福岛大事记(四):噩梦伊始 | 目的地Destination

福岛大事记(四):噩梦伊始

福岛大事记(四):噩梦伊始兼天的海啸留下的是一派汪洋和一条支离破碎的海岸线。

福岛大事记(四):噩梦伊始海啸后三天(3月14日)的航拍,摄于南三陸町,来源:Tsunami advisory issued for Fukushima coast after 7.3 magnitude quake

还有千疮百孔的福岛第一核电站:

- 1、2、4号机组不仅仅失去了所有的异地与交流电源,应急的直流电源也在海啸的冲击下损坏,本应维持8~10小时的电力在被淹没后的10~15分钟内也逐渐丧失。特别是地震时正在运行中的1、2号机组(4号机组在停堆中,仅有较低的衰变热),由于全部供电丧失,操作员不但无法再检测到机组的各项重要参数,如反应堆压力、堆内水位,而且也失去了反应堆冷却系统及部件的运行情况。不仅仅如此,同样需要冷却的乏燃料槽(Spent Fuel Pool, SFP)也失去了供电,造成1、2、4号机组的乏燃料槽(SFP)温度与水位的参数失去了监控。

- 3、5、6号机组的情况则要相对好一点。3、5号机组尽管失去了异地与交流电源,紧急供电的直流电源仍维持工作,6号机组则因为有一位于高处的额外应急柴油电机(EDG),仍然得到持续的交流电源供电。这些电力供应使得主控室(Main Control Room, MCR)的工作人员可以继续他们能够采取的措施来应对事故。

这样的现状对于1、2、4号机组的操作人员和位于防震厂房内的应急响应中心(Emergency Response Centre, ERC)非常棘手,他们开始试图利用手头不多的选项来恢复电源以便能够监控及控制核电站。

福岛大事记(四):噩梦伊始

与此同时,3号机组的安全卸压阀(SRV)在地震时自动开启,且工作人员启动了反应堆堆芯隔离冷却系统(Reactor Core Isolation Cooling System, RCIC),但是RCIC系统在海啸抵达时已关闭(详见《福岛大事记(二):天翻地覆》知乎专栏),因此工作人员在16:03 p.m.再次手动启动了RCIC,在直流电源的支持下,监控和控制反应堆的注水冷却。此外,根据应急操作章程(Emergency Operating Procedures,EOPs),工作人员还断开了灯光并关闭了非必须的设备来最大化直流电源的效果,来应对停电状况。不仅仅如此,工作人员还手动调节了RCIC系统的注水量,将一部分冷却水分流到了冷凝水贮箱(Condensed water Storage Tank, CST),让反应堆压力壳内水位基本保持稳定的状态。尽量避免了RCIC系统在压力壳水位高时自动关闭水位低时自动启动阀门消耗电量。

而在直流电源同样保持效力的5号机组,在地震发生前,因常规线路检查和换料停堆有两月余(从2011年1月3日)。当时反应堆内的水温为90.6摄氏度,压强则有大约7.25兆帕(MPa, 72.5 bar),如前文(详见《福岛大事记(二):天翻地覆》知乎专栏)所述,地震发生时,5号机组正在进行压力测试,地震造成的异地电源丧失使得堆内压力下降到了5兆帕(5 Mpa, 50 bar),电力丧失后,衰变热使得反应堆内的压力开始逐渐上升,不过仍然保持在开启安全泄压阀的压力之下。另外,乏燃料槽(SFP)内的温度也在渐渐上涨。紧接着,海啸的冲击打断了应急柴油电源(EDG)的电力供应,5、6号机组的主控室也陷入了昏暗——只有应急灯还勉强给人带来一些光明。所幸,5号机组的直流电源仍然能够供电,但问题是,因为5号机组仍然处于冷停堆阶段,反应堆所产生的蒸汽不足以驱动RCIC系统或者高压冷却剂注入系统(High Pressure Coolant Injecting, HPCI)。而交流电源的丧失也让低压冷却系统(余热排出系统(Residual Heat Removal, RHR))、补充水冷凝系统(make-up water condensate, MUWC)和防火系统(Fire Proteciton system, FP system)无法进行工作。

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除了RCIC系统之外,BWR还有配套有若干堆芯冷却系统,事实上,RCIC仅仅是作为短期应急的冷却系统之一,此外上文提到的高压冷却剂注入系统(HPCI)、低压余热排出系统(RHR),补充水冷凝系统(MUWC)也是沸水堆安全系统的重要组成部分。这里着重介绍高压冷却剂注入系统(HPCI)。

- 高压冷却剂注入系统(High Pressure Coolant Injecting, HPCI)

