乌克兰核电站安全运行的经验和挑战

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俄乌冲突已经持续了8个多月，双方在战场上投入了大量常规武器，但实际上乌克兰境内还有一颗巨型的“核弹”处于随时可能爆发的危险边缘，那就是全欧洲都紧张关注的扎波罗热核电站。



【 欧洲最大核电站 】



扎波罗热核电站位于乌克兰东南部扎波罗热州和第聂伯罗彼得洛夫斯克州交界处，第聂伯河下游卡霍夫卡水库南岸，距离基辅550公里，克里米亚约200公里。







借助第聂伯河和顿巴斯地区丰富的水资源和煤炭资源，扎波罗热地区成为整个乌克兰的电力供应中心。核电站以东3公里外还有一座扎波罗热火力发电厂，1977年竣工投产，装机容量365万千瓦，是乌克兰最大的火力发电厂，其320米高的烟囱是乌克兰最高的独立基础建筑物。







> 扎波罗热核电站全景，背后2个高耸的烟囱属于扎波罗热火力发电厂



卡霍夫卡水库是第聂伯河6座梯级水库的最后一座，长达240公里，总库容182亿立方米，1956年兴建卡霍夫卡水电站时蓄水而成，水电站装机容量为35.7万千瓦。







这里也是克里米亚半岛的主要水源地，从新卡霍夫卡引出的第聂伯河水通过北克里米亚运河输送到克里米亚各地直到最东端的刻赤，在2014年乌克兰关闭运河前提供了克里米亚85%的淡水。







卡霍夫卡水库最宽处23公里，在核电站处的宽度为10公里。







> 从乌克兰控制的第聂伯河西岸遥看扎波罗热核电站



扎波罗热核电站始建于1981年，1985年启用时拥有5座核反应堆，1995年增建了第6座。在第聂伯河河堤上建有2座冷却塔①，旁边是一个大型冷却水池②。6座反应堆厂房③一字排开，其后面是乏燃料储存场地④，厂区东南角是培训中心⑤和变电站⑥。







核电站采用的是前苏联国家原子能公司研制、AEM技术公司制造的VVER水-水高能反应堆（水冷水控），它是在核潜艇反应堆的基础上研制的。和美式PWR压水堆相比，VVER反应堆采用卧式蒸汽发生器（美式为立式）、燃料组件为六边形（美式为四边形）、压力容器底部无开口、稳压器容积更大（冷却剂供应量更多）。







> 左侧为VVER-1000的六边形燃料棒，右边为西屋公司压水堆的四边形燃料棒



VVER反应堆采用2.4-4.4％的低浓缩铀燃料棒，完全浸没在15兆帕压力的轻水中，在220-300°C的工作温度下不会沸腾。反应堆中的轻水既是冷却剂也是慢化剂，如果冷却循环失效，水的中子减速作用就会减弱，从而降低反应强度，提高安全性。







> VVER-1000型结构图



第一台VVER-210型原型机于1964年9月30日在新沃罗涅日核电站并网发电，输出功率为210兆瓦。VVER不断改进，历经VVER-440、VVER-1000和VVER-1200，如今已发展到第四代VVER-TOI型，输出功率提高到1300兆瓦（美国西屋公司第三代AP1000型反应堆的输出功率为1110兆瓦），拥有长达72小时的电厂自我维持应急运行时间和更少的固体放射性废物，核心装置能够承受商用飞机撞击、地震和海啸的冲击。VVER-TOI在2019年6月获得了欧洲核电厂安全标准认证，其反应堆压力容器和蒸汽发生器使用寿命从VVER-1000的30年延长到60年。







> VVER-TOI电厂结构



目前全世界有67座VVER各型反应堆在俄罗斯、乌克兰、斯洛伐克、匈牙利、保加利亚、捷克和芬兰等国运转。我国也引进了8座VVER-1000/1200型，用于江苏连云港田湾核电站和辽宁兴城徐大堡核电站3、4号机组。



扎波罗热核电站的VVER-1000是VVER系列中装机数量最大的型号，共有31座，至今没有发生过严重安全事故。VVER-1000/V-320型单台输出功率95万千瓦，扎波罗热核电站总装机容量570万千瓦，位居欧洲第一，世界第十。年发电量293亿度，占乌克兰核电供应的41%，全国总发电量的22.6%（2021年数据），对乌克兰的国民经济发展和人民生活起着举足轻重的作用。



其反应堆设计寿命30年，原本应于2015-2020年到寿。2017年和2021年，3号和5号反应堆分别完成现代化改造，延长了10年寿命，1号、2号和4号反应堆目前为超期服役。



