2011年3月15日 星期二

日本核電廠事故和電力供應狀況

文章版本: 6    更新日期: 2011/3/28晚
本文為資料蒐集、整理和分析,資料來源主要為網路和新聞(來源很多無法逐一註明),又情況持續發展中,本部落格將採用直接修改文章的方式更新。

目前狀況:

東電福島第一核電廠

依據3/28東電公司的報導,2號機有極高幅射劑量的冷卻水,溢出反應爐壓力槽,並透過圍阻體管路空隙,或者直接透過圍阻體損壞的部分,外流到圍阻體外面,渦輪底部,造成人員受傷,其實從早期的資訊已可得知,2號機反應爐壓力槽有可能已經被貫穿,這兩天的情勢發展,應該已得到證明,部分熔毀的核燃料棒,讓流經的冷卻水稀帶高幅射物質,流出損壞的反應爐壓力槽和圍阻體,跑到廠區低窪處,甚至跑到廠房外面的水溝中,這樣的發展,已經確定福島核事故比美國三哩島事故嚴重多了。


1號反應爐: 氫爆炸,廠房已毀,海水冷卻(報廢),爐心70%核燃料棒熔毀,政府說不知道有沒有貫穿壓力槽,輻射外洩,圍阻體不排除有裂縫。剩下圍阻體一道安全防護(如果沒有裂縫的話)。外部電纜已經接通,但受阻於高幅射劑量的冷卻水外洩,無法繼續修復冷卻水系統。

2號反應爐: 氫爆炸,海水冷卻(報廢),爐心33%核燃料棒熔毀,政府說不知道有沒有貫穿壓力槽,圍阻體極可能已受損,輻射外洩。只剩下相對脆弱的廠房做為最後一道安全防護。
外部電纜已經接通,但受阻於高幅射劑量的冷卻水外洩,無法繼續修復冷卻水系統。

3號反應爐: 兩次氫爆炸,廠房已毀,海水冷卻(報廢),爐心可能部分熔毀,但圍阻體正常。
外部電纜已經接通,但受阻於高幅射劑量的冷卻水外洩,無法繼續修復冷卻水系統。

3號機的廢燃料儲存槽: 冷卻水系統失效,廢燃料棒露出水面空氣中,因為廠房已破,廢核燃料棒的放射性物質直接釋放到外界空氣中。
4號反應爐 : 地震前已停機檢修,因此反應爐沒事,但廢燃料槽出事,氫爆炸,廠房破洞。
4號機的廢燃料儲存槽: 冷卻水系統失效,發生兩次火災, 廢燃料棒露出水面空氣中,因為廠房已破,廢核燃料棒的放射性物質直接釋放到外界空氣中。

個人評估,2號機最危險,因為確定核燃料棒部分熔毀,並且圍阻體極可能已經損壞,不知道熔毀的液態核燃料有沒有貫穿反應爐壓力槽?,如果繼續升溫,壓力槽也很危險,如果壓力槽也被貫穿,則從燃料丸、護套、壓力槽、封閉冷卻水系統、圍阻體(鋼板+鋼筋混凝土)共五道防護設施通通掛掉了,只剩下最後一道廠房,而廠房沒有鋼板,強度又遠遠不如圍阻體,令人擔心。

其次,3號機和4號機的廢核燃料棒已經在持續釋出輻射水蒸汽到外界,廢核燃料棒的放射性雖然比反應爐中的燃料棒低,但還是繼續衰變發熱,因為它們是存放在圍阻體外面,目前冷卻失效,水被高溫蒸發,廢燃料棒外露,加上廠房在先前的爆炸中已損壞,放射性物質沒有任何防護正在源源不絕直接釋出到大氣中。