HPCI装备于福岛第一核电站1~5号机组,即失去交流电力供应的5个机组全部装备有HPCI,该系统的主要功用是在反应堆出现小型破口事故(small break Lose Of Coolant Accident, small break LOCA )时维持压力壳(RPV)内水位稳定,并同时在中性破口事故(intermediate LOCA)时协助压力壳(RPV)及时卸压,以便低压紧急堆冷系统(Low Pressure Emergency Core Cooling System, ECCS)能够注入冷却水。

福岛大事记(四):噩梦伊始HPCI系统的运行无需交流电源供电,其包含一个涡轮机,汽轮机驱动的泵以及相配套的系统。HPCI开始运行时为一开循环,存储在冷凝贮存水箱(Condensate Storage Tank, CST)中中的冷却水通过给水线(feed water line)注入压力壳内(RPV),当CST内水位降低或驰压池(Suppression Chamber)内水位升高的时候,泵则会隔离贮水箱(CST)而从驰压池获得供水,驰压池中的水位则可以通过安全泄压阀(SRV)持续或间歇运行来补充。HPCI能够在运行压力,7.2 MPa,到1 Mpa (72 bar ~ 10.3 bar)之间运行[注1],并在运行过程中为压力壳卸压,使得低压应急堆冷系统能够工作(low pressure Emergency Core Cooling System)。

尽管系统的开启和运行并不需要交流电力供应,该系统仍然需要125伏的直流电源来供应控制系统和电机驱动的阀门。因此,如果直流电源丧失,该系统的功能将不受控制。

- 低压冷却系统(Low pressure heat removal system)

福岛第一核电站1号机组装配有停堆冷却系统(shudtown cooling, SHC), 2~6号机组则装配有余热排出系统(Residual Heat Removal, RHR)来冷却已经卸压停堆的反应堆,这些系统大约从压力壳内压力降到0.862 MPa (8.62 bar)时开始起作用。

停堆冷却系统(SHC)和余热排出系统(RHR)的原理与结构相似,都是利用循环泵将被反应堆余热加热的水泵入热交换器中,在热交换器中冷却后再进入由给水线或者再循环线进入压力壳中对反应堆进行冷却。

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6号机组的情况则要好很多,不但直流电源顺利的继续工作,一个额外的应急柴油电机(EDG)也能够继续运行,因而并没有陷入停电事故(SBO)中。总体来讲,5、6号机组主控室(MCR)的操作员们仍然能够依照操作规程中地震一项的操作章程进行操作。事故发生前,6号机组因换料已经降至了大气压,同样的相对低的衰变热也使得操作员不急着讲压力壳降压,而是有相对充足的时间来选择合适的方法注入冷却水。

6号机组的余热排出系统(RHR)并没有损坏,且维持了交流电源供电,但是海水泵则由于海啸失去了功效,导致余热排出系统仍然无法工作。相似的,乏燃料槽的冷却系统(FPC)和
高压堆冷系统(HPCS[注2])。不过补充水冷凝系统(Make Up Water Cooling, MUWC)
的泵仍然能够运行,在气冷应急柴油电机(EDG)的供电下,MUWC在低压状况下为堆芯提供了冷却。

6号机组的当值主管咨询了应急响应中心(ERC),而后决定,在余热排出系统恢复之前,使用MUWC为6号机组的堆芯提供冷却水。而使用MUWC进行冷却需要重新调整两个阀门接口,但是这些阀门则由于水冷应急柴油电机(EDG)在海啸中失能而无法继续工作,但是幸运的是,在重新连接电力面板后,这两个泵能够继续在主控室(MCR)远程的操作,计划得以顺利的进行。

福岛大事记(四):噩梦伊始福岛第二核电站(非事故发生的第一核电站,仅供参考)的应急相应中心(ERC,摄于2011年3月11日16:05 .p.m)来源:TEPCO Emergency Response at Fukushima Daini Nuclear Power Plant

应该说5、6号机组的情况虽然紧张但是有序,一定的电力供应让操作员仍然对反应堆内的情况有一定的了解,但是事故时正在运行的1、2号机组就没这么幸运了。

让时间稍微倒流一会儿,再次审视一下地震发生的那个瞬间。

下午14:46,地震冲击了核电站,巨大的震动触发了1、2号机组的传感器,一分钟之内,下午14:47,当值操作组检测到反应堆的输出功率已经下降,确认了控制棒已经完全插入,并实现停堆,一刻钟后,15:02分,操作组回报应急相应中心(ERC),确认反应堆已经亚临界。由于功率突然降低,堆内产生的蒸汽也相应的减少,因而造成反应堆压力壳内水位下降了月80厘米(800 mm),压力也下降了0.85兆帕(8.5 bar),不过水位的下降很快经给水线补充恢复(反应堆结构见《福岛大事记(一):福岛核电站概述》知乎专栏)。

