2013年3月17日

核能議題(六)

黑天鵝效應與第三代反應爐


(本文翻譯自科學美國人雜誌,2011年,304卷第6期,「為黑天鵝事件作計劃」。Piore, A. 2011. Planning for the black swan. Scientific American, 304(6):48–53.)

令人驚嚇的福島核災讓美國新一代的核反應器成了鎂光燈的焦點:它們夠安全嗎?


數以百計的工作人員正在喬治亞(Georgia)-距離日本福島核反應爐有半個地球那麼遠-的松樹林中做著整地的工作,他們相信美國的原能復興即將到來。如果計劃照著劇本走,明年(2012)某時這個地方將會冒出兩個新的核能反應爐-25年多來美國首批核准興建的反應爐。

新核反應爐的興建將為美國新一波核能擴張鳴槍起跑。在1979年美國經歷過三哩島核心部分熔燬的核災以後,核能發展事實上停滯了。但自那時起,氣候變遷的幽靈卻已經讓核能從環境威脅變為淺在的無碳能源。布希總統和歐巴馬總統雙雙擁抱核能科技,並希望藉此刺激新建設。美國核能管制委員會(Nuclear Regulatory Commission, NRC)正在審核喬治亞州以外的二十個反應爐興建計劃,這讓過去數十年已建置的104個核反應爐的數目會繼續增加。

半數以上的新反應爐-包括在Vogtle電廠的兩個模組-都是AP1000型,第一個具有被動式安全機制的反應爐。若有意外發生,反應器只要依靠自然力,比如說重力或凝結力,就可以防止反應器發生危險的過熱-這種被動式安全機制正是福島電廠所欠缺的。

幾個月前,打賭AP1000將會通過NRC最後階段審核並在年底(2011)開始建造似乎贏面頗大。但是三月份的福島核災-規模9.0的大地震以及巨大的海嘯造成四個熱燙的核心失去冷卻-再度讓可能的核災變陰影佔據大眾心頭。福島核災後幾個星期的民調顯示,支持興建新反應爐的民意從核災前的49%掉到41%,這反應出不管再三保證核能風險極小並且反應爐防災措施很穩固強大,民眾還是不信任這項科技。福島核災如同一面曝露風險評估極限的借鏡。

不管再怎麼計劃周詳,核能將總是會受到黑天鵝事件的侵襲-黑天鵝事件指的是那些非常不可能發生卻具有重大影響力的事件。罕見事件-特別是那些從未發生過的-非常難預見,卻得準備高昂花費來計劃防止,並容易被統計數字低估。某事被認為每萬年才會發生一次,不表示這件事不會發生在明天。通常核電廠的使用壽命為40年,但其中的基本假設可能因黑天鵝事件而改變,就如同2001年發生911恐怖攻擊後,2005年卡崔娜颶風襲擊後,還有(今年2011)三月的福島核災後。
表列潛在的黑天鵝事件的威脅,竟是如此多樣而令人憂心。核電廠反應爐和核廢料儲存池都是恐怖份子劫機攻擊的目標。反應爐可能建造在水壩下方,這些水壩一旦爆裂就可能釋放出大洪水。有些反應爐建造在地震斷層帶附近,或是海岸邊而曝露在遭受海嘯或颶風狂潮的威脅裡。任何一個這種威脅都可能造成極端危險的事態-如同三哩島事件或福島核災一般,冷卻系統災難性失效,燃料棒過熱熔燬,以及放射性物質致命的溢出。(『不同於前述事件』爆炸使車諾比爾『Chernobyl』反應爐爐心燃燒起來)

要在預算內為黑天鵝事件預作準備是非常困難的。電力公司已經致力於減少建置反應爐所需的巨大前期費用。儘管取得許可權和建造程序簡化了,一座核電廠生產每百萬瓦電力的花費幾乎是燃煤火力發電廠的兩倍,天然氣發電廠的五倍。這種差距可以藉由低操作成本來抵消-燃煤比核燃料貴四倍,而天然氣則貴了十倍有餘-但這些補償只有在核電廠可以多年維持高產能時才成立。1970年代和1980年代,核電廠的停機歲修,和有時因安全因素而停機,減損了核電廠的運作收益。為了讓核電維持競爭力,商家試圖減少建造費用,以及讓系統更簡單更可信賴以減少關機時間,而不減少對安全的保證。

毫無疑問的,既使工程師將反應爐包裹在巨大的圍阻體中,埋在防水的地窖中並且僱用一個軍隊的巫師來預測未來,要建造一座對任何威脅都免疫的反應爐是不可能的。工程師們毫無疑問的嘗試在種種的物理學限制中、建造花費和災難規劃裡選擇最好的途徑來設計AP1000型反應爐。最後他們必然拿出權衡後的折衷方案。然而福島核災之後,浮現在人們心中最上層的問題是:核反應爐夠安全嗎?

