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2024 年 5 月 21 日
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【專欄】安全電池 – 核電廠安全的最後保障?!

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核電仍然存在爭議,而且核電從業者及擁核者,皆極具說服力,説明核電廠已經部署了許多萬全的安全系統,和綠能的解決方案,然大部分的擁核者其實並未有參與核電操作或監督的實務經驗,卻説核電廠是地球上最安全且零空污的發電廠。

如果不是有美國「賓州的三哩島」,「烏克蘭的車諾比」,「日本的福島」等3個核電廠事故,核電廠的確是地球上最安全的地方,至少在統計上這是正確的。今天介紹核電廠「安全電池」的作用,這可是核電廠 “不怕一萬就怕萬一” 的最後安全保障?

知道核電廠如何發電的嗎?

核燃料是儲存在長管中的「鈾顆粒」,垂直插入水中譲水沸騰產生蒸氣。電廠操作員根據水沸騰引起的反應數據來提高或降低核燃料棒,將他們完全沉浸水中。為此,他們須靠電動機、繼電器,和等等開關,因此,他們必須要有電才能工作。

「安全電池」的使用條件:在正常情況下,核電站從公用電網獲取其運行電力來啟動發電機,將生產的電力發送到國家電網。其中也會保留提供自己要使用的一部分電力,以便萬一供電出現故障,發電廠有天然氣或柴油發電機供電來保持電廠所需電力,使核電廠操作員有時間從水中撤回核燃料棒,並在關閉系統前保持冷卻劑的循環運轉。如果這些也無法執行,「安全電池」將是他們最後的安全保障!?

福島發電廠到底出了什麼問題?

2011 年 3 月 11 日,一場 40 英尺高的海嘯襲擊了該發電廠,破壞了其與國家電網的連線,這觸發設備的自動關閉,並由此產生了自身的自我維持能力,然後海水淹沒了其備用發電機房,最後,福島只剩下的手段,只剩安全電池。

然安全電池只能供電八小時。儘管付出了巨大的努力,技術人員仍無法在洪患條件下,連接備用發電機,因此當備用的安全電池失效用完時,裝置熔化,發生爆炸,任何人都無能為力了。核電廠的運營單位人員,需靠電池來保證發生故障時的安全。為此「美國核能監管委員會(NRC)」出版的一本「核電廠電池測試評估手冊」“Testing to Evaluate Extended Battery Operation in Nuclear Power Plants” 註1,就顯得特別重要 。

備用電池必須耐用:福島地震和海嘯顯示,其支援系統、存取、傳輸線路完整性,和即時通訊並不健全,依賴正常故障維安程序,存在重大的未知危險性。

安全電池,備用柴油發電機,和外部電源應納入應急計劃,但不應成為核心(包括備用電網或旁路電線、備用發電機,以及專用柴油發電機,和整體備用電池系統)。定期進行安檢演習和危險評估,包括備用電源系統分析,以及每個等級的備用電源如何進入和退出。

電池的基本條件、配置和管理
電池須具有指示電壓和最大儲存能量以及充電和放電模式。 在充電和放電期間,它們需要散熱,並且應允許被動冷卻。 在某些情況下,電池大多採用液壓密封,並且可以浸入可能發生洪水的地方。

例如,3V的電池應可在具有符合要求的電壓,和能量傳輸的電池模組中進行電氣連接。 電池應是完全模組化,能夠被單獨進行分析和選擇性的個別更換,並且配置於被動式冷卻的電池組群中;當互連時,電池組應可被視為單一電池,擁有即時電池健康監測系統,確保電池的容量和性能。

核電廠發的電和調度的電力為高壓「交流電」, 電池則是低壓「直流電」,使用電池作為「備用電源」時,需要有絕對可靠的瞬間AC/DC轉換技術。

用於交直電流間轉換的現代技術使用非常可靠的大規模固態電子裝置。 但直流系統的可操作性 — 電池、逆變器、網狀佈線、開關、和監控系統 — 必須要定期的進行測試和記錄。

新一代的柴油引擎具有≤10秒的保證滿載啟動能力; 具有適當開關的電池組能在微秒內完成相同的工作,因此對於「不間斷」的電源來說,電池優於發電機。

但兩者都面臨挑戰。對柴油發電機組而言,無疑的是柴油燃料的品質。 柴油置放過久,會有愈時污染的問題,這對柴油引擎來說,是一個重大的問題; 加上, “過時”的舊柴油燃料必須回收或經測試。

啟動時間:燃氣渦輪機的啟動速度比柴油發電機更快,但前者的揮發性燃料不應在核裝置附近儲存或使用。

值得記住的是,核電廠既有「物理」週長,也有「推論」週長。

1)燃料供應:如緊急備用柴油發電機的效率為38%,使用一組備用柴油發電機供電,如柴油的需求0.425 公升/秒,則48小時的柴油需求將為172,000 公升。

2)可靠性:柴油發電機由化學、機械、和電氣系統組成。機械傳動部件可能磨損、發生故障、出現控制系統問題。 美國核能標準規定啟動引擎的故障率須低於1%。

3)穩健性:福島核電廠的柴油備用發電機,首先需承受垂直和水平震動的衝擊波,然後遭受海水的整機淹沒和泡浸。

註1:核電廠的運營商需靠電池來保證發生故障時的安全。「美國核能監管委員會(NRC)」出版一本「核電廠電池測試評估手冊」“Testing to Evaluate Extended Battery Operation in Nuclear Power Plants” 。

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林正祥
林正祥
出生台灣南投埔里,國立台灣師範大學畢業(1970)、美國賓州匹茲堡大學(PITT)碩士(1976)、美國俄亥俄州立大學(OSU)博士(1984),並任教於賓州匹茲堡大學及俄亥俄州立大學等22年。曾任美國尼克森總統中美建交經貿顧問,美國洛克威爾國際公司國際顧問,美國鋼鐵公司國際顧問,俄亥俄州政府科技顧問,俄亥俄州哥倫布市政府科技顧問。1990年回台從事輕型直升機和飛機產業,現任祐祥直升飛機股份有限公司董事長。

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