核危

原文作者為清大工科系 (前身為核工系) 之教授
清大核工所碩士、美國MIT理工學院博士

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[轉貼] 清大李教授針對日本福島核電廠事故說明與評析


日本福島核電廠事故說明與評析
清大工程與系統科學系
李    敏
2010/3/14

3 月 11  日芮氏地震儀規模 9.0 級的強震襲擊日本,造成東京電力株式會社的福島核能電廠發生輻射外釋的嚴重事故,引起全世界的關注。截至目前為止,事故還在持續演變中,以下簡單介紹福島電廠、說明核電廠的安全設計、嘗試交代事情發生的始末、並談談該事件對台灣未來能源政策的影響。

福島電廠

日本東京電力株式會社是全日本最大,全球第四大的電力公司,擁有福島一廠、福島二廠、與柏琦刈羽電廠三座核能電廠。福島一、二廠分別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第三型  (BWR 3)、二~五號機為沸水式反應器第四型(BWR 4)、六號機為沸水式反應器第五型  (BWR  5);福島二廠四部機組全為沸水式反應器第五型。基本上,這三型沸水式反應器的設計非常類似,而第四型與第五型可以視為標準化的機組。台灣核能一廠所採用的機型亦為沸水式反應器第四型,商轉時間亦與福島一廠的三~五號機非常接近。

核電廠安全設計

核電廠的安全顧慮來自惠釋出輻射線的放射性物質。安全設計上採用多重的屏障將放射性物質層層包覆,這些屏障包括燃料丸、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,放射性物質及不會大量釋放到外界環境,造成對民眾與環境的傷害。三浬島事故中,反應器爐心已經熔毀,也就是前三項屏障均已喪失功能,但圍阻體保持完整,成功的防止了放上性物質的外釋。圍阻體的設計與事故中完整性的確保,是核電營運的重大議題。福島一廠一~  五號機的圍阻體設計為所謂的馬克一型 (Mark I),與台電的核一廠類似。六號機的圍阻體為馬克二型  (Mark II)。

放射性物質會持續釋出輻射,而輻射為能量的一種形式,核電廠安全最大的挑戰為,必須持續不斷的將燃料丸中放射性物質釋出之衰變熱移除。事故發生後,正常系統無法使用時,須使用多重與多樣之備用安全系統將冷卻水注入壓力槽,把熱自系統移除。由於目前的核反應器的備用安全系統大都需要交流電為動力,故交流電源的可靠度為重要的考量,一般核電廠交流電的來源包括廠外電源、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抬柴油發電機與氣渦輪發電機  (Gas Turbine)。沸水式反應器設有一套由蒸汽驅動的安全系統-爐心隔離冷卻系統  (Reactor Core Isolation Cooling System, RCIC),可由  Refueling Water Storage Tank (或稱為Condensate Water Storage Tank)  或  抑壓池取水注入爐心,RCIC 的動力來自壓力槽的蒸汽,驅動汽機,帶動泵,故不需要交流電,唯須要值流電才能運轉。蒸汽經汽機後,進入位於圍阻體溼井的抑壓池,抑壓池再透過餘熱移除系統  (Residue Heat  Removal  System,  RHR)  的抑壓池冷卻運轉模式 (Suppression  Pool  Cooling Mode),將能量透過熱交換器,交給廠用海水系統  (此系統名稱待確認!)。RCIC 運轉只能將衰變熱自壓力槽移出至圍阻體,若 RHR 故障或喪失交流電源,熱無法自圍阻體移除,(此類型事故稱為  Loss of Long Term Heat Removal)  圍阻體壓力會持續上升。

反應器正常運轉所使用的系統、備用的安全系統與電力系統的賴震能力需要超過『安全停機設計基準地震』,核電廠設計基準地震的大小與電廠的位置與地質結構有關,是以重力加速度來表示;在一定範圍內是若有有活動斷層,是不准建核電廠的;此外仍需調查在較大範圍內活動斷層的活動記錄,再依理論計算該廠址的設計基準地震值的大小。2007  年日本阪神地震超過東電柏琦刈羽核電廠的設計基準地震,故電廠七部機組全部停止商轉,加強設備的賴震能力,目前已有四部機組回復運轉。

