文 劉振乾
RCIC: 反應爐隔離冷卻系統
因為 RCIC 在沸水式反應爐 (BWR) 發生事故時的冷卻占有舉足輕重的地位，特設專節加以介紹。
使用蒸汽渦輪驅動泵浦達成冷卻目的，動力來源為反應爐的衰變熱，使用直流電源 ( 電池 ) 來控制。如圖 1 所示，採用圍阻體抑壓池 (SC) 內的積水為冷卻水，並且將反應爐所產生的蒸汽送回到抑壓池，自成一個封閉的循環迴路。此型反應爐的抑壓池水量約為 3,000 噸，是針對 8小時的停電而設計。假設 RCIC 能使用到它一半的水量蒸發出去，大致能冷卻反應爐兩天 [1]。
因此只要 RCIC 運轉中，就不會發生爐心熔融。燃料棒的溫度與冷卻水相同，約為 300 度，女川核電廠還有鄰近的福島第二核電廠、東海第二核電廠都是靠RCIC 達成冷溫停機。
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| 圖 1. 反應爐隔離冷卻系統（RCIC）圖 |
爐心熔融的經過
福島第一核電廠 2 號機的 RCIC 可能在3 月 14 日上午 11:00左右停掉。很偶然的， 3 號機的反應爐廠房在 11:01 發生爆炸，使得為 2 號機注水而準備的管線與消防車受損，以致當天晚上 8:00 左右才開始對 2號機注水。
東電錯失可以避免爐心熔融的良機
結論：即使爐心完全無水，變為乾燒狀態，但是還沒有發生「爐心熔融」。此一證據是福島事故第一次展現給世人的重要知識 [2]。直到注水開始約 2 小時內，都沒有發生爐心燃料的崩壞與熔融 [3]。
燃料棒溫度由於減壓沸騰而從 1,000度降到 150 度，如果與此減壓同時將海水灌入反應爐中，就不會發生爐心熔融。因為當低溫時，被氧化膜包得緊緊的鋯不會與水發生反應。不會發生「鋯水反應」的話，即使燃料棒分斷、崩落，也不會引起爐心熔融，因為分斷的燃料破片會被水冷卻 [4]。可惜，東電錯失此良機。
14 日晚上 9:00 到 15 日早上，反應爐有 3 次的壓力急速上升，表示有 3 次的爐心熔融 [5]。
福島 1 號機正門附近劑量率的變化：14 日晚上 10:00 與 15 日早上 6:00 兩次的高峰值，可以視為從 2 號機釋出的輻射， 15 日早上 6:00 的是從圍阻體的破洞洩漏出來的 [6]。
14 日晚上 6:00 左右，水位降到爐心的最低部。其燃料狀態相當於圖 3（原圖 1.2.10) 的 B 第二階段。當減壓 (30 分鐘內由 7.5Mpa 降到 0.5Mpa) 時，原來在 1,000 度左右的爐心燃料，受到減壓沸騰的蒸汽冷卻，降到接近水的飽和溫度約150-160 度。相當於圖 3 的 C 第三階段。此時如能將海水灌入反應爐中，就不會發生爐心熔融。
但是海水灌入反應爐的時間是 14 日晚上 7:54，這時燃料溫度已恢復到 1,500度，相當於圖 3 的 D 第四階段。14 日深夜到 15 日清晨反應爐有兩次的壓力急遽上升，顯示有 2 次大的「鋯水反應」。
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| 表 1. 2 號機爐心熔融的經過 |
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| 圖 2. 2 號機反應爐水位變化（測量值） |
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| 圖3. 2號機爐心狀況的進展（模式圖） |
氫氣的流出
圍阻體的上方有一處稱為反應爐穴的地方，約只有 300 立方公尺的密閉空間。上面是當燃料棒交換作業時要移動的混凝土製的「反應爐穴密封塊」，它的重量約有600 噸。2 公尺厚的混凝土塊帶來的壓力只有 0.05 Mpa 而已，相當於水柱 5 公尺高的壓力 [7]。
圍阻體乾井的壓力有 0.8Mpa，只要有少許的氫氣從圍阻體上升，要讓 300 立方公尺空間的反應爐穴壓力上升 0.05 Mpa是很容易的事。因此反應爐穴密封塊就被舉起，而氫氣從這空隙流到 5 樓的燃料交換樓層。當反應爐穴的壓力下降，失去把反應爐穴密封塊舉起的力量時，氫氣自然停止流動。
2 號機的反應爐廠房，由於 12 日 1 號機的爆炸，造成燃料交換樓層牆壁上的防止氫氣噴出的「噴出片 (blow out panel)」掉了，出現一個大洞，氫氣就沿著這大洞流到外側。時間大約是 14 日晚上10:00[8]。( 譯註：blow out panel 的設計是為防止圍阻體因為壓力過高而破損。)
結論[9]
與三哩島事故相比，2 號機帶來新的知識見解及其理由，簡單歸納如下：
1.即使爐心完全無水，燃料無法冷卻變為灼熱狀態，一直到注水開始之前約 2 小時內，還沒有發生爐心燃料的崩壞與熔融。
2.當注入的海水到達爐心底部的時候，產生燃料的分斷、爐心的崩壞，因為高溫鋯與海水的氧化反應引起爐心熔融。這與三哩島的爐心熔融是同樣過程。
3.由於爐心熔融產生大量的氫氣，因為圍阻體壓力的急劇上升，將圍阻體上蓋頂起，從其空隙流出的氫氣壓力將反應爐穴密封塊舉起，氫氣於是進入反應爐廠房，並從噴出片流到外部環境。
4.由於熔融爐心釋出的輻射被直接釋放到大氣中，電廠周邊的劑量率大幅超過原子能總署的避難建議劑量。
5.如果減壓同時將海水灌入反應爐中，就不會發生爐心熔融。
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 p97，[2] 參考 p.101，[3] 參考 p.123，[4] 參考 p.103，[5] 參考 p.106，[6] 參考 p.115，[7] 參考 p.113，[8] 參
考 p.115，[9] 參考 p.123
本文出自核能簡訊 2020.10 NO.186
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