「科普」日本福岛第一核电站事故

福岛第一核电站事故（日语：福島第一原子力発電所事故）是2011年3月11日在日本福岛第一核电厂发生的核事故，由日本东北地方太平洋近海地震和伴随而来的海啸所引发。这次事故在国际核事件分级表（INES）中被分类为最严重的7级。2015年3月调查发现，炉心内所有核燃料都已熔毁。这次事故是东日本大震灾的次生灾害之一。截至2019年3月，这次事故造成的受灾区域面积几乎与名古屋市相同（337km2）。

概要

东北地方太平洋地震于2011年3月11日发生时，福岛第一核电站的1-3号机正在运作，而4-6号机停机处于定期安全检查状态。地震后，1-3号机的所有反应堆自动停止。然而，地震引发了电源故障，导致机组失去了外部供电，因此应急柴油发电机被成功启动。

地震发生约50分钟之后，最高高度约为14公尺~15公尺（电脑分析后得出的高度为13.1公尺）的海啸袭击了核电站，设置在地下室的应急柴油发电机因淹没在水中而停止运作。此外，电器、水泵、燃料罐、紧急电池等大部分设备受损或被水冲走，核电站陷入了全厂停电（Station Blackout，缩写：SBO）。因此，水泵无法运行，不能继续向堆芯和乏燃料池注入冷却水，也就不能带走核燃料的热量。由于核燃料在停堆后仍然会产生巨大的衰变热，如果不继续注水，堆芯内就会开始空烧。最终，核燃料会因自身放热而熔化。

在1-3号机中，由于燃料组件的包壳熔化，包壳中的燃料颗粒落到反应堆压力容器底部，形成了堆芯熔毁。熔化的燃料组件温度极高，熔穿了压力容器底部，并熔化了控制棒插入孔和密封处，一部分燃料从开孔处落入反应堆安全壳。此外，由于燃料本身的高温以及安全壳中产生的水蒸气和氢气引起的压力急剧升高，导致1号机组的管道部分及安全壳部分损坏。

另外，1-3号机熔毁的堆芯向反应堆、汽轮机厂房内释放了大量氢气，导致1、3、4号机发生了氢气爆炸，厂房和周围的设施被严重损坏（虽然在事故发生时4号机处于停机状态，但是氢气很可能从3号机通过两个机组共用的排气管进入4号机，因为该管道在停电时是打开的。

事故中的一系列事件在周围环境中泄漏了大量放射性物质，包括排气泄压操作、氢气爆炸、安全壳破损、管道蒸汽泄漏、冷却水泄漏等。1-3号机相继发生堆芯熔毁，1、3、4号机发生氢气爆炸，使得这起事故成为了前所未有的特大核事故。

事故中向大气中泄漏的放射性物质量有多种说法。根据东京电力的推算，共泄漏了大约90万亿[注 3]贝克勒（Bq）的铀元素和碘-131、镉-137和钚-134大规模释放，大约相当于切尔诺贝利事故520万亿Bq的六分之一。截至2011年8月，平均每半月泄漏2亿Bq（0.0002TBq）的铀元素。辐射量在每年5毫西弗（mSv）以上的地区大约有1800km2，其中每年20mSv以上的则有500km2。

2012年，日本政府将福岛第一核电站周围20km圈内的地区作为警戒区域，圈外辐射量高的地区作为“计划中的避难区域”，共计约10万居民撤离。2012年4月，根据地区的辐射量重新指定了“准备解除避难指示区域”、“限制居住区域”及“返回困难区域”，而原则上则禁止进入“返回困难区域”。2014年4月，一些地区逐渐解除了避难指示。2020年3月，全部“准备解除避难指示区域”及“限制居住区域”都已解除避难指示，但“返回困难区域”除了一部分以外仍然保持避难指示。

截至2021年，废炉工作正在进行中，如果进行顺利，将在2041年到2051年左右完成。

2021年4月13日，日本政府正式决定将约120万吨正在接受国际原子能机构的安全标准检查的核处理水稀释后排入大海。

2023年8月24日，日本政府于日本时间下午1时开始排放核污染水。

事故经过

各反应堆的配置图

（基于日本国土交通省之国土画像情报（彩色航拍）制作。摄于1975年，当时3-6号机在建设中）

6号机在靠近相马市的一边

4号机在靠近磐城市的一边

地震与海啸造成的电源丧失

日本近海的牡鹿半岛在2011年3月11日14时46分发生了东北地方太平洋地震。福岛第一核电站所在的大熊町的震度为6级，记录到的最大加速度为550伽，是福岛第一核电站最大加速度设计基准的126%。超出设计基准的地震导致核电站部分受损。作为参考，与其他地震相比，阪神大地震中测得的最大加速度为818伽。截至事故发生为止，世界最大加速度的地震是载入吉尼斯世界纪录中的2008年6月14日岩手宫城内陆地震（4022伽）。

