挑戰與危機:水、糧食、能源、環境

水資源分配、河川與海洋汙染、土壤污染、土壤鹽化與退化、人口爆炸與糧食危機、環境汙染(交互作用、跨地域性)、能源短缺

輻射塵有多猛?

輻射塵有多猛?
國立中央大學環境工程研究所陳彥凱

2011年3月11日,日本東北地方外海三陸沖發生強大的地震,除引起嚴重傷亡的海嘯外,亦導致日本福島核能電廠嚴重的輻射外洩危安事件。此事件引起全球關注,也讓近鄰的台灣民眾陷入恐慌,原因之一就是輻射塵(Radioactive Fallout)

(圖片來源:維基百科)

萬一飄過來,會對環境與民眾健康造成什麼樣的影響?在談論輻射塵之前,我們應該先了解何謂「輻射」?輻射為何與核能有關?

何謂輻射、輻射塵?

核能電廠利用核分裂產生的熱能發電,而核分裂的過程中會產生許多放射性物質,例如銫137 (137Cs) 1。這些不穩定的放射性物質會持續釋出游離輻射 2。「輻射」從字面上可直接理解為一種傳播與傳遞能量的過程,而輻射能量的傳遞可藉由波或粒子進行,例如放射性物質經衰變產生的α粒子、β粒子或γ射線等。暴露在這些傳遞較強能量的游離輻射下,就可能對人體細胞造成傷害,對人體健康的危害程度也會隨著輻射暴露量上升而增加。「輻射塵」就是在大氣環境中遭到放射性物質附著/汙染的懸浮微粒。輻射塵除可能因為核能電廠嚴重的危安事件而產生外,核子武器試爆也會產生大量的輻射塵。

沙塵暴有多威?

沙塵暴有多威?
國立中央大學大氣系碩士班葉宗鑫撰稿

何謂沙塵暴?
大氣中有許多肉眼看得見與看不見的懸浮微粒,「沙塵」就是屬於肉眼看得見的一種懸浮微粒,而「沙塵暴」則是使能見度惡化的災害性天氣現象。沙塵暴形成之後,受強風揚起的沙塵會使得空氣中含有大量的塵土,進而遮蔽日照並使能見度大幅下降,而強烈的沙塵暴有時可讓能見度降低至50公尺以下,故俗稱「黑風」或「黑風暴」。

(圖片來源:維基百科)

對一般大眾而言,沙塵暴最具體的意象就是電影《神鬼傳奇》中經典的橋段,主角差點被突如其來的滾滾黃沙(沙塵暴)所吞噬。但對氣象學家而言,沙塵暴是水平方向能見度低於1000公尺的風沙現象。

沙塵暴災害

沙塵暴除了會嚴重降低能見度之外,還可能會對人體健康、農業、交通、空氣品質,甚至天氣等造成影響。當沙塵暴來臨時,會在短時間大幅增加空氣中的懸浮微粒,空氣中的懸浮微粒濃度通常可高於平常日的數倍,而且濃度增加較多的多是細小的微粒。

沙塵暴影響期間,假如民眾在戶外未做好防護措施則容易吸入過多沙塵,沙塵在傳輸過程中亦可能挾帶或混合大量的空氣污染物,會造成過敏性鼻炎甚至引發咳嗽、氣喘、眼睛不適、皮膚過敏、皮膚癢等症狀。落地的沙塵則可能累積在農作物的葉面表層,阻塞氣孔且妨礙光合作用的進行,造成農業的重大損失。強烈的沙塵暴更可使得當地的交通癱瘓,例如飛機會因為能見度過低而無法起飛與降落,或是行駛的汽機車因為道路能見度差而發生事故等。如果當地沙塵暴事件相當嚴重,甚至會出現泥雨的奇特天氣現象。

沙塵暴成因

沙塵暴的成因可分為沙塵來源與物理機制,沙塵來源主要是在乾旱與沙漠地區,來源地通常具有土質鬆軟、乾燥、無植被或草木生長和沒有積雪等地表特徵。物理機制則是強烈的地面風和垂直不穩定的氣象條件,使地表沙塵被強風捲起,再經由空氣垂直運動抬升傳輸至大氣層中。全球三大沙塵暴源區分別為:黃土高原(中國西北和外戈壁沙漠)、撒哈拉沙漠和澳大利亞中西部。

環境水體中的新興污染物怎麼來的?

環境水體中的新興污染物怎麼來的?
國立臺灣大學環境工程學研究所 莊英志,林彥妗

隨著科技的進步與生活的發展,開創了現代人便利的生活模式,然而在這看似為人類帶來許多有利發展的背後,是否隱藏著人類有所不知的危機?

