切爾諾貝利核電站事故原因及放射性核素的釋放、擴(kuò)散和沉降1.前言事故日期：1986年4月26日。電站所在地：原蘇聯(lián)烏克蘭基輔市東北130公里。反應(yīng)堆類型：切爾諾貝利核電站4號(hào)機(jī)是14座在役的1000MWe的RBMK堆中的一個(gè)（RBMK是俄語(yǔ)的縮寫，意思是高功率沸水堆）。這種反應(yīng)堆是石墨慢化沸水冷卻的反應(yīng)堆，沸水在1881根壓力管中循環(huán)。石墨堆的直徑為12米，高度為7米。反應(yīng)性由堆外驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)插入的控制棒控制，控制棒全部插入需要18秒。反應(yīng)堆由兩個(gè)環(huán)路冷卻。汽水混合物離開壓力管進(jìn)入分離器，分離出來(lái)的水通過(guò)再循環(huán)泵打入堆芯，而蒸汽供給兩臺(tái)500MWe的汽輪發(fā)電機(jī)。事件時(shí)序：1986年4月25日，就在停堆維修前，計(jì)劃進(jìn)行試驗(yàn)以驗(yàn)證在失去廠外電源后,應(yīng)急柴油機(jī)啟動(dòng)供電前，通過(guò)一臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)的惰轉(zhuǎn)向備用冷卻系統(tǒng)供電的可能性。第四號(hào)機(jī)組被用水泥封筑起來(lái)2.事故原因切爾諾貝利核電站事故本質(zhì)上從反應(yīng)性引入事故開始，繼之以失水事故，其后果是及其嚴(yán)重的，但事故過(guò)程中尚未發(fā)現(xiàn)未知的現(xiàn)象，也即這類事故是可以避免的。根據(jù)分析，由于試驗(yàn)中反應(yīng)堆處于不穩(wěn)定狀態(tài)，燃料多普勒系數(shù)不足以克服空泡和慢化劑引入的正溫度效應(yīng)，反應(yīng)堆在5秒內(nèi)產(chǎn)生兩次功率脈沖，正反應(yīng)性分別達(dá)到1000和1500pcm，超瞬發(fā)臨界引起反應(yīng)堆功率驟升，使燃料元件芯塊比焓迅速上升，導(dǎo)致元件粉化，與水發(fā)生快速換熱和金屬－水化學(xué)反應(yīng)，形成了一次化學(xué)爆炸，沖開了3米厚的上屏蔽蓋板，摧毀了反應(yīng)堆廠房。切爾諾貝利核電站事故主要是由一系列人因錯(cuò)誤造成的,在準(zhǔn)備試驗(yàn)大綱和進(jìn)行試驗(yàn)的過(guò)程中,對(duì)運(yùn)行規(guī)程的違反是事故的主要原因。在這些違章操作中,被相繼閉鎖的保護(hù)信號(hào)有:應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)啟動(dòng)信號(hào)、蒸汽分離器水位及蒸汽壓力停堆信號(hào)、第二臺(tái)汽輪機(jī)觸發(fā)的緊急停堆信號(hào)。此外，為了繼續(xù)強(qiáng)行試驗(yàn)，事故前相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間里，反應(yīng)堆運(yùn)行在技術(shù)規(guī)范允許范圍以外。例如：在安全注入系統(tǒng)不可用的情況下連續(xù)運(yùn)行了9小時(shí)；運(yùn)行功率長(zhǎng)期低于限制700MWt；反應(yīng)性裕量遠(yuǎn)小于30根控制棒當(dāng)量；在打印出的反應(yīng)性裕量已表明要求立即停堆的情況下仍堅(jiān)持運(yùn)行等。操縱員似乎完全忽略了這些行動(dòng)的后果。