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美國商用乾式貯存設施介紹

5 美國商用乾式貯存設施介紹

文‧ 編輯室




用過核燃料在退出反應爐後,因為它的餘熱以及高放射性,必須先在水深約12 公尺的用過核燃料池內放置數年待其放射性衰變,並以循環冷卻水來移除熱量,這就是用過核燃料的「濕式貯存」;等到用過核燃料束的熱量自數萬瓦降至約100 瓦左右時則可採用「乾式貯存」的方式,即將用過核燃料移至特殊容器中並貯存在通風良好的地點,利用空氣自然循環帶走熱量。用過核燃料在步入最終處置之前的「中期貯存」,就是由這兩個階段所組成。

在1970 年代晚期與1980 年代早期這段時間,美國各核電廠內的用過核燃料池逐漸接近貯滿的狀態,替代貯存空間的需求不斷上升。而美國核能管制委員會(NRC)所核准「擴充燃料池貯存容量」的方式卻只有兩種,除了重新調整池內燃料的網格配置,縮小用過核燃料之間的間距之外,只有移除池內用過核燃料棒的外殼,來增加燃料池的可貯存容量。而這兩種異動也都需要事先向NRC 申請,獲得批准後才可執行。

因為無法實質的「擴建」用過核燃料池,加上商用用過核燃料再處理廠一直無法成功建立,美國電力公司開始尋找如「乾式貯存」的替代方案,增加用過核燃料的可貯存容量。1986 年,建於美國西部維吉尼亞州沿岸的蘇瑞(Surry)核電廠的乾貯設施獲准商轉,成為美國首座商用乾貯設施。至今美國的商用用過核燃料存放於境內超過60 座持有一般運轉許可與15 座持有特殊運轉許可的商轉用「用過核燃料中期貯存設施(ISFSI)」中。這些設施由約30 間的電力公司負責營運,主要集中在美國東部與東北部,分布在美國34 個州內。



用過核燃料中期貯存設施

持有一般運轉許可的用過核燃料中期貯存設施都設立在核電廠內,當電廠的用過核燃料池接近貯滿時,就可將用過核燃料池中完成冷卻的用過核燃料轉移至這些乾式貯存設施中;持有特殊運轉許可的則是那些沒有與運轉中核電廠連接在一起的中期貯存設施,大部分均位在已完成除役的核電廠內,少部分的集中式用過核燃料中期貯存設施(CISF)也屬於此類,電廠營運廠商也可將用過核燃料運送至這些地方作乾式貯存。這些中期貯存設施均是以「長期存放用過核燃料」為目標來設計,確保用過核燃料在轉移至深層地質處置場前,能安全的存放數十年、甚至一百年的時間。

根據美國聯邦放射性廢棄物技術評估委員會(U.S. NWTRB)的數據顯示,截至2015年底,美國共有約8,000 公噸鈾的沸水式反應爐(BWR)用過核燃料以及約16,500 公噸鈾的壓水式反應爐(PWR)用過核燃料,是用乾式貯存的方式儲存在中期貯存設施中,占所美國有用過核燃料貯存的1/3,剩下2/3 的用過核燃料則使用濕式貯存的方式,儲存在各核電廠的用過核燃料池裡面。



運輸、貯存容器

將用過核燃料自燃料池轉移至乾式貯存系統前,大多數廠商都會選擇將用過核燃料裝入特製的「運輸用金屬容器(Canister,以下簡稱鋼桶)」,在桶中灌入惰性氣體後使用焊接密封,再將鋼桶轉移至附近、有屏蔽效果的貯存護箱(Storage cask)內貯存。每座鋼桶可以裝置約30-90 組不等的燃料元件,數量依不同鋼桶的設計而有差異。目前核管會已批准超過50 種設計的鋼桶,但沒有一種獲准用在最終處置方面。



美國可以說是全球使用乾式貯存最多元化的國家,在國際上最常見的4 類乾貯系統:混凝土護箱、混凝土模組、混凝土窖與金屬護箱等,在美國的貯存設施中均廣泛被使用,下面將簡略介紹這些乾貯系統。

一、混凝土護箱

混凝土護箱是由鋼筋混凝土製的圓柱狀體以及頂蓋所構成,護箱上下方均設有排氣孔,保持空氣流通並帶走用過核燃料釋放的餘熱,護箱使用「垂直」的方式來擺放。這種乾貯設施的主要設計有3 種,分別是直接在平地興建鋼筋混凝土廠房,將混凝土護箱排列在廠房內;第二則是不興建廠房,直接將混凝土護箱排列於地上;第三為在地面開挖與混凝土護箱幾乎同高的坑洞,將護箱排列於其中,護箱頂端會稍微低於地面,待所有護箱完成安置後隨即在周圍澆灌混凝土,將坑洞填滿。