現代醫藥科學的發展,讓許多新藥物的研發有相當快速的進展,也造福了許多病患;然而在使用藥物的同時,也伴隨著廢棄藥物處理不當的風險。如果將廢棄不用的藥物任意丟棄,不但造成醫療資源的浪費,也會使環境賀爾蒙(內分泌干擾物質)增加,並影響整個生態環境。此外,工廠裡所使用的工業用溶劑、添加物與新興材料 (例如:奈米材料),如果被任意排放至環境水體中或在廢水處理過程中未經適當地處理,其殘留物質則會流入環境,可能造成環境污染與長遠的生態影響。

現代生活中,存在著許多我們肉眼看不到的污染物,它們的存在可以是極微量的,甚至難以藉由科學儀器分析鑑定,這類微量存在的污染物一般稱之為「微量污染物」。近年來,環境中的微量污染物被廣泛討論並研究,在這些污染物中,「新認定或尚未認定」、「未受法規規範」及毒理資訊缺乏或有限之化學污染物,我們稱之為「新興污染物」。新興污染物絕大多數未被包含在現有之污染物例行性監測計畫中,通常因分析檢測技術提升或改良,才在近期被檢出而受到重視,其多寡一般以在環境中的濃度大小來計算。在水體環境中其範圍介在μg/L (ppb) 到 ng/L (ppt) 之間 (μ=10-6、n=10-9)。

當這些污染物在環境中達到一定含量時,可能會對環境及生物造成危害。新興污染物的可能來源包括:家戶或個人不當的藥物棄置 (例如:把藥物丟入馬桶沖掉)、醫院廢水、農業用地、製藥與化學工業工廠、高科技產業排放污染物、飲用水消毒副產物、食品添加劑、消費性日常用品溶出物及微生物等。縱使這些污染物經過廢水處理廠的處理才排放到自然環境中,但某些特定的污染物還是不能完全被去除與分解,如此一來就造成殘留,而殘留的污染物或其在環境中經轉化之潛在危害物質可能存在於河川、河口、地下水道以及海洋中。

近十年來,科學家致力於環境水體中新興污染物的研究,其污染物種類主要包含:藥物及個人保健用品、內分泌干擾物質 (環境荷爾蒙)、生活日用品、全氟化物、其他工業用化學物質、飲用水消毒副產物及微生物(如圖1)。以藥物與個人保健用品的環境影響來看,易造成環境污染的包括抗生素、藥水、針劑。已有研究指出醫藥類污染物會使雄性成年古比魚 (產於西印度群島的一種熱帶魚)的精子數量減少,也會造成能抵抗抗生素的細菌種類增生。在某些藥品中,可能存在著內分泌干擾物質,也就是俗稱的「環境荷爾蒙」,其不但會干擾生物的生殖、發育,也會影響體內荷爾蒙的合成與作用。殺蟲劑與工業用化學物質中,含有被廣泛應用的「全氟烷酸類」化學物質(如圖2),雖然其毒性尚在探討與研究中,但此類物質對環境的影響不容忽視,暴露在含有這類物質的環境中會影響實驗動物的免疫系統,也會對其肝臟產生影響,甚至可能有致癌的危險。

車諾比核電廠事故:人為疏失與事件過程

車諾比核電廠事故:人為疏失與事件過程
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. 導致車諾比核事故的人為操作疏失提醒我們哪些核能安全的管理問題?

導致車諾比核電廠事故的原因是反應爐安全設計不當和人為操作疏失。RBMK反應爐部分已另文說明。此文簡述人為操作疏失的部分。無論反應爐的安全設計如何縝密和進步,人為操作還是最關鍵的一環。瞭解車諾比核電廠事故中人為疏失的部分,是反省核能安全的必要課題。

事發過程

1986年4月25日夜間事故發生之前,正值第四機組將定期保養停機,電廠當局擬趁其停機之便,進行一項測試緊急爐心冷卻裝置的實驗。技術上而言,該實驗為利用該機組兩部汽輪發電機中之第八號汽輪機,測試其驅動之蒸汽被切斷之後,汽輪發電機之轉動慣性能量,在備用柴油發電機啟動前能提供多久之廠內緊急電源。此實驗曾在商轉前試驗過,但當時因其發電輸出電壓下降比預期來得快而未能成功。此次之試驗,則是在勵磁機上採用特殊之發電機磁場調整器設計,欲藉此克服電壓急劇下降之問題。以下4個圖表說明事件發生過程。

三哩島核泄漏事故 (Three Mile Island accident): 檢討與改善安全措施

三哩島核泄漏事故 (Three Mile Island accident): 檢討與改善安全措施
美國Stony Brook University王瑜君物理學博士/美國Stony Brook University王瑜君物理學博士責任編輯

思考問題:

1. 三哩島核泄漏事故對核能安全提升有何助益?

2. 調查三哩島事故的單位,從哪幾個方向來檢驗和提出改善建議?

圖1:三哩島核電廠2010年的相片,左邊是事故後永遠停機的TMI-2機組。 (圖片來源:http://en.wikipedia.org/wiki/Three_Mile_Island_Nuclear_Generating_Station)

三哩島核泄漏事故 (Three Mile Island accident): 事件過程

三哩島核泄漏事故 (Three Mile Island accident): 事件過程
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. 三哩島核泄漏事故中出現哪些嚴重的人為疏失?

