車諾比核電廠事故: 壓力管式石墨慢化沸水反應爐

車諾比核電廠事故: 壓力管式石墨慢化沸水反應爐 (RBMK)
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. 車諾比核能電廠反應爐的設計上的缺陷為何？

車諾比核事故中的核反應爐是壓力管式石墨慢化沸水反應爐（俄語縮寫為RBMK，意思是「大功率管式反應爐」）。這是蘇聯建造的用於核電站的石墨慢化沸水反應爐。此技術於20世紀50年代發明，現在已被認為過時且有嚴重的缺陷，但是一直到2010年，俄羅斯境內仍有至少11台RBMK反應爐在運行，只是並沒有再新建此類型反應爐的計劃，車諾比核事故之後國際社會也持續施壓，要求俄羅斯當局關閉剩餘的那些RBMK反應爐。

圖1：RBMK反應爐構造示意圖 (圖片來源：http://en.wikipedia.org/wiki/RBMK)

反應爐容器是一個圓柱形鋼鐵，外徑14.52米，厚16毫米，高9.75米，並有伸縮縫以對抗各方向上的熱膨脹/收縮應力。減速劑放在一個圓柱形的，內徑16米，外徑19米的中空水槽。水槽壁厚30毫米，內部分為16個垂直單元。水從單元底部泵入並從頂部流出。這些水亦可被用於緊急冷卻反應爐。。水槽、沙層和反應爐坑中的混凝土亦被作為額外的生物防護層。

RMBK型反應爐為沸水式水冷卻石墨緩衝的高功率反應爐，水與鈾燃料棒接觸而被加熱沸騰，所產生的水蒸汽則帶動兩座50萬千瓦的渦輪機以產生電力。燃料棒放置在石墨緩衝劑中，石墨的作用是使中子減速和維持連鎖反應，控制棒則用來控制反應爐產生的功率。

此反應爐此核電廠的設計缺點：

• 具有正反應度係數　（High positive void coefficient）。當功率異常上升時水會沸騰，冷卻水中產生蒸汽時會製造出有空洞的水泡，無法吸收中子，而石墨繼續慢化中子，2個因素促成中子被吸收產生核分裂，反應速率增加，這個情況很容易讓中子數目迅速增加，反應速率失控，這是RMBK型反應爐的正反應度係數。
• 大部分緊急應變皆須以手動操作
• 在低功率輸出時相當不穩定
• 蘇俄核能電廠之安全系統缺乏多重性、多元性、分離性之設計，無法有效地發揮反應器安全保護功能，例如車諾比反應爐外圍並沒有有效的圍阻體設計。

車諾比核事故主要原因是人為操作上的誤失，但是RMBK型反應爐這4項設計上缺點也是最終引發嚴重災情的輔助條件。

下面以圖形來說明RBMK反應爐的運作和車諾比第四號機組發生的事故。

圖1和圖2呈現RBMK反應爐的基本運作。

圖2：RBMK反應爐和壓力管橫切面示意圖。在核心有1700公噸的石墨塊和大約2000根壓力管。石墨是慢化劑，讓快速的中子慢下來，可以繼續分裂原子讓核分裂連鎖反應持續下去。 （圖片來源：作者改編自http://www.spiegel.de/flash/flash-25651.html）

圖3：事故後的車諾比RBMK反應爐狀況。 （圖片來源：作者改編自http://www.spiegel.de/flash/flash-25651.html）

參考資料

1. 原子能委員會: 《車諾比核電廠事件回顧》(http://www.aec.gov.tw/www/service/other/files/book_21.pdf)
2. 英文維基百科：RBMK （http://en.wikipedia.org/wiki/RBMK）
3. 中文維基百科：車諾比核事故（http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%88%87%E5%B0%94%E8%AF%BA%E8%B4%9D%E5%88%A9%E6%A0%B8%E4%BA%8B%E6%95%85）