核电站的安全
■ 张 靖
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《中国科技纵横》2005年第2期
工业科技期刊-专题
60多年前，科学家发现铀－235原子核在吸收一个中子以后能分裂，同时放出2－3个中子和大量的能。放出的能量比化学反应中放出的大得多，这就是核裂变能。裂变反应是由中子引起的，而反应结果又产生了新的中子。如果能用新的中子引起新的核裂变，裂变反应就能连续不断地进行下去，同时不断产生能量。人们找到了实现这种产生连续反应的条件，这种反应就叫链式裂变反应。铀－235原子核完全裂变放出的能量是同量煤完全燃烧放出能量的270万倍。
于是，人们利用核反应来获取能源。核能专家普遍认为，核能是安全、清洁的能源，在一些发达国家，核电已经成为电力发展的主力军。2020年以前，我国还要筹建27个核电站。但对于普通大众，核物质的强放射性、切尔诺贝利核电站的核泄漏事故等，仍令人有些“谈核色变”。
核电站会不会污染环境？核电站发生事故的可能性有多大？一旦发生事故，后果将如何？另外，核废物也威胁着人类健康和生态环境。核电站越多，产生的核废物也越多。核废物的放射性分高、中，低三个水平，核电产生的低中放废物已有完善的处理、处置技术，但是高放射性废物处置还是一个世界性的难题，处理不好就会遗祸万年。
本专题针对核电站的安全和核废物的处置两个方面进行了介绍。
1、核电站并非恐怖怪物
核电就是利用核燃料（例如铀—235和钚—239）原子核的链式裂变反应进行发电的。通常，一个核电站分为核岛和常规岛两部分。不是说这两部分要建在两个岛屿上。核岛是指核电站里反应堆所在的区域，而常规岛就是与普通的电厂一样的相应发电设备，只不过推动发动机的热量来自核裂变反应罢了。
核电站建在哪儿
选择核电站的厂址需要评估的项目很多，要从安全性、环境保护和经济效益三个方面来考虑。既要考虑核电站对环境的影响，也要考虑环境对核电站的影响。核电站一般都建在远离城市和人口密集的地区。
核电站的选址要考虑地震、暴风和洪水等自然灾害的因素。对于地震，厂址首先应远离活动断层和地震强度偏高的地区。对于暴风，厂房结构须能够抗御一定强度的台风和龙卷风以及大风吹起的抛射物的袭击。厂址还须选择在不受洪水威胁的地区。清华大学核安全研究室主任曲静原教授说：“如果当地龙卷风很强，还一定要把核电站建在那里，建筑物就得设计得非常坚固，这样标准就高，造价也就高；如果要建在洪水水位比较高的地区，还要想办法加高地基，这也会增加成本。”
另外，核电站要尽量建在远离易燃易爆物品，如油罐、炸药库或军用设施的地方。如果附近有这些设施，就要计算各种可能爆炸起火的设施与核电站之间的安全距离，核电站所在的位置必须大于这个距离。还要评估其他类型爆炸的影响，评估的范围甚至包括交通路线上如公路、铁路上运输的物品爆炸或飞机坠毁的可能性。
核电站运行的时候要排放大量的废热，所以热排放也是选址要考虑的一个重要因素。“这也就是我们国家目前的核电站都建在海边的原因之一”，曲静原教授说，“这种载带热量的水的量很大，例如在大亚湾核电站，每秒钟就有近百立方米的热水（也叫温排水）直接排放到海洋里。这些温排水含有少量的放射性物质，但据目前的监测，还不会影响到海洋生物。”
最怕堆芯熔化
为了防止反应堆堆芯中的放射性裂变产物的外泄，在工程上从内到外设置了三重实体屏障。“防止反应堆中的放射性裂变产物泄漏到周围的环境是核电安全的核心任务”，曲静原教授说，“核电站中的放射性裂变产物产生于反应堆堆芯。只有在堆芯发生严重损坏或熔化的情况下，才有可能发生大量放射性物质的泄漏。所以，堆芯熔化是最为严重的反应堆事故。”
压水堆核电站的堆芯始终淹没在冷却水里。因为水可以带走热量。如果管道破裂，冷却水流失，不能及时带走反应堆中的热量，堆芯就可能熔化，放射性物质可能泄漏出来。所以，工程师们在设计反应堆的时候，十分重视设计能够及时补水的安全系统，通过水的循环把热量带走。
