剂（慢化剂）将裂变的快中子减速为热中子。,主要组成部分：,堆芯、中子反射层、冷却系统、控制系统。,24,二氧化铀陶瓷芯块,25,轻水堆的核燃料组件,26,核反应堆堆芯,27,反应堆安全壳,安全壳是防止放射性物质逸入环境的,最后一道屏障,28,要电更要核安全,三道屏障,第一道屏障,:,燃料元件包壳,（,cladding,）,第二道屏障,:,一回路压力边界,(primary system envelope),第三道屏障,:,安全壳,(containmant),29,要电更要核安全,冷却系统,主冷却剂泵（主泵）,是保证冷却水流过堆芯带走热量，不可须臾停运的重要设备。,为防止,失水事故,造成堆芯损坏，设有,应急堆芯冷却系统：,由安全注入罐、高压安全注入系统和低压安全注入系统组成。,安全壳喷淋系统,可燃气体控制系统,30,要电更要核安全,沸水堆核电站,福岛核电站,属沸水反应堆，是美国,GE,于,1950,年代中期研发成功的一种轻水核反应堆。,沸水堆核电站所占比例仅次于压水堆核电站，,我国目前没有,这种类型的核电站。,沸水堆核电站的,工作原理：,氧化铀核裂变后的热量对水加热，产生大量蒸汽，,直接推动,汽轮机发电，蒸汽冷却后流回反应堆芯。,包容一次安全壳的密封厂房形成,二次安全壳,，靠蒸汽凝结来降低事故压力，它是防止放射性气体外逸的另一道屏障。,31,控制棒,驱动机构装在压力容器底部，发生事故时将所有控制棒同时快速插入堆芯以实现,紧急停堆,。设置,应急堆芯冷却系统,以防止失水事故。,32,33,峥嵘初露三里岛,反应堆,失水,1979,年,3,月,28,日凌晨,4,时，美国宾夕法尼亚州的三里岛核电站,2,号反应堆,的操作室里，红灯闪亮，汽笛报警，涡轮机停转，堆芯压力和温度骤然升高，,2,小时后，大量放射性物质溢出。,6,天以后，堆芯温度才开始下降，蒸气泡消失,引起氢爆炸的威胁免除了。,100,吨铀燃料,虽然没有熔化，但有,60%,的铀棒受到损坏,，反应堆最终陷于瘫痪。,事故发生后，全美震惊，核电站附近的居民惊恐不安，约,20,万人撤出,这一地区。美国和西欧一些国家政府不得不重新检查发展核动力计划。,34,美国宾夕法尼亚州三里岛核电站,35,峥嵘初露三里岛,事故分析,反应堆,二回路的,水泵发生故障,后，二回路的事故冷却系统自动投入，但因前些天工人检修后,未将事故冷却系统的阀门打开,，致使这一系统自动投入后，二回路的水仍断流。,当堆内温度和压力在此情况下升高后，反应堆自动停堆，卸压阀也自动打开，放出堆芯内的部分汽水混合物。,同时，当反应堆内压力下降至正常时，,卸压阀由于故障未能自动回座,，使堆芯冷却剂继续外流，压力降至正常值以下，于是应急堆芯冷却系统自动投入，但操作人员未判明卸压阀没有回座，,反而关闭了应急堆芯冷却系统，停止了向堆芯内注水。,一系列操作上的失误与设备上的故障交织在一起，使一次小的故障急剧扩大，造成堆芯熔化的严重事故。,36,美国三里岛事故示意图,37,峥嵘初露三里岛,事故后果,反应堆二回路失水后无法导出余热，,2/3,堆芯损坏,，,50,气态裂变产物从燃料中释放出来进入安全壳，绝大部分碘和铯溶解于安全壳内的水中。,由于安全壳的良好屏障作用，事故后大气中,131,I,放射性最大浓度为,1.2Bq/m,3,，仅相当于安全标准的,0.5,。