核反應爐爐心受損：熔毀 APRIL 13, 2016 核能議題 關鍵字 ： 核能安全 我們經常談到、寫到有關設備故障或工作人員的失誤，而增加了核反應爐爐心損毀的機率。而且，許多有關核反應爐爐心損毀的報導，例如過去五年以來，日本福島核一廠的三座核反應爐爐心受損事故。本篇專欄解釋核反應爐爐心是如何過熱而熔毀。 （UCS’s Disaster by Design/ Safety by Intent 20160405） 作者：Dave Lochbaum／核能安全計劃主任 翻譯：Ada Chou 設計的災難 / Disaster by Design 我們經常談到、寫到有關設備故障或工作人員的失誤，而增加了核反應爐爐心損毀的機率。而且，許多有關核反應爐爐心損毀的報導，例如過去五年以來，日本福島核一廠的三座核反應爐爐心受損事故。本篇專欄解釋核反應爐爐心是如何過熱而熔毀。 熔毀是核反應爐爐心受損事故中，最被眾所週知的。下週的專欄將描述ㄧ種較少人知道的核反應爐爐心受損事故。 過去四分之一世紀以來，美國的核反應爐艦隊主要是由兩種核反應爐組成的 - 壓水式反應爐（PWRs）與滾水式反應爐（BWRs）。雖然這兩種核反應爐的設計有許多不同點，但是，那些不同點在核反應爐爐心熔毀時的差異，其實是很小的。 核反應爐爐心在壓水式與滾水式核反應爐中，都是位於像一個藥丸膠囊型狀的反應爐容器的下半部（見圖1與圖2）。給水系統供應反應爐容器內的水源。反應爐容器內的水，被爐心產生的熱能而加熱。壓水式反應爐內的熱水或滾水式反應爐內的蒸氣，流到核反應爐容器外（以推動渦輪機發電）。 (圖1：滾水式反應爐爐心) (圖2：壓水式反應爐爐心) 核反應爐運轉時，爐心經由鈾或鈽裂變，又稱為分裂，而產生熱能。爐心即使在核反應爐關閉後，仍然持續產生熱能。許多裂變後的原子所產生的小原子，是非常不穩定的。 不穩定的裂變副產品，為了尋求穩定的狀態，便釋放出中子（neutrons）、阿爾發顆粒（alpha particles）、貝塔顆粒（beta particles），以及伽馬射線（gamma rays）。ㄧ種叫做衰變熱的熱能，就是這些輻射釋出物所產生的。衰變熱在核反應爐關閉後，都持續產生。所以，即使在核反應爐關閉後，都必須持續以水冷卻核反應爐爐心。 失去冷卻水 / Loss of cooling water 保持爐心冷卻的狀態，可能因為漏水或是水被煮沸蒸發，而妨礙爐心冷卻，使得沒有足夠的冷卻水流過爐心，以除去熱能。因此，裝置了許多緊急應變系統，以確保各種補償水源能夠供應到核反應爐容器內。如果這些系統都失敗了，核反應爐容器內的水位就會下降，直到爐心的頂端都曝露出來。 爐心頂端露出來的初期，尚能被上升的蒸氣適度的冷卻。蒸氣有能力吸收ㄧ些熱能 - 如此一來便能把核反應爐爐心區域的衰變熱能移除。 當水位持續下降，露出水面部份的核反應爐爐心所釋放出來的裂變熱能，可能會超過蒸氣所能吸收的熱量。蒸氣無法帶走的熱能就會把露出水面的核反應爐爐心的區域加熱 - 即金屬棒，及其所包的核燃料芯塊。 美國的核反應爐內的核燃料棒都是用金屬鋯製造的。當核燃料棒的溫度升到華氏1,500 ～ 1,800°F度時（約合攝氏816ºC ～982ºC度，核反應爐全力運轉時約是華氏700°F ，約合攝氏371ºC度），金屬棒之間的化學反應，加上蒸氣加速了熔毀的進程。反應過程中也會產生大量的氫氣。 高升的溫度使得核燃料芯塊與金屬棒擴張。擴張所造成的壓力，可使核燃料棒像氣球一樣的漲起來，並且延伸，導致核燃料棒破裂開來（圖3）。核燃料芯塊並列在核燃料棒裡，有如豌豆莢內的豆子 - 核燃料棒如果有開口，就會把核燃料芯塊與核燃料棒之間空隙的輻射氣體釋放出來。這個現象叫做「間隙釋放」，因為間隙內所充滿的輻射氣體，從燃料棒內被釋放出來了。 (圖3) 當溫度超過核反應爐爐心內的金屬製核燃料棒與其他零件（如控制棒）的熔點時，這些物質就會變成熔融狀態，並且掉落在核反應爐容器的底部。頓氣與高揮發裂變的副產品，如碘、氪、氙和銫，就會隨著爐心受損的狀況而被釋放到核反應爐容器內。 處於陶瓷狀的二氧化鈾燃料芯塊，在高溫時，同樣會熔化。核燃料芯塊熔毀時，會釋放出低揮發裂變的副產品，如鍶。熔融的爐心區域會掉落或凹陷到核反應爐容器的底部。 三哩島2號機組（TMI-2）熔融的爐心內，岩漿似的廢墟，落到核反應爐容器圓頂下的表面，而且開始熔穿了6至7吋的碳鋼。正當熔融的爐心衝破核反應爐容器，並且掉落在圍阻體的地板下時，燒穿便停止了（圖4）。 (圖4) 熔毀的核反應爐爐心破壞了輻射物質與環境間的兩道屏障：核燃料芯塊與核燃料棒。後果就是大量的輻射物質被釋放到核反應爐容器內。爐心內岩漿似的廢墟能破壞核反應爐容器，除去另一道屏障，一如三哩島核電廠事故時幾乎發生的狀況。熔毀過程中，過熱的核反應爐爐心所產生的大量氫氣，可能造成爆炸，導致最後一道屏障的圍阻體受到挑戰，甚至被破壞。 安全企圖 / Safety by Intent 三哩島核電廠事件過了10年以上，才把熔毀的爐心清除（圖5）。工作人員不再從核反應爐容器內搬出核燃料束 - 他們所面對的是一片廢墟。工作人員缺乏清理核反應爐爐心熔毀現場的處理程序、設備與經驗。他們必須自行發展工具與技術以進行清理的工作。福島核電廠三座核反應爐爐心熔毀已經5年了，工作人員至今尚無法確認爐心確切的位置與狀況，更不用說要如何清理廢墟現場了。 (圖5) 約有近30萬磅的爐心廢物自三哩島核電廠移至愛達荷（Idaho）州長期貯存。及時的努力，將阻止未來更多不必要的工作，但是，更好的管理和監督的價值，足以避免將核爐心變成30萬磅的高度輻射廢墟是可計算的。清理三哩島核電廠熔毀的爐心花了超過10億美元。 後記：本篇描述核反應爐爐心熔毀的過程，主要是根據法國核能機構於1998年9月刊出的一篇名為《熔融物質移動到下層空間：現況報告》(Molten Material Relocation into the Lower Plenum: A Status Report)。 文章內容原始資料來源： http://allthingsnuclear.org/dlochbaum/reactor-core-damage-meltdown