即使堆芯熔化也不一定就导致核泄漏事故。曲教授说：“核电站采取的是纵深防御原则，堆芯熔化也不一定会把反应堆中的放射性物质大量释放到外界环境里，因为还有其他的保护屏障。一道防护屏障被突破了，还有一道防护屏障，这道又破了，还有下一道。当然，如果所有的防护屏障都失效了，就得启动应急措施了，例如迅速撤离电站周围的居民。”
反应堆的设计还要考虑其他一些可能发生的意外，保证在发生这些意外的时候，反应堆能够借助于自身的安全系统，保持安全状态。“其实，核电站发生核泄漏事故的概率很小”，曲教授说，“首先，核电站的运行人员部经过了严格的岗位培训与资格考核，即使已经取得了运行执照，也要定期再培训。在安全设计上，即使运行人员出现了错误操作，安全保护系统会自动阻止事故的发生，如应急堆芯冷却系统，会在发生失水事故时，自动注水，保护燃料元件的包壳，不让它受到损伤或熔化。还有安全壳中的喷淋系统，如果高温高压的放射性气体进入安全壳，并超过了它的设计压力，它就可能破裂。这时，喷淋系统就可以喷洒含有化学物质的冷却水，降低安全壳中的温度和压力，并使安全壳中的一部分放射性物质沉积在安全壳中。另外，为了保证安全系统的可靠性，安全系统釆用冗余的原则进行设计，例如，核电站设计釆用多列安全注水系统，在发生管道破裂的情况下，只需其中的一列运行正常即可保证补水成功，从而防止堆芯受到损坏。”
事故没那么容易发生
既然沾到一个“核”字，核电站会不会像原子弹那样爆炸呢？曲教授告诉我：“核电站发生核爆炸是完全不可能的事情。在核电站有可能发生的爆炸，是氢气和蒸汽等气体的混合物的爆炸。所谓的核爆炸指的是像原子弹那样的爆炸，是需要特定条件的，一定体积内核材料的质量必须达到一定的数量。制作原子弹所用的燃料中铀—235的含量非常高，在90％以上，而核电站使用的核燃料仅含有3％左右的铀－235。有个比喻非常好，如果把原子弹比作是白酒，用火柴就可以点燃的话，那么核电站所用的核燃料就是啤酒，酒精含量很低，是点不着的。而且，原子弹的爆炸是以一套精密复杂的系统引爆的，这种苛刻的条件，在核电站是不存在的。”
那么，像20世纪80年代苏联切尔诺贝利核电站（今天的乌克兰境内）那样的恶性核泄漏事故，会不会发生在现在的核电站呢？曲教授认为，切尔诺贝利核电站事故可以说是一个特例。切尔诺贝利核电站最初并不是用来发电的，而是用来生产军工产品的，比如原子弹的核材料，后来经过改造后才用来发电。事故的主要原因有两个方面，一是运行人员严重违反操作规程，他为了试验在停电条件下，发电机转子靠自身的转动惯性能继续供电多长时间，切断了所有安全控制系统，致使安全保护系统不能启动。二是反应堆安全设计上存在严重的缺陷，致使反应堆发
生剧烈的氢气和一氧化碳混合气体爆炸，整个堆芯和大部分反应堆建筑被摧毁。更糟糕的是，切尔诺贝利核电站没有最外面的安全壳，导致大量的放射性物质释放到外界环境中。事故发生后，有人做过研究，认为如果有安全壳的话，核泄漏不会那么严重。值得指出的是，在事故污染地区的居民中，目前还没有发现直接由于辐射照射而死亡的情况，但事故导致的心理反应，例如，头痛、睡眠障碍、情绪不稳定等广泛存在，这种反应主要产生于对核辐射的恐惧，而不是实际受到了辐射。
对于可能发生的军事打击或恐怖袭击，曲教授认为：“核电站在战争中受到军事打击或受到恐怖袭击的情况下会产生什么样的破坏，对环境会产生什么样的辐射后果，现在还在进行相关的分析研究。从目前的研究结果来看，核电站的安全设计使这些攻击造成的辐射影响可能不像人们最初想像的那样糟糕。”
日常核辐射量不大
