日本福岛核事故
事故后的福岛核电站
海啸波冲击挡浪墙过程数值计算模拟
“那面黑色的墙是什么？”
看着海上陡然增高的巨浪，很多身处日本东北部沿海的人们也难免惊措，尽管他们已经见惯了地震与海啸。
“黑墙”源头正是2011年3月11日14：46在太平洋地区发生的里氏9.0级地震，震中距离日本海岸线约130公里，震源深度24公里。铁臂阿童木的“十万马力”可以穿透岩石，哆啦A梦的“空气炮”可以击倒敌人，但它们都难以改变地球的“样貌”。而“3·11”地震作为日本有地震记录以来最强的一次地震，其大规模地质断裂过程中释放出的能量却足以“重塑山河”。测量数据显示，震后日本北部海岸平均向东位移了2.4米，局部地区位移达到4米；日本东部海岸平均沉降50厘米，最大处达到1.1米。
由于地震超过了核电站反应堆保护系统设定的阈值，运行中的机组立即插入控制棒，完成自动停堆。然而，停堆并不意味着危险的消散。了解过三哩岛核事故与切尔诺贝利核事故的你一定知道，避免事态进一步发展的关键在于——“散热”。
就像紧急制动后的车辆仍然会滑行一段时间，停堆后的反应堆短时间内仍然进行着衰变和少量裂变，它们都会产生热量，特别是衰变还会持续很长的时间。因此，需要外部动力的驱动，泵入冷水让反应堆“平复心情”。
地震烈度分布和估计地震烈度分布，+号表示震中（日本气象厅）
海啸观测设施观察到的海啸高度，箭头表示有一段时间由于海啸对海啸观测设施的破坏而无法获得数据，在随后的海浪中高度可能会更高（日本气象厅）
此时，连接核电厂和变电站的电缆在地震中受到损坏，导致丧失全部厂外电源。不过，厂内的应急柴油发电机已按照预期启动，负责提供动力。核电站各设备仍然保持运行，在安全系统与人员操作下进行反应堆余热排出工作。
余热与余热导出
核电厂需要定期维修或更换燃料时，将控制棒插入反应堆，燃料中的核裂变反应中止，核电厂“熄火”。然而在“熄火”后，反应堆内仍存在由于衰变辐射、缓发中子等产生的“余热”。据估算，在停堆后的瞬间，堆芯发热率可达到“熄火”前的6%到7%，之后随时间快速降低到1%以下。以热功率4040兆瓦核电厂为例，停堆后仍能释放最大约280万千瓦的热功率。如果放任“余热”不管，可能导致堆芯持续升温、过热，甚至“烧坏”。综上，对核电厂而言，停堆并不类似家用电器拔掉电源后就可以直接关闭，“余热”能量的导出也是十分必要的，这也是利用核能发电时不同于其他形式能源的一个“痛点”。
一切看似有条不紊。但是接下来，包括福岛第一核电厂（即最终核事故的核电站）在内，日本东部沿岸各核电厂的事故进程才刚刚开始。
15：27，也就是地震发生41分钟后，第一波海啸抵达福岛第一核电厂，4米高的浪头并没有超过电厂防波堤（设计基准5.7米）。
15：35，第二波海啸抵达，旋即冲破了防波堤的阻挡。11.5～17米高的海浪是真正的“洪水猛兽”。反应堆厂房被淹，汽轮机被淹，一切具有出入口的构筑物全部失效，巨浪裹挟着厂房残骸不断冲击滤网、水泵、设备。
15：41以后，在冷却水丧失、柴油发电机厂房被淹没的情况下，各个机组配属的柴油机逐渐停止工作，当下唯一持久的动力不复存在。可海啸波仍在冲击，第三波，第四波……直到第七波。
地震强度与日本东北部沿海核电站位置关系，震后福岛第一核电厂厂外供电线路情况
福岛第一核电厂1、2号机组由于失去全部电源，直接进入“盲状态”，即失去仪控系统、显示系统、照明等，使应急人员无法判断反应堆内的具体状况。剩余两台机组依靠仅剩的蓄电池苦苦支撑。断电导致各机组内的主给水泵停止运转，应急冷却系统阀门无法打开，无法正常运行，在非能动的冷却系统超出其设计要求苦苦支撑若干小时后，由于没能及时建立其他的缓解手段，反应堆堆芯的冷却手段彻底丧失了。堆芯衰变热不能及时地被带出，主回路内的温度压力不断升高，水蒸气与裸露的过热核燃料锆合金包壳材料发生锆水反应，产生大量氢气并释放热量，进一步提高反应堆内的温度和压力。
