2011年4月1日

灰色的春天—福島核電廠輻射外釋事件

作者/魏和祥(任教淡江大學化學系 )

日本福島核能電廠發生事故,有下列幾點核能的資訊,值得大家參考,建立一些基本認識。

福島第一核能發電廠基本介紹

福島第一核能發電廠總共有6 座反應爐:編號一∼六。全部屬於沸水(壓水)式反應爐(The Boil Water Reactor, BWR),其中三號爐的核燃料鈽(239Pu)是由鈾–238(238U)孳生而來。而其他反應爐的核燃料是鈾–235(235U ,濃度約15%以下)。核能發電設備最重要有「反應爐」以及「熱交換及冷卻系統」。反應爐中重要的有核燃料棒及其包殼(Cladding)、中子源、控製棒、爐的容器、水。一、二、四、五號核燃料棒為二氧化鈾(UO2)及八氧化三鈾(U3O8),三號核燃料棒為二氧化鈽(PuO2),是由238U孳生之MOx 式(金屬氧化物的混合物,M代表金屬),其中內含少量約0.3%鈾–235。中子源以鈹–9同位素(9Be)為主,控製棒(control rod)是要控制連鎖反應的物質,因此材料為易吸收中子者, 如銀銦鎘的合金(A g - I n - C dalloys)。核反應爐的容器為強化鋼筋混凝土(Reinforced concrete containment vessel, RCCV),並充滿了水。

地震海嘯來襲 福島一廠失守

3 月11 日外海淺層(24公里)發生芮氏9.0級大地震,並產生了15公尺的海嘯,使核能發電設備遭受嚴重破壞。由於外圍電力供應被破壞,無法電動運送冷卻水進入爐內,不能將熱蒸汽冷卻,而使爐內水的溫度升高,致爐心溫度也升高,引發了一系列化學反應及氫氣爆炸。

氫氣爆炸並炸開外反應爐上建築物的原因是什麼呢?從熱力學觀點來看,水必需要在2000℃以上,方能分解為氫氣及氧氣,因此,即使水形成為高溫水蒸汽也不易分解,不會有氫爆。核燃料棒的包殼必須是吸收中子效率很低的材料,鋯(Zr)就是具有這種特性的元素之一。包殼材料就是使用鋯合金,其中含有98%的鋯,以及其他少量的鐵、鎳等。可是,當爐心溫度高達到約900℃時,就會進行化學反應,引發氫爆。隨著氫氣爆炸之後,水量突然大量減少而降低水位,致核燃料棒露出水面。 【更詳細的內容,請參閱第496期科學月刊】

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