2018年12月 比利時用過核燃料中期貯存建築物的設計概念

2018年12月 比利時用過核燃料中期貯存建築物的設計概念

 洪國鈞

主要設計需求

比利時的後端政策由原本的再處理變更為暫時貯存,因此短期內必須保留各項處理方式的彈性。就最終處置而言,預期將在 2045 年才能提出最終解決方案,因此現階段必須依照各電廠的特性,選擇最合適的貯存方式。多爾(Doel)電廠因燃料池空間較為充足,用過燃料能夠獲得充分冷卻,因此可以直接進行乾式貯存,但第 1 期乾貯空間將於 2023 年裝滿,因此需進行第 2 期乾貯計畫,才能滿足時程需求。而蒂昂日(Tihange)電廠因燃料池空間非常有限,用過燃料並無去處,因此必須先運送到濕式貯存設施進行冷卻。就目前的情況來說,濕式貯存設施預計在 2022 年貯滿,因此必須要在 2022 年前進行乾式貯存計畫,而濕式貯存設施仍繼續進行燃料冷卻的功能直到2077 年。

基於上述的現實條件,在考量核能機組可能延役的情況(多爾電廠已獲准延役 10年),推算可能產生的用過燃料,據此決定乾貯型式與建築物的需求。比利時依據其國情,在經濟面與技術面的客觀考量後,決定採用兩用金屬護箱型式進行貯存,但仍需要進行下列的差異性調整:
1. 金屬護箱與不同燃耗用過燃料間熱移除能力與輻射屏蔽能力;
2. 不同用過燃料冷卻週期的差別(多爾電廠餘熱限制為 28 kW,蒂昂日電廠餘熱限制則為 16 kW)。

設施主要設計準則

1. 符合各項法規、國際規範與一般技術規範的要求;
2. 需調查廠址資料與廠址的特性條件對設計進行調整;
3. 新增的安全規範,如 911 事件與福島事件後新增的安全規範;
4. 盡可能的利用電廠中現有的一般設施,盡量減少新建設施;
5. 將來需用的設施,先盡量使用電廠現有設施,再於適當時機興建,以減少先期投資,例如用過燃料的檢查可以先用電廠用過燃料池,待接近貯滿的情況時,再興建熱室;
6. 運作使用的系統應盡量與電廠的運轉系統分離,如消防、緊要電源等;
7. 文件的保存與可追溯性。

建築物的設計要求

1. 基本假設
(1)在設計上,可考慮由金屬護箱與建築物共同達成安全需求,使金屬護箱不需要完全承擔所有的安全需求,而是透過建築物補強安全需求。
(2)盡可能的採用被動式的防禦,例如透過良好的通風設計,對金屬護箱進行良好的散熱,而無需加裝電扇或空調等冷卻系統。
2. 業主要求
(1)運轉設計上,以至少使用 80 年為考量,並考慮電廠內所有用過燃料最終處置的時間。
(2)因電子設備的生命週期較短,電子設備的更換需簡易執行。
(3)建築物的興建需要進行許多的調查,因此調查、興建與運轉過程,需盡可能的降低對電廠機組的影響。
(4)需考慮建築物基礎是否會對現有設施產生影響。
3. 貯存區
(1)在任何情況下都需要滿足以下條件︰
a. 不允許移動任一金屬護箱穿越兩金屬護箱間;
b. 不允許移動任一金屬護箱越過其他金屬護箱。
(2)需充足空間與照明滿足核子保防要求。
(3)需盡可能降低污染的可能性。
(4)建物寬度限制與混凝土基樁相當,約40 公尺。
4. 舉吊區
(1)需有能力吊舉盛裝燃料的金屬護箱與傳送護箱;
(2)需有能力吊舉金屬護箱的相關配件;
(3)舉吊區應與貯存區分離,以達到輻射合理抑低的目標;
(4)需預留足夠空間以進行非預期性事件的處理,如考量運轉彈性、金屬護箱供應延遲等。