【 乌克兰核电厂 】



前苏联在乌克兰共建成5座核电站。著名的切尔诺贝利核电站是最老的一座，1972年开工，1977年投产，安装的4座RBMK-1000型压力管式轻水冷却、石墨慢化沸水堆属于早期的第二代反应堆，是在军用钚生产性反应堆的基础上开发的，低功率水平下系统不太稳定，而且堆芯外部没有核电厂常用的安全壳结构保护。



1986年4月26日，该核电站4号反应堆（1983年才启用）在进行紧急停机后备供电测试时因工作人员操作不当和设计缺陷，在47秒内导致反应堆功率急剧上升超出设计最大功率10倍，堆芯内部蒸汽爆炸将重达2000吨的反应堆上盖炸飞，堆芯直接暴露在大气中。







事后苏联xx以巨大人员和装备代价扑灭了大火，直升机部队舍生忘死地投下5千多吨硼砂为主的灭火材料才中止了反应堆内的核裂变反应。







之后耗时5个月抢修了一座巨型“石棺”将4号反应堆彻底封闭，附近30公里范围内的居民被疏散。这是世界核电史上最严重的核电站事故，对整个欧洲都造成放射性沾染。







> 切尔诺贝利的老石棺，其支撑结构已经不堪重负，2020年被拆除







> 从2010年起在四号机组以西180米的工地上建造了一座更大的新石棺，2016年通过滑轨移动到位覆盖了老石棺，重达2.5万吨的拱形结构是世界上最大的陆地可移动结构







当时RBMK反应堆的自我维持应急运行时间只有短短的一分钟，而日本福岛核电站采用的BWR-3/4反应堆属于更古老的沸水反应堆，安全性更差。不过事后和4号反应堆处于同一主厂房内的3号堆继续安全运行了19年，直到2000年得到欧盟巨额现金补偿后才关闭，前苏联同型的另外11座RBMK反应堆也运行至今，2019年后才逐步退役。事故发生时切尔诺贝利核电站的发电量占到全乌克兰的10%。



切尔诺贝利事件引起全世界对苏联核电安全的顾虑，也促使苏联xx的信息公开更透明化。但苏联的核电发展并未就此停滞，除了切尔诺贝利，苏联解体前乌克兰境内还建成4座核电站，赫梅利尼茨基核电站和罗夫纳核电站位于西北部，南乌克兰核电站和扎波罗热核电站在南方，全部15座均为新一代VVER反应堆，提供了乌克兰55%的电力。另有4座核电站在筹备或开工后因苏联解体而停工冻结，包括哈尔科夫、奥德赛和克里米亚。







【 俄乌冲突中的扎波罗热 】



扎波罗热核电站由乌克兰国家核电公司运营，今年2月份俄乌冲突爆发后即关闭了5号和6号反应堆以降低风险。3月3日半夜有10辆俄军装甲车和2辆坦克接近电战，4日凌晨驻守电站的乌军发射反坦克导弹，双方展开约2个小时的激烈交火。电站东侧的培训中心遭到炮击起火，到早上被扑灭。4号反应堆厂房外墙被一发大口径pd击穿，6号反应堆的一个变压器也被弹片击中，不过反应堆和关键设施都没遭到损伤。







> 被炮火命中的培训中心



4日上午俄军在确认辐射水平没有升高后占领了该电厂，双方军队隔河对峙。乌克兰能源部和国际原子能机构也证实了这个消息，核电站的2号和4号反应堆正常运作，应急关闭2座反应堆损失了130万千瓦的发电能力，由扎波罗热火力发电厂启动9台发电机组提供补充，后者也已经被俄军控制。



3月12日俄方通知核电站管理层，该电站已经归属于俄罗斯国家核电公司，它继续由乌克兰员工操作并向国际原子能机构提供远程监测数据。







7月5日，华尔街日报报道俄军在核电站范围内部署了龙卷风多管火箭炮等重型武器。7月19日，3架乌克兰无人机袭击了俄军设施并造成伤亡。



8月3日，国际原子能机构总干事格罗西（资深防扩散和裁军领域专家，阿根廷人）对扎波罗热核电站的物理完整性、是否正在进行所有必要的维护以及核材料的安全表示严重关切，并计划派出工作组实地检查核电站。乌克兰国家核电公司反对这样的检查，认为这样会使俄罗斯的占领合法化。俄罗斯官员则主动邀请国际原子能机构访问，以展示俄方在乌克兰攻击核设施时是如何进行守卫的。



