【三哩島41周年長篇大論】
#嫌文字太多可以直接看圖 #或是直接搞懂幾個事實
今天是美國三哩島事故41周年(1979/3/28),也是去年三哩島電廠正式關閉後的半年,你沒看沒錯,一個曾經發生事故的電廠仍持續運轉至去年才與大家道別,而且本來預計運轉至2034年,但礙於美國便宜天然氣競爭下的營運虧損,只好提前打烊。
▋關於三哩島事故簡單的幾個事實:
1. 沒有任何人因為輻射或事故傷亡
2. 有爐心熔毀,但沒有任何爆炸
3. 有核輻射外洩,但是我覺得用滲出或飄出形容比較恰當
4. 實際廠外輻射暴露增加劑量僅一張X光不到
5. 周邊五英里居民曾因事故混亂預先撤離,十天後解除
6. 三哩島一號機運轉至2019年關閉,運轉績效一度為美國最佳
7. 因為三哩島,美國(世界)核工業才用更謹慎態度面對核安
8. 三哩島電廠所在之處的賓州有四成核電
▋PWR反應爐原理
壓水式反應爐(PWR)也是輕水反應爐的一種,另一為沸水式(BWR),如果要用廚房類比,沸水式叫做水煮,壓水式叫做清蒸。壓水式反應爐水循環主要有兩側(Primary and Secondary),一側的高壓冷卻水進入壓力槽,流經爐心吸收熱量後,流出壓力槽,進入蒸汽產生器,加熱低壓低溫的二次側飼水,使飼水沸騰,產生蒸汽,推動渦輪發電機,以產生電力。由於壓水式反應器冷卻水系統的一次側不會產生沸騰,而液態水為不可壓縮,因此為了調節反應器的壓力,反應器的出水管路上裝有調壓槽(Pressurizer),以調節系統壓力。
※調壓槽(事故關鍵)
調壓槽內,一半為水,一半為蒸汽。當冷卻水系統內的水溫因功率增加,或熱量無法移除而上升時,冷卻水體積膨脹,驅使冷卻水流入調壓槽,調壓槽水位因而上升,擠壓調壓槽上方的水蒸汽空間,造成調壓槽壓力升高,此時調壓槽上方的噴灑系統自動打開,灑入低溫的水將部份水蒸汽凝結,降低系統壓力。如果壓力上升幅度太大,噴灑系統不足以有效降低壓力,調壓槽上方的釋壓(安全)閥會自動開啟,將調壓槽內的水蒸汽洩放至圍阻體內的洩壓水槽(Pressurizer relief tank),快速將系統壓力降低。系統壓力降低後,安全閥會自動關閉。
※安全系統
三哩島電廠備有多樣的安全系統,其中較重要的有緊急爐心冷卻系統,及輔助飼水系統。壓水式反應器中,蒸汽產生器二次側飼水是移除爐心熱量的主要途徑,為了防止飼水喪失,爐心的熱量無法排除,因此設計有輔助飼水系統,於主飼水系統故障時自動啟動,代替原飼水泵打水,移除衰變熱。
▋事故過程
1978年12月,三哩島二號機正式商轉。過沒多久,1979年3月28日,清晨四點鐘,三哩島電廠二號機,由於化學除污系統的樹脂發生阻塞現象,使得凝結水泵跳脫,進而也使飼水泵和汽機跳脫(停止發電)。此時,原先備用應該要開啟的輔助飼水系統竟然因為維修時,沒有將進水閥打開,飼水迴路鎖死,導致反應器內衰變熱無法移除,造成反應器壓力快速上升,但調壓槽灑水系統自仍動啟動灑水降壓,釋壓閥亦開啟洩壓,但系統壓力仍繼續上升,觸及反應器急停設定值。控制棒插入爐心,核分裂反應停止。
反應器急停後,功率降低,反應器壓力亦隨之降低。當反應器壓力降至釋壓閥自動關閉點時,閥門卻故障沒有關閉,於是冷卻水由閥門持續流出。由於輔助飼水無法進入蒸汽產生器,使蒸汽產生器內二次側的水已逐漸被燒乾(變成蒸氣)。另一方面,釋壓閥的開啟造成反應器壓力持續下降,導致緊急爐心冷卻系統(ECCS)自動啟動,開始將高壓硼水注入爐心。(發生到這邊只過了50秒)
