福島大事記（二）：天翻地覆

2011年3月11日，星期五。日本福島縣。

一曝十寒的初春，當地最高溫度6度，最低溫度零下4度，櫻花尚未開放。

福島第一核電站內的諸多工作正有條不紊的展開：六個機組中，一到三號機組在以滿功率發電，而四到六號機組正依照計划進行換料。在這塊3.5平方公里的核電站內，近6400人專註於手頭的工作，這其中，更是有大約2400人（東電員工750人，承包商員工1650人）忙碌於控制區內，大部分都在協助四五六號機組的換料工作。

兩天前的3月9號，日本東北海域發生了一次矩震震級7.3級的地震，但慣於地震的日本人已經迅速恢復開始了正常的生活，稍稍地鬆了一口氣。午後，一周的工作逐漸走向尾聲，剎那間，天翻地覆。

下午14：46分，距日本東海岸一百多公里的太平洋底，太平洋板塊狠狠的頂了美洲板塊一下，瞬間釋放出了1.9E17焦的能量，相當於4500萬噸TNT，地震持續了約六分鐘，其中主震就持續了接近3分鐘，造成了一條長達500千米，寬約200千米的斷裂帶。地震震中在位於福島核電站東北約180千米處，震源深度為24千米，震級高達9級，是有記錄以來最嚴重的地震之一，更是日本有觀測記錄以來規模最大的地震，NHK形容該地震對東北三縣造成「毀滅性打擊」，甚至遠在太平洋東岸的加州，都有5人被海浪捲走，35艘船隻損壞，損失高達200萬美元。

從上圖可以看到，震中的位置幾乎貼著本州島，除了福島第一第二核電站以外，女川核電站的位置離震中也非常近，事實上，女川核電站是離震中最近的日本核電站，並且，女川核電站在事故中承受了最大加速度，幸運的是，女川核電站機組自動停止運行並很好的冷卻了衰變熱，未出現事故。

而就福島第一核電站來講，如下圖所示。地震造成的地面加速度雖然並沒有超過1、4、6號機組的設計極限，但是卻已經超過了2、3、5號機組的，並直接毀壞了核電站的供電線路，變電站設備以及大量的核電站基礎設施，所有的站外供電被切斷，核電站供電切換到柴油發電機和備用直流電池。

與此同時，正在運行的一到三號機組探測到了地面的震動，並且由於震動十分劇烈，超過了設計的震動保護閾值，控制棒自動插入，並實現了反應堆的停堆。對於四到六號機組來說，由於正在進行換料，因而沒有再停堆的必要。

同時，由於所有六個機組的異地電源被損壞，正在運行的一到三號機組除了停堆之後，突然的功率變化會釋放一個信號到機組的主蒸汽隔離閥（main steam isolation valve），該閥門會自動啟動，使得反應堆與汽輪機系統隔離，防止水蒸汽過快蒸發使堆芯失冷。而由於衰變熱的存在，隔離閥門啟動之後，壓力殼內的溫度和壓力都會增大。當然，在反應堆設計的時候就會考慮到隔離後的種種變化，因此三個機組的衰變熱冷卻系統自動啟動來冷卻衰變熱。

×××××××××××××××××××××××××××××××技術性解釋×××××××××××××××××××××××××××××××

一號機組的設計建造要早於其他五個機組，其衰變熱冷卻系統是兩個獨立的隔離冷卻系統（Isolation condensers, IC)。 在系統孤立時，如MSIV關閉，壓力殼內的壓力會逐漸增加，當壓力超過閾值71.3bar並維持15s以上的時間話，IC系統的隔離閥就會自動打開，壓力殼內產生的蒸汽會通過隔離閥門進入到冷卻水槽中，被水槽中的冷水冷凝後再迴流回反應堆壓力殼中，並防止壓力殼內壓力增加至安全閥的閾值（安全閥開啟會將放射性蒸汽與氣溶膠排放到安全殼乾井中）。在這個過程中，具有發射性的一迴路冷卻水不會與水槽中的冷水混合，避免放射性的外泄。此外，水槽中沸騰的水會蒸發並排放到大氣中，而這個水槽中的水量足夠八小時無電量供應的冷卻。IC的結構示意圖如下：

