文 劉振乾
解讀 3 號機爐心熔融的經過
2011 年 3 月 12 日 12:35「爐心在冷卻狀態，此時如果電力復原，就不會發生熔融。」先整理成一張表，比較容易說明（詳見表 1）。
手動停止HPCI 的運轉，是一大敗筆 [1]
先從結論談起：只要不停掉高壓爐心冷卻系統 (HPCI)，讓它維持「龜速運轉」，而同時減壓，就不會發生 3 號機的爐心崩壞、熔融與爆炸。[2]
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| 表 1. 3 號機爐心熔融的經過 |
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| 表 2. 3 號機爐心熔融的經過 ( 續 ) |
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| 圖 1. 3 號機反應爐壓力水位的變化 |
其證據為圖 1，請看它的反應爐壓力。 12 日 12:35HPCI 啟動，由於其泵浦容量大，使反應爐過度冷卻。因此反應爐壓力過度下降，讓 HPCI 的驅動蒸氣壓力減少，因此泵浦的回轉數降低，隨時都可能停掉。
直到 HPCI 泵浦手動停止運轉的 13 日02:30 之前，反應爐壓力都維持在 1Mpa以下非常低的壓力。在維持「龜速運轉」的期間，雖然有由於蒸發導致的反應爐水位下降，但是反應爐壓力沒有上升，連帶的燃料棒溫度也低，只有 0.5% 的衰變熱，靠著徐徐吹來的蒸氣就把爐心冷卻掉，燃料棒溫度最多在攝氏 160-170 度。讓此狀況改變的正是 HPCI 泵浦的手動停止。
當HPCI 停止後，反應爐壓力馬上上升。其理由為用於驅動 HPCI 的蒸氣失了去處，將反應爐化為「三溫暖」。衰變熱讓燃料棒溫度上升，同時失了去處的蒸氣則使反應爐壓力往上漲。
3 號機的發熱量為約 10,000kW，每小時可蒸發 7Mpa 的飽和水約 25 噸，如果是海水則可蒸發 13 噸。
3 號機的水位下降來自於衰變熱的反應爐水的蒸發，這正表示 HPCI 泵浦的「龜速運轉」狀態，只有轉動，卻沒有將冷水打進來。因此就像汽車的「空轉」一樣， HPCI 只是扮演將爐心產生的蒸汽經由渦輪回流到抑制池 (suppression chamber)的「管路」的功用而已。手動停止 HPCI 泵浦，正如同從反應爐奪走衰變熱的除熱手段。
不過，在那種兵荒馬亂的時刻，要運轉員領悟這一點，真是難上加難。連石川先生都說，如果讓他身處其境，也很難想像他會領悟其中奧妙，而讓 HPCI 繼續運轉下去。
「直流電源」的存活 [5]
3 號機比 2 號機強的地方是，當海嘯來的時候，它的直流電源有一部分活下來。因此 RCIC 可以在控制下運轉。而圍阻體釋壓也按照計畫實施，消防車的注水也比較順暢，但是為什麼比 2 號機早一步爐心崩壞、熔融與爆炸呢？由於有直流電源，運轉紀錄留下來的特別多，也就更容易了解當時的情況。
3 號機的總結[6]
1. 爐心熔融的理由與 2 號機相同，是混合熔融物 ( 主體為鋯 ) 與水激烈的反應熱。
2. 因為激烈的反應熱所產生的大量的氫氣，將圍阻體上蓋、「反應爐穴密封塊」頂起，流入到反應爐廠房，與室內的空氣混合形成爆炸性瓦斯，在 3 號機反應爐廠房產生爆炸。沸水式反應爐的圍阻體上蓋約有 600 噸重，而車諾比核電廠的上蓋有 1,600 噸重。
3. 爆炸的著火源是當被舉起的「反應爐穴密封塊」掉落時發生撞擊所產生的火花。
4. 藉由消防泵浦的注水量少，且是維持了很長時間。正像「溫水煮青蛙」一般。因此混合熔融物 ( 主體為鋯 ) 與水的反應不活潑，只是慢燉出細活。在這狀態下，並沒有爐心熔化到反應爐壓力容器(RPV) 之外的數據。當圍阻體的壓力達到 0.4-0.5Mpa 的時候，圍阻體的機器搬運口會產生空隙，從這空隙就會漏出氫氣，而這氫氣又流竄到 4 號機，引起4 號機的爆炸。此外，由釋壓閥排出的氫氣，經排氣設備逆流到 4 號機反應爐廠房，造成 4 號機爆炸的原因。
總結：3 號機如果不停掉HPCI 而做減壓注水，就不會發生爐心熔融。
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| 圖 2. 事故後車諾比核電廠反應爐的狀況 |
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 p135，[2] 參考 p.158，[3] 參考 p.157，[4] 參考
p.145，[5] 參考 p.126, p129, p130，[6] 參考 p.159
本文出自核能簡訊 2020.12 NO.187
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