為確保運轉人員在事故發生時,能夠採取正確的措施,核電廠有運轉員必須嚴格遵循的『警急操作程序書  (Emergency Operating Procedure, EOP)  』,逐步將機組帶回穩定狀態;若事故的演變超過設計基準,運轉員要在應變組織的協助下,依『嚴重事故處理導則  (Severe Accident Management Guidance, SAMG)』,採取非傳統的措施,避免燃料部為冷卻水覆蓋、維持圍阻體的功能;以上非傳統措施包括引進海水進行冷卻,而如何引進海水與引進的時機在『嚴重事故處理導則』均有描述。『警急操作程序書』與『嚴重事故處理導則』的遵循與了解,為電廠運轉人員與應變組織成員的訓練重點。

若電廠的應變組織依程序書判定事故會持續惡化,圍阻體有喪失功能的可能,或者電廠已有放射性物質外釋,就會通知地方與中央政府,依規定與規劃進行廠外的緊急應變。以上所述為所有使用核能的國家的標準做法,為核電廠安全的一部分。

福島電廠事故

根據美洲核能學會所提供的簡單說明,事故(應該是一廠一號機的)發生的大概情形為:地震發生後,控制棒成功插入爐心,核分裂連鎖反應停止;海嘯將輸配電系統沖毀,造成廠外電源喪失(Loss of Offsite Power) (也許強震時即已喪失);緊急柴油發電機成功啟動供電,緊急安全系統開始運作;柴油發電機供電一小時後停止運轉(Station  Blackout),原因為海嘯造成柴油發電機燃料供應系統的故障,緊急安全系統因沒有交流電而無法運作;反應器可能發生小破口冷卻水流失事故(Small Break Loss of Coolant Accident),造成冷卻水的流失;此時仍可利用氣機帶動(不需交流電力即可運轉)的『爐心隔離冷卻系統』  ,將熱導入圍阻體;約8小時候,直流電耗盡後,控制閥無法動作,『爐心隔離冷卻系統』  喪失功能;在無法補水的狀況下,爐心水位降低,造成爐心裸露,燃料棒護套溫度上升,鋯合金材質的護套迅速氧化(Metal Water Reaction),產生大量氫氣,燃料棒內揮發性較高之分裂產物(碘、銫與惰性氣體)自破裂的燃料棒釋出,進入圍阻體;為防止氫氣爆炸的發生,正常運轉時,馬克一號(Mark  I)圍阻體會充氮,故圍阻體內無氫爆的可能;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,運轉員依『嚴重事故處理導則』進行圍阻體排放措施  (Containment Venting),透過間歇式的排放洩壓,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質進入反應器廠房,沸水式反應器的圍阻體位於反應器該廠房內,電廠運轉時廠房維持負壓;氫氣進入圍阻體廠房後,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,會造成廠房的上部解體,但不會傷到圍阻體,這是為什麼網路照片顯示,建築物上半部於爆炸後消失,只剩下鋼筋,但下半部仍然完好;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已進入外界環境;但圍阻體的功能未喪失,可以防止放射性物質持續而大量的外釋。

      福島電廠的人員應該還在持續努力將燃料維持在可冷卻的狀態,截至目前為止,尚未到有圍阻體喪失功能的報導。

事故釋出的放射性物質對台灣的影響

福島電廠事故釋出的放射性物質會隨著空氣的流動,在大氣中擴散;隨著距離的拉遠,濃度會逐漸稀釋。若目前的風向為自日本吹向台灣,以目前核種偵測能力,我們一定可以找到事故釋出的核種,但從劑量的角度來看,其影響將會為不足道。地球本來就具有背景輻射,背景輻射的強弱受到許多因素的影響,隨時會改變。日本福島電廠事故釋出的輻射所造成的劑量,應在背景輻射強度的變動範圍內。