8月5日，电厂750千伏变电站被pd击中，3台变压器停机，3座运行中的反应堆中有一座因触发应急保护系统脱离电网。



8月8日，乌克兰当局宣称俄军pd摧毁了3个辐射传感器，总统泽连斯基谴责俄罗斯在实施“核恐怖主义”。顿涅斯克地方xx则指责是乌军多管火箭炮击伤了电厂行政大楼和核燃料储存设施附近的区域。



联合国秘书长古特雷斯指出：“任何对核电站的攻击都是自杀行为”，呼吁双方允许国际原子能机构的检查人员进入核电厂。乌克兰国家核电公司希望能在核电厂周围建立一个非军事，由国际维护部队驻守。第二天，该公司领导宣称俄罗斯计划将扎波罗热核电站从乌克兰电网中断开，接入俄罗斯电网。







> 6号反应堆厂房被击碎的玻璃



8月11日，俄罗斯在联合国安理会发起会议讨论扎波罗热核电站局势，俄乌双方各执一词。格罗西表示情况“非常令人担忧”，但核安全并未受到直接威胁。当天核电厂再次遭到数次炮击，弹着点接近乏燃料存储场。



自军事冲突爆发以来，扎波罗热核电站4条750千伏输电线只剩下通往第聂伯罗夫斯卡变电站的一条未遭破坏。8月25日，扎波罗热火力发电厂的煤灰堆遭到炮击起火，从上方通过的那最后一条输电线受到干扰被切断。核电站及当时正在运行的2座反应堆自1985年启用以来第一次和乌克兰国家电网断开连接，幸好一条330千伏的输入电线仍然畅通，核电厂无需启动柴油发电机提供冷却动力。第二天输电线接通后5号、6号反应堆先后重新启动，恢复向乌克兰电网供电。







> 从扎波罗热火力发电厂的烟囱旁望向远处的扎波罗热核电站



8月18日联合国秘书长古特雷斯亲自前往乌克兰调停，再次提出把扎波罗热核电站划定为非军事区，以避免引发核灾难。但俄罗斯方面表示乌克兰多次组织挑衅且无力控制民族主义团伙，非军事区的提议不可行，带来的安全漏洞将使核电站更加脆弱。







> 8月24日的卫星照片，核电站南侧多处起火



9月1日，国际原子能机构专家团在格罗西总干事的带领下从乌克兰方向越过战线抵达核电厂展开检查。在第一个俄军检查站专家团就被拦下，因为当时附近有炮击。俄方指控当天早上6点有60名乌克兰特种部队士兵试图渡河占领核电站。



格罗西在检查完核电站后声称工厂的物理完整性遭到多次破坏，“核安全的每一项原则都被违反了”。第二天俄方宣布允许国际原子能机构检查人员永久性进驻，泽连斯基则批评国际原子能机构没有呼吁将核电站非军事化。







> 格罗西在现场检查



格罗西返回维也纳后在机场举行了新闻发布会，汇报称他们检查了事先提出要看的所有区域，核电厂的乌克兰员工以令人钦佩的方式和俄罗斯核专家一起工作。2座反应堆正在运行，该地区的军事行动正在升级。国际原子能机构留下了6名检察员，其中2人将承担永久性检测任务。他们的存在能起到稳定作用，但无法停止战争或将核电站归还乌克兰。乌克兰国家核电公司回应国际原子能机构检察员受到了俄罗斯方面的操纵和欺骗。







> 格罗西在新闻发布会上说明扎波罗热核电站7个方面的状态



9月6日，国际原子能机构发表了关于乌克兰核设施的正式报告，记录了设施损坏情况，包括一个装有固体放射性废物的储存设施和xx报警系统所在的建筑。建议交战双方立即停止向核电站炮击，在周边建立一个核安全保护区，报告没有确认炮击的来源。俄军在核电站设施附近部署了军用器材，并禁止乌克兰员工未经允许进入特定的区域。有超过一千名核电站员工三班倒维持工厂的运作（战前的员工编制为1.1万人），他们承受着巨大的压力，这是不可持续的，将导致人为错误增加。输电线路的损坏令人担心，不过核电站配备了20台可运转的应急柴油发电机，暂时没有反应堆冷却方面的威胁。







【 核电站与战争 】



乌克兰危机充分表明当战争和反应堆交织在一起的时候是极端危险的。除了乌克兰，以色列和伊朗、印度和巴基斯坦、朝鲜和韩国等相互敌视的国家都拥有大型核电站或核武器工厂，一旦爆发冲突很可能像“巴比伦行动”中的伊拉克奥斯拉克反应堆那样遭到优先攻击。