但操作員此時不知道蒸汽產生器已經沒有飼水(因為儀器燈號被掛牌遮蔽),且調壓槽釋卸壓閥發生故障沒有關閉(儀表燈號卻已經顯示關閉),直到4:08分的時候才找到原因,手動打開了輔助飼水泵的進水閥,但因為二次迴路上方充滿蒸氣進水不順,一次迴路也因為蒸氣產生導致熱交換不完全,接下來的注水措施則都因為卸壓閥故障導致處理誤判(過早關閉冷卻水注水系統),倒置爐上方產生蒸氣,燃料棒開始露出反應毀壞,到6:18分後,終於發現釋壓閥問題,以手動關閉之後,便全心處理反應爐內的衰變熱移除,最終在19:51危機暫時宣告解除,但最終爐心燃料棒也熔毀了將近50%,而即便填滿了冷卻水,爐內仍有少許氫氣泡,因為擔心發生氫爆,持續採取維持壓力緩慢注水以及洩壓排氣,最終於4/1解除危機,好個愚人節快樂。不過事後也證實當時氫氣量與爐內氧氣並不足以發生氫爆。
▋輻射外洩
過程中,因為自調壓槽釋壓閥流出的冷卻水進入位於圍阻體的洩壓水槽,洩壓水槽很快的被注滿,釋壓保護片破裂,使輻射水溢流到圍阻體的集水區,輻射氣體也因此瀰漫於圍阻體中。集水區水位升高,圍阻體集水機的抽水機自動啟動,將水送進輔助廠房,而輻射物質便隨著蒸發水從廠房煙囪緩慢洩露(飄出)於大氣之中。
3/29與3/30的時候,廠方則將氣體導向了放射廢氣槽,讓放射氣體得以先行過濾再做排出,最後排出的物質為惰性氣體以及碘131(較有害),大約37萬兆貝克,就是37000,000,000,000,000,000貝克,但結論是,這看起來很長一串數字所造成的輻射劑量,根據NRC,環保署,衛福部、能源部和賓州等幾個獨立的小組也進行了研究估計,僅約0.08~1毫西佛,在場工作人員也僅1毫西佛,均小於背景輻射,完全無法對人體造成傷害。
過程中,也因為現場秩序混亂,以及一度測得較原背景值高出百倍的輻射劑量,因此州長決定暫時疏散方圓五英里的孕婦以及小孩,而疏散於是發後十天解除,居民都得以返家。
在事故發生後的幾個月中,儘管有人質疑輻射對三浬島地區的人類,動物和植物生命可能造成的不利影響,但沒有一個問題與事故直接相關。監測該地區的各種政府機構收集了成千上萬的空氣,水,牛奶,植被,土壤和食品的環境樣本,全面調查和評估得出的結論是,儘管反應堆受到了嚴重破壞,但實際釋放對個人的身體健康或環境的影響可忽略不計。
▋後續改善
或許三哩島事件的發生,除了廠房設計改善外,或可怪罪於運轉人員的失誤。若運轉人員沒有因為誤信燈號,錯誤的將高壓注水系統關閉的話,整個事件也不會惡化。但從較廣泛的角度來檢討整個事件,該檢討的是,運轉人員有沒有受到適當的訓練、控制室的設計是否考慮到運轉人員操作上的便利、以及運轉員是否能充分掌握電廠重要系統的運轉狀況;還有在緊急狀況下,運轉人員能否獲得必要的協助等問題。因此,不再完全依賴調度人員的判斷,建立一連串的「是、否」機制應對事件發生,
同時核能界了解到:運轉人員的臨場應變對核能電廠安全的重要性,電廠控制室的人機介面也需要適當的改善,以及電力公司間運轉經驗相互交流的必要性。後一項的認知促成了美州核能運轉協會 (Institute of Nuclear Power Operation,簡稱INPO)及國際核能運轉組織 (World Organization of Nuclear Operation,簡稱WANO)等國際組織的成立,這些組織的主要功能即為核能電廠運轉經驗的交流,希望透過相互合作,提昇電廠的安全,其中INPO也成立了核電廠操作員培訓課程,建立完善了操作人員的認證制度。法規管制單位也意識到,核能界對爐心熔毀的物化現象瞭解不足,因此大幅度提高相關研究的經費。
從安全的角度來看,三哩島事件對核能電廠安全所帶來的衝擊是正面的,它促成了核能界全面檢討核能電廠的安全運作模式,發覺許多隱藏性盲點,進而提出相當多的改善方案,這些改善措施直接提昇了電廠的安全。
▋事後影響
三哩島事件之後,法規管制單位提出不少新的規定,要求電力公司改正缺失,其中不少牽涉到硬體設施的改善,這些要求使得核電的成本大幅攀升,美國也因此有好長一段時間未在新建核電廠,導致該國核工業呈現自我放飛狀態,以致後續要建置新電廠時,供應鏈廠商挑選太過複雜難以整合(大家都能做,但不知道怎麼做),因此讓新核電廠的建置處處碰壁,直到川普政府決心傾國家之力發展核能。
