三哩島核事故

**三哩島核洩露事故**，通常簡稱「**三哩島事件**」，是 1979 年 3 月 28 日發生在美國賓夕法尼亞州薩斯奎哈納河三哩島核電廠（Three-Miles Island Nuclear Generating Station）的一次部分爐心熔毀事故。這是美國商業核電歷史上最嚴重的一次事故。該事件被評為國際核事件分級的 7 級系統中的第 5 級：事故帶有廣泛後果。反核運動積極分子表達對事故造成的區域健康影響的擔憂。 然而，流行病學研究分析自事故發生以來該地區及其周圍地區的癌症發病率，確定該數據在統計上沒有顯著增加，因此沒有因事故與這些癌症相關聯的因果關係得到證實。但處理所需要的經濟損失很大，場內污染清理工作開始於 1979 年 8 月，並於 1993 年 12 月才正式結束，總清理費用約為 10 億美元。

三哩島事件是美國至今最為嚴重的核事故，但與之後發生的車諾比核能電廠事故與福島第一核電廠事故相比，三哩島事件仍然在可以控制的範圍內，在該核電廠周遭的居民以及鄰近的幾個州也都沒出現像烏克蘭或是日本福島那樣大規模的汙染，另外該事件的知名度也不如車諾比核能電廠事故與福島第一核電廠事故那樣被世界廣為人知。

## 反應爐簡介

二號機組為壓水堆，1978 年 12 月 30 日開始商業運行。額定電功率 880MW。爐心為 177 束燃料組件，共計 37000 根燃料棒，含二氧化鈾 100 噸。二氧化鈾的濃度為 2.57%。

反應爐有兩套迴路。每套迴路包含 2 台主泵、3 台輔助泵（2 台電動泵、1 台汽動泵）、1 台蒸汽產生器（SG）、1 台布設在一次側熱段的調壓槽。調壓槽壓力達到 15.5MPa 時，調壓槽卸壓閥自動開啟，將冷卻劑排放到調壓槽卸壓箱。

## 事故簡述

當天凌晨 4 時 0 分 0 秒，三哩島核電廠 95 萬千瓦壓水式二號反應爐一次側的給水主泵停轉，汽輪機停機。此時備用泵應按照預設的程序啟動，但是由於輔助給水系統中隔離閥在此前的例行檢修中沒有按規定打開，導致輔助給水系統沒有動作。

二號機組的一次側冷卻水沒有按照程序進入蒸汽產生器，熱量在反應爐中心處持續聚集，爐心壓力上升，導致調壓槽卸壓閥於 4 時 0 分 03 秒開啟，放出爐心內的部分汽水混合物。當下反應爐於 4 時 0 分 08 秒自動停堆，當反應爐內壓力下降至正常時，卸壓閥又由於故障未能自動關閉，使爐心冷卻劑以 45m3/s 繼續外流。壓力降至正常值以下，卻由於發生機械故障，在堆心壓力回復正常值後爐心冷卻水繼續注入減壓水槽，造成減壓水槽水滿外溢；4 時 2 分 2 秒主系統壓力繼續下降至 11.3MPa，「爐心緊急冷卻系統 (RCIC)」的高壓注水自動啟動，向爐心注入冷卻水。但反應爐操作員未判明卸壓閥沒有關閉，反而於 4 時 3 分 13 秒關閉應急爐心冷卻系統，停止向爐心內注水。

一次側冷卻水大量排出造成爐心上部失水，爐心上部燃料棒的溫度超過 2760 度，堆腔上部形成蒸汽。爐心燃料棒因大量高溫水蒸氣開始像玻璃一樣破裂，爐心坍塌。爐心 90% 的燃料棒包殼破損，47% 的核燃料已經融毀並發生洩漏，系統發出放射性物質外漏的警報，但由於警報響起時並未引起運行人員的注意，甚至現時的紀錄報告都指出沒有人注意到警報。

## 事故細節

### 二迴路停擺

1979 年 3 月 28 日凌晨，三哩島二號機 (TMI-2) 輸出達最大功率之 97%，一號機處於停機狀態。上午 4 時 0 分 37 秒 (東部標準時間)，二號機二迴路給水主泵停轉，被認為是三哩島事故一系列連鎖事件的起點。