对于核电站的工作人员和附近的居民来说，即使不发生核泄漏，长期工作或生活在核反应堆周围，无色无味、看不见、摸不着的核辐射会不会日积月累，危害他们的健康？曲教授说，根据目前的研究和监测，还没有发现核电站产生的辐射会对人体健康构成威胁的证据。对于低剂量的辐射积累，不可能得到确定的数据去预计它会产生多大的危害，只能根据高剂量辐射造成健康危害的有关数据对低剂量可能产生的危害进行外推估计。比如，日本长崎和广岛的原子弹爆炸中，有很多人受到了高剂量的辐射照射。长期以来对这些人群进行的跟踪研究获得了宝贵的数据。根据这些资料，可以对低剂量下的健康危害进行推算。
核电站有严格的规定，员工五年平均受到核辐射的值不超过20毫希，但个别年份里可以达到50毫希。一旦超过这个标准就要离开相关岗位。曲教授因为工作关系经常进入核电站：“进入核电站时，要在胸前的口袋里插上剂量笔，随时显示受到的辐射值。而在辐射较高的地方，停留的时间不能超过规定的时间限制。”
核电站还有一项常规的工作：定期从环境介质中取样，按照一定的方法分析，检测放射性物质的含量高低。原在秦山核电站工作的核电专家郑本文说：“作为监测环境的手段之一，秦山核电站经常买羊，测量羊身上的放射性核素含量。从秦山核电站建成开始，核电站环境应急处就在核反应堆周围50公里范围内，对空气、水、土壤、农副产品进行检测。在离核反应堆3公里范围内还有36个布点的实时自动检测系统，至今没有发现任何异常的环境数据变化。”
2、高放废物如何处置
放射性废物足指那些在裂变的过程中产生的长寿命的裂变元素，它们的放射性需要数万年才能衰减到对人类无害的程度。同时，它们含有毒性大的核素，例如10毫克钚可使一人致死。人们究竟将如何处置高放废物?带着这个问题，我来到核工业北京地质研究院，采访了中国高放废物处理处置项目负责人王驹。
“不仅核电站在生产过程中产生高放废物，报废的核反应堆堆芯里也含有高放废物。另外，核军工业也产生高放废物。”王驹说。
随着我国核电站数量的增加，产生的放射性废物也在不断增加。目前我国核电站每年产生150吨高放废物，预计到2010年高放废物的积存量将达到1000吨。现在所有的高放射性核废料只能暂存在核电站特设的水池中。如果不能及时建成核废料处置库，中国核工业将面临高放废物无处存放的境地。
其他国家也面临着同样的困境。例如，美国原计划在1998年建成高放废物处置库，但由于技术难度过高，尽管美国政府投入了大量财力、人力进行研究，最终还是不得不将建成时间推迟至2010年。这一结果直接导致了美国40多个核电站储存核废料的水池爆满，造成了巨大经济损失，并使核电站业主状告美国能源部。
奇想纷呈的各种方案
如何处置高放废物呢？科学家们曾经提出过许多设想。
有人提出把高放废物发射到太空去。但是这样做的风险太大，火箭在发射过程中一旦失事，整个地球都可能被污染，后果将不堪设想。
有人提出把核废料放在南、北两极的冰山下面。但是国际法明文禁止往南极的冰山扔废物；北极周围的国家也强烈反对把高放废物放到北极。而且前往两极的海上运输的风险也很大。
有人建议，把高放废物抛入深海，让它陷入海床，或者通过海上钻井平台在海床上打孔，把高放废物放人深海的海床之下。海洋的确有很大的优势，它有稀释作用，万一有放射性物质泄漏出来，能够被海水稀释。但海洋是世界共有的，已经有国际公约规定不允许往海洋里扔废物。有的国家不产生高放废物，所以他们也强烈反对。
有人提出深井注射，找一个圈闭的地方，在地面上打一个深孔，把高放废液直接注射进去。过去苏联已经尝试过这种方法，但问题是不确定性太高，无法确定液体废物被注射下去后会流向哪里。所以这种方法已经被废弃不用。
还有人设想了一种“岩石熔融”处置方法，通过打一系列足够深的钻孔，把废物放到其中，通过废物本身的热量让它和岩石成为一体，从而永久固定。但在工程上来说，没有什么可行性。
所以，目前看来，惟一在工程技术上可行、安全上可预测的，就只有深地质处置了。
深埋地下的处置库
所谓深地质处置，简单地说就是深层填埋。地质处置库是一个矿山式的地下工程，距地表500－1000米深。为了保障核素不会向外迁移，必须设置层层屏障。首先将高放废液进行玻璃固化，再将玻璃固化体装入金属罐。在处置库中这些废物罐周围充填缓冲材料。同时还要找到一块巨大的天然岩石做处置库的外壳。
