2019年06月 國際乾式貯存設施介紹

2019年06月 國際乾式貯存設施介紹

 

我國的核一廠已經從 2018 年 12 月 6 日起運轉執照到期,正式進入除役階段。影響除役作業至關重要的用過核燃料乾式貯存場,因未能獲得新北市政府核發的「水土保持完工證明」,延宕多年而遲遲無法運轉使用,核燃料目前都還放置在反應爐爐心內,而用過核燃料冷卻水池的容量也已滿載,因此沒有多餘空間可容納現有爐心內的燃料。只要爐心內的燃料無法順利退出,將會影響機組除役作業的時程進展。

我國用過核燃料管理策略
核燃料中含有 3-5% 鈾 235 同位素,經由反應爐的中子撞擊,產生核分裂、釋放能量,大約經過 3 年到 5 年時間,鈾 235含量低於約 1-2%,無法達到發電效率時,即需退出反應爐,成為「用過核燃料」。

用過核燃料從反應爐退出後,仍具有放射性和衰變熱,必須放在反應爐廠房的用過核燃料池裡冷卻數年,待其放射性及熱量衰減後,再進行後續的乾式貯存以及最終處置作業。
為使用過核燃料能安全處置,原子能委員會訂有相關管制策略:採取「近程以廠內水池式貯存,中程採廠內乾式貯存及在遵守國際核子保防協定下,尋求在國外進行再處理的可行性,長程推動最終處置。」等短、中、長程方案,對我國最為有利。

乾式中期貯存是重要過渡措施
用過核燃料如果順利自反應爐中退出,需在用過燃料池內經過充分冷卻。以核一廠為例,用過核燃料每束的熱量小於 125瓦,就可放入乾式貯存設施內,經由空氣的自然對流,即可有效持續降溫。
乾式貯存運用空氣自然對流的原理,常溫空氣經由混凝土護箱底部的進氣口流入,空氣變熱後上升,再由混凝土護箱頂部的出氣口自動排出。即使發生停電也不必擔心用過核燃料冷卻的問題,是非常安全的過渡措施。

放眼國際乾式貯存經驗
目前許多核電廠採用乾式貯存以解決燃料池貯存容量不足的問題。依據原能會統計,截至 2019 年 1 月 24 日,國際間已有23 個國家設置乾式貯存設施,包含美國、加拿大、德國等,目前正在運轉中的乾式貯存設施共有 131 座,另有 7 座興建中,2 座興建完成待啟用,遍布於歐洲、美洲、亞洲及非洲(詳見表 1),顯示乾式貯存已是國際間普遍採用,且是成熟的用過燃料管理技術。

乾式貯存因為運轉維護容易、不會產生二次廢棄物、不會發生輻射洩漏等因素,而廣為世界各國採用。目前全世界採取室外露天貯存的國家有美國、南韓及中國;兼採室內及室外貯存的國家有西班牙、加拿大、立陶宛、南非及日本;採用室內貯存的國家則有英國、捷克、匈牙利、德國、瑞士、保加利亞、比利時及斯洛維尼亞。以下就美國、德國、日本的乾式貯存現況概述說明。

表 1. 國際間乾式貯存設施數量一覽表

更新日期:2019.1.24 / 資料來源:原能會 註:運轉中的乾貯設施共 131 座,另有 7 座規劃興建中,2 座興建完成待啟用。露天貯存設施有 93 座,室內貯存設施約 36 座。

乾式中期貯存已經是成熟先進的技術,各核能國家多有採用。( 圖片來源:原能會 )

美國
美國目前擁有 80 座乾式貯存設施,第一座乾式貯存設施位於維吉尼亞州的蘇利(Surry)核電廠內,從 1986 年即開始運轉,至今已 30 餘年,且已獲得美國核能安全管制委員會(NRC)核准,可運轉至2046 年,共計 60 年,顯示乾式貯存安全無虞,已獲得了美國核安管制機構的確認。
美國核能安全管制委員會對於乾式貯存的安全管制,要求電廠持照者將用過核燃料貯存在以下地點的獨立用過核燃料貯存設施(ISFSI):

一、在反應爐廠房內—當用過核燃料冷卻池接近容量限制時,可以使用乾式貯存系統。
二、在反應爐廠區外—電廠持照者可以在下列位置內使用乾式貯存系統:

