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1、切尔诺贝利核电站事故原因及放射性核素的释放、扩散和沉降1. 前言事故日期： 1986年4月26日。电站所在地：原苏联乌克兰基辅市东北130公里。反应堆类型： 切尔诺贝利核电站4号机是14座在役的1000MWe的RBMK堆中的一个（RBMK 是俄语的缩写，意思是高功率沸水堆）。这种反应堆是石墨慢化沸水冷却的反应堆，沸水在1881根压力管中循环。石墨堆的直径为12米，高度为7米。反应性由堆外驱动机构插入的控制棒控制，控制棒全部插入需要18秒。反应堆由两个环路冷却。汽水混合物离开压力管进入分离器，分离出来的水通过再循环泵打入堆芯，而蒸汽供给两台500MWe的汽轮发电机。事件时序： 1986年4月25
2、日，就在停堆维修前，计划进行试验以验证在失去厂外电源后,应急柴油机启动供电前，通过一台汽轮发电机的惰转向备用冷却系统供电的可能性。第四号机组被用水泥封筑起来2. 事故原因切尔诺贝利核电站事故本质上从反应性引入事故开始，继之以失水事故，其后果是及其严重的，但事故过程中尚未发现未知的现象，也即这类事故是可以避免的。根据分析，由于试验中反应堆处于不稳定状态，燃料多普勒系数不足以克服空泡和慢化剂引入的正温度效应，反应堆在5秒内产生两次功率脉冲，正反应性分别达到1000和1500pcm，超瞬发临界引起反应堆功率骤升，使燃料元件芯块比焓迅速上升，导致元件粉化，与水发生快速换热和金属水化学反应，形成了一次化
3、学爆炸，冲开了3米厚的上屏蔽盖板，摧毁了反应堆厂房。切尔诺贝利核电站事故主要是由一系列人因错误造成的,在准备试验大纲和进行试验的过程中,对运行规程的违反是事故的主要原因。在这些违章操作中,被相继闭锁的保护信号有:应急堆芯冷却系统启动信号、蒸汽分离器水位及蒸汽压力停堆信号、第二台汽轮机触发的紧急停堆信号。此外，为了继续强行试验，事故前相当长一段时间里，反应堆运行在技术规范允许范围以外。例如：在安全注入系统不可用的情况下连续运行了9小时；运行功率长期低于限制700MWt；反应性裕量远小于30根控制棒当量；在打印出的反应性裕量已表明要求立即停堆的情况下仍坚持运行等。操纵员似乎完全忽略了这些行动的后果
4、。除上述运行中的人因差错外，RBMK在设计上也存在致命缺陷。由于冷却剂有很高的正空泡系数，低功率下反应堆极不稳定。该堆型缺乏快速的紧急停堆系统，控制棒全部插入堆芯约需20秒时间。其自动保护系统较少，主要依靠操纵员手动操作，因而可靠性较差。对于发生在4号机组的事故，许多科学家进行了广泛细致地调查。尽管对于事故中涉及到的一些具体现象，还有不同的看法，但是对事故的原因已取得了一致的意见，并且已采取有效的措施来防止此类事件的再次发生。事故发生后，前苏联政府把事故的原因归咎为人为失误。1986年，前苏联政府在提交给IAEA的报告中，称“这次事故的主要原因是由机组工作人员违反操作程序和规则两种最不能发生情
5、况的结合。”“这次事故是造成灾难的主要原因，因为操作人员把反应堆运行到如此一种不许可的状态，也就是在提升功率时，正反应系数效应急剧增加。”不过，前苏联在当时已意识到严重的技术缺陷造成了这次事故。事故发生后，前苏联立即进行设计改进，后来，又对事故的原因和有关现象进行了更为详细地调查。这些调查包括用比较尖端的计算机对三维堆芯模型进行分析，得出了许多设计缺陷和这些缺陷所带来结果的结论。参加调查的售货员最后对事故的原因提出了折衷的观点，即在设计原因和对应设计原因的运行原因方面寻找平衡。1991年，俄罗斯在巴黎召开的“核事故和核电厂未来的国际会议”上，就切尔诺贝利事故教训提交了一份报告。这份报告归纳了主