除上述運(yùn)行中的人因差錯(cuò)外，RBMK在設(shè)計(jì)上也存在致命缺陷。由于冷卻劑有很高的正空泡系數(shù)，低功率下反應(yīng)堆極不穩(wěn)定。該堆型缺乏快速的緊急停堆系統(tǒng)，控制棒全部插入堆芯約需20秒時(shí)間。其自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)較少，主要依靠操縱員手動(dòng)操作，因而可靠性較差。對(duì)于發(fā)生在4號(hào)機(jī)組的事故，許多科學(xué)家進(jìn)行了廣泛細(xì)致地調(diào)查。盡管對(duì)于事故中涉及到的一些具體現(xiàn)象，還有不同的看法，但是對(duì)事故的原因已取得了一致的意見，并且已采取有效的措施來(lái)防止此類事件的再次發(fā)生。事故發(fā)生后，前蘇聯(lián)政府把事故的原因歸咎為人為失誤。1986年，前蘇聯(lián)政府在提交給IAEA的報(bào)告中，稱“這次事故的主要原因是由機(jī)組工作人員違反操作程序和規(guī)則兩種最不能發(fā)生情況的結(jié)合?！薄斑@次事故是造成災(zāi)難的主要原因，因?yàn)椴僮魅藛T把反應(yīng)堆運(yùn)行到如此一種不許可的狀態(tài)，也就是在提升功率時(shí)，正反應(yīng)系數(shù)效應(yīng)急劇增加?！辈贿^(guò)，前蘇聯(lián)在當(dāng)時(shí)已意識(shí)到嚴(yán)重的技術(shù)缺陷造成了這次事故。事故發(fā)生后，前蘇聯(lián)立即進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，后來(lái)，又對(duì)事故的原因和有關(guān)現(xiàn)象進(jìn)行了更為詳細(xì)地調(diào)查。這些調(diào)查包括用比較尖端的計(jì)算機(jī)對(duì)三維堆芯模型進(jìn)行分析，得出了許多設(shè)計(jì)缺陷和這些缺陷所帶來(lái)結(jié)果的結(jié)論。參加調(diào)查的售貨員最后對(duì)事故的原因提出了折衷的觀點(diǎn)，即在設(shè)計(jì)原因和對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)原因的運(yùn)行原因方面尋找平衡。1991年，俄羅斯在巴黎召開的“核事故和核電廠未來(lái)的國(guó)際會(huì)議”上，就切爾諾貝利事故教訓(xùn)提交了一份報(bào)告。這份報(bào)告歸納了主要原因。報(bào)告認(rèn)為事故是由下列主要因素的巧合而引起的：“正空反應(yīng)效應(yīng)和CPS設(shè)計(jì)上的缺陷，這種缺陷導(dǎo)致了反應(yīng)堆在發(fā)生事故前的正反應(yīng)發(fā)生。”這些結(jié)論在后來(lái)的研究中得到了證實(shí)。因此，到目前為止，認(rèn)為事故的主要原因有如下幾個(gè)方面：—反應(yīng)堆物理設(shè)計(jì)中的嚴(yán)重缺陷和停堆設(shè)施設(shè)計(jì)的嚴(yán)重缺陷；—在高功率運(yùn)行條件下的高正空效應(yīng)；—反應(yīng)堆在事故前狀況下的正緊急停堆效應(yīng)；—喪失在反應(yīng)堆保護(hù)中運(yùn)行反應(yīng)余度的結(jié)合；—缺乏安全文化，使得責(zé)任組織無(wú)力補(bǔ)救重要的錯(cuò)誤，操作人員甚至還認(rèn)為不會(huì)發(fā)生事故；—在技術(shù)安全方面，不合理的推斷和檢驗(yàn)試驗(yàn)大綱；—違反運(yùn)行程序；—反應(yīng)堆的運(yùn)行和運(yùn)行設(shè)備需要太多的人員；—對(duì)超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故缺乏足夠的保護(hù)。