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核史丨一根小蜡烛 毁了核电厂的半条命

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思考人生 发表于 2018-7-10 08:41:53 | 显示全部楼层 |阅读模式
核电之家讯:1 别具一格的反应堆厂房
让田纳西河流域管理局十分沮丧的是,自家投资兴建的第一座核电厂,投运不久摊上了大事。
如前文《核电大跃进是这样发生的》所述,1966年田纳西河流域管理局在阿拉巴马州阿森斯市的田纳西河畔规划建造一座核电厂。在1950年代以前,电厂厂址所在地长期作为一个渡口(ferry)使用,所以他们把这个电厂命名为布朗斯费里(Browns  Ferry)核电厂。
在起初的规划中,布朗斯费里核电厂包括2台沸水堆,电功率均为1063MW。1967年5月1日,1、2号机组同时开建。仅仅过了一个月,田纳西河流域管理局便决定在2号机组旁加建一模一样的3号机组,并在次年7月正式动工。

建造中的布朗斯费里核电厂

3台机组均为通用电气公司设计的BWR-4型沸水堆,机型与2011年发生严重事故的日本福岛第一核电厂的2-5号机组一样。核电厂采用MarkⅠ型双安全壳配置,在由干井和湿井构成的主安全壳外,建造了一个反应堆厂房,又叫二次安全壳,将主安全壳、应急冷却系统、乏燃料水池以及换料作业区等包裹在内。

BWR-4型核电厂系统示意图

布朗斯费里核电厂的所有机组共用一个换料作业平台,其反应堆厂房跟其他沸水堆核电厂略有不同,是一个巨型的钢筋混凝土结构,将3台机组全部罩在一起,连成了一个整体。
作为一个内陆核电厂,布朗斯费里核电厂在建造过程中正好赶上了1969年美国《国家环境政策法案》的出台,为了控制向周围水体中排放二回路冷却水的温度,不得不加装冷却装置。和我们经常看见的高大的冷却塔不一样,这个核电厂采用很多机械通风冷却塔组合使用的方式。所以,不管是反应堆厂房,还是冷却塔,布朗斯费里核电厂的外观都是别具一格的。

布朗斯费里核电厂远景

1、2、3号机组相继在1973年10月、1974年8月和1976年9月并网发电。这个核电厂建成之时,可谓风光无限,不仅是当时世界上最大的核电厂,也是第一座单机功率超过百万千瓦的核电厂。

布朗斯费里核电厂

值得一提的是,1、2号机组共用一个主控室,在主控室的下方是电缆间,作为连接主控室与各个厂房及系统的桥梁纽带,那里汇集了成千上万的电线和电缆,为主控室提供监测、控制反应堆所需的各种电力。

反应堆、主控室与电缆间的相对位置示意图

在原设计中,反应堆厂房应保持轻微的负压,以防止在反应堆运行或事故情况下放射性物质释放到周围环境中。所以,为了维持负压的要求,需要对反应堆厂房与周围设施的连接或贯穿处进行很好的密封处理。

核电厂电气贯穿件密封示意图

到1975年3月的时候,1、2号机组已经投入商运,3号机组即将建造完工。作为一体化的反应堆厂房,为了满足密封性的要求,之前已在2、3号机组之间做了临时的隔离处理。一旦3号机组投运的话,隔离措施就可以取消。为此,核电厂决定对1、2号机组的厂房泄漏率进行试验。试验结果表明,需要进一步降低泄漏率,才能满足将来3台机组同时运行情况下反应堆厂房的负压要求。
布朗斯费里核电厂制定了系统的计划,主要包括检查并识别所有的漏点、对漏点进行封堵、测试并确认封堵效果。在当时,检查空气泄漏的方法有好几种,比如通过烟雾装置、肥皂溶液或蜡烛,尤其在光线不太好的区域,利用蜡烛火焰的偏转方向,可以很好地判断泄漏是否存在。至于使用哪种检漏方法,核电厂并没有作统一的规定,由负责实施的工程师自己决定。
在此过程中,使用蜡烛明火检漏被大家广泛使用,也没有出现什么纰漏,直到用在电缆间里酿成了大祸。
2 蜡烛惹的祸
3月22日,6名工作人员来到电缆间,对与反应堆厂房相连的电缆槽进行检漏和封堵作业。

电缆间

他们被分成3组,每组包括1名技术工程师和1名电工。到中午12:15的时候,其中1名工程师发现与1号机组反应堆厂房相连的电缆槽上方有一个孔洞。原来,由于设计变更的缘故,部分电缆被抽出来,破坏了原先的密封。