6、要原因。报告认为事故是由下列主要因素的巧合而引起的：“正空反应效应和CPS设计上的缺陷，这种缺陷导致了反应堆在发生事故前的正反应发生。”这些结论在后来的研究中得到了证实。因此，到目前为止，认为事故的主要原因有如下几个方面：反应堆物理设计中的严重缺陷和停堆设施设计的严重缺陷；在高功率运行条件下的高正空效应；反应堆在事故前状况下的正紧急停堆效应；丧失在反应堆保护中运行反应余度的结合；缺乏安全文化，使得责任组织无力补救重要的错误，操作人员甚至还认为不会发生事故；在技术安全方面，不合理的推断和检验试验大纲；违反运行程序；反应堆的运行和运行设备需要太多的人员；对超设计基准事故缺乏足够的保护。从上面的结论
7、看，对于这次事故的原因，正如IAEA96年国际会议总结的那样，是由电站本身设计上的缺陷和人为因素造成的。3. 放射性核素的释放、扩散和沉降3.1气载释放事故发生后，1986年6月，前苏联专家曾对事故释放情况作过估计。前苏联政府在提交给IAEA的报告中认为，事故中放射性物质只限于苏联境内，并未对境外造成影响。前苏联估计的释放总量也明显偏低。在1986年IAEA召开的“切尔诺贝利事故后评价会议”上，苏联专家估计惰性气体（Xe和Kr）全部释放，另外还有大约10-20%的挥发性碘、碲和铯也释放到环境中。最初估计释放到环境中的燃料占其总量的31.5%，后来，经过认真分析计算，实际上为3.50.5，这个数
8、字刚好与6吨的燃料碎块相吻合。IAEA专家咨询组（INSAG）基于前苏联专家提供的情况，在1986年对事故释放的总量做了估计，认为释放的放射性物质活度为1-2Ebq。这还不包括惰性气体，并且有50%的误差。1988年，联合国原子辐射效应科学委员会（UNSCEAR）根据前苏联提供的数据和全球沉降情况，给出了释放数据，铯-137释放量为70PBq，其中31PBq沉降在前苏联境内。后来，对堆芯碎片和在反应堆厂房内沉降物质的一系列分析，得出了在环境中释放的独立评价。最新的研究认为，铯-137释放量为8526PBq，占堆芯总量的20-40%，碘-131释放量为1760 PBq，占堆芯总量的50-60%，
9、事故源项总量约为12Ebq。大部分放射性物质在10天内释放完毕，释放过程可以分为几个阶段。在事故初期造成大量的释放主要是由于在爆炸期间抛射出来的燃料块，其中包含了许多挥发性核素，如惰性气体，碘和一些铯。在事故的第七天和第十天期间，形成了第二次大的释放，这次释放是由于堆内高温造成的，急剧上升和温度使得堆芯熔化。第十天后，由于燃料的迅速冷却和在反应堆内使用了其它一些材料来屏蔽熔化了的堆芯碎块，释放迅速下降。从对环境的监测中推断，在事故20天内还有一些间歇性释放，这些小的释放并未对事故的环境影响有根本性的变化。32放射性物质的化学和物理形态切尔诺贝利事故向环境中释放的放射性物质主要有三种形态：即气体
10、、气溶胶和核燃料微粒。气态元素，如氪和氙几乎全部释放。此外，还发现了有机碘的气一固态。各种碘化合物的比率随时间在变化，释放出来的50-60%碘在释放时，呈现一种或另一种形态。其他挥发性元素和化合物，如铯如碲，主要以乞溶胶形态从燃料颗粒中释放出来。通过对空气样品的分析，这些元素的颗粒直径约为0.5-1m。由于石墨着火，事故源项的一个意想不到的特点是，燃料材料大范围、长时间的释放。一些低挥发性的元素，如铈、锆、锕系元素、钡、镧和锶等，混合在燃料颗粒中。体积大的燃料颗粒沉降在事故现场附近，而体积较小的颗粒大范围扩散。从汽化燃料中冷凝下来的其它放射性物质，如钌等，则形成了金属颗粒。所有这些包括小颗粒的
11、燃料颗粒被称作为“热粒子”，并且扩散到事故现场以外的广大地区。33放射性物质的扩散和沉降由于释放的放射性核素组分和气象条件的变化，放射性素在大气中的扩散和沉降的模式非常复杂。从目前对事故源项的分析，大约有0.3-0.5%的燃料颗粒（热粒子）沉降在事故现场；1.5-2%沉降在0-20公里的范围内；1-1,5%沉降在20公里以外；挥发性元素扩散到10公里以外。大约占铯-137总量45%的铯-137沉降在前苏联境内（主要在白俄罗斯、乌克兰和俄罗斯部分地区）；39%沉降在欧洲；8%沉降在亚洲；7%沉降在海洋中和北半球的其它地区。南半球基本上没有发现核污染。1996年有关方面又对沉降模式进行了更为精确地