这两分钟内,反应堆操作员试图将1、2号机组的电源供应切换到异地电源,然而切换器已经在地震的肆虐下,无法再作用。失去异地电源的紧急情况下,安全壳隔离系统被触发(Primary Containment Isolation Signal, PCIS),关闭了蒸汽隔离阀(Main Steam Isolation Valves, MSIV)。除了反应堆失去了电力,乏燃料槽(SFP)也因为没有电力供应水温开始上涨。

1号机组的两个应急柴油电机(EDG)在下午14:47分开始工作,操作员也开始依照‘自然灾害事故’的章程开始操作。蒸汽隔离阀(MSIV)的关闭使得反应堆内压力,如同设计参数所考量的那样,上升,隔离系统(IC,见福岛大事记(二):天翻地覆知乎专栏)自动开始工作。两个IC系统的运行,使得反应堆内的压力和温度迅速下降,操作员依照冷却极限55度/小时的操作规程,在下午15:03分关闭了两个隔离系统。

电力的丧失同事也导致了安全壳内的取暖通风空调系统(Heat, ventilating and air-conditioning, HVAC)停止工作, 安全壳内的温度和压力也开始逐渐升高,操作员由此在下午15:05和15:11启动了两列压力壳冷却系统(containment cooling system, CCS 注3)。

为了使压力壳(RPV)内的压力处于规定范围内,操作员在15:17到15:34之间三次通过操作直流电源供应的隔离阀来启动和关闭两个隔离系统(IC)中的一个。在此之后没几分钟,15:36(7)分,第二波海啸冲击了福岛第一核电站(见福岛大事记(三):海啸袭来知乎专栏),使得所有交流电源损坏,在次之后的一刻钟内,到15:50,所有的直流电源也无法再进行工作了。

主控室(MCR)不再能够检测到反应堆信息:水位和压力信息丧失,隔离系统的阀门状况丧失,高压冷却系统(HPCI)无法启动,状态未知,乏燃料槽(SFP)的水温水位信息丧失。主控室内的灯光也随着这些信息的丧失逐渐熄灭,仅仅1号机组的控制室内的应急等还坚挺的亮着……

2号机组的情况也和1号机组相似:顺利的紧急停堆,水位下降了100厘米(1000 mm),并由补给水渐渐恢复,压力下降了0.6兆帕(6 bar)。同样的,切换电源失败,应急柴油电机(EDG)在和1号机组相同的时间启动,乏燃料槽(SFP)内温度升高,隔离阀将反应堆系统隔离,堆芯隔离系统(RCIC,见福岛大事记(二):天翻地覆知乎专栏)启动。但是,在14:51,堆芯隔离系统因堆内水位达到设计高点自动关闭,同时,堆内的压力也在渐渐升高,14:52,一个安全泄压阀在7.54兆帕(75.4 bar)启动,使得反应堆内压力下降到了7.2 兆帕(72 bar)。蒸汽被释放出压力壳,堆内水位相应的下降,当值团队在15:02分又启动了堆芯隔离系统(RCIC),蒸汽的循环使得驰压池(suppression pool)内温度升高,在15:25分,操作员打开了驰压池的喷淋来冷却驰压池,而到了15:28分,堆芯隔离系统(RCIC)再次因为堆内水位达到高点而自动停止,直到15:39分操作员再次重启。

第二波海啸也没有放过2号机组,在地下室内的直流电源直接被毁,主控室警报齐鸣,警示灯闪个不停,但分秒间,失去了电力的警报系统像被掐住了咽喉的鹦鹉一样,沉寂了下来,照明系统也渐渐熄灭,主控室内陷入了可怕的寂静…

额……不小心点了发布,我发现了我漏掉了4号机组的情况…我会很快再更新本文的…4号机组的情况比较短,并不影响本文的阅读…

注1: 此处原报告表格单位有误,将bar写成了MPa,误为72Mpa~10.3Mpa,应为7.2 MPa~1.03Mpa,不知道捉虫有没有奖233

注2:装备于BWR-5型反应堆的高压冷却系统,其原理与HPCI相似,此处不详细介绍

注3: 原文为 The operator manually started the two trains of the containment cooling system(CCS) at 15:05 and 15:11, respectively,此处的two trains of 我不是很清楚应该怎么翻译,求指教。

来源:知乎 www.zhihu.com
作者:知乎用户(登录查看详情)

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