這幾天的灑水、噴水等等動作,對降低輻射效果不彰,但還好有遏止危機的擴大,(1)首先,針對圍阻體灑水有點隔靴搔癢,因為圍阻體是很厚的鋼板和鋼筋混凝土構造,大家都知道混凝土不是很好的熱傳導物質,何況圍阻體和壓力槽(內有爐心)之間還有一層空間,(2)從遠處噴水或空中灑水,都顯示一件事: 那就是廠區內輻射量非常高,才會為了人員安全而從一段距離以外噴水/灑水(警察廳的鎮暴水車可以噴很遠), (3)水不是雷射,向遠處灑容易散掉,很難準確,如果能對廢燃料池準確穩定的噴水進去,應該會有幫助,因為可以直接對廢燃料棒降溫,避免熔毀,但這必須要讓水柱從廠房破洞處進去直線到達廢燃料池才可以(水柱無法轉彎)。
3/19號有報導指出,針對 3號機和4號機的核料槽,"東京消防廳消防救助機動部隊使用能夠靈活彎曲機械臂進行精確噴水作業的“折疊噴水車”",想不到還有這種東西,還是無人操作的,真強,這樣的話就可以解決我們之前擔心無法準確注水的問題了。

至於報載反應爐表面溫度,已經降到100度以下,個人認為這個消息意義不大,因為消防車灑水只能灑在圍阻體厚厚的鋼筋混凝土上,混凝土表面降溫,和反應爐核心溫度,還是有很大的差別,還是必須努力將冷卻水系統修復,直接注水到核心,才能將爐心有效降溫,防止燃料棒全部熔毀。但是外部注水對於保持開放於空氣中(因為廠房已毀)的廢燃料池的水位增加,覆蓋廢燃料棒來降溫,還是很有幫助的。

希望外部電源接通後,可以修復原本的爐心封閉冷卻水系統,直接注水到爐心,或者修復備用的發電機冷卻系統,才能事半功倍有效降溫。根據3/20新聞報導 "FocalPoint Consulting Group核能專家穆爾指出,如果冷卻系統的水管、水泵和電線仍能運作,那麼只須數小時便可冷卻反應堆芯,並為核廢料池注水,防止它們過熱。之後,當局便須為設施作損毀及風險評估,為時可能數天;如果沒有發現新問題,核電站的即時危機可以解除。 "這樣的發展應該是最好的發展,位這次核電危機終於看到一線曙光。

3/22控制室開始恢復照明,掌握度又提高了一些

輻射汙染

3/17廠外輻射量仍高,日本政府證實已達影響人體的程度,擴大疏散及防護範圍到30公里,並且曾經將工作人員退出電廠範圍。美國則要僑民撤退到80公里以外。3/20的報導說輻射值略有下降。但3/22報導輻射塵已經透過雨水擴散到外縣市,並且將冷卻完的海水流回大海,也造成嚴重的海洋輻射汙染。

2. 火力發電廠3/28第二座電廠開始恢復運轉

3/17午前10時【火力発電所】共有9個機組停工
・広野火力発電所 2、4号機 地震により停止中
・常陸那珂火力発電所 1号機 地震により停止中
・鹿島火力発電所 2、3、5、6号機 地震により停止中
・大井火力発電所 2号機 地震により停止中
・東扇島火力発電所 1号機 地震により停止中

3/17午後9時【火力発電所】已有一座電廠:大井火力發電所2號機恢復運轉,剩下8機組停工
・広野火力発電所 2、4号機 地震により停止中
・常陸那珂火力発電所 1号機 地震により停止中
・鹿島火力発電所 2、3、5、6号機 地震により停止中
・東扇島火力発電所 1号機 地震により停止中