此外美國以及世界反核運動的興起,電影China Syndrome的渲染下讓民眾對核能更加恐慌,促成了反核流行文化產業,也讓美國人對於核電的態度在當時即不信任,但到現在,發生事故的賓州有四成電力來自核電。
三哩島電廠方面,事故二號機最後的清理費用為9.73億美元,相較於福島或車諾比事故少非常多,最後它的發電機也賣給了其他核電廠做升級汰換使用,加減補貼。至於一號機,因為事故壓力,它只能拿出更好的表現來說服所有人它值得被使用,也確實它表現卓越,較美國其他核電機組的指標都更加凸出,創下了616天營運不間斷的紀錄,因此於2009年時,申請再延20年通過,但因為化石燃料產業的快速變動,頁岩油氣挖掘讓天然氣成本快速下降,最後即便核電便宜,但背負2號機債務的1號機也無法與天然氣在市場競爭,因此決定於2019年關門,三哩島電廠共計營運45年,正式進入除役階段。
但其實只差那麼一小步,一號機就得以因為賓州加入的區域溫室氣體倡議計畫RGGI (Regional Greenhouse Gas Initiative),因為零碳電力的特性相對獲得碳稅補助,繼續生存,同樣位於賓州的Beaver Valley電廠即因此政策繼續營運。
▋參考資料
WNA-Three Mile Island Accident
https://reurl.cc/E7Z55v
Backgrounder on the Three Mile Island Accident
https://reurl.cc/V65bbA
三哩島事故時序
https://reurl.cc/Y1jKAD
Pennsylvania Move to Join RGGI May Save Nuclear Plant
https://reurl.cc/L37KkK
事故圖片取材HyperPhysics
https://reurl.cc/R4b3Z6
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今天是美國三哩島事故41周年(1979/3/28),也是去年三哩島電廠正式關閉後的半年,你沒看沒錯,一個曾經發生事故的電廠仍持續運轉至去年才與大家道別,而且本來預計運轉至2034年,但礙於美國便宜天然氣競爭下的營運虧損,只好提前打烊。
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1. 沒有任何人因為輻射或事故傷亡
2. 有爐心熔毀,但沒有任何爆炸
3. 有核輻射外洩,但是我覺得用滲出或飄出形容比較恰當
4. 實際廠外輻射暴露增加劑量僅一張X光不到
5. 周邊五英里居民曾因事故混亂預先撤離,十天後解除
6. 三哩島一號機運轉至2019年關閉,運轉績效一度為美國最佳
7. 因為三哩島,美國(世界)核工業才用更謹慎態度面對核安
8. 三哩島電廠所在之處的賓州有四成核電
▋PWR反應爐原理
壓水式反應爐(PWR)也是輕水反應爐的一種,另一為沸水式(BWR),如果要用廚房類比,沸水式叫做水煮,壓水式叫做清蒸。壓水式反應爐水循環主要有兩側(Primary and Secondary),一側的高壓冷卻水進入壓力槽,流經爐心吸收熱量後,流出壓力槽,進入蒸汽產生器,加熱低壓低溫的二次側飼水,使飼水沸騰,產生蒸汽,推動渦輪發電機,以產生電力。由於壓水式反應器冷卻水系統的一次側不會產生沸騰,而液態水為不可壓縮,因此為了調節反應器的壓力,反應器的出水管路上裝有調壓槽(Pressurizer),以調節系統壓力。
※調壓槽(事故關鍵)
