《專家傳真》日本核災 不會像車諾比─從核電廠設計看福島事件

3月11日芮氏地震儀規模9.0的強震襲擊日本，東京電力株式會社的福島核能電廠發生輻射外釋嚴重事故，引起全球關注。截至目前為止，事故還在持續演變中，在此簡單介紹福島電廠、說明核電廠安全設計、嘗試交代事情發生始末、並在後續的文章中推測此事件對台灣未來能源政策影響。【福島電廠】東京電力會社是日本最大，全球第四大電力公司，擁有福島一廠、福島二廠、與柏琦刈羽三座核能電廠。福島一、二廠擁有六部與四部沸水式反應器，總裝置容量為469.6與440萬瓩。福島一廠一號機為沸水式反應器三型、二～五號機為沸水式反應器四型、六號機及福島二廠四部機組為沸水式反應器五型。台灣核能一廠所採用機型為沸水式反應器四型。【核電廠安全設計】核電廠安全顧慮來自會釋出輻射線放射性物質。安全設計採用多重屏障將放射性物質層層包覆，屏障包括燃料丸、燃料棒護套，封閉的冷卻水系統(壓力槽與管線)、與圍阻體。事故中，只要一層屏障能夠發揮功能，放射性物質就不會大量釋放到外界環境。圍阻體設計與事故中完整性的確保，是核電營運重大議題，福島一廠一～五號機圍阻體設計為所謂「馬克一型」，與台電核一廠類似。燃料丸中的放射性物質會持續釋出輻射(衰變熱)，核電廠安全最大挑戰為必須持續不斷移除衰變熱。正常系統無法使用時，可利用「多重與多樣」備用安全系統將冷卻水注入壓力槽，把熱自系統移除。備用安全系統大都需交流電為動力，交流電源可靠度為重要考量，一般核電廠交流電包括廠外電源、每機組兩台緊急柴油發電機；台灣核電廠尚有兩機組共用之第五台柴油發電機與氣渦輪發電機。反應器正常運轉所使用系統、備用安全系統與電力系統耐震能力需要超過「安全停機設計基準地震」，核電廠設計基準地震大小與電廠位置與地質結構有關。在一定範圍內若有活動斷層，是不准建核電廠的。為確保運轉人員在事故發生時，能採取正確措施，核電廠運轉員必須嚴格遵循「緊急操作程序書」，逐步將機組帶回穩定狀態。若事故演變超過設計基準，運轉員要在應變組織協助下，依「嚴重事故處理導則」，採取非傳統措施，避免燃料裸露與維持圍阻體功能。【福島電廠事故】根據美洲核能學會所提供簡單說明，福島一廠一號機發生大概情形為：地震發生後，控制棒成功插入爐心，終止核分裂連鎖反應。海嘯將輸配電系統沖毀，造成廠外電源喪失；緊急柴油發電機成功啟動供電，備用安全系統開始運作；但海嘯造成柴油發電機燃料供應系統故障，柴油發電機供電1小時後停止運轉，緊急安全系統因沒有交流電而無法運作。反應器發生小破口冷卻水流失事故，造成冷卻水流失；此時仍可利用汽機帶動「爐心隔離冷卻系統」，將熱導入圍阻體；約8小時後直流電耗盡，控制閥無法動作，「爐心隔離冷卻系統」喪失功能。在無法補水狀況下，爐心水位降低，造成爐心裸露，燃料棒護套溫度上升，鋯合金材質護套迅速氧化，產生大量氫氣，燃料棒內揮發性較高分裂產物(碘、銫與惰性氣體)自破裂燃料棒釋出，進入圍阻體。正常運轉時，馬克一號圍阻體會充氮，故圍阻體內無氫爆可能；但圍阻體持續接受衰變熱，溫度與壓力持續上升，達到設定值時，運轉員進行圍阻體排放措施，透過間歇式排放洩壓，避免圍阻體因過壓而完全喪失功能。圍阻體排放造成氫氣與放射性物質進入反應器廠房，運轉時廠房維持負壓；氫氣進入反應器廠房後，與氧氣接觸，產生氫爆；反應器廠房設計時，故意將上層結構減弱，若發生廠房內部爆炸，會造成廠房上部解體，但不會傷到圍阻體。反應器廠房上部解體，經由圍阻體排汽釋入反應器廠房的少量輻射物質進入外界環境；但圍阻體功能並未喪失，可有效防止放射性物質持續而大量外釋。截至目前為止，尚未到有圍阻體喪失功能的報導。在此強調，日本核電廠是輕水式反應器，與車諾比石墨水冷反應器的物理性質完全不同，此次事故影響程度，絕對不能與車諾比災變影響程度與範圍來類比。