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核能电厂的安全防护体系:「深度防御」(defense in

2020-07-18

核能电厂的安全防护体系:「深度防御」(defense in depth)和「多重屏障」 (Multiple Barriers)

2011年日本福岛核灾引发全球媒体和公众对于核能电厂的安全高度的关切。核能电厂运转时,反应器内不断进行核分裂反应,并产生放射性分裂产物。如果这些放射性物质外释,如日本福岛第一核电厂,就会污染环境。虽然沸水式反应炉的设计比车诺比电厂安全,但是遇到严重天灾(如14公尺高的海啸)时,是否能有效防制辐射物质污染环境?日本福岛核灾的类似问题也会发生在台湾的核电厂?

本文介绍核电厂的基本安全防护系统。以下的资料说明取材于中华民国核能学会和World Nuclear Association的说明,可以说代表支持核电的立场。反核的环保人士很可能对于这样的说明存疑。但是核能的安全问题必须是透过理性辩论和科技知识来面对,所以本文主要是说明当今核电厂安全设计的概念,作为公民辩论的知识基础,并不是为核电厂的安全性背书。

核能电厂的安全防护体系:「深度防御」(defense in

图1:核能电厂深度防御和多重屏障为安全防护系统示意图。 (图片来源

目前核能电厂的安全防护体系

为了防範放射性物质外释,核能电厂从设计、施工到运转,甚至于意外事故的处置,都必须严格遵循相关的法规要求。整套安全措施设计理念建立在「深度防御」 (defense in depth)的原则,这个原则有三个层次:

1) 防範意外事故于未然,

2) 提供多重性安全保护,

3) 减缓事故可能的演变。

另一个原则是「多重屏障」 (Multiple Barriers):核能电厂之安全设计考量,除了运转中保持反应器的安全稳定运转,当发生意外事故时,必须将放射性物质留置于多重的防护屏障中,阻止放射性物质与外界环境接触,目的就是要把发生核子事故的机会及影响均降到最低程度。

核电厂以深度防御和多重屏障为原则的安全防护体系,可用以下的附图来理解:

第一道防线是燃料丸(Fuel Pellet)

燃料丸是高温烧结的陶瓷固体,质地緻密坚硬、而且可以承受2,000 0C以上的高温。核分裂就发生在燃料丸内,因绝大部份放射性物质移动距离非常短,所以几乎都滞留燃料丸内,只有极少量惰性气体和碘,会藉着扩散作用而离开燃料丸。

第二道防线是燃料棒(Fuel rod)

燃料丸装入锆合金燃料护套(Cladding)成为燃料棒,可以承受高温高压环境。通常护套破损的机率都小于百万分之一。只要护套不破裂,溢出燃料丸的放射性气体及碘,可以有效的被阻滞。

核能电厂的安全防护体系:「深度防御」(defense in

图2:核能反应炉多重屏障的材料设计。 (图片来源

第三道防线是反应度先天稳定设计(negative void coefficient of reactivity)

反应度是衡量反应器设计安全非常重要的参数。我国反应器就规定必须设计成负的反应度,所以系统温度、压力升高时,会自动抑制反应进行,比如「水尽火熄」。又如同车速过快时,系统透过自动减少燃料来减速。
车诺比电厂的设计就完全不同,当系统温度与压力升高时,反应会更加快、更不受控制,就像「火上加油」一般。这就是车诺比电厂会酿成严重灾害的原因。

第四道防线是反应器控制系统(Reactor Protection System, RPS)

保护反应器是维护电厂安全最重要的手段,控制棒(Control rod)群与备用硼液控制系统(Standby Boron Liquid Control System, SBLC)是不可或缺的安全系统。一但反应器状况超过设定,系统立刻自动停机(就是一般所谓的「跳机」),只要1.5秒,就可以把核反应停止。如果控制棒 故障怎幺办?我们还有硼液控制系统作为后备,必要时,数十吨高浓度硼液会自动注入反应器,立即终止反应。

第五道防御是厚实反应器压力槽(Reactor pressure vessel)

核反应器是厚达30公分、重达1,000吨的高强度金属容器。放射性物质从燃料棒洩漏出来,也被侷限在密闭的反应器内,只有发生极严重的事故,放射性物质才会洩漏到系统之外。

第六道防线是紧急炉心冷却系统 (Emergency core-cooling system,ECCS)

只要保持反应器水位,就可以防止反应器「乾烧」而伤及燃料。所以在严重事故时,保持水位是最重要的行动。我国核电厂都有3套9迴路的紧急炉心冷却系统,这些系统视反应器压力启动,只要有1迴路把水注入反应器,系统就安全无虞。

第七道防线是围阻体(Containment system/ Shieid Bullding Wall)

围阻体是防止放射性物质外释最重要的外层防线,它由超过2公尺的强化钢筋混凝土构成,把反应器及密闭冷却水循环系统通通纳入它的防护範围。任何自反应器或冷却水系统释出之放射性物质,均无法释放到外界环境。
围阻体是西方核能电厂(包括台湾)与俄国核能电厂安全措施相当大的差异处。车诺比事故(Chernobyl accident)发生石墨大火时,就是因为没有围阻体的设计,所以放射性物质随火势而直冲云霄,造成大面积污染。在另一方面,美国三哩岛事故 (Three Mile Island accident)结果就完全不同,儘管有20%核燃料受到损毁,却因为围阻体发挥功能,几乎没有放射性物质外释到环境中。

核能电厂的安全防护体系:「深度防御」(defense in

图3:典型沸水反应炉马克1号(BWR (boiling water reactor) with Mark I containment)截面图,日本福岛第一核电厂1至5号机和台湾核一厂的二座反应炉都是同类型设计。(图片来源

参考资料:
1. 中华民国核能学会:核能电厂的安全设施 (http://www.chns.org/s.php?id=4&id2=28)
2. 原子能委员会核能管制处: 核能发电概述 (http://www.aec.gov.tw/www/service/other/files/book_19.pdf)
3. World Nuclear Association: “Safety of Nuclear Power Reactors”. (http://www.world-nuclear.org/info/inf06.html)
4. 英文维基百科:Boiling water reactor safety systems (http://en.wikipedia.org/wiki/Boiling_Water_Reactor_Safety_Systems)

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