电缆槽贯穿反应堆厂房示意图

工程师点燃一根蜡烛,靠近孔洞观察。因为反应堆厂房的负压设计,电缆间一侧的压力略高一点,蜡烛的火焰随即从水平方向吸进了孔里,说明存在明显的空气流动。一旁的电工够不着那个孔洞,工程师索性代劳作业,让电工递上两块弹性聚氨酯泡沫塑料,用力塞了进去。
在正常的封堵作业步骤中,对漏点填充聚氨酯泡沫后,随后应在内外表面喷上阻燃涂层进行防火处理,再进行检漏。然而,在布朗斯费里核电厂,工作人员嫌麻烦,为了提高效率,采用的做法是对单个漏点仅作封堵,待发现足够数量的漏点后,再对这些封堵的漏点进行批量的防火处理。
为了检验封堵的效果,那个工程师采用同样的方法,再次点燃蜡烛抵近观察。和几分钟前发生的情形一样,蜡烛的火焰再次从水平方向吸进孔里,说明泄漏仍然存在。所不同的是,这一次,火焰不但吸了进去,而且点燃了刚塞进去的聚氨酯泡沫。点燃的时间,在中午12:20左右。
工程师见状,赶紧知会一旁的电工。接过电工递过来的手电筒,他用手电筒拼命击打聚氨酯泡沫。但是,易燃的聚氨酯一旦燃起来,便嘶嘶作响,扩散极快,手电筒根本无济于事。电缆间里的另一名工人听到呼声后,立刻拿过来一些铺垫织物,企图盖住火焰,仍然无济于事。
随后,其他人把电缆间里的几个CO2灭火器和干粉灭火器拿过来,还是没能成功灭火,火势继续向周围的电缆蔓延。大约在12:35,也就是起火15分钟后,电缆间的人员疏散警报声响起,提示固定式CO2灭火系统即将启动。但是,灭火系统并没有自动启动,原来按照安全隔离的程序,由于之前有人在电缆间作业,所以灭火系统的电源被切断了。
接到通知赶到现场的助理总值班工程师,在确认电缆间所有人员撤离后,手动接通了灭火系统的电源,在12:40向电缆间自动喷洒CO2。整个救火过程中,固定式CO2灭火系统一共被手动启动了三次,在停闭的间隙,电厂消防人员提着CO2灭火器和干粉灭火器冲进去灭火。
13:30,接到求援电话赶来的阿森斯市消防人员,一同加入了灭火战斗。14:00,赶到现场的阿森斯市消防局长建议用水灭火,但遭到电厂厂长的强烈反对。厂长担心,一旦向电缆间喷水的话,很可能引起电缆短路,将给主控室操纵员停闭和冷却反应堆带来无法预测的后果。

电缆间熔化的铝导管

在电厂内外消防人员的齐心协力下,电缆间的大火终于在16:20被扑灭了。不过,更大的火势,在混凝土墙的另一边,等着他们。
3 投鼠忌器的救火
火势顺着电缆槽里的电线和电缆,在孔洞里向内的气流作用下,很快蔓延到反应堆厂房里。

火势扩散路线图

12:30,电缆间起火10分钟后,赶到反应堆厂房里的2名工人发现,火已经在距离二层地面约6米高的电缆托架上烧起来了。他们找到一架梯子,1名工人爬上梯子,靠近火焰,利用干粉灭火器灭火。没过一会,他便感到呼吸困难,不得不退下来。干粉灭火剂虽然暂时压住了火焰,但由于现场的温度很高,不久火又复燃了。
随后赶到现场指挥的另一名助理总值班工程师,拿着干粉灭火器亲自登上梯子灭火,不过见效甚微,随后又改用CO2灭火器。很快,厂房里烟雾弥漫,肉眼已经无法看清火焰位置,而且无法接近了。现场的人员都没有佩戴呼吸器,不得不撤出来。
13:45,在电厂人员的带领下,阿森斯市的7名消防员进入反应堆厂房。大约在13:00,由于大火烧坏了电缆,厂房里的照明突然熄灭,他们只能凭借应急照明和手电筒的微弱光线灭火。而且,从12:45起,厂房的通风系统就丧失了,直到16:00才恢复运行。现场到处是烟雾,不仅严重影响了视线,还必须佩戴呼吸器,这给消防人员的灭火作业带来很大的困难。
16:30,在电缆间的火扑灭后,电厂的总值班工程师来到反应堆厂房指挥救火。随后,他们在厂房的内外两侧分别设立了应急直流照明,并在现场腾出了一个立足点,一次能够容纳3名消防员用干粉灭火器灭火。
17:45,总值班工程师指挥把一根直径40毫米的水带搬进反应堆厂房的3楼,打算用水灭火,但厂长担心用水会影响反应堆的停堆安全,没有同意。15分钟之后,阿森斯市消防局长再次提出同样的建议,也被否决。
19:00,反应堆厂房里的火势仍未得到完全控制。电厂厂长在确认反应堆已基本处于稳定状态后,不顾田纳西河流域管理局公共安全委员会的反对,同意用水灭火。消防员拿起为电气火灾专门设计的喷雾水枪,但因喷射距离太短,未能凑效。随后,他们试图使用消防车带来的水枪,又与电厂的水带不匹配,刚接通水源,水枪便脱落了。他们管不了那么多了,索性把水带直接塞进电缆托架里。
很快,在水的浸没下,反应堆厂房里的大火在19:45扑灭了。不过,此时距离那根蜡烛点燃的火焰,已过去了7个多小时。
大火烧毁了电缆、电缆托架、电缆导管,熔化了一些空气管线的焊接接头。造成的损害,主要集中在反应堆厂房的1号机组侧,电缆间里的损毁范围有限,最远到起火点北边1.5米处。

