311核災9週年 福島事故中的幾個「如果」

文 劉振乾

緣起 

        日本 311 福島核災 9 週年之際，筆者花了時間重新細細閱讀日本原子力技術協會前理事長石川迪夫博士的大作：《考證福島原子力事故爐心熔融、氫氣爆炸如何發生的 ? 》一書。

        歷史上不容有「如果」的存在，雖是如此，「如果」能成立的話，就會有很多意外的發展。因此根據石川博士的大作，找出福島事故中的幾個「if」，盼能釐清事故的本質，也讓大家更清楚核能發電為什麼安全。由於石川迪夫博士是 1990 年代就認識的老朋友，他允諾筆者可以自由使用 ( 翻譯引用 ) 他的著作，在此向石川博士申致最大的謝意。

幾個「如果」發生，那會是什麼局面？

•    如果福島第一核電廠廠長知道 1 號機的緊急用冷凝器 (IC) 沒有啟動 ?
•    如果 3 號機反應爐廠房沒有發生爆炸 ?
•    如果 3 號機的高壓冷卻水注入系統(HPCI) 沒有被人為關閉 ?
•    如果不是 3 月 11 日深夜就開始緊急疏散?

如果廠長知道 1 號機的 IC 沒有啟動

        由下方圖 1 顯示緊急用冷凝器是放在編號第 3、很高的位置，水可自高處靠重力流下。緊急用冷凝器的中心是單純的冷卻用熱交換器，它的特性是配置於比反應爐高相當多的位置上，由反應爐上升的蒸氣通過熱交換器的管路冷卻，變為水再回流到反應爐，是利用自然循環原理的冷卻迴路，也是一種運用重力的可靠度極高的裝置。如果緊急用冷凝器正常的運轉，就不會發生 1 號機的爐心熔融與氫氣爆炸，事故的演變就會是很輕微的程度。

        緊急用冷凝器的熱交換器的二次側有蓄水 100 噸，在設計上，停機後沒有任何補充也可繼續冷卻反應爐 8 小時。因此，如果沒有下述的 MO3A 隔離閥被關閉，即使沒有任何電力，也可以持續冷卻反應爐。

圖 2. 福島第一核電廠 1號機緊急用冷凝器系統圖 ( 圖片來源：NEI)

        如圖 2 紅圈處所示，MO3A 隔離閥被關閉以致無法冷卻，但是訊息沒有上報，以致廠長等高層認為緊急用冷凝器仍然啟動中。否則，事故剛開始此隔離閥附近的輻射劑量不高，上級如果知道問題出在MO3A 隔離閥，一定會設法搬一部輕便的移動式發電機或蓄電池供應電源，打開這個隔離閥，因為這是攸關生死的大事。等到電廠高層知道 1 號機的緊急用冷凝器沒有啟動的時候，已經是 3 月 11 日晚上10、11 時，那時現場的輻射劑量已經迅速上升，無法派人前往現場。

        事故剛發生時，電廠高層 ( 包含在東京的總部 ) 關心的是 2 號機「反應爐爐心隔離冷卻系統 (RCIC)」的運轉狀態不明，也以為 1 號機具有自然循環冷卻的緊急用冷凝器沒有問題，因此就未加以注意。以下解釋為何 MO3A 的隔離閥會被關閉：

        11 日 14:46 發生強烈地震，反應爐自動停機。14:52 接收到反應爐壓力過高的訊號，按照設計，緊急用冷凝器自動啟動。 15:03，也就是緊急用冷凝器啟動約 10 分鐘後，由於反應爐的冷卻速度太快 ( 每小時不得大於攝氏 55 度 )，按照運轉規則關掉緊急用冷凝器，以關閉 MO3A 隔離閥的方式，這必須使用電力。

        過了不久，反應爐的溫度壓力又上升，運轉員操作 MO3A 隔離閥，將反應爐的冷卻速度改手動控制，此一動作做了好幾次。運氣不好的是，當運轉員把 MO3A隔離閥關閉後不久，海嘯來襲，1 號機失去所有電源，無法再度啟動 MO3A 隔離閥，也因此緊急用冷凝器無法啟動。

