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日本地震的撼動 - 人預估能力的死角 (blind side)
3/16/2011




自三月十一日以來,全球許多人都在關注日本大地震後 Fukushima 第一核電廠的危機控制情形,各大媒體都湧到東京附近採訪,網路上也是充斥著各種似真又假的消息。為何冷卻系統發生問題?海水冷卻為何不發生功效?核燃料棒(含 UO2 或 PuO2)會因溫度升高而全部熔化嗎?會有何後果?對人體傷害如何?這樣的核電意外有可能避免嗎?

以上問題,新聞裡已有一些討論,日本 Fukushima 第一核電廠 meltdown 危機,正提供我們一個很好的機會去了解核能且面對可能的核災害問題。

日本的都市與工業建築結構,在這一次本州大地震中,通過了嚴峻的考驗,這是很值得推崇與學習的,其中也包括核能電廠的硬體結構。筆者曾詢問從事結構工程與設計的大女兒的看法,他指出若是美國西岸大城遇上像這樣罕見的大地震,可能不少城市建築結構承當不起劇烈又長時間的搖晃,這可能是因為設計時假設的地震強度,只是七至八級。大女兒去年曾加入美國結構工程師協會志願工作隊到 Haiti, 參加災後結構檢驗與重整工作,他說那兒許多水泥建築根本沒有依照法規設計,甚至沒有明確規定,所以一震就垮,死傷數十萬。這讓我想起二○○八年中國四川省汶川大地震,筆者曾在災區幾天,所見情形相當悽慘,造成原因與 Haiti 很相似。

雖然結構做的不錯,可是,日本對於海水的巨大威力這一次可能是低估了。日本沿海地區,常遇到 tsunami (津波,一連串的海潮),所以沿海都建有「擋海牆」,過去 tsunami 沖過沿海高牆的情形,也曾發生過,但是產生了一定的阻絕功效,所以日本政府還是興建。可是這次情形嚴重數十倍,擋海牆可能只發生數秒鐘的功效,也許挽救了一些人命。造成核電廠冷卻水備用系統失效,主要因為海水沖壞了備用 diesel generator,所以無法啟動,在電力受損的狀況下,只好靠備用電池應急,但僅能維持數小時。

一個核電廠使用很多燃料棒,核燃料棒是將鈾或鈽氧化物包裹在陶瓷金屬內形成。數十枝燃料棒形成一組一組的燃料版,一個核反應器可能有數百組燃料版,都置放在反應器中,但為了控制溫度,它們必須浸在冷卻水內,水是一直循環不停的,這是為什麼核電廠都有巨型冷卻塔的原因(水同時還有控制核分裂反應速率的功效)。

若說核燃料棒是反應器的心臟,水就是懸環不息的血液。現在,水無法循環,血就無法更新,心臟會「壞死」。糟糕的是:核反應器內靜止的水會被燃料棒不斷釋出的熱給蒸發,甚至水蒸氣都因高熱而分解成氫氣與氧氣,氫氣極易引起爆炸,爆炸很可能損壞建築物與反應器本身,也因此釋出放射物進入大氣(註1)。沒有冷卻水的燃料棒,更會因本身的高熱而熔化或焚燒,因此釋出許多核分裂 (nuclear fission) 產生的放射物質。若反應器與週邊裝置因地震或爆炸破裂,固液態混合的熔解燃料就可能進入土壤與地下水,或凝成一團具高輻射性、極難處理的金屬,這是  meltdown 最可怕之處(與1986年 Chernobyl 核災的後果相似,26年後至今仍無法解決,可能幾千年後都無人可以接近 )。

為什麼對地震與 tsunami 有多年經驗又準備充分的日本人,會將備用柴油發電機組與燃料放在核電廠低地(據說是在地下室)?有什麼特殊原因必須如此?這是讓人想不通的事。是不是他們太信任「擋海牆」,而低估了大海的威力?百密一疏,大水沖毀了備用發電機,而電廠又沒有在輻射量仍低的情形下,儘快修復受損電力系統,使冷卻水循環可以恢復啟動,因此造成核災害(這是另一樁讓人費解的事,是緊急應變程序有問題?)。現在即使拼命洒水來冷卻核燃料棒,已經遲了,進展緩慢,污染擴散(這是不是東京電力公司決策失誤?美國政府覺得日本處理不當,資訊緩慢又不夠透明,且低估輻射危害範圍,美國的安全標準定在 50 miles 之內居民必須撤離,日本起初只定在 12 miles 內居民撤出)。

GE 公司設計的沸水式核反應器包括多層保護設計(
註2),對防範輻射外洩有良好的控管,使用後的燃料棒多數存放在反應器上層週邊的冷卻水槽中,一般來說沒什麼問題,經過一段時間的冷卻後,就可載運到核廢料儲存場去(註3)。但如今,也因為冷卻水無法循環,廢燃料棒竟「死灰」復燃,開始因熱產生核分裂連鎖反應 (nuclear fission chain reaction)。這衍生出另一個大問題,因為裂解後的廢燃料組成複雜,含有許多原來核分裂的衍生物,主要是介於原子量 90 – 140 間的元素,尤其以 cesium (鍶) 與 iodine (碘) 為最多,且多數有放射性,它們釋出放射線強度與半衰期都與原來的鈾燃料不同,傷害力可能更大(它們隨著雨水與浮懸顆粒,進入水源、土壤、植物、或牲畜體內,會造成長期的影響)。有誰想到,這樣的廢燃料棒儲存方式,竟也成為另一災難的起頭?這是不是另一個工程上的百密一疏?

面對地震、海嘯、與核放射三重傷害,看到日本人防備災難的努力與付出,以及他們在傷害痛苦中展現出強韌的堅持力,我們能不同情與佩服?

試問:在我們居住的環境裡,尤其是加州美地(註4)、台灣海島上,有多少工業、電廠、建築設施是在地震帶上、是在低窪地區、是在海岸水邊?在設計上,它們的安全係數為何?能承受幾級的地震?tsunami 襲來擋的住嗎(這一次海嘯,北加州的 Santa Cruz 與Crescent City 港口受到相當大的沖擊,損失數千萬美元)?也許我們更該問自己:有無做好災難應變預備呢?

在全球災難連連、中東北非多處動盪不安、氣候異常變遷、能源價格愈來愈高的情形下,發展核電值得嗎?有沒有別的選擇?

日本這次大災難提醒我們:人雖自以為聰明,仰靠科技,在山崗水岸開發建設,搜求各種資源礦產,但在預估環境風險時,卻顯得那麼缺乏遠見,日本如此,其他國呢?大地一動,海水一沖,就顯露出工程品質。人對上天的能力真是了解的太有限了。

圖與文//沙塵豹默哀致意 3-16-2011

註1:請參看EPA資料http://www.epa.gov/radiation/radionuclides/cesium.html
註2: Boiling Water Reactor 設計見 http://nrc.gov/reactors/bwrs.html 或 GE 網頁
http://www.gepower.com/prod_serv/products/nuclear_energy/en/new_reactors
註3:
核廢料處理是核能發電最難解決的問題,可能影響數千數萬年之久。
http://nrc.gov/waste/spent-fuel-storage.html 現在安全穩固的儲存場難找。

註4:加州在地震帶上的核電 http://www.energy.ca.gov/nuclear/california.html 它們距離府上多遠?http://money.cnn.com/news/specials/nuclear_power_plants_locations/index.html

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