調壓槽內,一半為水,一半為蒸汽。當冷卻水系統內的水溫因功率增加,或熱量無法移除而上升時,冷卻水體積膨脹,驅使冷卻水流入調壓槽,調壓槽水位因而上升,擠壓調壓槽上方的水蒸汽空間,造成調壓槽壓力升高,此時調壓槽上方的噴灑系統自動打開,灑入低溫的水將部份水蒸汽凝結,降低系統壓力。如果壓力上升幅度太大,噴灑系統不足以有效降低壓力,調壓槽上方的釋壓(安全)閥會自動開啟,將調壓槽內的水蒸汽洩放至圍阻體內的洩壓水槽(Pressurizer relief tank),快速將系統壓力降低。系統壓力降低後,安全閥會自動關閉。
※安全系統
三哩島電廠備有多樣的安全系統,其中較重要的有緊急爐心冷卻系統,及輔助飼水系統。壓水式反應器中,蒸汽產生器二次側飼水是移除爐心熱量的主要途徑,為了防止飼水喪失,爐心的熱量無法排除,因此設計有輔助飼水系統,於主飼水系統故障時自動啟動,代替原飼水泵打水,移除衰變熱。
▋事故過程
1978年12月,三哩島二號機正式商轉。過沒多久,1979年3月28日,清晨四點鐘,三哩島電廠二號機,由於化學除污系統的樹脂發生阻塞現象,使得凝結水泵跳脫,進而也使飼水泵和汽機跳脫(停止發電)。此時,原先備用應該要開啟的輔助飼水系統竟然因為維修時,沒有將進水閥打開,飼水迴路鎖死,導致反應器內衰變熱無法移除,造成反應器壓力快速上升,但調壓槽灑水系統自仍動啟動灑水降壓,釋壓閥亦開啟洩壓,但系統壓力仍繼續上升,觸及反應器急停設定值。控制棒插入爐心,核分裂反應停止。
反應器急停後,功率降低,反應器壓力亦隨之降低。當反應器壓力降至釋壓閥自動關閉點時,閥門卻故障沒有關閉,於是冷卻水由閥門持續流出。由於輔助飼水無法進入蒸汽產生器,使蒸汽產生器內二次側的水已逐漸被燒乾(變成蒸氣)。另一方面,釋壓閥的開啟造成反應器壓力持續下降,導致緊急爐心冷卻系統(ECCS)自動啟動,開始將高壓硼水注入爐心。(發生到這邊只過了50秒)
但操作員此時不知道蒸汽產生器已經沒有飼水(因為儀器燈號被掛牌遮蔽),且調壓槽釋卸壓閥發生故障沒有關閉(儀表燈號卻已經顯示關閉),直到4:08分的時候才找到原因,手動打開了輔助飼水泵的進水閥,但因為二次迴路上方充滿蒸氣進水不順,一次迴路也因為蒸氣產生導致熱交換不完全,接下來的注水措施則都因為卸壓閥故障導致處理誤判(過早關閉冷卻水注水系統),倒置爐上方產生蒸氣,燃料棒開始露出反應毀壞,到6:18分後,終於發現釋壓閥問題,以手動關閉之後,便全心處理反應爐內的衰變熱移除,最終在19:51危機暫時宣告解除,但最終爐心燃料棒也熔毀了將近50%,而即便填滿了冷卻水,爐內仍有少許氫氣泡,因為擔心發生氫爆,持續採取維持壓力緩慢注水以及洩壓排氣,最終於4/1解除危機,好個愚人節快樂。不過事後也證實當時氫氣量與爐內氧氣並不足以發生氫爆。
▋輻射外洩
過程中,因為自調壓槽釋壓閥流出的冷卻水進入位於圍阻體的洩壓水槽,洩壓水槽很快的被注滿,釋壓保護片破裂,使輻射水溢流到圍阻體的集水區,輻射氣體也因此瀰漫於圍阻體中。集水區水位升高,圍阻體集水機的抽水機自動啟動,將水送進輔助廠房,而輻射物質便隨著蒸發水從廠房煙囪緩慢洩露(飄出)於大氣之中。
3/29與3/30的時候,廠方則將氣體導向了放射廢氣槽,讓放射氣體得以先行過濾再做排出,最後排出的物質為惰性氣體以及碘131(較有害),大約37萬兆貝克,就是37000,000,000,000,000,000貝克,但結論是,這看起來很長一串數字所造成的輻射劑量,根據NRC,環保署,衛福部、能源部和賓州等幾個獨立的小組也進行了研究估計,僅約0.08~1毫西佛,在場工作人員也僅1毫西佛,均小於背景輻射,完全無法對人體造成傷害。
過程中,也因為現場秩序混亂,以及一度測得較原背景值高出百倍的輻射劑量,因此州長決定暫時疏散方圓五英里的孕婦以及小孩,而疏散於是發後十天解除,居民都得以返家。
在事故發生後的幾個月中,儘管有人質疑輻射對三浬島地區的人類,動物和植物生命可能造成的不利影響,但沒有一個問題與事故直接相關。監測該地區的各種政府機構收集了成千上萬的空氣,水,牛奶,植被,土壤和食品的環境樣本,全面調查和評估得出的結論是,儘管反應堆受到了嚴重破壞,但實際釋放對個人的身體健康或環境的影響可忽略不計。