但是值得注意的是，如果探測探測到很高的蒸汽流或冷卻劑迴流，則說明在管道某處可能有破口，所有的隔離閥會自動關閉來防止堆芯失冷，但是這些閥門的關閉系統都需要電力供應。

而在一號機組之後建造的二到六號機組則採用了改進型的反應堆堆芯冷卻系統（Reactor Core Isolation cooling，RCIC），其原理示意圖如下：

RCIC的設計就更加精妙了，反應堆隔離後，壓力殼內壓力升高，使得安全閥啟動，釋放蒸汽到乾井中來穩定壓力，因此會造成壓力殼內的水位下降，而水位的下降則會被探測器探測到並釋放信號到RCIC系統，該系統開始工作。此後，壓力殼內產生的蒸汽會推動RCIC的小型渦輪機，此渦輪機則連接著一個小型的水泵，在渦輪機運行的時候，水泵能夠將冷卻水注入壓力殼中。而推動渦輪機的蒸汽則會冷凝進入到下面的壓水槽中，除此之外，還有外置的水槽來優先提供冷卻水，以防壓水槽中的水位過低，而當外置水槽中的水用盡時，壓水槽中的水則可以用來冷卻。該系統至少可以保證四小時的冷卻。RCIC系統的運行和啟動是不需要任何電力供應的，然而各個閥門的關閉則需要直流電源，通過閥門的操作可以延長冷卻時間。此外，進入的壓水槽的冷卻蒸汽則仍然會使壓水槽的溫度升高，因而為壓水槽配置了剩餘熱冷卻系統（residual heat removal, RHR），在該系統的作用下，壓水槽內的熱量可以被排放到大氣中，但是該系統需要交流電源或異地電源來驅動。

×××××××××××××××××××××××××××××××技術性解釋×××××××××××××××××××××××××××××××

• 在反應堆一號機組，渦輪機隔離閥關閉後，壓力殼內的壓力升高，IC系統啟動自動冷卻堆芯，然而，兩個IC迴路同時運行，使得反應堆壓力殼內的溫度和壓力急速下降，為了防止對反應堆壓力殼造成過大的熱應力，根據操作章程，反應堆操作員關閉了IC系統的閥門。此後，只有一個IC迴路在操作員的控制之下運行，通過操作員的調整，壓力殼內壓力始終維持在60 bar到70 bar之間。
• 在二號機組，停堆後操作員直接激活了RCIC系統，但是由於壓力殼內水位高於探測器設置水位，RCIC系統隨即關閉，但隨著壓力升高，安全卸壓閥(Safety Relief Valve, SRV)打開，水位下降後，操作員根據操作章程重新啟動了RCIC系統。
• 在三號機組，壓力殼內壓力升高，激活安全卸壓閥（SRV），因此反應堆內水位下降，根據操作章程，操作員人工激活了RCIC系統。當水位恢復到設定值後，RCIC自動關閉（見下圖）
• 在四號機組，乏燃料槽的冷卻因為異地電源的損壞而停止，乏燃料槽中存放有超過1300支燃料組件，乏燃料槽溫度逐漸升高。
• 五號機組，地震發生時正在進行壓力測試，由於電力被切斷，機組壓力殼內壓力先突然下降，後來由於衰變熱的存在，壓力殼內的壓力又逐漸升高。由於五號機組已經停堆一段時間，衰變熱的功率遠低於滿功率運行的一到三號機組，因此始終沒有達到安全閥閾值。
• 六號機組，正在進行換料，機組處於大氣壓與室溫環境中。

由於地震和異地電源損壞，操作員進入了事故流程，一支地震應急小組在防震室內開始運行，由核電站負責人直接對現場和異地組織來負責，成為現場直接負責人，三個操作室的值班負責人則開始直接指揮其機組的安全狀況。下圖中展示這個時間段內的各個機組活動和流程：

似乎一切都有條不紊，然而，可能當時在現場或不在現場的人都沒有想到，這個天翻地覆的地震緊緊是一個開始。

欲知後事如何:

福島大事記（三）：海嘯襲來
推薦閱讀：