反应堆厂房里被烧毁的电缆

大火总共烧毁了1611根电缆,其中的628根电缆与安全相关。正是这些烧毁的安全相关的电缆,给反应堆的安全停堆带来挑战。
4 深刻的教训
电缆间起火20分钟后,主控室便失去部分监控信号,并接二连三地出现各种异常的仪控信号。
首先,在处于满功率运行状态下,1号机组的4台余热排出泵和4台堆芯喷淋泵毫无征兆地自启动;随后,2台再循环泵自动停运。为安全起见,操纵员在12:51手动紧急停堆。大约在9分钟后,2号机组自动紧急停堆。
在随后的停堆冷却过程中,烧毁的电缆导致很多设备(如泵、阀门、送风机等)电源丧失,继而造成1号机组应急堆芯冷却系统不可用、2号机组应急堆芯冷却系统部分不可用。在此情况下,操纵员只好利用远程操作,通过手动开启压力释放阀、冷凝器增压泵和控制棒驱动系统泵等可用的设备来维持1号机组的堆芯冷却,导出放射性衰变热。
幸运的是,经过操纵员的有力干预,2台机组最后均得到安全地停堆和有效地冷却,也没有造成超出正常运行水平的放射性物质释放。
作为三里岛事故之前美国最严重的核电厂事故,布朗斯费里核电厂的这场大火,让成立不到3个月的核管会饱受指摘。在反核人士的眼里,“一根小小的蜡烛,在瞬间就粉碎了核工业界关于反应堆安全系统可靠性的结论”。
在此之前,消防专家一直把水作为优选的灭火剂,火灾保险协会也曾建议核电厂建立基于水的灭火系统。试验和实践表明,由于能快速抑制和冷却燃烧,水一直是最理想的灭火剂;即使对于电气领域的火灾,若使用非水的灭火途径不成功的话,就应该立即使用水灭火。
如果在布朗斯费里核电厂火灾的早期阶段,就利用水灭火的话,那么大火的持续时间、造成的损失以及对反应堆安全系统的挑战,都将大大减少。后来的研究也证明,在对喷雾水枪进行性能改进后,用水雾去对付电缆火灾,是完全可行的。
可惜,核工业界不同意这种观点。秉承着水和电“势不两立”的陈旧观念,他们担心水会引起电气设备短路,甚至影响反应堆的安全系统。最要命的是,作为美国核管会的前身,原委会根本没把火灾当作一个核安全问题来考虑和监管。
这场大火,让监管部门和核工业界如梦初醒,开始高度重视核电厂的防火安全,深刻地影响了后来的核电安全监管。在此之后,各国加强了反应堆应对火灾风险的研究,包括火灾的预防、探测和抑制。1980年11月,美国核管会颁布了法规10CFR  50.48《防火》及10 CFR 50附录R,对核电厂的防火设计提出了更加严格而明确的要求。

电缆托架火灾试验

布朗斯费里核电厂的1、2号机组,在经过长达18个月的修复与整治后,在1976年9月恢复运行。不过,好景不长,由于存在严重的管理和安全问题,田纳西河流域管理局不得不在1985年3月“自愿”停闭整个核电厂。随后,便是长期的整改,2、3号机组分别在1991年和1995年重新投运。
1号机组的命运更惨,经过22年漫长的等待后,终于在2007年6月恢复运行。算起来,在其原先40年的运行执照有效期里,停运的时间竟然长达30年。如此苦逼的遭遇,在全世界的在运核电厂里,只怕再也找不出第二座了……

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