事故評析

此次事故所產生的氫氣量已足以引起爆炸,可以推測爐心熔毀的程度應該蠻大的,但爐心是否已經完全的熔毀,壓力槽是否已經失效,造成融熔爐渣進入圍阻體,還沒有足夠的訊息可以判定。此事故與1979  年的三里島事故類似,三浬島事故中,圍阻體維持功能,故未造成大量放射線物質的外釋;此次日本的事故,尚未聽到圍阻體喪失完整性的報導或推測。故相信其影響程度應與三里島事故類似,截至目前為止,尚沒有人可以證明,有任何人因三浬島事件外釋的放射性物質受到傷害。由於日本的電廠是輕水式反應器,與車落比的石墨水冷反應器的物理性質完全不同,故此次事故影響的程度,絕對不能與車落比災變的影響程度與範圍來類比。輕水式反應器電廠爐心熔損事故的發生,並不代表會有毀滅性的災難發生。

用核能工業界的術語,福島核能電廠所發生的事故稱為嚴重事故,它確實已超出電廠『設計基準事故』的範疇,但絕不是超出想像的事故;在規劃電廠安全措施時,在計算核電廠風險時,在執行電廠人員訓練時,這類型的事故都被討論過。

根據網站上的資料,地震發生前,福島一廠一~三號機正常運轉,四~六號機停機大修中。媒體報導一~三號機陸續發生狀況,可能是地震或海嘯造成了所謂的共因失效,影響了安全系統的正常運轉。

大家或許認為核電廠也太脆弱了,但這麼嚴重的天災,週邊設施無一倖免,一個運轉 30 年的電廠,能屹立不搖,未造成民眾的傷亡,證明了核電廠安全設計考慮的周詳。媒體沒有大幅報導的是化工廠與煉油廠的大火,那些火災所造成汙染化學物質的排放,對環境的影響,絕對超過福島核電廠所釋出的放射性物質。

類似事故會在台灣發生嗎?我們準備好了嗎?

目前不了解此次地震對電廠的衝擊,是否超過該電廠的『安全停機設計基準地震』,也不了解電廠設備的損害是地震還是海嘯造成的,故無法類比。台灣三座核電廠均將海嘯列為設計基準的一部分,可以承受 10 米以上的海嘯。但是如果台灣核電廠附近發生超過電廠防震設計基準的地震時,類似事件發生的可能性應該很低,但是無法排除!台灣每座核電廠每年都有進行緊急事故應變演習。事故發生後政府的應變措施完全依照政府相關法律與電廠及原能會的程序書,中央政府每年也都會演練場外緊急應變措施,也就是所謂的核安演習。大家在電視上看到日本人所執行的工作,我們都有專門的機構成員在負責,使用的儀器設備也都有配置。

從風險的角度看核能發電的使用

風險得描述包括三要素:事件本身、發生的機率、與發生後所造成的影響。

核工業界與法國、韓國、中國大陸、日本、與數個歐盟先進國家的決策者,不是不知道使用核能發電,要承受類似輻導核電廠事故的風險,但是為什麼還是將核能發電列為能源的選項! 核能發電燃料體積小重量輕,運輸貯存方便,1 公斤鈾在反應器內釋出的能量相當於  2 萬 2000 公斤的煤、1 萬 5000  公斤的石油、1 萬 4000  公斤的液化天然氣。核能電廠每 18 個月換一次燃料,通常會儲存下一燃料週期使用之燃料,故安全存量最少為 18 個月,最長為 36 個月。使用核能發電可以避免能源供應的風險;台灣是個海島,超過 99%能源依賴進口,如何確保能源供應的安全是政府必須面對的議題。

燃煤、燃氣、核能等各類發電方式的相對成本與電廠的所在地有關;一般說來,除了建於礦區旁的化石燃料電廠外,核能發電皆具有競爭力。根據台電公司公佈 2009 年的發電成本,核能的 0.63  元/度(包括預收之 0.17 元/度的後端處理費用)是各種發電方式中成本最低的,但這不是核電受政策制定者青睞最重要或唯一的原因。