,附近居民受到的最大个人剂量,不超过,1mSv,；有,3,名电厂职工略超过,年剂量限值,50mSv,，事故对公众未造成任何辐射伤害，对环境的影响微不足道。,事故造成三里岛,2,号反应堆最终陷于瘫痪而,报废,。,38,切尔诺贝利核电站堆顶,39,切尔诺贝利恶梦,瞬发超临界,1986,年,4,月,26,日，切尔诺贝利核电站,4,号,石墨沸水反应堆,停堆进行电机性能试验，,操作人员切断安全保护系统,，将堆内大部分控制棒,迅速拔出,，剩下,8,根时，反应堆功率失控，被切断的安全保护系统无法动作。,瞬发超临界导致反应堆功率剧增,，堆芯熔化，熔融的燃料碎粒与冷却剂发生剧烈的化学反应，进而引起,蒸汽爆炸和氢气爆炸,，石墨燃烧，主回路系统和反应堆厂房被破坏，大量放射性物质逸入大气，爆炸碎片飞落到厂房上面引起多处起火。,放射性严重泄漏，大范围污染环境和人员伤亡,。,40,切尔诺贝利核电站爆炸现场,41,切尔诺贝利恶梦,事故范围,爆炸造成,吨多强辐射物,泄漏，,10,天内陆续进入环境的放射性总量达,1210,18,Bq,，其中,惰性气体,(6-7)10,18,Bq(,相当于,100,堆内总量,),，,131,I,为,210,18,Bq(,约占堆内总量,60,),，,137,Cs,为,910,16,Bq(,约占堆内总量,50,),，,134,Cs,为,610,16,Bq(,约占堆内总量,20,),。,由于大气扩散，整个,北半球,受到气载放射性不同程度的污染，在核电厂周围,6,万多平方公里,受到直接污染。,42,切尔诺贝利核电站事故示意图,43,切尔诺贝利恶梦,事故后果,爆炸造成,30,人,当场死亡，现场消防人员和厂内职工,几十人,受到可能致死剂量的照射，,237,人,得急性放射病，,320,多万人,受到不同程度核辐射侵害。,前苏联政府先后组织了约,60,万人,进入隔离区参加事故应急处理，平均每人接受辐射剂量约,100mSv,（少数达,500mSv,），有,7000,多人,已经在事故发生后,5,年内死去。,从,30km,半径,范围内撤离的居民达,13.5,万人,，平均每人接受辐射剂量,1020mSv,，远高于公众的规定限值,1mSv/a,。,44,切尔诺贝利核电站,事故应急现场,45,切尔诺贝利恶梦,事故分析,操作层面,操作人员,玩忽职守，违反工艺规程，,违规操作。如切断安全保护系统；将堆内大部分控制棒迅速拔出；,关掉蒸气分离器的安全联锁系统,等。,技术层面,有重大的设计缺陷。如反应性正气泡系数、控制棒引入正反应性等。,决策层面,石墨水冷堆是在军用生产堆基础上发展起来的，安全性低，体积庞大，为节省造价，无安全壳，发生事故时无法挽救。,46,切尔诺贝利核电站的,“,石棺,”,47,1991,年在切尔诺贝利事故现场,48,1991,年在普里皮亚季空城,49,福岛将走向何方,为什么爆炸？,50,福岛将走向何方,氢气爆炸,首先，地震九级和海啸高达十米，,核电站设计时没有考虑到,。但在地震时是准确地自动停堆了，这时如果冷却系统能正确工作，也就不会有太大的问题。,问题就出在这里，海啸产生的海浪淹没紧急发电机和备用电器系统，使之损坏。备用电池系统持续的时间不可能太久，所以,冷却系统不能正常工作,。,冷却系统无法正常工作，水不能将反应堆内部的热量带走，核燃料被高压的压力容器包在里面，,温度越积越高,。