文 劉振乾
從以下開始，除非另有註明，都是屬於筆者將原著融會貫通後以表列及敘述方式顯示出來的。
「中國症候群」給我們的啟示 [1]
美國三哩島事故最重要的結論：爐心熔融的原因不是來自反應爐的衰變熱，而是來自高溫鋯與水的激烈化學反應。
在三哩島事故以前，大家認為爐心熔融是發生在爐心燃料中二氧化鈾的熔點、攝氏 2,880 度這種非常高溫的時候，因此鋼製的壓力容器 ( 熔點約 1,400 度 ) 就會被輕易地熔化，接著熔融的爐心會從某個洞口落下，衰變熱就會將圍阻體的混凝土地板( 熔點約攝氏 1,600 度 ) 熔化。大家對此深信不疑，甚至有人為此而製作出電腦的解析程式，可見如何深入人心。
將此觀念加以電影化的正是「中國症候群 (China syndrome)」這部電影，因此導致美國需要花費 20 年時間重新建立民眾對核電的必要性共識，而日本 NHK 所製作的報導也是基於此觀念才問世的。
「爐心熔融等於 melt down」此一錯誤觀念深植於多數核能從業人員腦海中，證明其錯誤的則是花費 10 年工夫在 1989 年建立起來的三哩島事故爐心熔融圖 ( 圖 1)。在當時沒有一位想到過，熔融的爐心會留置在壓力容器內的事實。由此證明「中國症候群」這種過度的焦慮是不必要的。
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| 圖 1. 美國三哩島的爐心熔融圖( 圖片來源：原著 P.20，圖 1.1.1) |
與工程一般常識完全不同的破壞方式[2]
在實驗中，反應爐的燃料棒只靠過度的加熱，是很不容易熔融破損的。理由是二氧化鈾的熔點是攝氏 2,880 度，非常的高溫，而另一點是燃料護套材料的鋯會氧化，而形成氧化鋯的薄膜 ( 熔點約 2,700 度 )。這薄膜會在冷卻瞬間變得脆弱而斷掉。此外，氧化鋯也會進入熔融的二氧化鈾中成為接著劑，維持燃料棒的形狀不至於支離破碎 ( 見圖 2)。
因此，燃料棒並不是由於燒斷而熔融，是因為冷卻後氧化膜破裂而四分五裂，稱為「分斷」。分斷後的燃料棒，由於表面冷卻因此不會互相融著，留下許多空隙(communication path)，靠著流經其中的水更進一步的被冷卻。( 註：此一過程在三哩島事故前就已藉實驗證明 )
這正是從未經歷過的，與工程上一般的常識完全不同的破壞方式，理由則在於燃料護套的鋯的氧化膜特性。三哩島的爐心如此，福島事故的反應爐爐心的破壞經過也同樣如此。
氧化鋯薄膜的神奇效果[3]
牛奶在沸騰之前，表面會形成薄膜。異常黏固強韌而不易破裂。燃料護套的鋯的氧化物也有同樣性質。氧化鋯的薄膜在表面形成後，很不容易讓水浸透其內。且其熔點接近 2,700 度，與本體的鋯合金的熔點約 1,800 度相比，提升很多。
在美國所做的「出力冷卻不均衡實驗 (PBF PCM-1)」得到下述的證據：「在灼熱狀態且沒有損壞的燃料棒，在冷卻反應爐的那一瞬間卻破掉，其證據來自輻射外洩。」這正是前所未見的奇怪的損壞方法。也就是說，燃料棒不像鍋爐的水管一樣會因高熱而馬上燒斷。
1,200 度的「魔咒」[4]
在 PCM-1 實驗中得知，燃料表面溫度即使超過 1,500 度，燃料棒也不會熔融，且維持達 8 分鐘之久。而另一方面，安全基準則規定，當鋯溫度超過 1,200 度以上，氧化反應不會中止，而會讓燃料棒熔融。
這 1,200 度的基準值太過於出名，以致於許多核能從業人員都認為當燃料護套的表面溫度超過 1,200 度就會讓爐心熔融。
這一想法是錯誤的。實際上燃料超過1,500 度，燃料棒也沒有熔融，仍然屹立存在。其理由為燃料棒的溫度上升並非一步登天一下就到 1,500 度，而在溫度上升的過程中，燃料表面就會形成氧化膜。受到這氧化膜的保護，在護套內部的鋯，即使超過 1,500 度也不會與水有所接觸，因此氧化無法進行。