救援福岛核电
锆水反应
锆（读音gào，化学元素符号Zr）的命名来源于锆石，这是一种夺目的珠宝，具有从红到橙、绿、黄等各种美丽的颜色，无颜色的锆石经过切割后会呈现出夺目的光彩。正是因为这个原因，锆石长期被误认为是一种软质的钻石。1789年，德国化学家马丁·海因里希·克拉普罗斯（Martin Heinrich Klaproth）才为锆“验明正身”，证明了它是一种新的矿物，并将新元素命名为锆，但人们始终无法获得高纯度锆。直到1938年，卢森堡科学家克劳尔（J.W.Kroll）用镁热还原法成功从四氯化锆中获得锆，锆的提取冶金才有了新发展，锆拥有良好的核性能，吸收中子截面小，良好耐辐照能力、导热性能与耐腐蚀性能。1947年，这种材料开始大规模应用于核反应堆领域，美国原子能委员会决定在核潜艇上用锆合金作为核反应堆的包壳和结构材料，以后又逐渐用于核电站，并随着燃耗与辐照性能要求的提高，不断形成新的锆合金。
作为反应堆核燃料的包壳材料，核级锆材是核电站不可或缺的关键材料，是保障核电站安全运行的第二道安全屏障。核级锆材是去除了铪（读音hā，化学元素符号Hf）的锆合金，所用原料是核级海绵锆。由于锆与铪是共生元素，化学性质极为相近且不易分离，所以核级海绵锆的生产是一个复杂的过程。今天，我们国家已经拥有了完整的锆产业链。
铺垫了这么多，终于可以来谈谈什么是锆水反应，即金属锆在高温（900摄氏度）下与水发生反应，生成氧化锆和氢气，反应式为：Zr+2H2O=ZrO2+2H2↑。这种剧烈化学反应通常发生在核燃料棒束未被冷却剂液体浸没而处于裸露状态时。氧化过程产生的氢气在超过4%时就容易燃烧，超过12%时就可能引起爆炸，目前的压水堆核电站设置有氢气消除系统或者氢气复合器，或者点火器，防止浓度增加发生燃烧或爆炸。
无色的锆石“模仿”钻石
国产核级海绵锆
国产锆合金管
因泄压而裸露的锆合金包壳、不断产生的蒸汽、超高的温度、失电或损毁的排氢系统……悄然聚集的氢气，对于核电站来说可不是什么好事情。
3月12日15：36，1号机组因氢气聚集发生爆炸，反应堆外墙和屋顶损毁。
3月14日11：01，3号机组发生大规模氢气爆炸，大量爆炸产生的飞射物影响了附近便携发电机、临时电缆、消防车等的抢修工作，这也为后续的海水注入造成一定困难。
3月15日，3号机组排放气体回流进入4号机组燃料操作大厅，发生氢气爆炸。
事故进程示意图
大量的放射性物质从被氢气爆炸冲开的厂房结构中泄漏出来，造成了十分严重的事故。日本官方的事故过程分析认为，可发现完全失去交流电源和海水冷却功能的情况下，运行冷却系统所需的电源是必不可少的。应急行动需采取大量措施，如首先确保基础设备和材料安全、事先准备响应计划和应急手册。(https://www.daowen.com)
福岛第一核电厂1～4号机组损毁情况
回看福岛核事故进程，我们能更加清晰地观察到福岛第一核电厂如何向着危险走去。
1号机组非能动的带热系统隔离冷凝器（IC）在事故初期被操纵员关闭后未向应急中心报告，导致IC状态不明，堆芯长期无法得到冷却，从IC停运后经历了约14小时无水注入堆芯，导致堆芯恶化至严重事故。3月12日5：46建立注水路径后，注水速率较低，直至14：30安全壳排放才能大量注入。
2号机组停堆后通过非能动的堆芯隔离冷凝系统（RCIC）带出衰变热，3月14日13：25确认RCIC停运，直至19：54才建立起通过堆芯喷淋系统注水路径，其间发生了严重的堆芯裸露。
3号机组停堆后依次通过RCIC和HPCI带出衰变热，3月13日2：42确认HPCI停运，直至9：25建立含硼水注入，其间发生了堆芯裸露。后续由于含硼水源耗尽、切换海水水源液位低、安全壳压力高等原因，直至3月14日16：30建立稳定的海水水源注入，其间又导致全部堆芯裸露。