,就危险了。因为这里有水，水和高温的核燃料接触后就可能,分解成氢气,。,为了冷却系统，需要往里面注水，但压力高注不进去，必须将里面的高温蒸汽排出来，这样,高温氢气就和氧气接触，发生了爆炸,。,51,堆内的放热过程,燃料元件包壳表面与冷却剂直接接触，热量由包壳的外表面传递给冷却剂的热交换过程。,核燃料芯,锆包壳,冷却剂（水）,热量,热量,52,福岛将走向何方,锆水反应,锆水反应,：,Zr,H,2,OZrO,2,2H,2,严重事故下,轻水堆丧失,衰变余热,排出手段后,堆芯燃料温度持续上升超过,1300K,时,锆合金包壳将与水或水蒸气发生强烈化学反应,产生大量氢气。,氢气将通过主回路压力边界或压力容器的破口释放到安全壳中,在产生源附近或与安全壳内的空气混合后可能,发生燃烧或爆炸,。,氢气爆炸会对安全壳完整性构成严重威胁，造成,放射性物质泄漏,到环境中。,53,福岛将走向何方,冷却！冷却！,建立一个纵深的安全体系：,外部电网,备用电源,应急备用电池应急柴油发电机冷却水泵,某军用反应堆安全体系：,西南电网,西北电网自备,2.5,万千瓦火电厂,两组备用电池多部柴油发电机冷却水泵,美国核管会安全标准：,应急体系要保持,1,个月,的应急动力（冷却能力）,冷却水：,含硼冷却水（硼,-10,中子吸收截面：,4000 b,；铀,-235,中子裂变截面：,582 b,）,54,福岛将走向何方,关注乏燃料,3,月,15,日,6,时,15,分，,4,号反应堆厂房发生爆炸,3,月,15,日,9,时,30,分，,4,号反应堆厂房发生火灾,3,月,16,日,5,时,45,分，,4,号反应堆厂房再次发生火灾,地震发生时，,4,号反应堆正在进行定期检查，堆内没有燃料，,火灾和爆炸应该是乏燃料引起,。,乏燃料是堆内取出的,用过的燃料组件,，放射性水平极高，要在水池中,冷却,180,天以上,，等待后处理。,乏燃料水池和核反应堆不同，,外部没有安全壳,。,55,乏燃料所有操作在水下进行,56,福岛将走向何方,注水！注水！,美国核管会主席,格雷戈里,姚茨科,16,日说，日本福岛核电站,4,号机组乏燃料池的所有水已消耗殆尽。,这意味着，如果无法向乏燃料池注水，乏燃料组件将裸露在外，其中的核燃料棒将越来越热，,最终完全熔化,。,姚茨科当天在美国众议院举行的一个听证会上说，,4,号机组核反应堆周围辐射水平“极高”，工作人员可能在很短时间内就遭受,“致命辐射”,，因此，他们很难靠近反应堆，也无法采取措施阻止核燃料棒进一步升温。,乏燃料之所以危险，最大的问题是它一旦破损，就会释放出大量放射性物质，和烟气一起外泄，扩散到很远的地方。,据报道，四号机组有,783,个乏燃料组件,。,57,日本自卫队直升飞机海中取水,58,福岛将走向何方,重,演,悲剧？,事态还在发展中,，下结论为时尚早，作出判断也有困难。悲剧会不会重演？我认为不会。理由有两点：,首先，福岛沸水堆是水堆，停堆后因,失水事故,导致堆芯熔化，燃料破损和氢气爆炸，部分放射性裂变产物释放到环境中，主要是放射性气体。,切尔诺贝利是石墨堆，开堆时因,瞬发超临界,事故导致压力爆炸，气体全释放，堆芯石墨及构件等固体喷射出来，形成放射性碎片、核尘埃，整个飘上去，扩散得很厉害。,第二是,安全壳,，也是最重要的。切尔诺贝利没有安全壳，所以爆炸时产生了大量放射性尘埃飘到空气中，直到欧洲各地。