比利時多爾電廠金屬護箱安置於室內貯存設施(圖片來源:比利時Tractbel 公司提供)

用過燃料貯存安全功能架構

對於用過燃料的基本安全功能,依據西歐核能安全管制者協會 (The WesternEuropean Nuclear Regulators Association,WENRA) 針對歐洲核電廠的定義, 區 分為安全狀態(safe state) 與控制狀態(controlled state)。其中,安全狀態是指狀態結束時,無燃料熔損情況;控制狀態則是意外發生後,需盡可能的減緩意外的損害,亦即不使災害惡化的情況。

因此,基本安全功能需要確保設施處於安全狀態,但也應思考進入控制狀態下的情況,使燃料結構或放射性物質得以維持。所以,用過燃料貯存的安全功能,依照所要求的維持狀態區分為︰
1. 維持「安全狀態」所需的基本安全功能︰
(1)需維持在次臨界狀態;
(2)維持良好的熱移除能力;
(3)有效局限放射性核種的能力;
(4)輻射防護能力;
(5)可回復性。
2. 維持「控制狀態」所需的基本安全功能︰
(1)需維持在次臨界狀態;
(2)維持良好的熱移除能力;
(3)有效局限放射性核種的能力。

由於金屬護箱與建築物在安全設計上有各自的設計目標,因此針對上述基本安全的功能,金屬護箱與建築物的設計目標有所不同,茲詳列於表 1。針對建築物,並不需要確認用過燃料可處於次臨界狀態;但對於金屬護箱透過自然對流進行的被動性熱移除過程,不能產生阻礙。建築物存在的好處,主要是提供額外的輻射屏蔽,以保護一般民眾;也可以避免氣候因素造成金屬護箱的老化或缺陷,對於一般民眾的觀感也較佳。

針對建築物的安全分析,需考慮以下假設︰
1. 在正常與意外狀況下的洩漏率必須低於限制值;
2. 金屬護箱的內外部結構必須完整;
3. 金屬護箱的內外部幾何必須完整;
4. 需永遠處於次臨界條件,即使是水注入金屬護箱中的情況。
5. 可不考慮燃料的完整性。

設計流程

1. 熱傳設計
進行設計流程前,需要先設定設計目標,之後決定設定參數,並產生對應的限制。

熱限制值受限在兩個規範︰平均表面溫度需在攝氏 100 度以內;表面最高熱點溫度不能超過攝氏 115 度。為了滿足以上兩個規範,金屬護箱的熱移除能力,主要依賴對流與輻射兩種型式;對流的熱移除能力,取決於流體的種類與流率,但此處是考慮被動式自然對流,因此在無外力且冷卻劑為空氣的情況下,對流能移除的熱量最多為 13kW,因此當盛裝熱負載超過 13kW 以上的用過核燃料時,需要依賴輻射熱傳來移除餘熱。在考慮金屬護箱的周圍均沒有其他障礙物的情況下,熱量可以無阻礙地輻射到外界去,因此計算上必須考慮到最不利的情況。熱移除能力與每只護箱間的距離呈正比,距離越近,輻射熱傳的效果越差;距離越遠,輻射熱傳的效果越好,但是並非無限距離。多爾電廠因為空間限制,必須將每只金屬護箱的間距縮短至 3.5 公尺,因此其裝載的用過核燃料的餘熱限制在 29kW(平均裝載熱負載為 25kW)。

比利時多爾電廠金屬護箱移至室內貯存設施(圖片來源:比利時Tractbel 公司提供)

