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核電廠應該多安全?

日本福島核電廠的意外事故,讓全世界更加關注核電廠的安全設計。美國有多座興建中的新一代核反應器,這種反應器真的夠安全嗎?
撰文╱派爾(Adam Piore)翻譯╱甘錫安

重點提要
■美國的電力公司已申請興建24座新反應器。這些反應器的設計正在重新接受審核,確定其是否可安然度過嚴重的事故。
■事故發生時,即使電力完全中斷,新設計中的安全功能仍可發揮作用,不需要人員介入。
■目前居於領導地位的西屋公司AP1000反應器受到大眾的質疑,使得美國核能管制委員會最終能否批准,情況更加複雜化。
■即使先進的設計可承受大規模地震和海嘯,甚至飛機撞擊,電力公司仍必須在設計費用與安全考量間達到平衡。

距離發生事故的日本福島第一核電廠半個地球之外,美國喬治亞州茂密的松樹林中,數百名工人正在整地,為他們仍相信正在逐步實現的美國核能復興預做準備。地 表下有一大片剛壓實的土方,底下是總長數公里的管線和暴雨排水管,推土機在上面轟隆隆地來回行駛。如果一切順利,明年這裡就會出現兩座新的核反應器,也是 25年來美國核准興建的第一批反應器。

這兩座反應器將成為起跑槍聲,宣示美國新一波的核能發電擴張。1979年三哩島核電廠發生部份爐心熔毀事故後,美國的核電發展就陷入停滯。如今,氣候變遷 的威脅使核電從環境隱憂變成極具潛力的無碳能源;小布希和歐巴馬兩任美國總統也接納核電,希望藉此促進新建設。自數十年前建造了104座反應器以來,現在 除了喬治亞州的兩座反應器,美國核能管制委員會(NRC)也在審核其他20多座的興建提案。

這些新建的反應器中,有一半以上是AP1000(包括喬治亞州佛格托核電廠的兩座)。這是第一款新世代反應器,具備「被動式」安全功能,可防範類似日本那樣的核災。發生意外時,這種反應器可藉由重力和凝結等自然現象,防止核燃料溫度過高——福島核電廠缺的正是這種功能。

就在幾個月之前,喬治亞州的兩座AP1000眼看要通過NRC審核的最後階段,今年可開始建造。但福島核電廠3月遭遇規模9.0的強烈地震和大海嘯侵襲, 造成四座反應器中的高溫爐心無法冷卻,使大眾再次注意到核災的可能性。根據民意調查,幾星期內,支持建造新反應器的美國民眾比率由事故前的49%減少到 41%。這代表再怎麼保證風險極小、反應器的保護措施極為強固,大眾還是不信任核能技術。福島事件更活生生證明了風險評估有其限制。

儘管有完善的事前規劃,核能永遠可能出現「黑天鵝事件」,也就是發生機率極低但後果極為嚴重的事件。罕見事件(尤其是從未發生過的)不僅難以預測、事先規 劃成本高昂,而且容易因為統計數字而被低估。每一萬年才會發生一次的事情,不表示明天不會發生。在通常為40年的核能電廠使用年限中,基本假設也可能改 變,例如2001年發生911事件時,還有2005年的卡崔娜颶風、今年3月的福島事件等。

潛在的黑天鵝事件多不勝數。核子反應器和用過燃料池是恐怖份子劫機後的攻擊目標;美國反應器往往位於水壩下方,一旦爆炸就可能引發大洪水;有些反應器相當 接近地震斷層或海岸線,可能遭到海嘯或大風浪侵襲。這些威脅儘管各不相同,但造成的極端危險狀態與三哩島和福島等事件相當類似,都是冷卻機能嚴重故障、放 射性燃料棒過熱熔毀,最後釋出致命的放射性物質(車諾比則是爆炸使爐心燃燒)。

為這類狀態預做準備本身就已相當困難,更何況還有預算限制。電力公司已經努力降低建造反應器的先期花費,而即使取得許可和建造程序已經簡化,以每百萬瓦的 平均成本而言,核電廠的建造成本仍然將近燃煤火力發電廠的兩倍,更是天然氣發電廠的將近五倍之多。建造成本的差距可以靠較低的運轉成本平衡過來。煤的價格 大約是核燃料的四倍,而天然氣更高達10倍。不過,核電廠必須能以高發電量運轉多年,價差優勢才能真正顯現出來。1970和1980年代,核電廠不時因維 修和安全問題而停機,減少了運轉獲益。為了提升核能的競爭力,廠商一直努力簡化系統並提高穩定度,降低建造成本及減少停機次數,同時維持相同的安全餘裕。

當然,即使工程師將反應器放在厚重的圍阻牆內、密不透風的地下洞穴中、或是雇用靈媒來預言未來,要建造完全免於各種威脅的反應器也是不可能的。工程師在設 計AP1000時,一定努力尋求能克服物理、成本和災難等眾多限制的最佳方案,提出的設計也必然是權衡之下的結果。在福島事件後,民眾心中最大的疑惑就 是:核能反應器夠安全嗎?

以被動防護對抗災難
正在接受NRC審核的AP1000和其他Gen III+反應器,在設計時考慮到的災難和日本此次發生的事故不同。1979年發生於三哩島電廠的部份爐心熔毀事故,主要原因不是自然災害,而是人為疏失。 幾個月內,工程師腦力激盪,提出反應器改良方案、簡化安全功能,同時增添不需人員介入即可發揮作用的冷卻備援功能。AP1000等Gen III+反應器就是這次努力的成果。

AP1000內的冷卻水在封閉的管線系統中循環流動。冷卻水處於高壓之下,因此水流過反應器爐心時會吸收熱但不會蒸發,管線本身則是以附屬水槽的水加以冷 卻。如果幫浦失去電力,反應器還有備用電池。如果電池也失效,還有重力可接替進行冷卻。反應器的鋼鐵圓頂圍阻容器內有三個緊急水槽,安置在爐心上方,水可 由水槽流下。

斷電時閥門會打開,爐心中的水壓逐漸降到低於水槽內的水壓,使水槽中的水流入,冷卻燃料棒。必要時,外圍混凝土屏蔽建物屋頂還有第四個水槽,可將水灑在容 器表面,沸騰成蒸汽後帶走熱。在圓頂容器內部,蒸汽由爐心上升,接觸溫度較低的頂部,凝結成水再落回爐心。西屋公司前技術長布魯斯基表示,這第四個水槽可 容納295萬公升水,足以支持三天,也能以消防軟管補充。另外,建物內的通風口可引入外界空氣,協助冷卻鋼鐵圍阻容器。

這些備援功能的優點(也是AP1000針對舊型反應器所做的改良)是完全不需要電力或人員操作。支持者認為,類似福島核電廠發生的「電廠停電」狀況(電力 網和廠內備用發電機都無法提供電力,使所有冷卻幫浦停擺),如果有這些系統,問題就會小得多。就算備援功能只維持數天,也可給電廠操作人員一段時間恢復供 電。

【欲閱讀完整的豐富內容,請參閱科學人2011年第112期6月號】
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