2011/03/16

[豆知識]核能動力的科學及安全考量

日本311大地震,引起的[福島第一核電廠事件]wiki,對於最相信且尊重科學的日本人,無疑是場巨大的打擊,但反過來除了檢討,要有更多人才投入,了解核能發電的原理及風險,才容易輕易被媒體誤導,變成不信任的徬徨狀態。老實說,我對於核動心從一開始不想接觸, 因為它不能賺大錢、很危險,不會變超人,而被好萊塢電影的影響之下,感覺只有重國家權勢於一切的國家(像是老美)或是為了復仇而不顧一切的國家才會想做的事情。

但反過來說,很多國家的核電供應已經超過30年,也佔了所有供電量的多數(台灣目前是25%左右),而且核電不像風力或太陽能會受到季節影響,所以不太可能因為有危險而廢除或是完全不用,但要怎麼教導"原始人玩火"才是關鍵重點。但無論如何,先了解所有的基礎科學知識是決對必要,這時維基百科幫了很大的忙,即使不是專家,也能在幾小時內看懂所有關鍵的科學術語,大部分的資料都從維基百科來,所以請仔細認真的閱讀維基百科,需要輔助也請查證維基百科為主,本篇不打算做反核的論戰,單純記錄與分享現階段所理解的東西。

--- 以下整理資料參考自維基百科 ---

[核能]的原理是參考愛因斯坦著名的公式E=mc²,透過轉化質量從[原子核]釋放而產生能量,轉化質量的過程被稱作[核反應],核反應包括[核分裂][核融合]及核衰变(這應該算副作用)。目前為止,人類(認為)有能力處理核分裂,但無法控制核融合(太陽是是天然界最常見的核融合),加上核分裂所產生的能量是同質量媒礦燃燒的300萬倍,實在非常誘人,這些[核能動力]的利用,就可以是核彈、核子潛艇或是核能發電廠。過去有很多種材質都被拿來做核反應,而目前常被拿來做核分裂的燃料就是[鈾-235],它是目前已知元素中核反應相對穩定的。

因為石油和媒碳日漸缺乏,產生動能的成本會愈來愈高,而燃燒石油和媒所產生的廢氣又可能產生致癌物質,大量的二氧化碳也有可能造成[溫室效應],於是核能發電成為看起來最環保(或許?)的發電方式。若想利用核分裂動力,就必須建造[核反應爐],它用來啟動並維持核反應,透過界質持續不斷的吸取它的熱能,再利用加熱[純水]的方式來產生蒸氣發電。而核反應爐則根據設計上 1)燃料不同、2)冷卻界質不同和 3)構造不同,又被歸出近十幾種的反應爐的型式,而這次發生危機的福島核電廠和台灣的[核一廠][核二廠],就是其中的[沸水反應爐],核三廠則是[壓水反應爐],興建中的[核四廠]則是採用[先進沸水反應爐],算是[沸水反應爐]的新版,而目前世界最多採用的則是壓水反應爐,這兩種反應爐都是[輕水核反應爐],就是拿純水(=輕水)做為反應的中子慢化劑、和冷卻劑,而最主要的差異在於循環迴路,參考這兩張動畫圖 [1.沸水反應爐動畫][2.壓水反應爐動畫],兩者有很明確的差異,因為沸水反應爐構造相對簡單、運作壓力低(較安全?),製造成本也較低,卻循環水會發電機輪組和反應爐直接接觸,可能會造成機輪組的幅射汙染,造成維修的麻煩。

除了核反應爐構造,核電廠必需蓋所謂的[圍阻體],其實就是牆壁,用來阻擋核衰變所產生俱[放射性]的原子核幅射,記得台中科博館有介紹,原子核幅射分成α射線,β射線及[γ射線],其實它們都是[電磁波]的一種,其中的γ射線,和大家所熟知的X光[X射線]類似,它們都是高頻、短波長而擁有超強穿透力,如果穿透人類細胞就可能造成[細胞病變]的影響,而必要須有1~2公尺的鋼板才能阻檔掉。依目前的設計圍阻體通常會是兩層,外層是厚達兩三公尺的水泥牆(水泥圍阻體),內層則是厚鋼版(鋼版圍阻體)。而內層的主要功能是阻檔放射線,外層除了阻擋放射線,還有更重要的功能,就是保護反應爐本身,避免受到外部的攻擊,像是地震或飛彈攻擊等。