正在运行的1-3号机在地震时立刻自动插入控制棒以进行紧急停机。核电站供电系统的六个输电塔中有一个在地震中倒塌，致使5-6号机失去外部电源。随后，1-4号机由于断线、短路以及设备故障等原因同样失去了外部电源[7]。停电的厂房内又有的地方大量漏水，工作人员只得紧急撤离。

失去了外部电源后，一段时间内成功启动了紧急电源柴油发电机。但是地震发生后41分钟的15时27分，从太平洋打来了第一波巨大的海啸，之后又数次袭击核电站。海啸越过防波堤，严重损坏核电站内的各种设备，并淹没了地下室、竖井。设置在地下室的1-6号机的紧急电源同样遭到淹没[35]。海水循环冷却泵及燃料箱也被冲走了。

结果，1、2、4号机失去了所有电源，3、5号机失去了交流电源，导致堆芯应急冷却系统（ECCS）和冷却水循环泵无法运行。此外，海啸还破坏了海水冷却系统（RHR）。

由于堆芯停止反应后，核燃料棒在很长一段时间内仍会继续产生衰变热，如果长时间缺乏冷却，就会发生过热，令堆芯温度就会持续升高。堆芯内的冷却水汽化后，水位会持续下降，同时蒸汽会导致压力容器和安全壳中的压力升高。最终，燃料颗粒包壳管（锆合金材料）熔化，与水发生化学反应而产生大量氢气。除非采取有效措施，否则即使反应堆已经停止反应，仍然有可能在数十小时内爆炸。为了防止这种情况，需要通过使安全壳内的蒸气向外部释放（排气泄压）来降低安全壳内的压力。但是，排气本身会释放放射性物质，所以这是作为避免最坏情况的最终手段。通常的泄压方式称为湿式排气（也被称为PCV排气），其中安全壳中的蒸汽排出前会经过压力抑制室中储存的水，以除去大部分放射性物质，然后才释放到外界环境中。而干式排气将蒸汽直接释放到外界，会比湿式排气释放更多的放射性物质。

由于停电，反应堆的冷却功能失效，而且指示反应堆状态的各种仪表也无法运作，再加上停电的核电站内缺少照明和通讯功能，使得处理事故极为困难。遭到海啸袭击的核电站现场还有大量砖瓦碎片、杂乱的车辆和油罐等，阻碍了救灾物资和车辆的运输。持续的海啸警报和反复发生的余震也经常迫使现场人员中断工作。

最终，最早停止注水的1号机于事故发生第二天即发生堆芯熔毁、导致氢气爆炸；而因为堆芯隔离冷却系统（RCIC）、高压注水系统（HPCI）及其蒸汽涡轮驱动的注水装置在失去交流电源后还能运行，2号机由蒸汽涡轮驱动的堆芯隔离冷却系统于事故后继续向堆芯中注水3天；而3号机组则印还残有直流电源的而继续向堆芯注水了2天。

但是，由于停电时间超过了核电站设计时假设的最长停电时间8小时，因此紧急电源也耗尽了，而地震和海啸造成的交通壅塞导致电源车延误，再加上抵达现场的62辆电源车中只有一辆与反应堆电压相匹配，使得电源车的输出不足；同时，虽然地震发生后的第二天搭建了临时电缆以取代在核电站在海啸中被淹没的唯一的电力接收装置，但接通后仅6分钟后就在1号机的氢气爆炸中炸毁，以及日本自卫队和驻日美军的发电车由于重量过大而无法通过直升机空运，在一系列因素的影响下停电时间被大大延长了。