福岛核事故进展
读到这里，聪明的你有没有发现，前文似乎存在着一个bug。
福岛核电站怎么会失去海水冷却功能？
福岛核电站与前两次核事故主角有一点很大的不同，它就坐落在海边呀！否则也不会受到海啸侵扰，那怎么会缺水呢？
东京电力公司迟迟没有意识到事故的严重性，抱有侥幸心理想保全设备，应急处理顾虑重重，所采取的措施比较保守。3月11日地震当天晚间，日本原子能安全保安院已经发出警告福岛第一核电厂将于3小时内发生堆芯熔解，12日凌晨检测到放射性碘和高水平的辐射后，决定采取应急卸压措施降低反应堆的压力，但是实现这些措施却拖延了半天时间，错失了缓解事故的机会。事故发生后，如果东京电力公司早下决心注入海水，也许就不会酿成厂房爆炸的大祸。
东京电力公司始终犹豫不决的是，一旦引入未经处理的海水，核反应堆将永久报废，花费数十亿美元建起的核电站会毁于一旦。直到爆炸后当晚，东京电力公司万般无奈才向反应堆内注入海水降温，事故终于得到初步遏制。
因此，极端的地震与海啸相叠加只是“导火索”，事故发生后处理不力才是事故扩大的真正源头。
福岛核事故发生后，日本国内及国际各相关组织机构均开展了调研和反思，总结核电设计、事故缓解、应急响应等方面的经验教训，就福岛第一核电厂的响应问题而言，总体上在电厂基本全部失电，场区受到地震和海啸大范围破坏的条件下，操纵员已经尽较大努力投入恢复操作，如采用汽车蓄电池供电等手段，但仍存在一些问题：
●应急响应不力。
核电厂在全厂断电及大面积水淹的情况下，指挥人员认为解决核电现场问题是他们自己的事情，没有积极求助政府。而地方政府在处理受淹居民、化工厂爆炸、码头被淹等问题，没有把核电电力恢复排在最重要的位置上。错过了事故缓解的黄金时间，直到熔堆厂房发生爆炸，再引起注意已经晚了。
●1号机组IC系统运行状态的错误判断。
现场操纵员、现场应急响应中心和东京电力公司总部都未对IC功能是否实现有一个全面的了解。正常情况下，一旦丧失IC功能，应立即投入替代注水冷却堆芯，以降低压力容器内的压力使低压水注入。但是，由于对IC系统运行状态的错误判断，延迟了后续功能的投入，从而错失了早期堆芯冷却的机会。
●3号机组替代注水措施的不当处理。
地震发生后，福岛第一核电厂丧失厂外电源，反应堆紧急停堆，手动启动3号机组RCIC向反应堆注水。3月12日，RCIC停止工作，HPCI自动启动，向堆芯注水。由于压力容器内压力水平较低，所以HPCI一直运行在预设转速以下。3月13日，当操纵员注意到HPCI提供的水量不足，手动将其停止，而此时，替代水注入手段还没有就位。操纵员低估了蓄电池耗尽的风险，最终导致堆芯压力没有降到替代水可注入的压力水平。在HPCI停止运行约6小时40分钟后，操纵员才建立起消防管线向堆芯注水的通道，致使堆芯裸露，部分堆芯损坏。
●2号机组抑压水池（S/C）压力和温度的不适当监测。
在2011年3月11日丧失全部供电后，2号机组RCIC还在继续运行。此时RCIC的水源由冷凝水箱切换至S/C。然而此时由于丧失供电，RHRS（余热排出系统）没有实现预期冷却功能，长期维持这个运行方式会导致压力容器和S/C之间蒸汽循环的温度上升，继而导致S/C的温度和压力上升，相应的RCIC的冷却能力和注水能力也会削弱。此外，S/C的完整性会受到破坏，这样会使为使用消防系统提供替代注水而操作SRV（安全释放阀）降低反应堆压力变得困难。鉴于这种情况，必须考虑对S/C的压力和温度进行持续监测，准备消防车注水管线，进行反应堆卸压，而不是完全依靠RCIC的运行。事实上，东京电力公司直到3月14日才开始采取这些措施。