時間倒退回十一小時以前，二迴路的八組凝結水除礦器中，七號除礦器發生了堵塞問題。除礦器含有樹脂濾芯，能夠捕捉循環水的礦物質與雜質，降低二迴路管線腐蝕速率，但也容易在水流通過一段時間後逐漸被壓縮，最終產生堵塞。通常而言，對濾芯使用壓縮空氣便能排除此類堵塞。但在技工維修七號除礦器的過程中，壓縮空氣將有瑕疵的止回閥頂開，一部分水因此進入了送氣管線。經過十一小時循環後，積水在四點抵達共同歧管，造成八組除礦器同時停機，同樣在二迴路上的給水主汞，壓縮幫浦被迫停機。兩秒後，二迴路渦輪進入停轉狀態 (turbine trip)。

### 洩壓閥故障

隨著二迴路停止與一迴路的熱交換，一迴路反應爐冷卻液系統 (Reactor Coolant System) 溫度迅速上升，冷卻劑膨脹產生壓力，並湧入與 RCS 相連的穩壓器 (pressurizer)。渦輪停轉四秒後，壓力來到 2255 Psig (155.5 bar)，與一迴路相連，穩壓器頂端的引導式洩壓閥 (Pilot-operated relief valve, PORV) 自動打開，將蒸氣排入位於核子反應爐安全殼地下室的冷卻劑排水槽。

汽輪機停轉八秒後，壓力進一步來到 2355 Psig (162.4 bar)，反應爐保護裝置 (Reactor Protection System) 隨之啟動，藉助重力插入所有控制棒，立即停止了鏈式反應。此時反應爐內持續產出相當於停機前百分之六的衰減熱。儘管不多，但在一迴路無法與二迴路進行正常熱交換的情況下，反應爐芯仍會持續累積熱量。

緊急給水泵進水閥自動啟動，試圖向熱交換器輸水以移除衰減熱。然而，兩條緊急給水管線上的進水閥在兩天前的例行檢測中雙雙關閉，事後又沒有開啟，導致緊急系統毫無用武之地。這違反了美國核能管理委員會 (NRC) 所制訂，在備援給水系統全數關閉時反應爐必須停機的規定，事後被 NRC 官員認定為重大違規。控制室內的操作員也未能於第一時間察覺進水閥誤關問題。

汽輪機停轉十五秒後，反應爐冷卻液系統的壓力隨著 PORV 排出蒸氣而下降，回到了 2205 Psig (152 bar)，PORV 重置點。此時 PORV 控制線圈自動斷電，閥門理應關閉停止洩壓。不料閥門此時卻卡住了，蒸氣持續溢出，導致一迴路的冷卻劑不斷流失。另一方面，控制室面板的 PORV 指示燈設計錯誤，指示燈只是解釋線圈通電與否，而非反映閥門實際位置。操作員因此錯誤地認為 PORV 沒有卡住，浪費了數小時診斷其他問題。

### 關閉高壓注水系統

在卡住的 PORV 形成冷卻劑流失事故後，緊急爐心冷卻系統 (Emergency Core Cooling System) 自動介入，啟用高壓注水系統替爐芯補充冷卻劑。另一方面，PORV 不斷洩出穩壓器上方的蒸氣，促使 RCS 壓力下降，穩壓器水位因替代上方蒸氣而上升。

在操作員的訓練中，冷卻劑流失事故的症狀被描述為壓力水位雙雙下降，沒有提及壓力降水位升的可能性。反應爐操作員因此沒有想到冷卻劑流失的可能性，反而更加關注穩壓器水位問題。水位過高將使調整槽失去壓力緩衝能力，是操作指南中註明需要避免的狀況。兩分鐘後，操作員判定水位已經夠高，高壓注水系統毋須繼續向 RCS 注水，因此手動關閉了高壓注水系統。

上午 4 時 11 分，PORV 連結的冷卻劑排水槽已被填滿，冷卻劑開始溢出，排入安全殼建築的廢液池並觸發警報。此一警報與 PORV 管線異常高溫 (超過華氏 200 度) 已是極為明顯的冷卻劑流失提示，現場操作員仍然未能發現。

### 爐心熔毀

上午 5 時 20 分，隨著一迴路不斷流失冷卻劑，剩下的冷卻劑開始隨著壓力下降，溫度上升而沸騰，在迴路內生成蒸氣氣泡。當蒸氣通過主循環泵時，空穴現象產生連控制室都能感受到的震動。根據作業指南，主汞必須關閉以避免燒壞。操作員決定逐漸關閉四座主汞。由於調壓槽水位夠高，冷卻劑被認為是足夠的，高壓注水系統仍然維持關閉狀態。

