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日本福岛第一核电厂氢气爆炸事故

2011-03-11 · 日本 · 案例编号 #69
英文名称Fukushima Daiichi Nuclear Power Station Hydrogen Explosions
核电厂 / 机组福岛第一核电厂1—4号机组
发生日期2011-03-11
国家 / 地区日本
反应堆类型BWR(沸水堆,MARK I型安全壳;1号机BWR-3,2—5号机BWR-4)
电功率1号机 460 MW
起火部位1、3、4号机组反应堆厂房上部(3号机爆炸后乏燃料池附近亦出现明火)
火灾类型氢气火灾
直接原因(简述)海啸淹没应急电源造成长时间全厂断电,堆芯冷却丧失、锆水反应产生氢气,氢气经泄压与共用排气管道窜入厂房后爆炸
事件经过与原因2011年3月11日14时46分,日本东北地方太平洋近海发生矩震级9.0地震,福岛第一核电厂1、2、3号机组自动紧急停堆。地震后约46分钟起,多波高达约14至15米的海啸越过5.7米防波堤涌入厂区,淹没地下室的应急柴油机、配电盘与蓄电池,1至5号机组陷入全厂断电,堆芯冷却与最终热阱功能丧失。1号机燃料于11日19时30分前后裸露、12日晨堆芯熔毁;3号机13日晨起熔毁、14日晨大部分燃料穿过压力容器落入安全壳;2号机随后压力容器失效。锆水反应产生的氢气经泄压与管道窜入厂房,3月12日15时36分1号机、14日11时01分3号机、15日6时前后4号机(氢气经与3号机共用排气管道窜入)相继发生氢气爆炸,厂房严重损毁。3号机爆炸后乏燃料池附近曾出现明火与黑烟。现场采用消防车注水、海水注入、直升机与消防车洒水、氮气注入等手段处置,12月16日宣布达到冷停堆状态。
火灾持续时间氢气爆炸发生于3月12日至15日(1号机12日、3号机14日、4号机15日);3号机乏燃料池附近明火持续时间官方未单独披露
灭火方式氢气爆炸后以消防车注水、海水注入、直升机与消防车洒水实施冷却;向安全壳注入氮气抑制氢气爆炸;乏燃料池明火以洒水方式处置。注:抵达现场的62辆电源车仅1辆电压匹配,临时电缆接通后6分钟即在1号机爆炸中被炸毁
损害范围1、3、4号机组厂房上部严重损毁;1至3号机堆芯熔毁,1至4号机组全部报废;残留燃料碎片约880吨
放射性释放是(多个官方口径并存:日本原子能安全委员会估算碘-131约130 PBq、铯-137约11 PBq;东京电力2012年估算碘-131、铯-134、铯-137合计约538 PBq;世界核协会归纳最终口径约940 PBq碘-131当量,约为切尔诺贝利5200 PBq的六分之一)
核安全影响INES 7级(2011年4月12日由日本原子力安全保安院提交暂定评级、IAEA同日确认)。1至4号机组全部报废,退役工作计划30至40年完成;约16万人离家避难。日本于2012年设立原子力规制委员会并引入新规制基准,欧洲开展压力测试,德国据此决定2022年底前全面弃核。
INES 等级7级(2011年4月12日NISA提交暂定评级、IAEA同日确认;此前3月12日暂定3级→当日4级→3月18日5级)
人员伤亡核事故本身未造成辐射致死与急性放射病病例(UNSCEAR、WHO结论);地震与海啸直接造成东京电力在福岛第一与第二核电厂共3名员工死亡。截至2011年底检查19594名作业人员,167人受照超过100 mSv,其中6人达309—678 mSv,无人达到可致放射病的剂量水平。福岛县认定的"灾害关联死亡"截至2020年9月达2313人
经济损失极其重大(截至2021年1月疏散者累计获得约9.7万亿日元个人与财产补偿;退役、去污与污染水处理费用规模更大,官方未给出总额)
直接原因超过设计基准的海啸(约14至15米,远超5.7米设计基准)淹没应急电源与配电设备,造成长时间全厂断电与最终热阱丧失,堆芯冷却丧失导致燃料过热、锆水反应产氢并堆芯熔毁
根本原因东京电力与监管部门长期低估海啸风险,未针对历史海啸(贞观海啸)与海啸叠加等外部灾害采取足够防护;安全设备的防水、防淹措施以及电源、冷却手段的多样性与独立性不足;严重事故管理措施、全厂断电应对规程与应急演练准备不足;监管体制存在"监管俘获",营运单位与监管部门均未形成持续改进的安全文化。
整改措施严重事故下锆水反应产生的氢气可在厂房内大范围积聚并在非预期位置爆炸,必须通过厂房氢气浓度监测、氢气复合器或惰性化(氮气注入)与可靠的泄压路径设计加以控制;安全壳泄压操作会把氢气与放射性气体引入厂房与排气管道,共用排气管道是4号机爆炸的传导路径,管道布置必须避免机组间串通并设置可靠隔离;氢气爆炸会摧毁现场临时敷设的电缆、水泵与消防管线,灭火与注水手段必须具备抗爆炸、可移动、多重冗余的能力;全厂断电且照明与通信中断条件下的消防与注水作业,需要事前配置独立的移动电源、消防车接口与远距离供水方案并定期演练;爆炸产生的碎片与构件坠落会阻断厂区道路与作业面,应急抢险的现场通道可达性必须纳入设计;氢气爆炸的次生火灾风险应覆盖乏燃料池区域,水封与补水手段不得因爆炸而中断。

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