從上面的結(jié)論看，對(duì)于這次事故的原因，正如IAEA96年國(guó)際會(huì)議總結(jié)的那樣，是由電站本身設(shè)計(jì)上的缺陷和人為因素造成的。3.放射性核素的釋放、擴(kuò)散和沉降3.1氣載釋放事故發(fā)生后，1986年6月，前蘇聯(lián)專家曾對(duì)事故釋放情況作過(guò)估計(jì)。前蘇聯(lián)政府在提交給IAEA的報(bào)告中認(rèn)為，事故中放射性物質(zhì)只限于蘇聯(lián)境內(nèi)，并未對(duì)境外造成影響。前蘇聯(lián)估計(jì)的釋放總量也明顯偏低。在1986年IAEA召開的“切爾諾貝利事故后評(píng)價(jià)會(huì)議”上，蘇聯(lián)專家估計(jì)惰性氣體（Xe和Kr）全部釋放，另外還有大約10--20%的揮發(fā)性碘、碲和銫也釋放到環(huán)境中。最初估計(jì)釋放到環(huán)境中的燃料占其總量的3±1.5%，后來(lái)，經(jīng)過(guò)認(rèn)真分析計(jì)算，實(shí)際上為3.5±0.5％，這個(gè)數(shù)字剛好與6噸的燃料碎塊相吻合。IAEA專家咨詢組（INSAG）基于前蘇聯(lián)專家提供的情況，在1986年對(duì)事故釋放的總量做了估計(jì)，認(rèn)為釋放的放射性物質(zhì)活度為1--2Ebq。這還不包括惰性氣體，并且有50%的誤差。1988年，聯(lián)合國(guó)原子輻射效應(yīng)科學(xué)委員會(huì)（UNSCEAR）根據(jù)前蘇聯(lián)提供的數(shù)據(jù)和全球沉降情況，給出了釋放數(shù)據(jù)，銫--137釋放量為70PBq，其中31PBq沉降在前蘇聯(lián)境內(nèi)。后來(lái)，對(duì)堆芯碎片和在反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)沉降物質(zhì)的一系列分析，得出了在環(huán)境中釋放的獨(dú)立評(píng)價(jià)。最新的研究認(rèn)為，銫--137釋放量為85±26PBq，占堆芯總量的20--40%，碘--131釋放量為1760PBq，占堆芯總量的50--60%，事故源項(xiàng)總量約為12Ebq。大部分放射性物質(zhì)在10天內(nèi)釋放完畢，釋放過(guò)程可以分為幾個(gè)階段。在事故初期造成大量的釋放主要是由于在爆炸期間拋射出來(lái)的燃料塊，其中包含了許多揮發(fā)性核素，如惰性氣體，碘和一些銫。在事故的第七天和第十天期間，形成了第二次大的釋放，這次釋放是由于堆內(nèi)高溫造成的，急劇上升和溫度使得堆芯熔化。第十天后，由于燃料的迅速冷卻和在反應(yīng)堆內(nèi)使用了其它一些材料來(lái)屏蔽熔化了的堆芯碎塊，釋放迅速下降。從對(duì)環(huán)境的監(jiān)測(cè)中推斷，在事故20天內(nèi)還有一些間歇性釋放，這些小的釋放并未對(duì)事故的環(huán)境影響有根本性的變化。3．2放射性物質(zhì)的化學(xué)和物理形態(tài)切爾諾貝利事故向環(huán)境中釋放的放射性物質(zhì)主要有三種形態(tài)：即氣體、氣溶膠和核燃料微粒。氣態(tài)元素，如氪和氙幾乎全部釋放。此外，還發(fā)現(xiàn)了有機(jī)碘的氣一固態(tài)。