日本地震的撼動 - 人預估能力的死角 (blind side)

自三月十一日以來，全球許多人都在關注日本大地震後 Fukushima 第一核電廠的危機控制情形，各大媒體都湧到東京附近採訪，網路上也是充斥著各種似真又假的消息。為何冷卻系統發生問題？海水冷卻為何不發生功效？核燃料棒(含 UO2 或 PuO2)會因溫度升高而全部熔化嗎？會有何後果？對人體傷害如何？這樣的核電意外有可能避免嗎？

以上問題，新聞裡已有一些討論，日本 Fukushima 第一核電廠 meltdown 危機，正提供我們一個很好的機會去了解核能且面對可能的核災害問題。

日本的都市與工業建築結構，在這一次本州大地震中，通過了嚴峻的考驗，這是很值得推崇與學習的，其中也包括核能電廠的硬體結構。筆者曾詢問從事結構工程與設計的大女兒的看法，他指出若是美國西岸大城遇上像這樣罕見的大地震，可能不少城市建築結構承當不起劇烈又長時間的搖晃，這可能是因為設計時假設的地震強度，只是七至八級。大女兒去年曾加入美國結構工程師協會志願工作隊到 Haiti, 參加災後結構檢驗與重整工作，他說那兒許多水泥建築根本沒有依照法規設計，甚至沒有明確規定，所以一震就垮，死傷數十萬。這讓我想起二○○八年中國四川省汶川大地震，筆者曾在災區幾天，所見情形相當悽慘，造成原因與 Haiti 很相似。

雖然結構做的不錯，可是，日本對於海水的巨大威力這一次可能是低估了。日本沿海地區，常遇到 tsunami (津波，一連串的海潮)，所以沿海都建有「擋海牆」，過去 tsunami 沖過沿海高牆的情形，也曾發生過，但是產生了一定的阻絕功效，所以日本政府還是興建。可是這次情形嚴重數十倍，擋海牆可能只發生數秒鐘的功效，也許挽救了一些人命。造成核電廠冷卻水備用系統失效，主要因為海水沖壞了備用 diesel generator，所以無法啟動，在電力受損的狀況下，只好靠備用電池應急，但僅能維持數小時。

一個核電廠使用很多燃料棒，核燃料棒是將鈾或鈽氧化物包裹在陶瓷金屬內形成。數十枝燃料棒形成一組一組的燃料版，一個核反應器可能有數百組燃料版，都置放在反應器中，但為了控制溫度，它們必須浸在冷卻水內，水是一直循環不停的，這是為什麼核電廠都有巨型冷卻塔的原因(水同時還有控制核分裂反應速率的功效)。

若說核燃料棒是反應器的心臟，水就是懸環不息的血液。現在，水無法循環，血就無法更新，心臟會「壞死」。糟糕的是：核反應器內靜止的水會被燃料棒不斷釋出的熱給蒸發，甚至水蒸氣都因高熱而分解成氫氣與氧氣，氫氣極易引起爆炸，爆炸很可能損壞建築物與反應器本身，也因此釋出放射物進入大氣(註1)。沒有冷卻水的燃料棒，更會因本身的高熱而熔化或焚燒，因此釋出許多核分裂 (nuclear fission) 產生的放射物質。若反應器與週邊裝置因地震或爆炸破裂，固液態混合的熔解燃料就可能進入土壤與地下水，或凝成一團具高輻射性、極難處理的金屬，這是 meltdown 最可怕之處(與1986年 Chernobyl 核災的後果相似，26年後至今仍無法解決，可能幾千年後都無人可以接近 )。

為什麼對地震與 tsunami 有多年經驗又準備充分的日本人，會將備用柴油發電機組與燃料放在核電廠低地(據說是在地下室)？有什麼特殊原因必須如此？這是讓人想不通的事。是不是他們太信任「擋海牆」，而低估了大海的威力？百密一疏，大水沖毀了備用發電機，而電廠又沒有在輻射量仍低的情形下，儘快修復受損電力系統，使冷卻水循環可以恢復啟動，因此造成核災害(這是另一樁讓人費解的事，是緊急應變程序有問題？)。現在即使拼命洒水來冷卻核燃料棒，已經遲了，進展緩慢，污染擴散(這是不是東京電力公司決策失誤？美國政府覺得日本處理不當，資訊緩慢又不夠透明，且低估輻射危害範圍，美國的安全標準定在 50 miles 之內居民必須撤離，日本起初只定在 12 miles 內居民撤出)。

GE 公司設計的沸水式核反應器包括多層保護設計(註2)，對防範輻射外洩有良好的控管，使用後的燃料棒多數存放在反應器上層週邊的冷卻水槽中，一般來說沒什麼問題，經過一段時間的冷卻後，就可載運到核廢料儲存場去(註3)。但如今，也因為冷卻水無法循環，廢燃料棒竟「死灰」復燃，開始因熱產生核分裂連鎖反應 (nuclear fission chain reaction)。這衍生出另一個大問題，因為裂解後的廢燃料組成複雜，含有許多原來核分裂的衍生物，主要是介於原子量 90 – 140 間的元素，尤其以 cesium (鍶) 與 iodine (碘) 為最多，且多數有放射性，它們釋出放射線強度與半衰期都與原來的鈾燃料不同，傷害力可能更大(它們隨著雨水與浮懸顆粒，進入水源、土壤、植物、或牲畜體內，會造成長期的影響)。有誰想到，這樣的廢燃料棒儲存方式，竟也成為另一災難的起頭？這是不是另一個工程上的百密一疏？

面對地震、海嘯、與核放射三重傷害，看到日本人防備災難的努力與付出，以及他們在傷害痛苦中展現出強韌的堅持力，我們能不同情與佩服？

試問：在我們居住的環境裡，尤其是加州美地(註4)、台灣海島上，有多少工業、電廠、建築設施是在地震帶上、是在低窪地區、是在海岸水邊？在設計上，它們的安全係數為何？能承受幾級的地震？tsunami 襲來擋的住嗎(這一次海嘯，北加州的 Santa Cruz 與Crescent City 港口受到相當大的沖擊，損失數千萬美元)？也許我們更該問自己：有無做好災難應變預備呢？

在全球災難連連、中東北非多處動盪不安、氣候異常變遷、能源價格愈來愈高的情形下，發展核電值得嗎？有沒有別的選擇？

日本這次大災難提醒我們：人雖自以為聰明，仰靠科技，在山崗水岸開發建設，搜求各種資源礦產，但在預估環境風險時，卻顯得那麼缺乏遠見，日本如此，其他國呢？大地一動，海水一沖，就顯露出工程品質。人對上天的能力真是了解的太有限了。

圖與文//沙塵豹默哀致意 3-16-2011

註1：請參看EPA資料http://www.epa.gov/radiation/radionuclides/cesium.html
註2: Boiling Water Reactor 設計見 http://nrc.gov/reactors/bwrs.html 或 GE 網頁
http://www.gepower.com/prod_serv/products/nuclear_energy/en/new_reactors
註3：核廢料處理是核能發電最難解決的問題，可能影響數千數萬年之久。
http://nrc.gov/waste/spent-fuel-storage.html 現在安全穩固的儲存場難找。
註4：加州在地震帶上的核電 http://www.energy.ca.gov/nuclear/california.html 它們距離府上多遠？http://money.cnn.com/news/specials/nuclear_power_plants_locations/index.html