護箱的大小會因不同種類的設計而稍有不同,美國所使用的混凝土護箱的高度大多介於3 公尺至5 公尺間,含鋼桶以及外圍混凝土護箱的直徑則介於2 公尺至3.5 公尺之間,每個護箱可貯存1 座鋼桶。不同種設計之護箱,其下方的混凝土筏基與周圍排水壕溝的配置也會有所不同,在貯存設施附近也必須設有燃料轉移設施、運輸通道、運輸車卸載區等,而護箱外圍會再使用鏈結式鐵網做成圍籬,防止未經授權人員意外進入。



二、混凝土模組

混凝土模組式的貯存方式與混凝土護箱式的非常類似,也是在一座露天、長方形的鋼筋混凝土平台上,建造混凝土模組體,最大不同之處就是模組式貯存設施是採用「水平」的方式來貯存含有用過核燃料的鋼桶,廠商可選擇用二列單排或二列並排的方式來建造模組體。在每兩列模組體之間必須相隔一段固定的距離,以便載送貯存罐的車輛進行卸載的工作,卸載區的道路則由瀝青混凝土鋪設而成。與其他乾貯設施相同,每個模組體僅可貯存1座鋼罐。不同模組式貯存設施高度的落差比護箱式的縮小許多,高度均介於4.5 公尺至5 公尺之間。由於混凝土模組的外圍亦無遮蔽物,排水系統的設計需包含模組體之間的雨水下水道,以及周邊的雨水收集系統等,周圍也一樣會使用鐵網做成圍籬,防止意外闖入。



三、混凝土窖

混凝土窖式貯存設施通常建於廠房內,設置在貯存窖正上方的上層結構覆蓋整個運輸鋼桶接收區,確保起重吊運機能在設施內部正常運作。上層結構以鋼架為主,外圍的牆壁與屋頂則是由金屬製造而成,主要用來遮擋風雨,並不是設計供輻射或實體防護之用。混凝土窖式貯存設施建於地面下,整個設施可劃分成數個模組,每個模組內建有數十根金屬製貯存管,單一個模組即可貯存數百組的核燃料元件。廠房內設有鋼桶接收區以及卸載平台,因鋼桶在抵達接收準備區時仍維持密閉的狀態,在此處並不需要特別設置輻射屏蔽。廠房建築使用厚度足夠之鋼筋混凝土牆壁,主要是為了使其具備抵擋因颶風所導致的飛射物撞擊的能力。另外,在廠房的最高處還設有大型排氣口,確保用過核燃料的餘熱可透過廠房的特殊設計、藉由空氣流通而散出。設施入口處的機械式鐵捲門分別位在接收區的兩端,運輸車輛採穿越的方式進出。

四、金屬護箱

金屬護箱式貯存設施的概念與混凝土護箱類似,也是以「垂直」的方式露天放置護箱,但鋼桶外圍的屏蔽容器則使用「金屬材質」來製造,因此有些金屬護箱亦獲准當作「運輸容器」來使用。根據美國能源部(DOE)的估算,截至2016 年底,美國乾式貯存的用過核燃料元件有超過90,000 束、體積約25,000 公噸鈾,儲存在超過2,000 組的乾式貯存設施內,其中混凝土類占了近9 成,又以混凝土護箱為最多,金屬護箱僅占不到1%,剩下不到10% 則是使用「裸燃料護箱(Bare fuel casks)」來貯存用過核燃料,即直接將沒有封裝在鋼桶中的燃料元件,儲存在用完整屏蔽、防漏的容器包圍的燃料籃中。



乾貯護箱的種類與設計主旨

貯存護箱的種類非常多,而且每一個型號都有自己獨立的編號,上面僅大略介紹最常見的幾大類。護箱的設計會依照各製造廠商因不同的需求而有所不同,貯存核燃料的種類(壓水式或沸水式反應爐)、用途(運輸、貯存,或兩者兼用)、方向(垂直或水平)、布署方式(在地面的水泥地上或地面下)等,都是護箱種類眾多的主要因素。根據核管會網站顯示,目前由核管會核准用於一般用途的乾貯護箱系統就有將近30 種。其中最大的兩大供應商為Holtec International 以及Transnuclear,Inc.(現今為法商亞瑞華其中一個部門AREVATN),目前美國運轉中乾貯設施中的護箱有85% 是由這兩間廠商所供應。

貯存護箱設計的主旨是用來容納放射性物質、控制熱度以及避免核分裂的狀態發生,同時也必須可以承受地震、颱風、洪水、拋射物、極端溫度等狀況。裝有用過核燃料貯存護箱所生產的熱度其實比一般家用暖氣系統散發出來的還要少,不僅是熱度,其放射性也會隨著時間自然降低。