--- 以上整理資料參考自維基百科 ---

核能發電簡圖( from核委會)

從以上的構造看起來似乎非常安全,但為什麼會有福島的事件發生? 因為整個核能發電的問題,最大的關鍵就是怎麼消耗核分裂及核衰變的產生的極大量熱能,因為這個設計的前題是擁有不能停止流動大量循環冷水幫幫降低溫度,另外也可以加入[硼酸]等物質,利用吸收[中子]的特性,來減緩核分裂速度。以福島核電廠的對於冷卻系統的設計就分成三道防線 1).用自發電力來控制,2).如果主電力中斷,就啟用備用的柴油發電機,3).利用剩俆的電力或是備用電池電力,推動水流,而這段冷卻的時間通常要長達七至十天。所以當這次地震同時引發海嘯 一次就破壞兩道防線,而餘震不斷的情形下,就會造成供水不穩定,而無法使反應爐溫度下降。


但更大的問題不是無法降溫,而是供水中斷所造成別的問題 - 當供水中斷時,部分的水會過熱變成水蒸氣而慢慢排出,反應爐的水位就會下降,裡面的燃料棒可能會因為溫度過高而造部分的[爐心融毀],而金屬鋯直接和水蒸氣接觸,高溫下的金屬和水蒸氣容易氧化卻會產生的[氫氣],如果沒有在圍阻體的內的排氣系統內即時燃燒掉,就會造成氫爆效應,因為空氣中有20%氧,而只要4%濃度的氫就可以輕易產生氫爆(一種燃燒現象),所以一般水泥圍阻體內會灌入像是氮氣等墮性氣體,避免爆炸,也就是說說水泥圍阻體的設計是抵擋外部攻擊,卻不能承受由內部爆發的氫爆現象,這也就是說只要水不持續流動降溫,水蓋不滿燃料棒,氫爆的現象是很有可能再發生,前幾天講的幅射量,就是指氫爆炸壞水泥牆(外層),水蒸氣漏出及所夾帶少量幅射線,。

但這前題是內層的鋼版圍阻體不能有任何破壞,水要能夠持續不斷注入近十天,才能保證爐心可以持續降溫,不會讓放射物質再跑出來,只剩內層圍阻體時,還必須要保持水分不斷供給,更要確保空氣都得排出反應爐內,才不會有再度氫爆的可能,另外如果降溫不足或是核分裂沒有減緩就有可能有爐心融毀的危險性,如果不幸爐心融壞外漏,就有可能會有大量幅射散發出來,這就是大家最擔心的問題。還有,日本福島因為水量不足而引入海水進行降溫,因為海水裡有許多雜質,未來爐心淨化更困難,幾乎就是等於放棄未來核電廠反應爐的使用(一座核反應爐造價約十億美金),而打算讓這幾棟建物未來會和[三浬島事件]的核電廠一樣變成"水泥棺材"。

所以總而言之,最大的問題就是水(H20),水是用來降溫、循環和發電,但也有可能使水蒸氣愈到超高溫金屬氧化產生氫氣(H2)而爆炸。突然覺得人類很渺小、而我們對核子技術的操作很不先進,沒想到"水能載舟、亦能覆舟"在這句話居然在這裡也適用,人類在研發新技術的同時,應該設想更多、再更多,把各種最壞狀況都考慮進來。不能一直用不足的知識,片面的技術,來對待我們"以為懂"全部,但實際"只懂一半"的事,想想看近代所發明的很多東西 - CFCs冷媒、農藥DDT、美國仙丹類固醇、基因改造食物、基因改造作物、塑化物、甚至核能,副作用的影響都沒有在當時就被考慮進去,但卻造成後續不少害處。 就算只是貪心想利用核分裂的巨大動力,而在替代能源沒有著落之時,也更應該投入更多的努力研究核能動力的安全性,致力於把核電廠做到最安全的層級,至少要記取每次的教訓,地震、海嘯、停電、餘震、人為疏失,都要同時考慮進去,要做最壞的考慮,才有可能做出最"接近"安全的產品。

最後還是呼籲,Yahoo公益已經建置[日本地震賑災]的捐款活動,還是需要大家的慷慨解囊,幫助這些地震、海嘯的受害者,如果有操作問題,可以參閱[這篇]教學文。

1 則留言:

jack 提到...

可惜,我們需要付出很大的代價才能知道哪裡不安全。

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