福岛核电站有安全壳，,99%,以上的放射性物质还是在堆里，,它的事故就不可能有切尔诺贝利那么大。,59,福岛将走向何方,最坏的情况,60,福岛将走向何方,啤酒不能点燃,福岛核电站会像原子弹一样爆炸吗？,所有核反应堆都不可能像原子弹那样爆炸，原因很简单：,原子弹爆炸要求,铀,-235,的富集度在,90%,以上。,而核反应堆中的,铀,-235,富集度一般在,5%,以下，,即使失控，也不可能像原子弹那样爆炸。,福岛核电站,在反应堆冷却之后，有可能会走永久封存这一条路。,61,辐射防护保平安,预防疏散,福岛核电站,最坏的情况就是堆芯或,乏燃料,熔化，核燃料大量外泄，放射性物质被风及海水向远处传播，造成大面积环境污染，大量人员受到,过量照射,。,目前核电站周围的居民,已经疏散,，更多是,出于谨慎和预防的原则。,NHK,的放射物质监测报告：东京的辐射测量值为正常的,20,倍，是相对本底辐射强度而言，,自然本底辐射一年的总剂量一般是,1,5mSv,。,62,辐射防护保平安,自然本底辐射,63,辐射防护保平安,全国辐射监测,国家核安全局,3,月,17,日发布全国城市辐射环境自动监测站实时连续,空气吸收剂量率,监测值。,结果表明我国环境辐射水平未受到日本核电事故的影响。,64,中国放射性安全标准,希沃特,（,Sievert,），用于衡量辐射对生物组织的伤害，每千克人体组织吸收,1,焦耳能量为,1Sv,（希）,Sv,是很大的单位，通常使用,mSv,（毫希）、,Sv,（微希）,1Sv,1000mSv,1000000Sv,照射人员,照射剂量,职业放射工作人员,受照剂量当量限值,20,（,50,）,mSv/a,照射量,20mR/d,公众个人,受照剂量当量限值,1,（,5,）,mSv/a,照射量,2mR/d,65,辐射防护保平安,西北风,放射性尘埃会吹到中国来吗？,地球自转由西向东，高空气流永远是自西向东运动。,CCTV,说：,4,月份以前风是向太平洋刮的。,如果真的发生猛烈爆炸将放射性尘埃吹向高空，在气流吹动过程中，放射性会不断被,稀释扩散,在大气中，到达千里之外时已经相当微弱。,放射性物质的影响和,放射总量,有关，如果总量不是很大，即使扩散过来，对环境和人体的影响也很小。,66,辐射防护保平安,空中的放射性,核反应堆,堆芯或乏燃料熔化破裂逸出,的,放射性物质,中，主要有：,惰性气体,氙，,133,Xe,（,5.7d,）；氪，,85,Kr,（,10.7y,）；氡，,222,Rn,（,3.82d,）,卤族元素,碘，,131,I,（,8d,）,量较大，对人体的危害较大。,挥发核素,碳，,14,C,（,5700y,）；钌，,106,Ru,（,10.7y,）,易挥发核素,铯，,137,Cs,（,30y,）,，会造成造血系统和神经系统损伤。,67,辐射防护保平安,辐射伤害机理,躯体效应。,电离辐射对机体的损伤其本质是对细胞的灭活作用，当被灭活的细胞达到一定数量时，躯体细胞的损伤会导致人体器官组织发生疾病，最终可能,导致人体死亡,。,远期效应。,表现为,诱发白血病和癌症,，也可能导致寿命缩短，即由于受照射使人的机体,过早衰老或提前死亡,。具体机制不甚明了，一般看法是由于辐射使体细胞发生某种突变所致。,遗传效应。