1. 已除役的反應爐廠區內—在反應爐終止運轉,並移除反應爐運轉時所使用的組件後,即可將用過核燃料貯存在廠區內,等候運送至特定的、經授權許可接收用過核燃料的 ISFSI,或是運送至永久地質處置場進行最終處置。
2. 綜合中期貯存設施(CISF)—存放在反應爐廠區之外的乾式貯存場,等候運送至永久性處置設施進行最終處置。

美國核能安全管制委員會長期以來一直以開放的方式進行管制,積極向外界提供訊息,以及開放民眾參與有關用過核燃料處理、貯存、運輸,以及延長貯存期間的決策過程。
為此,定期舉行會議和研討會,以告知民眾並徵求意見。也會公布文件以徵詢民眾意見。工作人員可以使用從社會大眾獲得的訊息來形成或調整法規、審查程序、環境影響評估,或其他活動。

美國現有獨立用過核燃料貯存設施(ISFSI)分布圖,統計至 2019 年 4 月為止。( 圖片來源:NRC)

德國
德國是歐洲地區擁有最多乾式貯存設施的國家,根據德國「原子能法」,自 2016年 7 月 30 日起,聯邦放射性廢棄物安全管理辦公室(BfE)成為放射性廢棄物管理與處置的主管機關,負責監管相關設施運轉的安全。

到目前為止,德國還沒有放射性廢棄物最終處置場獲得運轉許可,因此,核電廠運轉和除役時所產生的高放射性廢棄物,在運往最終處置場之前,應在乾式貯存設施中存放一段時間。乾式貯存可使放射性廢棄物殘餘的輻射強度和衰變熱量減少,因此也可減少處置場貯存體積的需求。
德國乾式貯存設施有兩種類型:

一、集中式乾式貯存設施在集中式乾式貯存設施,貯有來自商用反應爐和研究用反應爐運轉期間所產生的用過核燃料,以及從再處理廠送回的高放射性廢棄物。這些乾式貯存設施已在 2002年之前獲得許可並建造完成。集中式乾式貯存設施,有阿豪斯(Ahaus)、高樂本(Gorleben)和諾德(Nord)。
阿豪斯位於北萊茵—威斯特法倫州,和位於下薩克森州的高樂本,是採用集中式運輸桶貯存設施(TBL),存放於鋼筋混凝土製成的貯存廠房內。位於梅克倫堡—前波莫瑞州的 ZLN 乾式貯存設施,則負責處理和貯存所有類型的放射性廢棄物。
二、分散式乾式貯存設施
用過核燃料在放入最終處置場之前,必須在乾式貯存設施內安全地貯存。多年來,德國核電廠在剩餘的運轉時間內產生的用過核燃料元件,已經在各核電廠廠區內的分散式乾式貯存設施中貯存,放置於特殊設計、兼具運輸與貯存的金屬護箱中。
根據成本考量,乾式貯存設施需要由核電廠擁有者建造和運轉。與集中式乾式貯存設施不同,當運送金屬護箱到處置場時,僅需沿著一般公共道路運輸。

德國對於用過核燃料運輸兼貯存容器的許可期限為 40 年,只要能符合安全規範,就能延長此期限。在許可證到期之前,乾式貯存設施營運廠商必須及時向 BfE 提送延長許可申請。

德國除役電廠廠內分散式乾式貯存設施案例。( 圖片來源:原能會 )

日本
日本現有 3 座乾式貯存設施,分別是福島第一核電廠用過核燃料貯存場(SFSF)、東海第二核電廠用過核燃料貯存場,以及陸奧可再循環燃料貯存中心(RecyclableFuel Storage Center)。在 311福島事故發生後,日本仍繼續採用乾式貯存方式作為用過核子燃料中期管理的方式。
從福島核災看用過核燃料乾式貯存的安全性:

1. 日本福島第一核能電廠用過核燃料乾式貯存設施,自 1995 年起運轉迄今,設計貯存容量為 20 組金屬護箱,目前已貯存 9 組,共計 408 束用過核燃料。此設施是以現有廠房進行改建,採用空氣自然對流的方式進行乾式貯存。

2. 2011 年 3 月 11 日日本東北外海發生規模 9.0 強烈地震後,引發最大高度達 15公尺海嘯,造成福島第一核電廠因喪失電源而導致 3 部機組內的用過核燃料池喪失冷卻功能,發生嚴重核災事故。