2. 輻射防護設計
為了確保輻射防護可以確實達到「合理抑低」,並盡可能降低對公眾的健康影響,必須考慮廠區的輻射劑量率、工作人員劑量率,以及在意外狀況下人員受曝的劑量率,都必須小於法規限值。據此條件,可以決定建築物牆壁與屋頂的厚度、組成,以及窗戶與對流開孔的尺寸。當然,金屬護箱本身可以提供輻射防護的能力,在距離金屬護箱 2公尺處的輻射劑量率,必須小於每小時 100微西弗,然而此處的劑量率是加馬射線與中子射線的混合劑量,在建築物內,來自加馬射線的劑量比例高於來自中子射線的劑量比例;然而在建築物外,則是來自中子射線的劑量比例高於來自加馬射線的劑量比例。特別是來自於天空散射而來的輻射劑量,如果能夠在屋頂安裝聚乙烯或是樹脂等中子緩和與吸收材料,可以大幅降低建築物外的輻射劑量;此外,建築物外的劑量也與窗戶的尺寸大小有關,越大的窗戶尺寸,通常建築物外的劑量率也越高,在對流孔的設計上,可以考慮以多牆迷宮阻隔方式的屏蔽,以降低建築物外輻射的劑量率。

系統功能性需求 

1. 天車
(1)需能滿足金屬護箱作業上的所有需求;
(2)需能滿足金屬護箱其他部件與工具在作業上的所有需求;
(3)結構必須能耐受設計基準地震;
(4)失電情況下,天車需有能力吊舉負載;
(5)需能預防單一事故失能的能力;
(6)需能安裝保防封鉛。
2. 屏蔽門
(1)需有輻射防護能力;
(2)分隔貯存區與吊掛作業區,以降低吊
掛作業區工作人員的輻射劑量;
(3)結構必須能耐受設計基準地震;
(4)考量人員安全,與下列兩項設施間具有連鎖關係︰
A. 人員進出門
B. 天車
(5)需能安裝保防封緘。

比利時多爾電廠將金屬護箱自水平方向豎立至垂直方向(圖片來源:比利時 Tractbel 公司提供)

3. 氦氣監測
(1)為了確認金屬護箱的密封性,在內封環與外封環間以氦氣充壓,並安裝壓力錶監測壓力;
(2)監測錶需有多重設計,以確保不會因為單一錶頭失效造成空窗。
4. 人員操作平台(方便工作人員於金屬護箱上方作業)
(1)需與廠區所採用的各類金屬護箱匹配;
(2)平台下方安裝輻射偵檢器以向工作人員示警;
(3)平台下方安裝輻射屏蔽保護工作人員。
5. 消防
(1)預防、偵測並限制火災造成的風險;
(2)在貯存區不可以有熱源或起火負荷(fire load)。
6. 電源
(1)需提供正常運轉情況下所有用電需要;
(2)需建置後備直流電源(電池,比利時規定可供電 3 小時)或後備交流電源(緊急柴油發電機,比利時規定可持續運轉 16 小時)以因應失電情況;
(3)電源供應需有能力讓所有的設備處於安全狀態。
7. 儀控
(1)需持續監測氦氣壓力與貯存區氣壓;
(2)能發出警報,並提供不同系統間連鎖(如消防系統與空調系統連鎖);
(3)可以控制風扇、防火閥或其他元件。
8. 輻射監測
(1)需能持續監測各區域大氣中加馬與中子劑量;
(2)能提供人員是否可以進入的正確指引;
(3)人員亦需配置被動式的輻射偵檢器以了解受曝情況;
(4)在正常與意外情況下,均能提供污染與劑量狀態。
9. 空調系統(僅安置於輔助房間)
(1)維持大氣溫度與濕度條件;
(2)能協助消防系統進行火災控制;
(3)提供電池足夠對流,以避免電池爆炸。

廠區布置需求

1. 一般性準則
(1)執照法規與核能安全上的要求;
(2)保護區的要求(如生態保護區);
(3)廠區出入與運轉的便利性;
(4)對核電廠日常運轉的影響。
2. 廠房建築物廠區布置考量
(1)廠址核子保防特性考量;
(2)與其他設施間的界面(如高壓電線路、冷卻系統等);
(3)水文影響;
(4)對核電廠日常運轉的影響;
(5)每只金屬護箱的間隔。

(本文作者為台電公司核能工程師)