        換句話說，如果海嘯來襲的時候，MO3A隔離閥在「開」的情形下，以下的各種事故就不會發生了。可以斷言：太晚知道緊急用冷凝器沒有啟動，是事故因應行動上最大的失誤。

        1 號機於 12 日 15:36 發生氫氣爆炸。其爆炸威力雖小，但是對於其他反應爐的事故因應行動帶來很大的影響。原本為了讓 2 號機有直接電源而連夜趕工，由於氫氣爆炸使電源車與電纜受損，一切努力化為烏有。2 號機在兩天後的 14 日 11:00 左右，因為反應爐爐心隔離冷卻系統泵浦停機，而發生爐心熔融。

如果 3 號機反應爐廠房沒有發生爆炸

        緊急用冷凝器 (IC) 是自然循環原理的冷卻迴路，而反應爐爐心隔離冷卻系統(RCIC) 則是使用蒸氣渦輪機驅動泵浦來冷卻，需要電力才能控制。

        驅動泵浦的蒸氣是來自爐心的衰變熱，因此即使停電，動力仍可確保，但是其控制要靠直流電源 ( 電池 )。而電池在海嘯來襲時受損，失去了控制反應爐爐心隔離冷卻系統的動力。

        如圖 3 所示，反應爐爐心隔離冷卻系統的水源是來自抑壓室 (SC)。由泵浦打上來的水，經由注水配管進入反應爐壓力容器，補充因衰變熱所損失的水，需要電池的電力控制補給的水量，讓反應爐的水位保持於適當的位置。另一方面，衰變熱在反應爐產生的蒸氣，則在轉動渦輪機後經由冷凝器變成水再回到抑壓室。

圖3. 反應爐爐心隔離冷卻系統圖 ( 圖片來源：www.simplyinfo.org)

        也就是說，藉由反應爐爐心隔離冷卻系統使反應爐冷卻，是以抑壓室做為冷卻水來源使用，而在反應爐產生的蒸氣同樣也回到抑壓室，形成一個封閉的循環迴路。 1 號機 MARK- Ⅰ型的圍阻體，抑壓室能貯存的水量約 3,000 噸。估計水量蒸發到一半時反應爐爐心隔離冷卻系統仍可以使用，也就是可以冷卻反應爐約兩天的時間。

        其他受災的福島第二核電廠與女川核電廠都使用反應爐爐心隔離冷卻系統達成反應爐的冷溫停機，當反應爐爐心隔離冷卻系統正常運轉時是不會發生爐心熔融的情形。

        海嘯來襲的時候，直流電源 ( 電池 ) 受損，但是驅動泵浦的渦輪機在沒有控制電源的情形下，仍然繼續運轉，將水注入反應爐。值得注意的是，反應爐爐心隔離冷卻系統也和 1 號機的緊急用冷凝器一樣，設計上是針對 8 小時的停電，但是 2 號機的反應爐爐心隔離冷卻系統卻是運轉了大約 72 小時。

        11 日 22:00，2 號機反應爐水位在 +3,400公厘，也就是爐心上方的 3.4 公尺處。這紀錄一直維持到 14 日的 10:00 左右。證明反應爐爐心隔離冷卻系統運轉約 72 小時。

        不幸的是， 14 日 11:01，3 號機的反應爐廠房發生氫氣爆炸，導致為了準備 2 號機注水所準備的軟管 (HOSE) 與消防車受損，無法使用。因此 2 號機的注水拖延到當天 20:00 才開始，這一延遲也導致 2 號機發生爐心熔融。有一個現象是超越三哩島事故—即使爐心完全沒有水，完全是乾燒的狀態下，也沒有發生爐心熔融現象。

        有證明嗎？ 2 號機反應爐壓力由於水的蒸發從 14 日 10:00 開始上升， 而14:00 到 18:00 因為啟動釋壓閥，維持在7.5Mpa，這顯示爐心獲得某種程度的冷卻，沒有發生熔融現象。假設發生爐心熔融，由於鋯與水氧化反應所產生的巨大熱能，必定會讓爐心水位發生劇烈的變化，同時反應爐壓力也會因氫氣的發生而急速上升。沒有這些突發的變化就可以證明到18:00 沒有發生爐心熔融。