处置库的主要功能就是永久地隔离高放废物。“处置库由多重屏障组成，能有效地阻挡高放废物中放射性核素的迁移，确保安全。首先是工程屏障，已经变成玻璃固化体的高放废物，被放在废物罐中，外面还有很厚的外包装，40－50厘米厚，用钛钢、不锈钢或铜制成。这些屏障都可以屏蔽射线，阻挡高放废物泄漏。最外面的－层缓冲材料，一遇到水就膨胀，阻挡外面的水进入和里面的核物质流出来。经过精心选择的位于稳定地质体中的花岗岩或粘土岩是处置库的天然屏障。”王驹说。
需要指出的是，迟早地下水都会渗透进处置库，这只是时间问题。“大约2000—3000年后，缓冲材料可能会失效。地下水进入，把废物罐腐蚀掉，才能接触到废物体。废物体是一个玻璃体，它要溶解也很漫长。水进人得很慢，腐蚀很慢，溶解出来，迁移回到生物圈的速度也很慢。每一道屏障都起到延缓放射物质回到人类生活圈的作用，随着时间的拖延，高放废物的危害也会逐步下降。”王驹认为地下水是处置库的主要威胁之一，但各种设施可以有效拖延时间。
一般来说，处置库都是直接在花岗岩挖出的，基本不用支护，只需在裂缝处做处理。放人高放废物罐后要把巷道堵好，并在地表设立标志，警告人
们不要在这个区域打钻。填埋以后还要进行监护，在填埋场的外围，地下水有可能经过的地方打一些钻孔，看水中有没有放射性核素泄漏出来。
“如果处置的是玻璃固化体，将来不太可能回取利用了。如果说埋在这个地方不安全了，要把它换个地方埋，那就有可能需要回取，这对工程的要求就更高了。”王驹认为目前的高放废物处置研究对于将来回取的问题还没能力做仔细的考虑。
建库要先做详尽的研究
由于核废料的高度危险性，一旦处置库选址不当，将造成无法挽回的损失。因此核废料处置库选址必须非常慎重，需要综合考虑整个经济发展布局，人口分布、交通设施、候选地的地质、水文和气候条件等因素。一般来说，世界各国的核废料处置库都建在经济落后、人烟相对稀少的地区。
王驹说：“建库的技术准备需要很长时间，因为很多过程都弄不清楚，还有很多科学难题有待解决。如何选择符合条件的场址，如何选择工程屏障，如何设计、建造和运行处置库，如何关闭处置库，如何在1万年至百万年的时间尺度上评价处置系统的安全性能，如何建立计算机仿真系统来预测处置库行为等一系列研究，都还有许多深入、细致的工作要做。”
我国高放废物地质处置研究工作开始于1985年，现在还处在选址阶段，最终的建库地点尚未确定下来。甘肃省西北地区的北山是最佳的候选地方之一，但还要等待国家有关部门的审批。“那个地方人烟稀少，方圆1－2万平方公里只有十几户牧民，属于戈壁荒漠，没什么植被，地壳稳定，没有火山，没有活动断裂，降雨量每年只有70－80毫米，但蒸发量特别大，所以地下水很少。那里交通也比较方便，国道、铁路都离得不远。”王驹说。
选择场址之后，需要建立地下实验室，验证各种技术，完成场址的评价，然后才能建设处置库。只有在地下实验室做的实验，才能与将来深埋地下的真实情况一样，包括地下的温度、压力，水流和地壳应力等情况。我国的地下实验室还在规划阶段，大概2015年能够确定地下实验室的位置，2025年建好地下实验室。
废物处置库建设还面临着巨大的工程难题。处置库的寿命至少要达到1万年，很多裂变元素的放射强度才会变得比较低。但这样的要求是目前任何工程都达不到的。人类文明才不过5000年左右的历史，而人的活动能力有发展越来越快的趋势，对于1万年的工程，有太多的事情现在很难说。
现在能想到的对地下处置库的最主要威胁是地下水的腐蚀作用，但是岩层断裂、地震等因素也都在考虑之列，这些是计算机仿真系统要做的工作。等这些研究工作都完成，处置库本身的建设大约需要5－10年，所以，我国建成高放废物处置库将是2040年的事了。
（本文资料由曲静原、王驹提供 中国广东核电集团宣传部供图 责编 张婧 赖丽薇）
