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日本福島核電廠反應爐的構造暨強震海嘯引爆核安問題之原因

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日本福島核電廠反應爐的構造暨強震海嘯引爆核安問題之原因

作者：蔡明達　現職：台化駐日經濟文化代表處科技組組長

文章來源：科技組蔡明達組長編輯

發佈時間：2011.03.29

日本福島第一核能發電廠是東京電力公司座落位於福島縣雙葉郡大熊町和雙葉町的核能發電廠。茲將第一核電廠六座反應爐機組的規格與結構，以及311地震引發超級海嘯，造成反應爐機組的冷卻系統失效等核安問題之原因，說明如次：

一、反應爐機組的規格
反應爐　　　型式　　　　　　　　開始運轉日期　　　額定發電量
1號機組　　沸水式輕水反應爐　　1971年3月26日　　　46.0萬瓩
2號機組　　沸水式輕水反應爐　　1974年7月18日　　　78.4萬瓩
3號機組　　沸水式輕水反應爐　　1976年3月27日　　　78.4萬瓩
4號機組　　沸水式輕水反應爐　　1978年10月12日　　 78.4萬瓩
5號機組　　沸水式輕水反應爐　　1978年4月18日　　　78.4萬瓩
6號機組　　沸水式輕水反應爐　　1979年10月24日　　 110萬瓩

二、沸水式輕水反應爐的構造
沸水式輕水反應爐（Boiling water reactor）：反應爐（reactor）內的鈾燃料經由核分裂反應產生熱能，將水加熱成溫度高達280度的蒸汽、70至80個大氣壓，應用爐內所產生的高溫高壓蒸汽驅動安裝於爐外的渦輪機，渦輪機帶動發電機發電，離開渦輪機的蒸汽流至冷凝器，利用冷凝器的海水進行冷卻，變成水後再回到反應爐中循環使用。

反應爐壓力槽（reactor vessel）：是用來包封反應爐的爐心、鈾燃料棒等內部組件和控制棒的爐槽，耐高溫、耐高壓和耐中子的照射，可在極惡劣的環境下運轉。

鋼材反應爐圍阻體（Steel containment vessel）：容納反應爐、反應爐冷卻系統和關聯循環管路等組件之爐槽。在反應爐的冷卻系統失效時，厚度約為3.8公分的鋼板之圍阻體可做為阻隔幅射外洩的防護牆，在反應爐發生嚴重的意外事故時，將放射性物質封閉在圍阻體內，是阻止幅射外洩的重要防線。

壓力抑制槽（Suppression pool）：是反應爐壓力槽的部分機組件，在第一道冷卻系統的循環管路斷破後，乾燥器（dry-well）組件會釋放出的冷卻劑之蒸汽將高溫蒸汽冷卻成水之槽池。此處亦有控制閥減輕反應爐壓力。

一次圍阻體（Primary containment）：包封由乾燥器（dry-well）和壓力抑制池（Suppression pool）等組件所串聯成之沸水反應爐的圍阻體。內部有控制氣體濃度和噴灑系統等組件。

核廢料的儲存槽（Spent fuel pool）：儲存使用過後的燃料棒之槽池。

二次圍阻體（Primary containment）：是包封一次圍阻體和反應爐的密閉式廠房。

三、故障的原因：
在311地震發生時，1至3號反應爐機組立即自動停機，4至6號反應爐機組則因進行定期維修作業等未運轉。原本地震發生後，反應爐無法獲得外部的電源時，可啟動13台的緊急用柴油發電機，但遭到地震引發的超級海嘯之淹沒，所有供電系統完全無法使用。冷卻系統完全失效，無法引海水冷卻反應爐內的高溫燃料棒。更糟糕的是，超級海嘯還沖走了燃料油桶、造成石油外洩。緊急用爐心冷卻系統根本不能使用進行灌水冷卻。接著，緊急用爐心冷卻系統組件的幫浦，因柴油發電機無法發動、由外部進行供電之電源被切斷，而陷於斷電之情況下。這也造成反應爐機組和核廢料儲存槽的循環式冷卻系統，以及緊急用爐心冷卻系統完全失效。在地震來襲之前，正在運轉中的1至3號反應爐機組，爐內的核分裂所產生之熱能一直維持在高溫的狀況下，使燃料棒如果一直持續地損壞，大量的放射性物質就會外洩到大氣中。為遏止此一情況的發生，必須採用其他的冷卻方式、於是由自衛隊的直昇機、消防隊和警視廳的高壓噴水車，引海水進行灌水降溫作業。在此階段之際，反應爐壓進行了洩壓的工作，但釋放出的氫氣在廠房內自爆，將二次圍阻體的廠房給炸破了。再則，3號機組和4號機組的核燃料儲存槽的冷卻水循環系統又失效，儲存槽水流失或蒸發，自衛隊的CH-47「契努克」多用途直昇機、消防特殊部隊的高壓噴水車只能實施儲存槽灌水降溫作業。在此過程中，核電廠內放射性物質持續外洩，劑量高達一小時毫400西弗（mSv）。

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