        14 日 11:01 3 號機的反應爐廠房發生爆炸，為什麼是致命傷？因為 14 日 11:00左右，2 號機反應爐爐心隔離冷卻系統的泵浦「彈盡援絕」終於停擺，完全喪失反應爐的冷卻能力，因此當天 18:00 左右，反應爐水位下降到爐心的最底部。雖是如此，燃料棒溫度由於有水蒸發所帶來的涼風冷卻，應在攝氏 1,000 度以下。

        18:02，為了讓反應爐壓力下降，把釋壓閥操作轉為「開固定狀態」，讓高壓的蒸氣持續從釋壓閥釋出，反應爐壓力從約8MPa 一下子降到 0.4–0.5MPa。由於這減壓的沸騰，燃料棒溫度下降到水的飽和溫度攝氏 150–160 度左右。

        如果在這個時間點開始以消防車注入海水，事故狀況將大大改觀，因為冷卻的燃料棒護套不會發生鋯水反應，當然就不會引起爐心熔融，東京電力公司錯失良機！然而由於軟管與消防車受損，拖延了 2 小時後才注入海水，此時，燃料棒溫度已上升到攝氏 1,500 度。

        必須確認的是：會引起爐心熔融的熱，不是衰變熱，乃是來自燃料棒護套的鋯水反應所產生的大量反應熱。會引起此反應則需要兩個條件：燃料棒溫度夠高、有充分的水。 

        圖 4 是美國花了 10 年時間於 1989 年才完成的精華，圖中的①是熔融的爐心， ②則是熔融爐心被水冷卻後所產生的殼，其物理特性是如鑄鐵般堅硬的物質。在事故發生時這層硬殼發揮了作用，將熔融的爐心與外側的水隔開，互不接觸。

        讓我們感到有趣且重要的是，當熔融的爐心與水一接觸就馬上出現此硬殼。它將攝氏 2,000 度以上高溫的熔融爐心，和僅有數百度的水如楚河漢界一般予以阻絕。

        要特別強調此一性質，是因為很多核能專家都相信：二氧化鈾發生熔融的溫度為攝氏 2,880 度，當爐心熔融與水接觸就會引起水蒸氣爆炸，這是錯誤的，是現代的迷信。在三哩島與福島事故中，當爐心溫度慢慢上升最後發生熔融的時候，就不會發生水蒸氣爆炸，且實際上也沒有發生。如鐵一般的硬殼就是證明。

        圖 4 中的③是驅動控制棒上下的護罩(cover) 沒有受事故的影響，仍維持原有形狀。這也足以證明熔融爐心的熱擾亂沒有到達此處，沒有發生爆炸等破壞力。由此可以說明「會引起爐心熔融的熱，不是衰變熱」。

圖 4. 三哩島事故後爐心內的狀況 ( 圖片來源：維基百科 )

如果 3 號機的 HPCI 沒有被人為關閉

        3 號機在海嘯來襲後不久，其反應爐爐心隔離冷卻系統即自動啟動，但是沒有2號機的爭氣，運轉不到 1 天，在 12 日中午就停擺 ( 原因不明 )。接到「反應爐水位過低」的訊號之後，高壓冷卻水注入系統(HPCI) 即啟動，這時是 12 日 12:35。高壓冷卻水注入系統和反應爐爐心隔離冷卻系統相同，使用的動力源是衰變熱，因此沒有電源也沒關係，可照常運轉。

        由於高壓冷卻水注入系統注入的水約攝氏 20 度，加上泵浦容量大，因此讓反應爐過度冷卻，反應爐壓力也過度下降，這導致高壓冷卻水注入系統的驅動蒸氣壓力減少，12 日中午反應爐壓力有 7.5MPa，當天 18:00 就降到 1 MPa 左右。泵浦的轉數變少，形成「跛足運轉」狀態。

        孤立無援的電廠高層，想學 1 號機的最後一招，想辦法降低反應爐的壓力，使用消防車把海水灌入反應爐內。既然下了決心，就在 13 日 02:42 將「跛足運轉」的高壓冷卻水注入系統以手動方式停機。沒有想到打開「釋壓閥」卻花了 6.5 小時，到 13 日 09:08 才打開閥，反應爐壓力容器急速減壓，09:30 左右，急速減壓到0.3MPa，而 1 大氣壓約為 0.1MPa。