鋯的氧化反應 [5]：鋯在 800 度時就會與水產生反應，形成氧化鋯的薄膜。溫度越高氧化反應越激烈，當超過 1,300 度後，氧化反應就不會中止而一直進行到所有鋯都氧化為止。因此為了安全，從 1,300 度扣掉 100 度，設定以 1,200 度為燃料護套最高溫度。
三哩島的化石
三哩島的爐心熔融在兩分鐘內完成。這是因為鋯水反應的熱量是非常激烈的(p.41:586KJ/1mol)。這巨大的熱量讓後續的反應再次發生，愈演愈烈，必須在所有鋯都完全氧化後才會中止，這是三哩島事故留下的寶貴事實 [6] 。
三哩島的爐心熔融圖完成於 1989 年 ( 事故後 10 年 )。三哩島的熔融爐心在事故後10 多小時就冷卻下來，因此到完全的爐心熔融的整個過程就成為化石，而顯示出其形成過程 [7]。
最後談結論：在冷卻劑 ( 水 ) 充分供應的情形下，在灼熱狀態的燃料棒與水產生反應而引起爐心熔融 [8]。這一結論，請務必記住，往後討論福島第一核電廠第 1-3 號機的細節時都會用到。
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| 圖 2. 事故時燃料護套溫度與燃料棒的狀態圖 ( 圖片來源：原著 P.45，圖 1.1.5，本文作者譯 ) |
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| 圖 3. 福島 1 號機正門附近劑量率的變化 ( 單位：微西弗 / 小時 ) ( 圖片來源：原著 P.79，圖 1.2.4) |
解讀福島2號機爐心熔融的經過
為了解讀福島事故經過，石川迪夫先生花了巨大篇幅加以解讀 1-3 號機的情形。文中的表除另有註明之外，乃譯者參考石川先生大作所自行製作。
執政當局的錯誤疏散政策導致 60 名患者的死亡：「這 60 名患者的死亡都與『輻射』無關，是死於舟車勞頓、在異地得不到周全的醫療照顧所致。」
圖 3 所顯示的正門附近的劑量率變化很大，似乎是很複雜的樣子。不過仔細看，大致可看出由於爐心熔融以致背景劑量上升，還有因為釋壓閥 (VENT) 逸氣的關係，不定期的在短時間內上升，共兩次的大幅上升。
12 日上午 4 時，最初的輻射劑量率上升是來自 1 號機的爐心熔融。而 1 號機的實施釋壓閥逸氣是在 12 日上午 10 時，因此這時候的上升是與 VENT 無關的。其結果，電廠正門附近的劑量率升到每小時約 4 微西弗。這劑量並不是高到需要疏散居民的情形。而這狀態一直持續到 15 日，雖然其間有實施釋壓閥逸氣以及 3 號機的爆炸，但是沒有影響到劑量率。
不過到 15 日早晨，由於 2 號機圍阻體的破損，直接釋出輻射。因此正門附近劑量率瞬間增加約 100 倍，達到 300 微西弗 / 小時。另將圖 3 的重點整理為表 2。
實際避難開始於 11 日深夜，按照表 2， 3 月 15 日 0:00 才達到需要避難的標準。但卻造成 7 家醫院與安養院超過 60 名患者的死亡，不按正規「緊急時避難」的作法顯示出執政當局的錯誤。
事故後經過 3 年的輻射釋出量已降低到事故當時最大釋出量的一億分之一 [10]。
參考資料：
《考證 福島核能事故—爐心熔融與氫爆如何發生》，石川迪夫，日本電氣協會新聞部，06/16/2014
[1] 參考 p.62，[2] 參考 p.40，[3] 參考 p.36，[4] 參考 p.43，[5] 參考 p.41，[6] 參考 p.53，[7] 參考 p.59，[8] 參考 p.61，
[9] 參考 p.78，[10] 參考 p.81
本文出自核能簡訊 2020.08 NO.185
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