核電廠的高建廠成本,使得核能發電燃料成本佔總發電成本比例低(約  16%),故其發電成本穩定,較不易受到國際能源價格波動的影響。電力公司發電系統中維持適當比例之核能,可以維持發電成本的穩定。使用核能發電固然可以避免能源供應與國家能源價格波動的風險,但也必須承受其他風險。核電廠的高建廠成本會使電力公司承擔財務風險,台電龍門電廠就是一個活生生的實例。龍門電廠完工後,其發電成本必定讓人「驚豔」。

核能發電不是靠燃燒發電,故發電時不會排放二氧化碳。但是核能電廠興建會使用大量的鋼材、水泥及其他需要精煉的材料,這些過程會消耗石化能源,也就會產生二氧化碳。核能廢料的處理也將耗費能源與產生二氧化碳。在計算所有能源使用時的二氧化碳排時,應考慮生命周期的二氧化碳排放,因此核能發電單位發電量所排放之二氧化碳不會是 0。國際原子能總署估算各類型發電方法的單位發電量所排放之二氧化碳的結果顯示,核能發電的二氧化碳排放介於每度電 9與 21 公克間,是所有發電方法最低的。風力發電介於每度電 10 與 48 公克間,太陽能光電池介於每度電 100 與 280 公克間。國際上短期內恐怕無法對二氧化碳排放的管制達成共識,但是已開發國家可以要求產品標是所謂的『碳足跡』,也就是產品製造所產生的二氧化碳的量,最初可能是說供消費者參考,到後來可能會設為交易的條件,產品的碳足跡會成為競爭力的一部分。

由風險的角度來看,我們不使用核能發電,須承擔能源危機再度發生時,能源供應與價格飆漲的風險,須承擔『碳足跡』成為競爭力的一部分時,台灣產品喪失競爭力的風險。

有人會說台灣應該全力發展再生能源,但是台灣人口占世界之 0.3%,土地面積僅占世界之 0.06%,而我們的能源消耗為全球之 1%,以單位國土面積耗能來說,台灣排名第一,是美國的 10 倍、日本的近 2 倍、德國的近 3 倍、荷蘭的 1.3倍。土地面積不足是台灣發展再生能源為作為主要能源的最大困難。台灣日照再生能源發電平均每平方公尺不到 1000 瓦;如果在中山高速公路上 面加蓋太陽能光電板,高速公路全長 373 公里,假設平均寬度為 50 公尺,則總面積為 18.67 萬平方公尺,如果太陽能光電池的效率為 17%,意味著單位面積可安裝容量為 170 瓦(2008 年之造價為 4 萬新台幣),則總裝置容量將為 317 萬瓩(僅面板總價即 7568 億),以台灣日照量每瓩太陽能光電池裝置容量每年可以發電 900~1300 度來估計(南北部不同),則總發電量介於 28 億 6000 萬與 41 億 3000萬度間,與核四預估之年發電量 201 億度(假設容量因數為 85%)相比,僅為核四發電量的 14.2~20.5%。

再談談風力發電,截至 2009 年底,台灣共有 182 台風機,總裝置容量為 31.69萬千瓦,98 年總發電量為 8 億 4800 萬度電。換句話說,所有風機的平均容量因數為 30.5%。假如我們將大型風機建在台灣海峽,沿著西部海岸線每 1~2 公里建一台(共 300 台),總共建三排(共 900 台),假設裝的機組是 2009 年功率最高的 4500 千瓦,總裝置容量為 405 萬瓩,總發電量為 108 億 2000 萬度間,為核四發電量的 53.8%。不要忘了,核四的裝機容量僅為台灣電力系統的 6.6%。我們所需要的電力遠超過再生能源所能提供的。

結  語

強震引起知日本福島核電廠事故勢必對核電的世界性復甦帶來衝擊。行政院雖然於 2008 年 6 月 5 日宣布  的「2008  永續能源政策綱領  」中,明確的要 「促進能源多元化,提高低碳能源比重,並將核能作為無碳能源的選項;發電系統中低碳能源佔比由 40 %增加至 2025 年的 55 %以上」,但政府卻迄今毫無實質的作為。對台灣而言,日本的事故將使得原本即曖昧不明之國家能源政策,更加的無所適從。





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留言

  1. 靠腰,我在看核能的東西怎麼會亂連連到你家

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