被動防禦對抗大災難

正在NRC審核中的AP1000和各種新一代的核反應器對付災難設計的中心想法與福島反應器不同。1979年發生的三哩島核心半熔燬事件不只是因為天災,而且主要是因為人為疏失。數個月內工程師們都在腦力激盪,設法改進反應器,簡化安全設計,增加不用人為介入就可啓動的備用冷卻系統。第三代核反應器,如AP1000,就是最終成果。(譯註:為什麼把核反應器降溫這麼重要,大家可以看這篇

AP1000的水冷系統是在一個封閉系統的管子中循環。因為系統被維持在高壓下,當水流過反應爐核心,水會吸收熱但不會變成蒸汽。另一個儲水池提供水來冷卻吸熱後的水管。如果幫浦失去電力,反應器中有一個備用電池可用。如果備用電池也失效,自然力就會介入:水從三個緊急水槽流入,這些水槽位於反應爐的鋼製圍阻體容器圓頂內,臨近在核心旁。

斷電會導致水閥打開,並且爐心和水槽的溫度及壓力差會讓水槽內的冷水流入反應爐上的水管以冷卻燃料棒。如必須,反應爐外混凝土屏蔽廠房天花板上第四個水槽的水,會直接倒在反應爐圓頂上,藉由蒸發把熱量帶走。圓頂內,反應爐核心上產生的水蒸氣,碰到被冷卻的圓頂而凝結成水,再掉落到反應爐核心上。根據Howard Bruschi-前西屋首席技術官-的說法,第四個水槽有795000加侖的水,足夠維持三天,並且它可以直接由水管加水。核電廠的通氣孔也會吸入外面的空氣以冷卻鋼製圍阻體容器。(AP1000的設計請參考上圖右上角的示意圖)

不需電力也不用人為介入操作的這些備援系統,讓AP1000型反應器優於老式反應器。支持者主張,發生在福島核電廠的電力廠失電-失去電網供電以及站內備援發電機也失效,造成冷卻幫浦都停止運作-若(新的)系統到位的話就不是太大的問題。就算備援系統只能運作幾天,那已經讓電廠操作員有時間重建電力系統。
是否這些系統能夠防止爐心熔燬以及放射物質外洩到空氣中是爭論的焦點之一。新一代核電廠設計的支持者論斷,新一代反應爐至少比運作中的104座反應爐安全十倍以上。其他的工程師則保守許多。Hussein S. Khali,阿崗國家實驗室核子工程科主任(director of Argonne National Laboratory’s Nuclear Engineering Division)保守的表示,“通過自然手段使新一代電廠在安全上與現有的電廠比較有了程度上的提升,這樣的說法是公平的。”

憂思科學家聯盟(Union of Concerned Scientists)的資深科學家,產業批評家Edwin Lyman,對以上安全提升的說法則不買賬。他曾質疑西屋電氣針對AP1000以及通用電器針對ESBWR(另一項核電反應爐的新設計)所做的節約成本方針。Lyman心中最大的疑慮是鋼材圍阻體容器(steel containment vessel)以及AP1000圍阻體的強度。在福島核災中,當工程師們把水灌入圍阻體結構中冷卻已曝露的燃料棒時,他們焦慮的關注著蒸汽壓力和可能發生爆炸的氫氣。

Lyman表示,AP1000的圍阻體容器設計沒有足夠的安全餘裕(safety margins)。他用來衡量圍阻體能力-圍阻體能夠頂住多少壓力-的一項尺標是核反應堆的熱功率和圍阻體體積的比率。因為功率產出太少而不吸引電力公司的AP600型反應爐,西屋公司已經停產,它的功率體積比約在每兆瓦885立方英尺 -跟大多數運作中的壓水式反應爐(pressurized water reactor , PWR)差不多。但當西屋公司的AP1000把功率增加到1100兆瓦,圍阻體能力並沒有跟著等比增加;功率體積比下降到每兆瓦605立方英尺。圍阻體容器和圍阻體建築是昂貴的,Lyman如是說。