12、分析，这个项目可以使联合国原子辐射效应科学委员会（UNSCEAR）的数据和对事故源项的估计有更准确的解释。在总释放量中，半衰期不到一个月的放射性核素大约占了85%，半衰期在几个月的放射性核素占了13%，半衰期大约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年全球环境中剩余放射性物质的总活度。由于放射性的衰变，十年后的今天，仍然存在于环境中放射性物质的总量已经降到了释放总量的1%（80BPq长寿命的放射性核素主要是铯-137和锶-90）。331在前苏联境内的扩散和沉降事故发生后的前十天是放射性物质释放的重要阶段。在这十天中，气象条件经常发生变化，这对放射性物质的释放
13、方向和沉降参数产生了重要影响。放射性微粒的沉降模式很大程度上取决于扩散参数、微粒尺寸和降水情况。在事故释放期间，由于温度和其它参数的变化，在初期和其后的释放中，放射性核素沉降在地面上的组分变化也很大。在衡量污染情况方面，选择的核素主要是铯-137，这是因为（1）铯-137容易测量到；（2）一旦碘-131衰变后（半衰期8天），人员所受剂量的主要贡献来自铯-137。铯-137造成地面污染分为3个水平：即低水平区（37-185KBq/m），中水平区（185-555KBq/m）和高水平区（555-1，480KBq/m）。前苏联受污染的地区主要集中在白俄罗斯、乌克兰和俄罗斯，三国地面铯-137污染水平超
14、过37KBq/m的面积分别占本国面积的23%、5%和0.6%，图2是三国污染情况的对照。在这广大的污染区中，有三个比较集中，且污染水平超过555KBq/m的区域，它们分别位于乌-白边界、白-俄边界和俄罗斯境内。乌-白污染区是在事故初期形成的，距反应堆半径30公里，铯-137地面沉降水平超过1，500KBq/m。白-俄污染水平基本与乌-白污染水平大致相同，但在一些村庄污染水平则达到5，000KBq/m。俄罗斯污染区位于反应堆的东北方向，距反应堆500公里，也是于4月28-29日由白-俄污染云团因降水造成的，但污染水平则比上述两个区要略低一些，通常不超过600KBq/m。除了上述三个重要污染区外，
15、还有许多地区遭到污染，地面铯-137污染水平范围在40-200KBq/m之间。前苏联三国最初铯-137地面污染水平超过1，500 KBq/m的面积为3，100平方公里，污染水平在600-1，500KBq/m的面积为7，200平方公里，污染水平在40-200KBq/m的面积为103，000平方公里。332在前苏联境外的扩散和沉降切尔诺贝利核事故的发生，不仅给前苏联带来了严重的辐射影响，而且影响到其它地区，主要是欧洲地区。外国发现这次核事故的首先是瑞典，这说明，这次核事故的影响已涉及到其它国家。放射性烟羽在气象条件的作用下，其么迹覆盖了前苏联的欧洲部分地区和欧洲的部分国家。开始风向是西北方向，许多
16、放射性物质沉降在斯堪的纳维亚、荷兰、比利时和英国，后来风向改为向南，欧洲中部地区，以及地中海和巴尔干半岛的国家，也受到了污染。各地区的污染水平是不同的，其水平的高低取决于烟羽的高度、风速、风向、地貌特征和降水量。在开始的放射性烟羽中，包含着大量不同的裂变产物和锕系元素，但是只有微量的锕系元素在大多数欧洲国家被发现，并且只有很少数量的锕系元素在辐射影响方面被认为有意义。在前苏联境外探测到的，且在辐射方面 最有意义的放射性核素还是碘-131、碲-132、碘-132、铯-137和铯-134。在大多数欧洲国家，放射性污染主要是来自铯-137和铯-134。在奥地利、瑞士的东部和南部、德国南部和斯堪的纳维亚，当放射性烟羽经过时，恰巧遇上降雨，因此
