日本福島核事故 （Fukushima Daiichi nuclear disaster）– 反應爐事故演變
大葉大學機械與自動化工程學系吳佩學副教授/美國Stony Brook University王瑜君物理學博士責任編輯
思考問題：
1. 福島核廠反應爐出事過程的關鍵點？
2. 福島核災的搶救和善後都是長期的工程，需要哪些專業人才的投入？
冷卻系統失靈與氫爆
福島第一核電廠在地震發生後，安全系統自動啟動，控制棒成功插入爐心，核分裂連鎖反應停止；但是海嘯將輸配電系統沖毀，造成廠外電源喪失（也許強震時即已喪失）。緊急柴油發電機成功啟動供電，緊急安全系統開始運作。柴油發電機供電1小時後停止運轉，原因為海嘯造成柴油發電機燃料供應系統的故障，緊急安全系統因沒有交流電而無法運作。反應器可能發生小破口冷卻水流失事故，造成冷卻水自壓力槽的流失。
安全防禦系統此時仍可利用汽機帶動（不需交流電力即可運轉）的「爐心隔離冷卻系統」，維持爐心水位，並將熱導入圍阻體。約8小時後，直流電耗盡，控制閥無法動作，「爐心隔離冷卻系統」喪失功能。在無法補水的狀況下，爐心水位降低，造成燃料頂端不再被水覆蓋，此時稱為爐心裸露。
爐心裸露後，燃料棒護套溫度大幅上升，鋯合金材質的護套迅速被水蒸氣氧化，產生大量氫氣，燃料棒內揮發性較高的分裂產物（碘、銫與惰性氣體）自破裂的燃料棒釋出，進入圍阻體；但圍阻體持續接受衰變熱，溫度與壓力持續上升，達到設定值時，運轉員依「嚴重事故處理導則」進行圍阻體排放措施，透過間歇式的排放洩壓，避免圍阻體因過壓而完全喪失功能。圍阻體排放造成氫氣與放射性質進入反應器廠房，氫氣與氧氣接觸後產生氫爆。
表格1：日本福島第一核電廠核子事故發生時序表 (1-4號機)。（表格出處：《核能簡訊》No.129 (April 2011)， p. 2）
用過核燃料 （spent fuel）
反應器廠房的右上角，設有一座用過燃料貯存池，池內存放著大量的用過核燃料。通常核燃料上方有20英呎深的水，水可做為輻射的屏蔽，也用於維持燃料的冷卻，為移除用過核燃料產生的衰變熱，貯存池有獨立的熱移除系統。熱移除系統喪失功能時，池水的溫度會逐漸升高，進而達到沸騰，池水會因蒸發而逐漸減少。如果未及時發現，造成用過核燃料的裸露，同樣會造成燃料棒溫度上升、燃料棒護套鋯合金與水蒸氣發生反應，產生大量的熱與水蒸氣。如果持續惡化，也會造成燃料的熔毀，但這需要非常長的時間。
事故之後，媒體流傳照片顯示，反應爐建築物上半部於爆炸後消失，只剩下鋼筋，但下半部仍然完好。這是有原因的。反應器廠房設計時，故意將上層結構減弱，若發生廠房內部爆炸，會造成廠房的上部解體，但不會傷到圍阻體。另外，相片中反應器廠房在爆炸後有大量的白煙，應該是釋出的水蒸氣凝結後的水滴。反應器廠房上部解體，經由圍阻體排氣釋入反應器廠房的少量輻射物質也會進入外界環境。
搶救措施
機組搶救最主要的措施是尋找水源，注入壓力槽，使爐心的燃料被水覆蓋，以降低燃料的溫度，並設法將進入圍阻體的熱帶出。日本最後採取的措施為將海水灌入壓力槽（或圍阻體），衰變熱造成海水的蒸發，達到移除熱的目的。只要燃料維持在低溫，放射性物質也不會再自燃料中釋出。但是注入海水這動作，會使得反應爐管路被海水中的鹽分與雜質汙染，這幾乎是無法進行清潔的工作，因此注入海水等於是宣告反應爐即將遭受除役的命運。
善後長期計畫
在4月17日，東電正式提出計畫，這計畫包括以下幾點：（1）在六至九個月內，進入冷停機狀態。（2）在三個月內恢復反應爐和用過燃料池的穩定冷卻。（3）最早在九月份會安裝特別遮蓋物將1、3、4號機整個覆蓋，以抑止輻射物質外釋。（4）建築更多儲存槽來儲存在渦輪機房地下室和坑道的輻射汙水。（5）使用無線電控制的機器來清理整個廠區[176]。（6）使用粉砂堤牆來降低對於大海的汙染。
圖3：東京電力公司計畫蓋覆蓋物將1、3、4號機整個覆蓋，以抑止輻射物質外釋。此為覆蓋物的電腦模擬設計。 （圖片來源：http://www.spiegel.de/fotostrecke/fotostrecke-69227.html）
參考資料：
1. 李敏：日本福島核電廠事故說明與評析。《核能簡訊》No.129 (April 2011)， p. 7-12。
2. 福島事故報導。《核能簡訊》No.129 (April 2011)， p. 1-6。
3. 中文維基百科：福島核事故 （http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%A6%8F%E5%B3%B6%E6%A0%B8%E4%BA%8B%E6%95%85）。
4. “Der Stromausfall " Der Spiegel 12/2011 (March 21,2011). p. 88-112。 （德國明鏡週刊）