1号机事故后续发展

1号机（位于37°25′22.7″N 141°1′58.7″E）在3月11日14时46分地震发生后，在14时52分自动启动了用于冷却堆芯的隔离冷凝器。但是，隔离冷凝器随后被切换到了手动操作，并反复启动和停止。现场人员称这是为了避免压力下降过快导致堆芯破损。海啸于15时半左右袭击了核电站，并在15时50分淹没了紧急电池，使隔离冷凝器无法工作，仪表、电动阀门也同时失去了电源。东京电力在17时出动了电源车，但由于地震和海啸造成堵车而在路上无法前进，18时20分向东北电力请求帮助后，电源车到达时已是22时，而这时又遇到了海啸袭击和电源电压不一致的问题，结果到了第二天的3月12日15时为止也没有连接上电源。

另一方面，11日19时30分1号机的燃料棒由于冷却水蒸发引起的水位下降而完全暴露在空气中，开始了堆芯熔毁。20时50分启动的柴油驱动泵也在第二天的12日1时48分停止运行[44]。所有燃料棒在第二天12日6时左右时融毁。综上所述，1号机在地震发生后5小时内燃料暴露，15小时内堆芯熔毁。

11日从傍晚至夜间，隔离冷凝器一直处于停止工作的状态，但东京电力误以为隔离冷凝器还在继续注水（参见后文）。11时23分左右，检测到1号机堆芯压力异常上升，安全壳的压力达到了设计强度的1.5倍。因此，3月12日0时6分左右，厂长吉田昌郎下达了准备实施排气泄压的指示。

3月12日，经济产业大臣海江田万里在了解了各种风险（如放射性物质向大气中大量泄漏，或者用于防止氢气爆炸的氮气泄漏）后，下达了实施排气泄压的命令。内阁总理大臣菅直人也在视察核电站时指示尽快进行排气泄压工作。但是，由于操作手册本身具有缺陷，再加上厂房内存在极强的辐射，泄压进行得十分艰难。最终，在14时30分确认泄压成功了 。

1小时后的3月12日15时36分，1号机组反应堆厂房发生氢气爆炸。爆炸的瞬间被富冈中继局（位于37°17′14.7″N 140°57′4.9″E）的公共摄影机所捕捉，该摄影机自2000年被福岛中央电视台设置在核电站旁约17公里处[53][54][55]。影片中的1号机爆炸发生时没有可见的火焰，爆炸后有白烟在地面上扩散开来。氢气爆炸的原因有多种说法，如破损的堆芯向反应堆厂房内充满氢气；或进行泄压操作时含有大量氢气的蒸汽流入反应堆厂房的操作室。

3月12日15时40分，福岛中央电视台拍摄的影片仅在福岛县当地播出。1小时10分钟后的16时50分于日本新闻网在全国网络播出。总理官邸通过这个影片了解了实时情况。尽管这个影片目前已在全球传开，但发生当日在日本国内播出的电视台只有日本新闻网。

氢气爆炸中飞出的碎片不仅造成了人员受伤，而且还使得2号机水泵电缆铺设作业功亏一篑。另外，爆炸时喷出的气体使2号机的脱落板脱落，反应堆厂房内部暴露在外。

3号机事故后续发展

日本自卫队向3号机注水

3月12日11时36分，3号机的紧急电池仍有电，但是堆芯隔离冷却系统（RCIC）出现问题，导致注水停止。一小时之后的12时36分，高压注水系统（HPCI）检测到RCIC异常停止而接替RCIC，并持续工作约14小时。但是高压注水不能一直持续下去，于是RCIC于13日2时42分被手动停止。然而，如果要切换到柴油驱动的消防泵，就必须打开主蒸汽泄压安全阀（SR阀）以降低堆芯压力。但是SR阀又无法打开，因此注水中断了大约7小时。

结果，在3月12日4时15分，堆芯开始暴露在空气中。8时41分，成功进行了排气泄压操作。1小时后，由消防车提供水源，成功通过柴油驱动的消防泵进行了注水。但是，水源于12时20分用尽。13时12分换用海水继续注水，但由于水位不足，顶部的燃料棒仍然暴露在空气中。2014年8月6日东京电力发表的重新分析结果中称，3号机的堆芯熔毁从3月13日上午5时半左右开始。3月14日7时左右，大部分燃料已穿过压力容器底部而落入安全壳。

3月14日11时1分，反应堆厂房的操作台上方，发生了与1号机组一样的氢气爆炸。乏燃料池附近立刻燃起了大火，黑烟滚滚上升。大量的砖瓦被抛向数百米高空，造成7人受伤，抢险作业也遭中断。其后数日内，3号机组厂房上经常能看到黑烟。储存废弃核燃料的乏燃料池被推测已经沸腾，因此自3月17日开始，自卫队的直升机和消防车开始向燃料池注水。3号机厂房氢气爆炸时炸断了通向排气筒的排气管，因而大量放射性物质通过管道泄漏到厂房周围。在氢气爆炸后的影像中确认了排气管破裂的样子。