▋後續改善
或許三哩島事件的發生,除了廠房設計改善外,或可怪罪於運轉人員的失誤。若運轉人員沒有因為誤信燈號,錯誤的將高壓注水系統關閉的話,整個事件也不會惡化。但從較廣泛的角度來檢討整個事件,該檢討的是,運轉人員有沒有受到適當的訓練、控制室的設計是否考慮到運轉人員操作上的便利、以及運轉員是否能充分掌握電廠重要系統的運轉狀況;還有在緊急狀況下,運轉人員能否獲得必要的協助等問題。因此,不再完全依賴調度人員的判斷,建立一連串的「是、否」機制應對事件發生,
同時核能界了解到:運轉人員的臨場應變對核能電廠安全的重要性,電廠控制室的人機介面也需要適當的改善,以及電力公司間運轉經驗相互交流的必要性。後一項的認知促成了美州核能運轉協會 (Institute of Nuclear Power Operation,簡稱INPO)及國際核能運轉組織 (World Organization of Nuclear Operation,簡稱WANO)等國際組織的成立,這些組織的主要功能即為核能電廠運轉經驗的交流,希望透過相互合作,提昇電廠的安全,其中INPO也成立了核電廠操作員培訓課程,建立完善了操作人員的認證制度。法規管制單位也意識到,核能界對爐心熔毀的物化現象瞭解不足,因此大幅度提高相關研究的經費。
從安全的角度來看,三哩島事件對核能電廠安全所帶來的衝擊是正面的,它促成了核能界全面檢討核能電廠的安全運作模式,發覺許多隱藏性盲點,進而提出相當多的改善方案,這些改善措施直接提昇了電廠的安全。
▋事後影響
三哩島事件之後,法規管制單位提出不少新的規定,要求電力公司改正缺失,其中不少牽涉到硬體設施的改善,這些要求使得核電的成本大幅攀升,美國也因此有好長一段時間未在新建核電廠,導致該國核工業呈現自我放飛狀態,以致後續要建置新電廠時,供應鏈廠商挑選太過複雜難以整合(大家都能做,但不知道怎麼做),因此讓新核電廠的建置處處碰壁,直到川普政府決心傾國家之力發展核能。
此外美國以及世界反核運動的興起,電影China Syndrome的渲染下讓民眾對核能更加恐慌,促成了反核流行文化產業,也讓美國人對於核電的態度在當時即不信任,但到現在,發生事故的賓州有四成電力來自核電。
三哩島電廠方面,事故二號機最後的清理費用為9.73億美元,相較於福島或車諾比事故少非常多,最後它的發電機也賣給了其他核電廠做升級汰換使用,加減補貼。至於一號機,因為事故壓力,它只能拿出更好的表現來說服所有人它值得被使用,也確實它表現卓越,較美國其他核電機組的指標都更加凸出,創下了616天營運不間斷的紀錄,因此於2009年時,申請再延20年通過,但因為化石燃料產業的快速變動,頁岩油氣挖掘讓天然氣成本快速下降,最後即便核電便宜,但背負2號機債務的1號機也無法與天然氣在市場競爭,因此決定於2019年關門,三哩島電廠共計營運45年,正式進入除役階段。
但其實只差那麼一小步,一號機就得以因為賓州加入的區域溫室氣體倡議計畫RGGI (Regional Greenhouse Gas Initiative),因為零碳電力的特性相對獲得碳稅補助,繼續生存,同樣位於賓州的Beaver Valley電廠即因此政策繼續營運。
▋參考資料
WNA-Three Mile Island Accident
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Backgrounder on the Three Mile Island Accident
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三哩島事故時序
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