3. 依據日本原子力災害對策本部於 2011年 3 月 18 日的報導,福島第一核電廠用過核燃料乾式貯存場經檢查後,確認在強震及海嘯襲擊後並無異常,相對於用過核燃料池的濕式貯存較為安全。福島事故後,經查驗乾式貯存設施,並未發現阻礙自然空氣對流的情況,也確認冷卻系統並未因此受到影響。此外,福島第一核電廠在核子事故後,也積極的將冷卻池內的用過核燃料移出水池,進行乾式貯存,且由室內貯存移至室外貯存。日本的實務經驗,足為我國借鏡。

我國乾式貯存面臨的困境儘管核一廠除役計畫環境影響評估在2019 年 5 月 15 日獲得環保署審查通過,但是只要新北市不核發核一廠乾式貯存設施的「水土保持完工證明」,核一廠反應爐內的用過核燃料就無法退出,那麼反應爐、反應爐廠房、用過核燃料池,以及其他相關設施都無法開始進行實質除役,當然也無法在 25 年內如期完成除役作業,而延遲的時間難以估計。除役作業首先要將反應爐爐心的用過核燃料全數移出,放置於用過核燃料池,池內現有的用過核燃料,則必須移至乾貯設施中。

反應爐切割後,也需使用騰空後的用過核燃料池。反應爐廠房拆除前,又需先拆除用過核燃料池。因此若要核一廠順利如期完成除役,乾式貯存是除役作業非常重要的一環。

根據台電估算,當用過核燃料存放在反應爐內時,每年運轉維護費用增加約 7 億元,每延後一年除役,將增加除役費用約19 億元 / 年。若發生恐怖攻擊或超出設計基準的意外事故(如福島事故)時,可能整個反應爐內的用過核燃料都將受損。
用過核燃料若存放在冷卻池內,每年運轉維費護用增加約 3 億元,每延後一年完成除役,將增加除役費用約 15 億元 / 年。

若發生恐怖攻擊或超出設計基準的意外事故時,可能整個冷卻池內的用過核燃料也會受損。如果用過核燃料存放在乾式貯存設施內時,每年運轉維護費用僅有約 1.3 億元,還可在法定除役時程 25 年內完成除役。遭遇恐怖攻擊或超出設計基準的意外事故時,僅有直接受到破壞的少數護箱可能會受到影響,仍可維持設施邊界的完整。

例如,福島第一核電廠現有的 9 組乾貯桶,歷經東海大地震與海嘯侵襲,該設施仍完整無損。
國際間現有 140 座乾式貯存設施,顯明這已經是成熟、穩定的處理技術,值得我國參考採用。於設置過程中,決策機構需持續與地方政府溝通,聽取當地民眾的心聲,以理性、平和、解決問題的態度共同面對,用過核燃料不會是無解的難題。

表 2. 日本乾式貯存設施現況 ( 資料來源:原能會 )

參考資料:
1. 乾貯國際經驗,台灣電力公司 http://nbmi.taipower.com.tw/%E4%B9%BE%E8%B2%AF%E5%9C%8B%E5%A4%96%E7%B6%93%E9%A9%97/
2. 用過核子燃料乾式貯存的安全管理,行政院原子能委員會 https://www.aec.gov.tw/%E7%84%A6%E9%BB%9E%E5%B0%88%E5%8D%80/%E4%B9%BE%E5%BC%8F%E8%B2%AF%E5%AD%98%E7%AE%A1%E5%88%B6/%E4%B9%BE%E8%B2%AF%E8%B3%87%E8%A8%8A/%E7%B6%93%E9%A9%97%E5%9B%9E%E9%A5%8B--218_224_1933_3442.html
3. 國際間用過 核 子 燃 料 貯存 設 施 統 計 資 訊,原 子 能 委 員 會 https://www.aec.gov.tw/webpage/dry/files/index_03_8-01.pdf
4. 美國 NRC,https://www.nrc.gov/waste/spent-fuel-storage.html
5. 德 國 能 源 部 聯 邦 放 射 性 廢 棄 物 安 全 管 理 辦 公 室:
https://www.bfe.bund.de/EN/nwm/interim-storage/introduction/introduction_node.html
6. 日本用過核子燃料乾式貯存安全技術發展研析,張惠雲,2015/11 https://www.aec.gov.tw/webpage/info/files/index_11_4_1_104-11.pdf
7. 核電廠除役先期啟動工作乾貯設施,台電公司,2017/10/12 https://www.moea.gov.tw/Mns/CNC/content/wHandMenuFile.ashx?file_id=16636

出處:核能簡訊雙月刊178期