《元素的世界》核電廠核廢料之產生與影響

劉公典 2023/10/01 11:22 點閱 3379 次
由核能電廠所產生放在蘭嶼的十萬桶核廢料(LLW),主要有三種來源。(中央社)
由核能電廠所產生放在蘭嶼的十萬桶核廢料(LLW),主要有三種來源。(中央社)

我國有3座核能電廠,其中2座位於新北市石門與萬里,是沸水式反應爐(BWR);還有一座位於屏東恆春,則是壓水式反應爐(PWR)。數十年來運作所產生的十萬桶低階核廢料(LLW,視個別核種而定),則「暫儲」於蘭嶼。

BWR與PWR的差別,是BWR的冷卻水會直接流經反應爐心,加熱至沸騰後,讓生成的水蒸氣直接傳送至汽輪機,進行熱交換凝結回冷卻水,然後再循環傳送回爐心,重新加熱沸騰的封閉式循環系統。

壓水式反應爐(PWR)

而PWR則是在高壓下,讓流經爐心的冷卻水不會沸騰,然後傳送至蒸汽產生器。在蒸汽產生器產生第二次冷卻水後,才轉化成水蒸汽以推動汽輪機進行熱交換。第二次冷卻水溫度下降凝結,再輸送回封閉循環系統中加熱。PWR除了可以將主冷卻水的熱能轉換給第二次冷卻系統外,同時也是主冷卻系統和第二次冷卻系統之間的屏蔽。

由核能電廠所產生放在蘭嶼的十萬桶核廢料(LLW),主要有三種來源:

核廢料三種來源

(1) 分裂產物:由核燃料(像鈾-235、鈾-238、鈽-239)產生核分裂後,所裂解生成較輕的同位素。這些分裂產物通常具有較短的半衰期(比較不穩定)和貝他/伽馬(β/γ)放射特性,像是銫-137、鎝-99m、碘-129、氪-90等。

(2) 活化產物:當爐心的結構材料吸收中子(用來撞擊核燃料產生分裂)後,會被活化生成一系列不穩定同位素,例如結構材料中的鐵-55,即是由鋼管中鐵-54吸收中子(中子活化)後所產生。這些活化產物通常具有短半衰期和貝他/伽馬(β/γ)放射特性。

在BWR運轉過程,管路、幫浦、閥門和其它與反應器冷卻系統有關的組件部分上,都會產生一層氧化腐蝕薄膜。部分腐蝕性的產物會溶解而進入冷卻水系統,經由循環水帶動而沈積在燃料外層護套上,然後被中子活化。這種活化模式所產生的放射核種,主要有鈷-58、鈷-60、鐵-55、鐵-59、錳-54、鉻-65和鎳-63等。

冷卻水非常關鍵

(3) 超鈾元素(TRU):主要是指錒系(Ac)元素中原子序≧92的同位素,如鈾、鈽、鋂、鋦等,及這些元素的子核種。大部分超鈾元素都屬於阿伐(α)放射核種。

為了維持反應爐正常安全運作,冷卻水的水質非常關鍵,特別是流經爐心的冷卻水,往往會夾帶許多微量雜質,這些雜質雖然微量,卻具有很高的放射性及腐蝕性,會損壞反應爐,因此反應爐心的冷卻水,必須不斷利用水質淨化系統過濾處理,才能控制冷卻水純度。

水質淨化系統主要由一系列陰、陽離子交換樹脂組成,目的是去除冷卻水中可溶與不可溶放射性物質,與夾雜在冷卻水中的非放射性不純物。這些離子交換樹脂和過濾器必須定期更新拆卸,與濃縮廢液、濾渣、廢棄物,都是主要的 LLW。

核廢料有放射活度

部分LLW含有相當程度的放射活度,會不斷造成離子交換樹脂和過濾器中碳-碳及碳-氫鍵結斷裂、腐蝕,並釋出放射性體,必須釋壓及過濾,才能釋放進入大氣。

問題是,即便在正常運作中的核電廠還是會釋出一些特定的高揮發性、高遷移性核種;這和日本在311意外事故中所釋出的核種並不完全一樣,而氚只是其中之一而已,其它像是碘-129、鎝-99m、碳-14等都是很容易經由呼吸及飲水進入生物圈的核種,值得注意。