事故后，IAEA等国际组织开展了大量调查分析，分析指出：福岛核事故的根本原因是东京电力公司始终没有对福岛核电站面对极端外部灾害的薄弱环节脆弱性进行再评价，事故发生时，日本没有建立类似的再评价监管要求。而直接原因是：1号机组由于海啸袭击在早期阶段失去全部冷却手段；2、3号机组由于海啸和1号机组氢气爆炸，造成恢复措施恶化，不能从高压堆芯注水平稳地转换到低压堆芯注水来进行持续冷却，最终失去了所有的冷却手段。
福岛事故后，日本政府经过反思，对核安全监管体系做出了调整，将原子力安全保安院（NISA）从经济产业省分离出来，与内阁办公室下辖安全委员会（NSC）以及文部科学省的环境监测部门合并，在环境省下重组一个新的核安全监管部门，称为原子力规划委员会（NRA），该机构可以直接向该国首相汇报。NRA对国家放射综合研究所（NIRS）、日本原子能机构（JAEA）等独立组织实施统一管理。这样做不仅整合了核安全监管职能，将核安全、核安保、核保障、辐射监测和放射性同位素监管等功能全部纳入NRA，增强了核安全管理部门的职能，同时将NISA同推动核电厂建设的经济产业省分离，也保证了监管功能的独立性。
为了进一步加强执照持有者的安全措施，不断提高其安全水平，日本核工业界设立了一个新的独立组织原子力安全推进协会（JANSI），目标是“在日本核工业成就世界最高安全水平——不断追求卓越”，其组织功能与美国核电运营协会（INPO）和世界核电运营者协会（WANO）类似。同时，日本对核安全监管要求进行了升级，建立了新的监管要求，于2013年2月公布，2013年7月增补，并已将新的监管要求用于现有核电厂重启的安全审查。
日本核监管体系调整
日本新的核安全监管要求一方面提高了对于地震、海啸等自然灾害的要求，以及事故下电源、冷却设备可靠性等方面的要求。另一方面，扩展了法规的范围，在原先事故预防的基础上，对于严重事故的缓解提出专门要求，如防止安全壳失效、防止大量裂变产物释放等。
日本核安全法规调整
国际上其他国家和地区也纷纷做出响应：欧盟国家在开展的“压力测试”中对外部事件的裕度及超设计基准事件下陡边效应进行了评估。美国要求获得运行许可证的核电厂进行地震、洪水防护巡检，确认并解决电厂具体缺陷问题，确认在过渡时期内对防护措施进行了充分监管与维护，直到进一步开展长期行动，修订外部事件设计基准。我国环境保护部（国家核安全局）组织编制了《福岛核事故后电厂改进行动通用技术要求》，包含应急补水及相关设备技术要求；移动电源及设置的技术要求；乏燃料池监测的技术要求；氢气监测与控制系统改进的技术要求；应急控制中心可居留性及其功能的技术要求；辐射环境监测核应急改进的技术要求；外部灾害应对的技术要求。
综上所述，福岛事故的主要教训及对应的改进措施包括：
●加强严重事故的预防，包括加强对地震和海啸的抵御措施、确保电力供应、确保乏燃料池冷却功能的可靠性等。
●加强严重事故的缓解措施，包括加强预防氢气爆炸的措施，加强对严重事故应急响应的培训，增强反应堆和安全壳的仪表可用性等。
●加强对核应急的响应，包括对重大自然灾害和长期核事故叠加造成的应急情况的响应，明确中央和地方组织间的职责划分、加强事故相关信息的交流等。
●完善安全基础建设，包括安全监管机构的优化，法规及导则标准的升级等。
●全面贯彻核安全文化。
在事故发生多年后，由于核反应堆仍然需要持续地供水来冷却，而这些进入反应堆的冷却水会沾染放射性物质，成为放射性废液，需要进行放射性核素净化处理与贮存衰变，不能直接排放到环境中。每天冷却堆芯产生的大量“核污水”，其净化与贮存是一个严峻的问题，至今没有完全解决。日本政府从自身利益出发，自当地时间2023年8月24日起将核污水排入大海，遭到日本国内民众，中、韩及世界各国的强烈反对。尽管IAEA报告认为其“总体符合国际安全标准”，但核污水对海洋环境的长期影响，我们拭目以待。
福岛第一核电厂“核污水”处理近况（东京电力2023年2月）
事故后福岛第一核电厂外密密麻麻的放射性废液贮存罐（东京电力）