利用空氣自然對流的作用,乾貯設施並不需要任何風扇或泵的輔助,也不需要擔心水池的高度,更不會有停電與機械故障的問題,僅需要持續的監管,這也是有「乾式貯存比濕式貯存來的安全」這個說法的主要原因。



管制單位

核管會身為美國用過核燃料貯存(包含貯存設施)的管制機構,除了頒發用過核燃料運輸、貯存護箱的運轉執照之外,用過核燃料的運送路線、保防計畫等也都需要核管會事先批准才可執行,用過核燃料的最終處置也在核管會的管轄範圍內。核管會表示,裝載於1986 年的美國首座用過核燃料乾貯護箱,至今沒有任何的輻射外洩影響到周圍民眾或汙染到環境,也沒有任何已知或疑似有人企圖破壞乾貯設施的案例。多年來不斷對乾式貯存用過核燃料與護箱組件的測試,都證實「乾貯設施可安全貯存用過核燃料」。核管會也對乾式裝載、貯存用過核燃料的風險進行分析,結果顯示潛在的健康風險非常小,在乾貯設施周圍接受到的輻射劑量比照一次牙齒X 光還要低。

不過,雖然核管會覺得用過核燃料乾式貯存對人類或環境都是安全的一種貯存方式,但不管是用過核燃料的運輸還是貯存,或是護箱的設計、製造與使用等,整個過程都受到核管會嚴格的控管與監督,確保設施營運廠商以及供應廠商完全遵守安全規範。

乾式貯存的需求不斷上升

在前文有提到,美國目前使用乾式貯存的用過核燃料僅占所有用過核燃料中的1/3,但由於美國商用再處理廠一直無法建立,原先預計於1998 年建好的「雅卡山(YuccaMountain)用過核燃料最終處置場」計畫也遭到終止,導致各電廠都無法按照原先預計的時程來進行處置,乾貯設施的需求也因此不斷往上爬升。

根據美國核能研究所(NEI)公布的數據顯示,預計在2024 年時美國乾式貯存與濕式貯存用過核燃料的數量會接近相同,均是約48,000 公噸鈾;在2040 年時會有7 成的用過核燃料被貯存在乾貯設施裡,數量約為89,000 公噸鈾,濕式貯存的用過核燃料數量將下降至約39,000 公噸鈾;到2067 年時(假設所有目前運轉中核電機組都已停役)美國幾乎所有的用過核燃料都會貯存在乾貯設施內,數量約是139,000 公噸鈾,由此可見未來乾貯設施需求的趨勢。

目前國際間也只有芬蘭與瑞典在「最終深層地質處置場」有實質的計畫,由此可見,不僅美國,全球大多數使用核能發電的國家都正面臨乾貯需求上升的情況。



結語

美國在過去這段時間以來已累積了大量的乾貯相關經驗,在這方面的技術也非常成熟,直到最終深層地質處置場有眉目之前,擁有完整、安全的乾貯系統可說是至關重要。也因如此,我國的核一廠乾貯設施選擇採用美國技術轉移,使用由美國NAC 公司製造、核管會審查認證通過的NAC-UMS 混凝土護箱系統,來規劃核一廠內的乾貯設施。但是,無論是哪一種形式,用過核燃料中期貯存設施在施工、運轉期間都有可能會對周遭環境的生態、空氣品質、水文與水質、地形與地質、經濟、輻射等帶來影響,必須有周詳的環境管理計畫及各種防範機制,將各種不利的影響減輕至最低,確保乾貯設施對周圍居民及環境均安全無虞,才可啟用。



註: 美國的高放射性廢棄物除了商用核電廠所生產的用過核燃料之外,還有儲存在能源部旗下綜合貯存設施裡面、隸屬於政府的用過核燃料以及核武相關的高放射性廢棄物,本文僅探討美國商用用過核燃料的乾貯設施。

資料來源:
1. U.S. Nuclear Regulatory Commission.“Storage of Spent Nuclear Fuel.”
2. U.S. Department of Energy. “Dry StorageCask Inventory Assessment, Revision 2.”
3. Joe T. Carter, U.S. Department of Energy.“Containers for Commercial Spent NuclearFuel”
4. U.S. Nuclear Waste Technical ReviewBoard. “Commercial Spent Nuclear Fuel.”
5. U.S. Nuclear Energy Institute. “SafelyManaging Used Nuclear Fuel.”6. Power Magazine. “Dry Cask StorageBooming for Spent Nuclear Fuel.”7. 台灣電力公司《核能電廠用過核燃料中期貯存環保管理措施出國報告》
4 歐洲減排減暖落實「能源聯盟」 5 美國商用乾式貯存設施介紹 6 輻射會致癌嗎?
Last modified:2017-04-21 10:59:46 by nicenter Powered by TadBook2
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