2号机事故后续发展

停电前2分钟的11日15时39分，堆芯隔离冷却系统（RCIC）被手动启动，并继续维持了3天。启动RCIC时必须要有直流电源，如果在停电前未能成功启动RCIC，极有可能导致堆芯失去其全部冷却能力，并立刻造成堆芯损坏。

RCIC注水于14日13时25分停止。19时过后，安全壳干井压力开始上升，21时左右发现压力容器和安全壳的压力基本相同，由此可以推断压力容器已经破损。虽然考虑了2号机也会产生氢气的情况，但实际上由于1号机爆炸中2号机的脱落板脱落，氢气从开口释放到外部，最终没有发生氢气爆炸。东京电力尝试进行湿式排气与干式排气，但均以失败告终。考虑到这次压力容器的破坏可能要比之前的大出几个数量级，东京电力向政府申请从核电站撤离以确保工作人员的安全，但该申请被认为具有“全面撤退”的意味而遭到拒绝（详请参照后文） 。安全壳的压力在600-700kPa的高压下（约设计强度的1.5倍）保持了至少7小时。

15日6时14分左右，突然传来了巨大的爆炸声，同时压力抑制室的压力计的数值骤降到0[65]。考虑到压力抑制室可能已经破损，工作人员从核电站撤离，现场只留下了最少数量的必要人员。但是，最后发现其实只是压力计故障，而爆炸声后来发现是同时间段的4号机氢气爆炸[67]，根据东京电力对地震仪解析得出的结论，爆炸声发生的正确时间是6时12分，位置来自4号机，而这一时间段发生的爆炸声只有这一个。但也有人认为此时2号机压力抑制室实际上已经损坏。

15日7时25分，检查员发现安全壳内仍然保持在730kPa的高压，但11时25分检查员返回核电站后再次确认发现压力低至155kPa，由此推断安全壳破损发生于这段时间。15日，从2号机泄漏的放射性物质是整起事故中最多的，这是因为1号和3号机都成功进行了排气泄压，但只有2号机泄压失败，导致放射性物质直接从安全壳泄漏。但是，还没有达到吉田所长所担心的“决定性的破坏”，回避了最严重的情况。这一天泄漏的大量放射性物质最初被南风吹向关东地方，后来风向变为西北，傍晚随雨落入土壤，形成了沿核电站西北方向延伸的带状高浓度污染区域。

4号机事故后续发展

15日6时14分左右，突然传来一声巨大的爆炸声，并伴有强烈的震动，紧接着发现4号机反应堆厂房出现了破损。虽然可以推测4号机反应堆厂房也发生了氢气爆炸，但却不像1号与3号机一样留下了爆炸时的影像。4号机处于定期检查中，因此堆芯没有装载核燃料，但由于3号机与4号机共用一个排气筒，因此推测3号机泄漏的氢气通过连接排气筒的管道进入4号机，从而发生了爆炸。由于当时厂房失去了电源，切换阀门的动作停止，氢气才得以从3号机泄漏入4号机。像1、2、3、4号机这样相邻的反应堆厂房之间共用排气筒的设计也被指出存在问题。氢气爆炸导致4号机的乏燃料池暴露在外，人们担心乏燃料失去冷却水而过热，但实际上冷却水还剩余很多，乏燃料仍淹没在水下。15日9时38分确认厂房内发生了火灾，不过11时火势已自然熄灭。16日5时45分左右再次出现火情，6时15分又发现火势熄灭。然而，由于旁边的3号机附近辐射量极高，无法前往现场进行确认。

5-6号机事故后续发展

5-6号机所处的位置比1-4号机高，因此海啸造成的影响更小。只有一台设置在6号机高处的柴油发电机没有在海啸中损坏而一直正常工作，这台发电机在后来被5号和6号两个机组轮流使用，避免了全厂停电，从而保证了核燃料的冷却。1-4号机所处的位置原是海拔35米的丘陵，后来在修建核电站时被铲平为接近基岩的海拔10米，因此紧急电源也设置在地下一层。5-6号机的海拔高度为13米，而福岛第二核电站的海拔高度为12米。海拔高度的差异与海啸损害的程度直接相关。在现场，从比较高的5号机附近的场地拍摄了核电站周围逐渐被海浪覆盖的样子。