3/28午後4時【火力発電所】又有一座火力電廠:東扇島火力發電所1號機恢復運轉了,剩下 7座機組停工

・広野火力発電所 2、4号機 地震により停止中
・常陸那珂火力発電所 1号機 地震により停止中
・鹿島火力発電所 2、3、5、6号機 地震により停止中

水利發電廠已經全數恢復運轉

一、日本電子產業最大的問題,不在災害對工廠的損害,而在於電力基礎建設的損壞程度,因為沒有電力,根本無法做復原修復和投產

海嘯、地震或水災,或許會造成一些工廠和產能上的傷害,但回億以往921地震,影響最大的倒不是石英爐管破裂、機器移位、良率受損等等,而是電力基礎建設的損害和復原速度,因為,沒有電力,工廠將根本無法進行復原,間歇性的輪流供電,對於需要連續電力的化學材料、半導體、鋼鐵等產業,也將造成很大的困擾。日本有56座核反應爐,提供日本約30%的電力。其中11座核反應爐因此次地震而暫時關閉,簡單計算將影響全國6%的電力供應,此外日本還有數十座火力或水利發電站被關閉,整體影響和時間到目前為止,無法估計。

二、日本海嘯除了電力恢復時間之外,又多了核能事故的重大風險

1. 核能電廠的安全設計

核能電廠的第一道防衛牆為產生核分裂反應的燃料丸。燃料丸是一種陶瓷質的晶體結構,抗熱性極高,可承受核反應所產生的高溫,只要燃料丸不熔化,大部分的核分裂產物就會密封在燃料丸中。
第二道防禦則是燃料棒,燃料丸裝入鋯合金燃料護套成為燃料棒,少部分揮發性較高的放射性氣體,例如惰性氣體和具高揮發性的碘,萬一從燃料丸中逸出時,會被滯留在可耐高溫、高壓及腐蝕的鋯合金密閉燃料護套內。
萬一核燃料護套破裂,分裂產物外洩,則被侷限在反應爐壓力槽內,這些含有放射性物質的冷卻水可經由爐水淨化系統,將水中的放射性物質除去。反應爐壓力槽及密閉的冷卻水系統構成了第三道防衛牆。
反應爐壓力槽及相關管路設備,係置於內襯鋼板且厚達2公尺之預力鋼筋混凝土製成的圍阻體(有人稱為一次圍阻體)內,圍阻體係採「負壓」設計(即內部壓力小於外界大氣壓力),可避免反應爐內的放射性物質洩漏到圍阻體外。而且圍阻體足以承受萬一爐心熔毀,在圍阻體內產生大量蒸汽的壓力,即使冷卻水管發生破裂,帶有放射性的冷卻水洩漏出來,均會被圍阻在圍阻體內而避免外洩。圍阻體之鋼板內襯及鋼筋混凝土結構分別形成第四及第五道防衛牆。
而外側的聯合廠房則為第六道防衛牆。



















2. 福島核電廠和車諾比的不同

福島兩座核電廠都屬於輕水式反應爐中的沸水式反應爐(和台灣核一/核二廠相同,另一種為壓水式反應爐,和台灣核三廠相同),由於輕水式反應器所使用的緩和劑是普通水,不同於車諾比核能電廠的中反應器所使用的石墨。石墨與水有著截然不同的特性,輕水式反應器應該比車諾比爾核電廠安全許多。另外,車諾比核電廠沒有圍阻體的設計,西方核電廠都有鋼板+鋼筋混凝土的厚實圍阻體,即使發生爐心熔毀,還可以將放射性物質控制在圍阻體內。

3. 核電廠災變常肇因於熱移除事故

核分裂所產生的分裂產物不穩定,它會透過衰變過程漸漸穩定,在衰變過程裏會釋出稱為衰變熱的能量。因此,當核能電廠因地震自動停機時,反應爐依然會持續放出大量的熱能,衰變熱的釋放隨停機時間的持續而遞減,停機一個月後,反應爐裏累積的放射性分裂產物仍然會放出為全功率的千分之一的熱量,這些熱量,如果沒有將其自系統中移除,而任其累積的話,會造成爐心燃料溫度升高,甚至於熔毀。基本上,輕水式反應器最嚴重的事故,均為熱移除事故。熱移除事故從發生到惡化,須要一段時間。1979年,發生於美國賓州三哩島事故即為熱移除事故。車諾比災變與三哩島事故的最大不同處,在於車諾比災變中的反應器在瞬間即解體,而三哩島事故則是個長達數天,持續和緩惡化的事故。