更糟糕的是并没有国际公约禁止在战时攻击对方的核电站。唯一相关的全球协议是1977年6月8日通过的《日内瓦公约第一议定书》第56条，保护国际武装冲突受难者的条款中注明禁止攻击核电站。但这一条款模棱两可且没有任何约束力。



历史上对核反应堆的攻击并不罕见，实际上在1981年6月以色列轰炸巴格达奥斯拉克反应堆之前9个月，伊朗就曾经出动4架F-4E轰炸过该设施，但仅仅炸毁了冷却厂房和废物处理设施，并未伤及反应堆本身。这也是世界上首次对核反应堆发动的直接攻击，在此之前唯一的战例要追溯到二战期间英国特种部队奇袭挪威重水工厂了。



在伊朗的空袭失败之后，以色列之所以急于行动就是为了抢在反应堆投入运行之前将其摧毁，在此之后轰炸必将承担放射性物质泄漏的巨大风险。这次惊世骇俗的袭击既摧毁了反应堆，也无形中确立了不攻击已启用核设施的禁忌。







之后的战争中各国基本都遵循了这一不成文的规矩：两伊战争里伊拉克攻击过2座建造中的伊朗核电站；90年代南斯拉夫内战和2020年阿塞拜疆-亚美尼亚冲突中交战各方都曾经考虑过攻击运行中的核电站但最终没有实施；2007年以色列空袭了叙利亚的齐巴核反应堆，也是在它投入运行之前（参见神秘的“开箱行动”和更神秘的“舒特”系统）。



当然也有例外，海湾战争中伊拉克就向以色列的迪莫纳武器反应堆发射了飞毛腿导弹但无一命中。美军的F-16、F-117和F-111F也空袭了伊拉克图瓦萨核研究中心，在该中心的奥斯拉克反应堆被摧毁后这里又新建了2座小型反应堆。这次空袭并没有导致核泄漏，原因是伊拉克已经掩埋了高浓缩铀核燃料。但是政治上的影响要大得多，因为美国的攻击开启了一个危险的先例。



之后伊朗、叙利亚和**D都将袭击以色列迪莫纳反应堆作为战争计划的一部分。以色列则以伊朗布什尔核电站作为对等还击目标，甚至不惜动用核武器。



在乌克兰战场上，开战初期俄罗斯就在北线占领过切尔诺贝利核电站，虽然它早已停产，但仍然储存着数千根乏燃料棒。扎波罗热核电站则是世界上第二座被敌方占领的核电站，而且正在运行，对它如何处置没有先例可依。



到目前为止双方都没有对核电站发动直接攻击，不过围绕核电站打小算盘一直没停过。俄罗斯在厂区附近及内部部署了导弹和火炮等重型武器，针对乌克兰不敢攻击仍为自己供电的核电站这一心理将扎波罗热核电站变为一座单向进攻的桥头堡。







乌克兰投鼠忌器没有投入重火力攻击占领核电站的俄军，但也尝试使用小型无人机定点打击厂区内俄军设施进行报复，并一直以俄军占领核电站威胁整个欧洲安全为由向国际社会施加压力。乌克兰和西方是否会借助核电站工作人员或者网络攻击破坏工厂的运行嫁祸俄罗斯？有消息说俄军已经在核电站冷却水入口处布雷，俄罗斯是否会在战场恶化时故意摧毁核电站实施焦土政策以沾染乌克兰南部？这些都是如同乌克兰战局般难以预料。



【 摧毁核电站的后果 】



都说q炮不长眼，如果核电站遭到攻击会有什么后果呢？现代核反应堆都有非常严格的安全措施，采用气密的双层安全壳结构。外层是钢筋混凝土，用于承受外部飞机坠毁、导弹攻击、化学品爆炸以及地震、洪水、海啸等自然灾害的冲击。内层是钢结构，用于抵御内部事故工况下的超高压力，包容放射性物质，屏蔽辐射。911事件后美国核能管理委员会将“抵御大型商用飞机蓄意撞击”列**邦法规，未来核电站设计必须考虑此类外部超设计基准事故。因此普通pd、导弹即使直接命中反应堆安全壳也很难击穿。



VVER-1200型的外壳侧壁最厚处达到2.2米，内壳厚度1.2米，重量上千吨，整体直径50米，高71.4米，规模极为庞大。基础设计可以承受5.7吨轻型飞机的直接撞击以及持续1秒、压强30千帕（每平方米3吨）的爆炸冲击波。按客户需求在加厚外层安全壳后最高可承受400吨民航机的撞击（已应用于特梅林3、4号机组的设计）。