前西屋公司首席技術官Bruschi論辯道,AP1000仍然完好地符合NRC的規範。他更說-數名獨立核工程師也同意-被動系統所提供的額外冷卻最有可能減少圍阻體在嚴重事故中所面對的壓力。然而,Lyman仍憂慮壓力的集結會超過許多核工程師所預期的強度。

Lyman對於另一組設計感覺自在多了。Areva EPR,是在德國和法國電力公司以及歐洲監管機構咨詢下完成的模組,目前正由NRC審核。這個模組不使用被動防禦系統,而採用了四個主柴油發電機組以及兩個次要發電機組,這些發電機組都擺放在獨立的,防水的,位於核電廠對面的房子內。在這種設計下,所有發電機組同時失靈的機會微乎其微,Marty Parece,阿海琺公司的反應堆技術和服務業務集團(Areva’s Reactor and Services Business Group)副總裁做了以上表示。若發電機組真的掛了,EPR有個厚的,雙層牆的圍阻體建物以及一個核心捕捉器-一個可以“抓住”熔化燃料的結構,藉由重力式引水(gravity-fed water)來控制並且包覆它。捕捉器可以防止熔燬的、具放射性的核心溢出樓層。

安全和花費

核電廠設計者沒有任何防止大災難的奢侈品。他們必須在心中考量各種情況。麻煩的是,不同的威脅需要不同的考量,而有時為某種威脅作的準備分散減少了為另外一種威脅做準備。對AP1000被動式安全系統可能的最嚴苛批評來自NRC的資深結構工程師,John Ma。NRC在2009年改變了一項安全規定,該規定和911事件有關。該規定說所有的核電廠都必須被設計成經得起飛機的直接撞擊。為了達到這項規定的要求,西屋電力公司把核電廠的水泥牆設計成用鋼片包裹。

在NRC核准AP1000的設計後,Ma在他自1974年加入NRC後於去年(2010)提出他職業生涯的第一份不同意見書。在這份意見書裡,Ma論辯道,部分AP1000的鋼質表皮是如此脆弱以至於飛機撞擊或暴風吹起的物品造成的撞擊能量都可能使牆壁被打碎。西屋電力公司僱用的工程師團隊不同意這種說法,NRC反應器安保措施諮議委員會(NRC’s Advisory Committee on Reactor Safeguard)的工程師也不同意Ma的看法,他們建議這項設計應通過核准。

然則,其他更基進的設計,看來提供了更大的安全餘裕。卵石床反應器,姑且這麼叫它,是一個正在開發中的未來世代反應器,它依賴氣體而不是水,把熱帶離核燃料,並且有網球大小的石墨球-其嵌有數千個帶放射性的小顆粒;石墨緩和了核分裂反應的速度,讓核心不太可能過熱,而且冷卻氣體比起水蒸氣來說更不易發生爆炸。數個其他的小型反應器模組,產電較少但成本比大型設備便宜許多,也是值得我們考慮的,因為它們產生比較少的熱,讓它們容易冷卻。

多數的核專家對於西屋電力公司在成本和安全之間取得平衡感到自在,而且相信圍阻體的結構夠強,能夠對大多數的災難意外提供保護。總而言之,工程師們必須決定如何最好的平衡安全和成本。

想像力的失敗



然而,福島核災對設計上的偏好提出了疑問。災難的原因之一是想像力的失敗,想像力是任何監管機構或設計者脆弱之處。福島核電廠的設計是能夠耐受規模8.2的地震,而規模9.0的地震是在它的安全餘裕之中。然而,儘管福島電廠被建造成能在18.7英尺高的海嘯中幸免於難,但實際襲擊它的海嘯有46英尺高。這麼高的海嘯並非沒有先例:同等級的地震和海嘯在公元869年襲擊了該地區,Thomas Brocher,加州門洛帕克美國地質調查局地震科學中心主任(director of the Earthquake Science Center at the U.S. Geological Survey in Menlo Park, Calif)這樣表示。當工程師們做了這樣的“設計基礎”的錯誤-不管是核反應器,橋梁或是摩天大樓-一切都徒勞無功了。

