福島核電廠的核燃料 熔穿到烏拉圭外海了嗎？

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

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）。

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

參考資料

• TEPCO (2011) “The Evaluation Status of Reactor Core Damage at Fukushima Daiichi Nuclear Power Station Units 1 to 3”
• Amano, Y. (2015) “The Fukushima Daiichi Accident”
• PHYS.ORG. (2015) “Nearly all fuel in Fukushima reactor has melted, says TEPCO“
• 行政院原子能委員會 (n.d.) “福島第一核電廠事故時序”