,在电离辐射影响下，可导致遗传基因发生突变，当生殖细胞中的,DNA,受到损伤时，后代继承母体改变了的基因，,导致有缺陷的后代,。,因此，一定要避免大剂量照射。,68,电离辐射对生物机体的作用,69,辐射防护保平安,辐射防护三原则,国际辐射防护委员会（,ICRP,）提出辐射防护三项基本原则：,（,1,）辐射实践的正当性。,进行伴有辐射照射的任何实践之前，都必须作出正当性的判断：获得的利益大于代价（包括健康损害和非健康损害的代价）。,（,2,）防护与安全最优化。,可合理达到的尽量低的水平。,（,3,）个人当量剂量限值。,参与实践的综合照射所致的个人总有效剂量和有关器官或组织的总当量剂量，不超过剂量限值。,70,辐射防护保平安,外照射,外照射的特点,接受,外照射时，,、,X,射线穿透能力强,，吸收剂量在,0.25,戈瑞以下时，人体一般不会有明显效应。但是，剂量再增加，就可能出现损伤。当达到几个戈瑞时，就可能使部分人死亡。,接受同样数量的吸收剂量，,受照射时间,越短，损伤越大。吸收同样数量剂量，分几次照射，比一次照射损伤要轻。,不同部位,的组织和器官对电离辐射敏感性也不同。,71,辐射防护保平安,外照射的防护,外照射的防护措施：,（,1,）距离防护。,所受剂量与放射源距离的平方成反比，在情况允许下，应尽量远离放射源。,（,2,）时间防护。,所受剂量与操作放射源的时间成正比，在放射源周围时间越长，所受剂量越大。,（,3,）,屏蔽防护。,对单一,射线的防护，不让放射性物质接触到皮肤就可以了；对,射线，用一定厚度的轻质材料就可以完全屏蔽。,射线的穿透力最强，是屏蔽防护的主要对象。,72,辐射防护保平安,内照射,内照射的特点,不同放射性核素进入人体内，沉积在不同的器官，产生内照射，对人体有不同程度的影响。,内照射主要是,粒子和,粒子,。,粒子能量大，对人体细胞损伤较为严重。,镭和钚,是亲骨性核素，镭大多沉积在骨的无机质中，钚主要沉积在骨小梁中，会照射骨髓细胞而出现很强的辐射毒性。,73,辐射防护保平安,内照射的防护,内照射,的防护措施：,（,1,）,防止呼吸道吸收。,放射性气体核素或气溶胶，可由呼吸道进入人体而被吸收，吸收率的大小与放射性核素的溶解度成正比。,（,2,）防止,胃肠道吸收。,被放射性核素沾污的食物，水等经胃肠道进入人体，吸收率的大小取决于放射性核素的化学特性。,（,3,）防止,由伤口吸收。,某些放射性核素如,131,I,、,3,H,、,Rn,、,90,Sr,（液体）可透过完整皮肤进入人体，吸收率随时间增长缓慢，当皮肤上有伤口时，吸收率就增加几十倍以上，并使伤口沾污难以愈合。,74,辐射防护保平安,服碘,防辐射的机理：,如果身体已经有了足够的碘，就不会再从大气中吸收更多的碘。身体吸收足够非放射性的碘元素，就能避免对放射性碘同位素的吸收。,碘片的服用需要在相关人员的指导下进行,，随意服用可能导致碘超标，造成甲状腺肿大等疾病。,食用碘盐，涂碘酒等，因其含碘量很低，对防辐射并无作用。碘必须内服才能在甲状腺中富集，否则毫无作用。,75,辐射防护保平安,关注不必恐慌,目前的局势：,事情虽然很棘手，但还没有失控,事态虽然很严重，暂没有人伤亡,日本是技术大国，核电经验丰富,日本是经济大国，国力尚未动摇,应该记取的教训：,人类和自然之间的关系要反思，该理顺，在经济发展过程中，对自然需要保持适度的敬畏心理。,76,