當核能電廠因地震造成反應爐停機,廠內所需電力無法由廠內發電機自行供應,將自動轉換由廠外供電。若廠外無法供電時,核電廠內備有緊急柴油發電機,會於短暫時間內自動啟動運轉,迅速供電給備用安全系統;如果一台緊急柴油發電機啟動失敗,另外尚有第二台緊急柴油發電機可作相互備用,所有安全系統均有兩套以上設備,這些安全系統的冷卻水泵大部分採用電力作為動力,萬一電力喪失,尚設計有電池,和利用「燃料餘熱」所產生的蒸汽來推動的冷卻水泵,可持續提供冷卻能力。東京電力公司福島核一二廠的多套冷卻系統相繼失靈,可能是因為是電廠設計時,沒有考慮到海嘯對發電機可能造成的破壞所致。

















三、日本福島核電廠事故的觀察重點和嚴重性判斷

官方講的話未必準確真實,我們必須自行研判,東京電力公司(Tokyo Electric Power Company, Inc)在福島縣有兩座核電廠(核電站),福島第一核電廠有6座沸水式反應爐(reactor, 台灣以外的中文好像很多翻譯為"反應堆")機組,本來計畫再增加兩座新的反應爐,福島第二核電廠有4座沸水式反應爐機組。地震發生時,福島第一核電站6個反應爐中有3個正在運營,都是1970年代建造的沸水反應爐,已按預先設計關閉,但因海嘯造成冷卻系統失靈,讓內部壓力逐漸加大,爐心溫度升高,終於必須釋放輻射蒸氣釋壓,並引入海水降溫,但海水內的氯離子會腐蝕反應爐,無法清除,使得反應爐無法再使用而必須除役。以下幾點,是本部落格整理各方資料後歸納出的新聞觀察重點:

1. 注意最重要圍阻體有沒有問題,圍阻體受損,事情就很大條了
2. 如果某個反應爐引海水降溫,表示情況嚴重到電力公司不得不放棄N億美元的反應爐
3. 燃料棒露出水面,表示燃料棒處於上千度的高溫下而沒有水來冷卻,極易熔毀
4. "還好只是氫氣爆炸"並不表示沒有危險(上面提過,反應爐的爐心裡面有鋯合金密閉燃料護套,「鋯合金」遇到攝氏兩千度以上的溫度會跟水作用並產生氫氣,而氫氣到達一定濃度會「自燃」產生爆炸,氫氣爆炸表示燃料棒處於兩千度以上高溫,才會產生大量氫氣,也就表示爐心降溫狀況很不理想。)
5. 疏散/不宜外出半徑範圍是否增加(日本說30公里/美國說80公里)
6. 留守人員的健康和輪替狀況

7. "水蒸氣"並不比爆炸煙塵好,因為水蒸氣多半來自於核燃料蒸發冷卻水,具有放射性
(水蒸氣=輻射外洩)
8. 外接電力能否恢復? 恢復供電後原始的封閉冷卻系統或備用系統能否修復?
(3/19外部機電獲得進展,是大好消息,希望冷卻水管路和幫浦沒有受損才好)
(外界海水注入爐心未必有效率,外界噴水/灑水更只是在圍阻體外隔靴搔癢,但如果能啟動原始的冷卻水系統,有機會直接打入要害,事半功倍)

新聞名詞很混亂:
反應堆=反應爐
防護罩=安全殼=反應爐容器=圍阻體
核心熔毀(熔解)=爐心熔毀(熔解),通常指的是核燃料棒在幾千度高溫下熔化,並可能穿透反應爐壓力槽,但未必能穿透圍阻體
很多媒體用"融毀"是不太恰當的,這可能讓人聯想到核融合或核分裂等聽起來很恐怖的事情

2 則留言:

匿名 提到...

分析很詳盡,謝謝

匿名 提到...

謝謝分析,很容易了解

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