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福島核電廠的核燃料 熔穿到烏拉圭外海了嗎?

活躍星系核_96
・2015/11/22 ・2417字 ・閱讀時間約 5 分鐘

作者:張中一(核能流言終結者)、李敏(清華大學核工所教授)

3月16日衛星拍攝的福島第一核電廠影像。從右至左分別是在事故中嚴重損壞的1至4號機。 source:wikipedia
3月16日衛星拍攝的福島第一核電廠影像。從右至左分別是在事故中嚴重損壞的1至4號機。
source:wikipedia

直到今天還有很多關心福島核子事故的朋友問起:福島核電廠一號機的爐心究竟跑去了哪裡?是不是已熔穿了地球,到達彼端的烏拉圭外海?有沒有導致哥吉拉的誕生(著名的科幻怪獸哥吉拉,在原始的設定下,是因輻射污染而誕生)?在此,基於個人專業,針對福島核電廠一號機爐心的熔毀議題,做一簡單說明,並期於藉此讓各界能進一步瞭解反應器爐心在核電廠發生核子事故後的可能變化。也讓各界在討論我國能源政策時,能擁有比較務實的科學依據。

福島核子事故可謂是西方民用核電廠所能夠發生災害的最嚴重情況:爐心內的燃料棒幾乎全部熔毀,廠區還發生氫爆、大量輻射物質外洩。基本上,依照福島核電廠一號機的設計,當爐心熔毀,如果冷卻措施仍無法恢復,則會進一步熔穿壓力槽底部,掉落到壓力槽底下的爐穴區。福島核電廠一號機爐穴區的設計可參考附圖所示(該圖取自東電對外公開報告),裡面除了裝置有控制棒的驅動設施外,最底部還建構有3公尺厚的混凝土,並在其上覆蓋以水(如下圖中的淺藍色示意)。

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熔毀爐心的熱能,主要係來自其內放射性物質的衰變能,溫度雖可高達1800 ~ 2000 K,但因其為衰變能,能量隨放射性物質的衰變降低。即使如此,該能量的傳遞與爐穴區底部的材質以及有沒有水的參與冷卻息息相關,細述如下。

核電廠發生核子事故,最關鍵的搶救動作除了急停外,就是確保核燃料是否處於足夠的冷卻狀況。福島核電廠一號機爐心之所以熔毀,就是因為沒有足夠的水來參與冷卻,所以導致其熔穿壓力槽底部,直接掉落到爐穴區,而此時,如果爐穴區仍然沒有水,即會發生所謂的『熔毀爐心與混凝土作用』。

換言之,熔毀爐心內放射物質的衰變熱,會由爐穴區底部,向上傳遞到圍阻體內的結構物質以及大氣,同時也會將熱傳給周圍以及底部的混凝土。混凝土是非均質的混合物,主要成分為碳酸鈣、氫氧化鈣、二氧化矽、水,以及少量的三氧化二鋁、氧化鐵等。當熔毀爐心持續地加熱混凝土,混凝土會因受熱而釋出水蒸汽,同時其組成也會開始分解,例如:碳酸鈣因釋出二氧化碳成為氧化鈣,氫氧化鈣則因釋出水而成為氧化鈣。

因為熔毀爐心與混凝土反應產生的水蒸汽、二氧化碳等氣體與熔融金屬(鋯、鐵、鈷、鎳)反應,產生金屬氧化物、一氧化碳、氫氣與更多的熱量,混凝土剩下的固態物質會熔化而與熔毀爐心的高密度氧化物混合,增加了熔毀爐心的體積,進而也降低了氧化物的密度、溫度、與凝固溫度。當熔毀爐心與混凝土之間的界面溫度低於該凝固溫度時,該界面會形成一層固化層。以現實生活中的融化糖漿為例,當其在進行冷卻時,表面會逐漸硬化且變脆,但其內仍處於熔融狀態。隨著時間的增加,熔毀爐心內的衰變能降低,加上因為混入混凝土導致體積變大,表面積亦隨之增大,增加了散熱面積,冷卻速度也隨之加快,固化層越來越厚,最後完全凝固。

若在熔毀爐心與混凝土的混合過程之中,將水注入爐穴參與冷卻,熔毀爐心會與水接觸,減少冷卻凝固所需要的時間。

另值得一提的是,自福島核電廠發生核子事故以來,每天有400立方米的地下水從福島附近的山上流下來,並滲入了福島核電廠的廠房,與幾乎等量的冷卻用循環水混在一起。其中400立方米的水被分到污水儲存槽,另外的400立方米則被循環用以冷卻熔毀爐心。而從持續有水循環與冷卻的情形來看,熔毀爐心係處於持續被水冷卻的狀況,因此大規模的『熔融爐心與混凝土作用』並沒有發生。

IAEA在2015年發佈的福島核子事故報告中指出,雖然反應器爐心內的核燃料呈現熔毀狀況,導致整個反應爐內具有強烈的放射線無法用目視或攝影的方式來觀察核燃料的確切位置,但經改用其他的科學方法與分析顯示:一號機內的核燃料多已熔毀,但依然殘留在爐穴底部(也就是仍留存在一次圍阻體內);而二號與三號機內的核燃料雖也出現局部熔毀的情形,但絕大部分仍留存在反應爐的壓力槽內。

有的朋友會關切,這些熔毀爐心內的核燃料會不會再發生臨界反應(臨界反應是發生連鎖核反應,以及可提供巨大核能的主因)?基本上,臨界反應需要在縝密設計的核燃料佈局以及適當的中子減速劑(以福島核電廠的反應爐為例,其為水)等特定的條件下才會發生。但在熔毀的爐心中,核燃料已與其他組件混成一團,核燃料佈局不復存在;又快中子無法順利經由水的減能成熱中子,甚至安抵熔毀爐心深處的核燃料內,進而與鈾元素進行核分裂反應,因此臨界反應不會再發生。