各種碘化合物的比率隨時(shí)間在變化，釋放出來(lái)的50--60%碘在釋放時(shí)，呈現(xiàn)一種或另一種形態(tài)。其他揮發(fā)性元素和化合物，如銫如碲，主要以乞溶膠形態(tài)從燃料顆粒中釋放出來(lái)。通過(guò)對(duì)空氣樣品的分析，這些元素的顆粒直徑約為0.5--1μm。由于石墨著火，事故源項(xiàng)的一個(gè)意想不到的特點(diǎn)是，燃料材料大范圍、長(zhǎng)時(shí)間的釋放。一些低揮發(fā)性的元素，如鈰、鋯、錒系元素、鋇、鑭和鍶等，混合在燃料顆粒中。體積大的燃料顆粒沉降在事故現(xiàn)場(chǎng)附近，而體積較小的顆粒大范圍擴(kuò)散。從汽化燃料中冷凝下來(lái)的其它放射性物質(zhì)，如釕等，則形成了金屬顆粒。所有這些包括小顆粒的燃料顆粒被稱作為“熱粒子”，并且擴(kuò)散到事故現(xiàn)場(chǎng)以外的廣大地區(qū)。3．3放射性物質(zhì)的擴(kuò)散和沉降由于釋放的放射性核素組分和氣象條件的變化，放射性素在大氣中的擴(kuò)散和沉降的模式非常復(fù)雜。從目前對(duì)事故源項(xiàng)的分析，大約有0.3--0.5%的燃料顆粒（熱粒子）沉降在事故現(xiàn)場(chǎng)；1.5--2%沉降在0--20公里的范圍內(nèi)；1--1,5%沉降在20公里以外；揮發(fā)性元素?cái)U(kuò)散到10公里以外。大約占銫--137總量45%的銫--137沉降在前蘇聯(lián)境內(nèi)（主要在白俄羅斯、烏克蘭和俄羅斯部分地區(qū)）；39%沉降在歐洲；8%沉降在亞洲；7%沉降在海洋中和北半球的其它地區(qū)。南半球基本上沒有發(fā)現(xiàn)核污染。1996年有關(guān)方面又對(duì)沉降模式進(jìn)行了更為精確地分析，這個(gè)項(xiàng)目可以使聯(lián)合國(guó)原子輻射效應(yīng)科學(xué)委員會(huì)（UNSCEAR）的數(shù)據(jù)和對(duì)事故源項(xiàng)的估計(jì)有更準(zhǔn)確的解釋。在總釋放量中，半衰期不到一個(gè)月的放射性核素大約占了85%，半衰期在幾個(gè)月的放射性核素占了13%，半衰期大約30年的占31%，半衰期大于50年的只有0.001%。表2列出了事故后70年全球環(huán)境中剩余放射性物質(zhì)的總活度。由于放射性的衰變，十年后的今天，仍然存在于環(huán)境中放射性物質(zhì)的總量已經(jīng)降到了釋放總量的1%（80BPq長(zhǎng)壽命的放射性核素主要是銫--137和鍶--90）。3．3．1在前蘇聯(lián)境內(nèi)的擴(kuò)散和沉降事故發(fā)生后的前十天是放射性物質(zhì)釋放的重要階段。在這十天中，氣象條件經(jīng)常發(fā)生變化，這對(duì)放射性物質(zhì)的釋放方向和沉降參數(shù)產(chǎn)生了重要影響。放射性微粒的沉降模式很大程度上取決于擴(kuò)散參數(shù)、微粒尺寸和降水情況。在事故釋放期間，由于溫度和其它參數(shù)的變化，在初期和其后的釋放中，放射性核素沉降在地面上的組分變化也很大。在衡量污染情況方面，選擇的核素主要是銫--137，這是因?yàn)椋?）銫--137容易測(cè)量到；（2）一旦碘--131衰變后（半衰期8天），人員所受劑量的主要貢獻(xiàn)來(lái)自銫--137。銫--137造成地面污染分為3個(gè)水平：即低水平區(qū)（37--185KBq/m2），中水平區(qū)（185--555KBq/m2）和高水平區(qū)（555--1，480KBq/m2）。