這樣重大的失算在美國似乎不大可能。NRC發言人Brain Anderson表示,NRC會要求操作者證明他們的核電廠能夠挨的住根據數據已知最大的洪水、海嘯或地震,並且加上額外的安全餘裕。NRC咨詢委員之一,也是美國加州大學伯克萊分校的地震工程專家的Bozidar Stojadinovic表示,地震的標準是根據模型預估過去10000年來地區性最大的地震;額外的誤差幅度(margin of error)通常是它的1.5至2倍大小。

但工程師們還是只能預防他們能預見的事件。地震學家總能發現新的地震風險。幾十年前,人們認為地震或海嘯襲擊太平洋西北岸的可能性是渺小的。隨後,科學家追溯紅杉樹的消亡至1700年,表明了該年發生了地震,並且發現了日本的海嘯紀錄而確認此事。藉由回溯,地質學家確認了規模9.0的地震曾經襲擊了溫哥華島到加州北部一帶的區域,對這項事實的體悟永遠的改變了這個區域的建築設計基準,曾經被建造在這個區域內的兩個核電廠-在奧瑞崗州和北加州-已經被除役了。

美國東岸的地震是如此不常發生,因此關於地震的研究看來就不那麼緊急。即便如此,紐約北部印第安角核電廠位在6%美國人口的50英里範圍內,較之美國國內其他核電廠更靠近人口稠密區。波士頓大學的地震學家Joh E. Ebel表示,地震學者不認為這區域內的斷層會造成地震或他們會如何產生交互作用。但一項2008年的研究顯示,該地區內被視為不活動的小斷層事實上可能會造成大地震。

南加州大學的工程學教授,同時也是地震對核電廠影響的專家,Naj Meshkati表示,福島核災顯示了我們需要一個“新典範”。他說,過去我們的設計基礎仰賴荒謬可笑的可能性,但是工程師們在針對尚未發生的罕見事件的設計上做得不夠好。這種不確定性使得誤差幅度的兩倍是否足夠安全成為無法知曉的事。

另一方面,NRC反應堆保障諮詢委員會的成員,Michael Corradini表示,沒有一個人造結構是100%防地震的。他說,問題在於,你到底要為什麼來設計-而社會大眾是否瞭解並且接受這樣的安全係數呢?

多安全才叫夠安全?當涉及到核電時,替代方案你願意跟什麼樣的風險住在一起,這些都必須被周詳的考慮。根據美國能源部的資料顯示,燃煤生產了美國一半的電力而燃煤火力發電排放了80%的二氧化碳;核電廠生產了20%的電力並且不會排放二氧化碳(譯註)。根據2000項受Clean Air Task Force委託的研究顯示,單只兩個東北的燃煤火力發電廠製造的汙染和數十萬的氣喘發作,數十萬的上呼吸道疾病和每年70人死亡有關。天然氣的燃燒較清潔,但累加的證據指出,一些提取天然氣的方式對環境和人體都有害。

日本的核災意外,喚醒不確定性,這可能會使一些新反應爐計劃延宕,但事態緊急的全球暖化和我們對能源的需求暗指著核能復蘇將會持續。在美國總統歐巴馬宣布8.3億美元的有條件擔保以後,美國能源部長朱棣文在2010年2月為AP1000背書,他說,“喬治亞州的Vogtle電廠計劃將會幫助美國重新成為核能科技的領頭羊”。核能記錄也為支持者提出論證。所有對三里島事故的焦慮都與任何人員傷亡無涉。當然了,核能紀錄無法反映出那些從未發生但某日可能發生的事件。

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(譯註)核電在「經由核分裂產生能量推動發電機生產電力」的過程中,的確不會排放二氧化碳,然而我們必須考慮鈾礦的開採,濃縮,運輸,核電廠的建造,甚至部分核電廠本身配備有柴油發電機組以供應內部電力;將這些因素都納入考慮之後,「核電不會排放二氧化碳」的說法顯然是錯誤的。請參考本文的討論。



補充:

1. NRC在2012年2月9日批准Vogtle兩座AP1000機組建築營運許可證,3月30日批准另外一家電力公司的兩台AP1000建造營運許可。這些是自三哩島核事故以後首發的核電廠建造營運許可。


2. 需要思考的是,美國民眾反核的聲浪顯然高過支持發展核電的聲浪(依據本文內的民調數字),然則官商之間的角力,以及各種利益考量顯然是導致最終核電廠是否興建的關鍵。美國的情況不全然能類比於台灣,但他山之石顯然值得我們思考。