事故后各反应堆状态

主条目：福岛第一核电站事故设备损害状况列表和福岛第一核电站事故设备损害状况

2015年，使用缈子对反应堆内部进行透视，结果发现1号机的核燃料全部融毁并落入了压力容器底部，同时也有一部分从压力容器底部漏到安全壳底部。2号机的燃料中有七成以上融化后落入容器底部，2016年7月调查发现落下的核燃料大都在压力容器的底部。另根据2014年东电的分析，3号机大部分的核燃料都穿过了压力容器的底部而落入安全壳。

2011年5月24日，东京电力发文称，根据测得的压力数据，在1号机安全壳发现有直径7厘米的孔，2号机的安全壳则有两个直径10厘米的孔。这说明事故可能不仅是堆芯熔毁，还可能进一步造成了堆芯熔穿。

5月26日，东京电力发文称，5月20日测量显示1-3号机每个机组都产生1000kW-2000kW的衰变热，地震之后半年内一直保持在1000kW左右。铀燃料熔化了包壳，仍在继续从压力容器、安全壳以及管道的破洞、2号机压力抑制水池的破洞中向外部环境中泄漏放射性物质。3号机堆芯使用的燃料是混合氧化物制成的MOX燃料，除了铀以外还含有钚，因此其对大气、海水和地下水的泄漏被尤为关注。

2019年2月13日，东京电力使用机器人进行了一次调查，以确认2号机中沉积物的硬度，这些沉积物被认为是熔毁的核燃料。这次调查是对堆芯熔毁的1-3号机进行的首次接触调查。根据策略，调查结果将用于帮助确定核燃料取出的计划。计划中，取样调查将在2020年下半年进行。核燃料的取出预计将于2022年正式开始。

初期作业

善后工作的目的是将反应堆保持在低温停止状态，具体措施是通过水泵车或架设临时水泵，将冷却水注入堆芯与乏燃料池后再进行排水。初期水源直接使用海水，后来改用福岛县双叶郡大熊町的水坝贮藏的淡水。7月上旬，虽然该工作尚未完成，但已从一直以来单纯的注水排水转为了冷却水循环（使用阿海珐和Kurion除污设备进行）。8月，东芝等公司开发的SARRY更进一步加强了处理能力。此后一直在努力解决相关问题。

现场的工作人员和技术人员在苛刻的条件下进行着事故善后工作。而由于初期共有50位人员进行善后，他们因此被赞誉为“福岛50死士”。

修理汽轮机厂房前必须排出污染水，因此堆芯注水工作、汽轮机排水工作与使用机器人进行的调查工作同时进行[87][88][86]。反应堆厂房内有极高的辐射，现场人员无法进入，管道故障状况的调查与故障维修变得难以进行。并且由于很多仪表及电气系统都发生了故障，现场人员无法把握反应堆的详细信息。为了帮助现场人员分析情况，使用了“核灾害用机器人”进行调查与信息收集工作。

4月17日，东京电力发布了从2011年10月开始到2012年1月为止的善后工程表，将堆芯低温停止分为了2个步骤[89]。进行的顺序主要是：

使用遥控设备严格监控工作人员的辐射剂量和健康状况，预防放射综合症等疾病。为了让工作人员可以进入厂房，并且防止污染向周围环境中泄漏，确保将厂房内含有放射性物质的水转移到可以安全保管的地方。日后再进行净化。为了让工作人员可以进入厂房，过滤厂房中的空气以降低辐射量。工作人员进入厂房后先修理水位计和压力计，以更准确地掌握情况。然后，根据掌握的情况选择对应合适的冷却方式。在这过程中，为了避免压力降低空气流入而发生氢气爆炸，需要继续注入氮气。加固4号机乏燃料池底部。尽快建立基于空气冷却的冷却水循环系统，达到低温停止状态。

为了减少妨碍工作的辐射，同时减少空气污染，进行了以下措施：

在现场喷洒飞散防止剂（树脂乳液）。用遥控工程车清理被污染的砖瓦碎片。用特殊覆盖物覆盖住反应堆厂房。

2011年12月16日，日本政府称反应堆已达到了低温停止状态，宣布“核电站的事故已经结束了”。福岛县知事对此表示反对。

2013年3月18日，1、3、4号机与共用乏燃料池突然停电，暂时失去冷却循环能力。20日清晨修复了配电箱并恢复了冷却能力。