上午 5 時 44 分，四座主汞全數關閉，一迴路完全失去循環能力，蒸汽產生速度更加上升。

上午 6 時，隨著爐內的反應爐燃料棒上半部開始暴露於越來越多的蒸汽中，燃料棒的鋯合金外殼與水蒸氣反應產生二氧化鋯，氫氣與熱，使得外殼本身逐漸融化，露出裡面的核燃料顆粒。控制室同時也開始換班，交接過程中，一位員工終於注意到了 PORV 管線的異常高溫，關上了管線上的備用閥，至此已有超過 32000 加侖冷卻劑流出一迴路。

上午 6 時 44 分，核燃料顆粒飄逸出的同位素開始被廠房各處的放射線偵測器捕捉並發出警報，控制室終於發現正在發生的爐心熔毀。

### 緊急狀態

上午 6 時 56 分，廠區主管宣布廠區緊急狀態。30 分鐘後，廠長 Gary Miller 宣布進入全面緊急狀態。大都會愛迪生公司（Met Ed）通知賓州緊急狀態管理局（PEMA）後，PEMA 迅速通了地方政府，賓州州長索伯格（Richard L. Thornburgh）。索伯格旋即指派副州長史堪頓（RWilliam Scranton III）負責處理三哩島事故。

## 事故後果

事故後，原子能管理委員會對周圍居民進行連續追蹤研究，研究結果顯示：

1. 在以三哩島核電廠為圓心的 50 英里範圍內，220 萬居民中無人發生急性放射線反應。
2. 周圍居民所受到的放射線相當於進行一次胸部 X 光照射的放射線劑量。
3. 三哩島事件對於周圍居民的癌症發生率沒有顯著性影響。
4. 三哩島附近未發現動植物異常現象。
5. 當地農作物產量未發生異常變化。

## 事故影響

三哩島核洩漏事故是核能史上第一次反應爐爐心融毀的事故，此事故的嚴重後果反映在經濟上，公共安全及周圍居民的健康上則沒有不良影響。究其原因在於圍阻體發揮重要作用，凸顯其作為核電廠最後一道安全防線的重要作用。在整個事件中，人員的操作錯誤和機械故障是主要的原因，因此核電廠運行人員的培訓、面對緊急事件的處理能力、控制系統的人性化設計等細節對核電廠的安全運行有著重要影響。

這場事故恰巧發生在描述核電廠安全問題的驚悚片《中國綜合症》（_China Symdrome_）上映 12 天後，美國公眾對核電信心大受影響，美國核電產業陷入長期的不景氣，也因此核電廠的興建計畫銳減，美國核電相關的公司因此流失了許多資深經驗的工程師。雖然說此事故並沒有證明西方國家的核電廠事故會造成人畜傷亡及公共危害，但也大幅提高核電廠安全設施的建造成本，以免事故造成重大的經濟損失。但提高安全係數後的核電廠造價昂貴，因此核電廠興建數量大減，直到 21 世紀初的化石燃料價格大漲及全球暖化效應顯現後，各國才開始重啟核能計劃。

1986 年車諾比核能電廠事故後，核能的安全性一度被許多人質疑，但由於該蘇聯電廠的設計隱患，加上安全設備遠落後西方核電廠，因此三哩島事故後的美國的核能安全形象並沒有遭到嚴重影響，但是在 2011 年福島第一核電廠事故中，美國奇異製造的反應爐最終還是出了事故，確實使許多人對核能安全再度產生不信任。

## 事故分類

1. 緊急戒備事故（Alert）：安全狀況有顯著劣化或有發生的可能，尚不須執行核子事故民眾防護行動。
2. 廠區緊急事故（Site Area Emergency）：安全功能重大失效或有發生的可能性，可能須執行核子事故民眾防護行動。
3. 全面緊急事故（General Emergency）：發生爐心嚴重惡化或熔損，可能喪失圍阻體完整性或有發生的可能，必須執行核子事故民眾防護行動。

## 相關條目

* 車諾比核能電廠事故
* 國際核事件分級表
* 福島第一核電廠事故
* 核安全
* 美國的核能安全

## 註釋