> 我国田湾核电站1、2号机组的VVER-1000-AES-91型反应堆安全壳



但是如果进攻方决意要摧毁核反应堆，可用的手段并不少。伊朗在最近一次军事演习中就动用16枚弹道导弹和5架自杀式无人机模拟了对以色列迪莫纳反应堆的攻击。弹道导弹的高超音速战斗部、加固的钻地**、甚至是小型核武器还是可以轻而易举穿透安全壳和反应堆压力容器的。



除了反应堆遭到直接打击，核电站还有一个阿喀琉斯之踵，就是脆弱的冷却系统。反应堆运行时需要大量的水进行冷却，VVER-1200型主冷却剂的流量高达8.6万立方米/小时，压力16.2兆帕。无论是摧毁相对脆弱的冷却剂输送系统还是切断冷却泵的供电系统，或者封锁应急柴油发电机的供油，只要反应堆无法得到充分冷却，就会发生堆芯熔毁事故，轻则熔融态的重金属堆芯烧穿反应堆底板跌入地底，像福岛那样污染地下水及河水、海水，重则引发高压蒸汽爆炸炸开安全壳，像切尔诺贝利那样直接将核物质抛入大气层。







2种形式都会对大范围内的生态产生极其严重的影响。核辐射不可见不可闻却无处不在，核泄漏的灾难将是长期性的。切尔诺贝利核电站4号反应堆总共装有190吨二氧化铀燃料和核废料，大约30%都已经扩散到大气中，其中超过一半辐射尘埃落在了乌克兰、白俄罗斯和俄罗斯以外地区，覆盖了欧洲大部，德国和英国分别有44%和34%的国土面积受到辐射物质沾染。20年后的2006年在北威尔士和苏格兰西南部仍有部分农牧场受到放射性指标超标的限制。







> 切尔诺贝利事故沾染范围及强度



联合国、国际原子能机构、世界卫生组织等机构在2005年联合编制的事故报告中指出切尔诺贝利核事故可能造成约5000例甲状腺癌，绿色和平组织估计核事故及长期后遗症造成的总伤亡人数在9万到20万之间。据乌克兰卫生部统计，约有240万乌克兰人（包括42.8万名儿童）受到这次事故的辐射危害。苏联xx为了处理切尔诺贝利事故花费了巨额人力物力，甚至对其经济造成了难以逆转的伤害，这也是导致苏联解体的一个意外因素。



如果扎波罗热核电站发生切尔诺贝利式的爆炸，其后果要严重得多。扎波罗热的装机容量是切尔诺贝利的1.4倍，位置更靠南方，受盛行风和第聂伯河径流的影响，辐射物质通过大气和水体扩散的强度和范围都要超过切尔诺贝利。乌克兰方面警告一旦扎波罗热核电站在战争中发生爆炸，破坏力将达到切尔诺贝利的十倍，人员撤离区域面积预计在3万平方公里（超过2.7万平方公里的克里米亚半岛，切尔诺贝利禁区为3千平方公里），整个扎波罗热地区将不适合人类生存，潜在沾染面积更是高达200万平方公里。







> 切尔诺贝利禁区



当然因为民用反应堆都采用低浓缩铀为燃料，无法达到核裂变的触发条件，所以对核电站的各种攻击都不会引起真正的核爆炸。



【 解决之道 】



扎波罗热核电站就是一颗真正烫手的山芋，呈现出非常诡异的态势。俄罗斯已经占领了核电站大半年，派驻了大量兵力和自己的核专家，但到目前为止这座核电站仍在运行的1到2台反应堆却是在向敌方的乌克兰电网供电。乌克兰没有实力夺回核电站也不敢肆意攻击，还指望着俄罗斯替其维持宝贵的电力供应。这对曾经的亲兄弟如今兵戎相见，拼得你死我活，在核电站的问题上又维持着微妙的平衡。







核电站不同于其它形式的发电设备，即使反应堆停堆工厂关闭，仍要花费2年时间进行冷却，而且一旦关闭将令乌克兰以及乌东地区遭遇能源危机，即将到来的寒冬会很难过。和切尔诺贝利一样，只要核废料不得到彻底处理，扎波罗热核电站就始终是高悬在欧洲头顶的达摩克里斯之剑。



现实中对核电站唯一的保障就是自我克制。1988年印度和巴基斯坦之间达成了一个相互保证不攻击对方核设施的协议，其条款包含了《日内瓦公约第一议定书》所欠缺的一切，明确规定反应堆免受军事轰炸 – “即使这些目标是军事目标，如果此类攻击可能导致释放危险力量并因此给平民造成严重损失，也不得将其作为攻击目标。”世界需要一个禁止攻击核反应堆和相关设施的正式公约，印巴协定在今后可以成为它的范本。