前蘇聯(lián)受污染的地區(qū)主要集中在白俄羅斯、烏克蘭和俄羅斯，三國(guó)地面銫--137污染水平超過(guò)37KBq/m2的面積分別占本國(guó)面積的23%、5%和0.6%，圖2是三國(guó)污染情況的對(duì)照。在這廣大的污染區(qū)中，有三個(gè)比較集中，且污染水平超過(guò)555KBq/m2的區(qū)域，它們分別位于烏--白邊界、白--俄邊界和俄羅斯境內(nèi)。烏--白污染區(qū)是在事故初期形成的，距反應(yīng)堆半徑30公里，銫--137地面沉降水平超過(guò)1，500KBq/m2。白--俄污染水平基本與烏--白污染水平大致相同，但在一些村莊污染水平則達(dá)到5，000KBq/m2。俄羅斯污染區(qū)位于反應(yīng)堆的東北方向，距反應(yīng)堆500公里，也是于4月28--29日由白--俄污染云團(tuán)因降水造成的，但污染水平則比上述兩個(gè)區(qū)要略低一些，通常不超過(guò)600KBq/m2。除了上述三個(gè)重要污染區(qū)外，還有許多地區(qū)遭到污染，地面銫--137污染水平范圍在40--200KBq/m2之間。前蘇聯(lián)三國(guó)最初銫--137地面污染水平超過(guò)1，500KBq/m2的面積為3，100平方公里，污染水平在600--1，500KBq/m2的面積為7，200平方公里，污染水平在40--200KBq/m2的面積為103，000平方公里。3．3．2在前蘇聯(lián)境外的擴(kuò)散和沉降切爾諾貝利核事故的發(fā)生，不僅給前蘇聯(lián)帶來(lái)了嚴(yán)重的輻射影響，而且影響到其它地區(qū)，主要是歐洲地區(qū)。外國(guó)發(fā)現(xiàn)這次核事故的首先是瑞典，這說(shuō)明，這次核事故的影響已涉及到其它國(guó)家。放射性煙羽在氣象條件的作用下，其么跡覆蓋了前蘇聯(lián)的歐洲部分地區(qū)和歐洲的部分國(guó)家。開始風(fēng)向是西北方向，許多放射性物質(zhì)沉降在斯堪的納維亞、荷蘭、比利時(shí)和英國(guó)，后來(lái)風(fēng)向改為向南，歐洲中部地區(qū)，以及地中海和巴爾干半島的國(guó)家，也受到了污染。各地區(qū)的污染水平是不同的，其水平的高低取決于煙羽的高度、風(fēng)速、風(fēng)向、地貌特征和降水量。在開始的放射性煙羽中，包含著大量不同的裂變產(chǎn)物和錒系元素，但是只有微量的錒系元素在大多數(shù)歐洲國(guó)家被發(fā)現(xiàn)，并且只有很少數(shù)量的錒系元素在輻射影響方面被認(rèn)為有意義。在前蘇聯(lián)境外探測(cè)到的，且在輻射方面最有意義的放射性核素還是碘--131、碲--132、碘--132、銫--137和銫--134。在大多數(shù)歐洲國(guó)家，放射性污染主要是來(lái)自銫--137和銫--134。在奧地利、瑞士的東部和南部、德國(guó)南部和斯堪的納維亞，當(dāng)放射性煙羽經(jīng)過(guò)時(shí)，恰巧遇上降雨，因此，這些國(guó)家遭受的沉降要比其它國(guó)家嚴(yán)重，西班牙、法國(guó)和葡萄牙遭受的污染最輕。如在奧地利的薩爾茨堡和卡林斯亞（Carinthia）的污染水平分別是59.46和33KBq/m2,而葡萄牙銫--137平均污染水平為0.02KBq/m2。這些輕微的污染據(jù)分析是由污染的林區(qū)的物質(zhì)再懸浮造成的。小結(jié)到目前為止，對(duì)切爾諾貝利核事故的釋放總量已有了一個(gè)比較客觀、準(zhǔn)確地估計(jì)。事故釋放時(shí)間出