目前福島核電廠的除役工作仍在持續且穩定的進行中。誠如上述,其一號機熔毀爐心的熱能,主要係來自其內放射性物質的衰變能,但因該衰變能隨放射性物質的衰變而降低,又不論爐穴有沒有循環水的冷卻條件下,熔毀爐心將快速地凝固與硬化,根本無法熔穿爐穴區3 公尺厚的混凝土,更遑論熔穿地心,抵達地球彼端的烏拉圭外海,所以南美洲的民眾不必驚慌。更者,福島核電廠一號機熔毀爐心內的核燃料無法在其留存爐穴區的條件下,發生臨界反應,日本的民眾也無需擔心。至於傳說中以輻射為食的哥吉拉,在烏拉圭外海是等不到福島熔毀的核燃料了,烏拉圭的朋友大可安心的生活無虞。

source:Rubber Soul
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參考資料

 

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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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素養不是知識,是讓孩子像科學家一樣思考——LIS 創辦人嚴天浩專訪

PanSci_96
・2021/09/24 ・2101字 ・閱讀時間約 4 分鐘

近年來,在新課綱推行之下,「素養」這個詞成為熱門關鍵字,「對我來說,素養就是面對世界的行為模式,在面臨問題時,一個人會抱著什麼樣的態度去解決問題。而科學素養就是『像科學家一樣思考』」LIS 科學情境教材(台灣線上教育發展協會)創辦人嚴天浩這麼說。

嚴天浩在大學時開始製作教學影片,最初的動機來自上大學後體會到城鄉差距、資源落差,想藉由線上教材擴大影響力,然而觀看次數卻不如預期。

2013 年起,嚴天浩和夥伴到台東,向「孩子的書屋」負責人陳爸(陳俊朗)請益,並長期蹲點接觸孩子,發現學生們面臨最大的問題不在於「學什麼」,而在於「為什麼要學」,因此意識到若要改變孩子的學習狀態,不能只是單方面灌輸「老師想教的」,而要從學生的需求出發,了解「孩子想學什麼」。

七年來,LIS 拍攝超過 100 支線上科學影片,包括將科學家的思想歷程、時代背景融入角色劇情的科學史,以及結合時事、生活情境的科學實驗,目前已經超過 250 萬觀看人次,也成為全台許多中小學的教材。

這次,LIS 歷時三年研發出一套科學實境解謎遊戲,不只在玩遊戲的過程中學科學,也引導孩子練習「像科學家一樣思考」。

什麼是「像科學家一樣思考」?

過去,我們在國中課本裡學到的科學方法「觀察、提出假說、進行實驗、得到結論」,然而許多學生能對步驟琅琅上口,卻不見得理解背後的邏輯。LIS 分析百位科學家的思考歷程以及參考教育學者的理論,設計出適合培養國小學生科學思維的「科學推理階梯」,共有四個步驟,包括「發現問題」、「聯想原因」、「大膽假設」、「實際驗證」。

嚴天浩坦言,對於國小的孩子來說,他認為最難的在於——第一步「發現問題」,這取決於孩子過去是否累積足夠的觀察經驗,因此,如何訓練孩子觀察是培養探究學習的重點。然而,在沒有老師的引導下,要怎麼讓孩子能聚焦在實驗的現象上,成為開發遊戲過程中的一大考驗,後來,團隊想出了運用 RPG 中的角色對話,設計句子讓玩家將注意力集中在現象上的差異,「當孩子觀察到的與他原本的認知有所不同,產生衝突時才會進而發現問題。」嚴天浩說。

有適當的引導,才能從問題中學習

在發現問題之後,還須激發玩家思索問題的意願,因此在遊戲中便成為一個個解謎關卡,玩家為了破關、練等會主動尋找答案,在玩完遊戲後得到的成就感,會讓孩子對科學產生動機,在未來有自信用這樣的方式去思考、面對問題。

嚴天浩說:「大學時我修過教育學的課,設計課程的第一步往往是『引起動機』,但我們認為應該從遊戲開始到結束的每一個動作,都需要一個『引起動機』,目前玩過這套遊戲的孩子有持續玩過兩個小時以上,玩得越久代表引起的學習動機越強烈。」

了解背後的意義才是學科學

然而,有時在做完實驗後,學生只會記得當時看到的實驗結果或現象,卻沒有把背後的邏輯和原理帶走,關於這部分,嚴天浩分享,「玩實驗」和「學科學」最大的差別在於,是否了解每個步驟的意義,如同以往「食譜式實驗」,照著課本一步一步做,卻不知道為什麼這麼做。

因此,他們把演示型實驗設計成遊戲,將探究歷程拆分成關卡,透過與 NPC 對話帶領玩家思考,並預想玩家可能卡關的地方,就像是在蓋房子時的鷹架,一層層建構、支持,逐漸將學習的責任放回孩子身上,傳統課堂中搭鷹架的角色可能是老師,而在這個遊戲裡,是精心設計過的關卡提示。

讀到這裡,或許你會想問,在探究式的學習中,真的能夠學會「像科學家一樣思考」嗎?

「我認為探究學習中,知識其實只是附帶的。」嚴天浩解釋:「我們想告訴孩子的是,科學家最厲害的並不是他成功發現了什麼,而是他在失敗了那麼多次之後,還是願意繼續努力。」

如果現在的台灣是二十年前教育的結果,那麼 LIS 正在改變的是二十年後的台灣,那時的每個人在面對問題時都能有邏輯地看待、抱著自信的態度去解決,這是 LIS 的憧憬,也是我們對於台灣未來世代的期盼。


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