        這慢了好幾步的減壓已造成 3 號機爐心熔融，但是更正確地說：停掉高壓冷卻水注入系統泵浦才是失敗的主因。數字會說話：在停掉高壓冷卻水注入系統泵浦之前的 13 日 02:30，反應爐壓力仍維持在 1 MPa 以下很低的壓力；而在「跛足運轉」的階段，即使反應爐水位有下降，但是反應爐壓力沒有上升，因此燃料棒溫度也是低的。衰變熱雖讓水蒸發，但因為蒸發帶來的微風使爐心冷卻，讓燃料棒溫度維持在約攝氏 170 度。

        當停掉高壓冷卻水注入系統泵浦後，反應爐壓力隨即上升。原因是用於驅動高壓冷卻水注入系統的蒸氣無處可去，把反應爐變成「三溫暖」。另一原因是，高壓冷卻水注入系統泵浦的「跛足運轉」僅是只有在轉，實際上並沒有將冷水打上來，如同汽車的怠速空轉一樣。泵浦只是將爐心產生的蒸汽經由渦輪機導入抑壓室，就像管路一樣的功用，也就是做為蒸汽與衰變熱的排放口。運轉員停掉高壓冷卻水注入系統泵浦，等於是奪走反應爐移除衰變熱的能力。經過這許多曲折，最後 3 號機反應爐廠房於 14 日 11:01 發生氫氣爆炸。

圖 5. 福島第一核電廠附近輻射劑量變化圖，其中黑色線為電廠正門的數據。( 圖片來源：維基百科 )

        「事後諸葛亮」誰都會做，石川博士不忍苛責電廠的任何一人，因為在兵荒馬亂之際，恐怕連神仙都想不到高壓冷卻水注入系統有能力獨撐大局。

        結論：如果上述的減壓操作是在不停止高壓冷卻水注入系統的情形下進行，就可以避免 3 號機的爐心熔融。再進一步說， 2 號機也因此不會發生爐心熔融，也不會有後續 4 號機的事故。整起福島事故就會只局限於 1 號機的範圍而已，其後續影響力的巨大差異真是叫人欲哭無淚。

        因此可以看出高壓冷卻水注入系統的人為停機是何等重大的失誤！

如果不是 11 日深夜就開始緊急疏散

        在圖 5 中黑色曲線可以看到福島第一核電廠正門附近的輻射劑量有 2 次明顯上升。第 1 次在 12 日 04:00 左右，是由於 1號機爐心熔融所導致。爐心熔融將燃料中的微量輻射直接由廠房釋出到外界，因此電廠正門附近的輻射劑量上升到每小時約4 微西弗，相當於 1 年約 20 毫西弗，而住宅地區約 2 毫西弗，這和國際輻射防護委員會 (ICRP) 向日本政府建議的緊急時避難劑量 20-100 毫西弗比較顯然低很多，只有 1/10，因此不到必須讓居民避難的程度。

        但是到 14 日 22:00 偵測到第 2 次輻射劑量的上升，則是由於 2 號機的圍阻體破損導致，達到每小時約 300 微西弗，相當於 1 年約 1,500 毫西弗，在住宅地區則為150 毫西弗。如果遵守 ICRP 建議的話， 14 日深夜才需要發動居民避難。

        然而日本民主黨政府卻在震災當天 3 月11 日的深夜，在沒有任何預告下，突然發動居民避難。居民在緊急收拾細軟的踉蹌狀態下，搭上巴士，連去處都不是很確定的匆忙上路。根據國會事故調查委員會的文件，7 家醫院的住院患者以及養護中心的民眾，至少有 60 位由於緊急避難而死亡。在沒有明確的根據下，強行實施緊急避難的政府責任非常嚴重。

        福島事故發生 9 週年的今日，回顧以上的種種「如果」，實在令人感慨萬千。

( 本文譯者為台電公司退休工程師 )

        本文出自核能簡訊 2020.04 NO.183 & 2020.06 NO.184