事件發生過程

1979年3月28日凌晨4點左右,三哩島核電廠二號反應爐(TMI-2)主給水泵停轉,輔助給水泵按照預設的程序啟動,但是由於輔助迴路中一道閥門在此前的例行檢修中沒有按規定打開,導致輔助迴路沒有正常啟動,二迴路冷卻水沒有按照程序進入蒸汽發生器,熱量在堆心聚集,堆心壓力上升。堆心壓力的上升導致減壓閥開啟,冷卻水流出,由於發生機械故障,在堆心壓力回復正常值後堆心冷卻水繼續注入減壓水槽,造成減壓水槽水滿外溢。一迴路冷卻水大量排出造成堆心溫度上升,因為不當的控制板面設計和閥位指示無法正確顯示,運轉員並不知道閥是打開的。待運行人員發現問題所在的時候,堆心燃料的47%已經融毀並發生泄漏,上午7時左右系統已經發出了放射性物質泄漏的警報,但由於當時警報蜂起,核泄漏的警報並未引起運行人員的注意,甚至現時無人能夠回憶起這個警報。直到當天晚上8點,二號堆一二迴路均恢復正常運轉,但運行人員始終沒有察覺堆心的損壞和放射性物質的泄漏。

圖1:管理程序的關鍵疏失:重要訊號被掛卡遮住。 (資料來源:出自於凱曼尼調查團(Kemeny Commision)三哩島事故報告第117頁, 引用自http://www.aec.gov.tw/www/service/other/files/book_20.pdf)

三哩島核泄漏事故 (Three Mile Island accident): 背景與對全球核能工業的衝擊

三哩島核泄漏事故 (Three Mile Island accident): 背景與對全球核能工業的衝擊
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. 三哩島核泄漏事故對全球核能工業有什麼重要的歷史意義?

2. 比較三哩島事件,1986年車諾比和2011年日本福島核事件的異同?

事件背景

自從1956年第一座核能電廠開始商業運轉以來,核能發電被視為是廉價和安全的電力來源,廣受工業國家的歡迎,民間也沒有反核的聲音。但是1979年的三哩島核事故,重挫了當時當年意氣風發,如日中天的核能產業。當年3月28日凌晨4點,位於美國賓州(Pennsylvania) 薩士奎亞納河(Susquehanna)中間的三哩島(ThreeMile Island)發生核電廠意外事件,導致部分爐心(約50%)融毀,震驚了全世界。當時全球共有130 餘座興建中或預訂中的核電廠被取消。民眾首次經歷到使用核能的風險,促使各地反核運動開始萌芽發展。

圖1:位於美國賓州(Pennsylvania)的三哩島核電廠的地理位置。 (圖片來源:http://www.aec.gov.tw/www/service/other/files/book_20.pdf)

車諾比核電廠的未來:國際合作的新安全圍堵體(New Safe Confinement, NSC)

車諾比核電廠的未來:國際合作的新安全圍堵體(New Safe Confinement, NSC)
美國Stony Brook University王瑜君物理學博士/美國Stony Brook University王瑜君物理學博士責任編輯

思考問題:

1. 為什麼車諾比核電廠長期善後計畫需要國際合作?

車諾比核電廠事故發生時,蘇聯的領導人是具有改革企圖心的戈巴契夫。儘管在戈巴契夫革新之下,蘇聯政權已經比過去開放透明許多,但是車諾比核電廠真正肇事主因到現在還是疑霧重重,蘇聯官方的調查將責任推給當時進行反應爐「實驗」的操作人員,卻不追究反應爐設計和整體核能決策疏失的責任。

事故發生後,蘇聯當局原本決定在1993年年底徹底關閉車諾比核能電廠,但是不久蘇聯解體,新獨立的烏克蘭面臨嚴峻的經濟和政治不穩定問題,若關閉核電廠則無法提供百萬人度過寒冬所需的電力。所以,要長期解決車諾比核電廠的善後問題,必須有國際組織的介入和支援。

圖1:車諾比核電廠出事的第4號機組的損壞情況(左)和1986年11月建成覆蓋在上方的「石棺」(sarcophagus)。 (圖片來源:http://www.aec.gov.tw/www/service/other/files/book_21.pdf)

車諾比核電廠事件:建造背景與事故後運轉情況

車諾比核電廠事件:建造背景與事故後運轉情況
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. 為何車諾比核能電廠事故發生後其他機組繼續運作了相當長的時間?除了電力需求外,還有哪些可能的社會因素?

車諾比核能電廠建造的社會政治背景

車諾比核能電廠位於烏克蘭基輔州普里皮亞季鎮(英文拼法:Pripyat)附近,距離烏克蘭和白俄羅斯邊境只有16公里,距車諾比市西北18公里,距烏克蘭首都基輔(Kiev)以北110公里。核電廠建設方案最初打算將電站建在距離基輔僅25公里處,但是科學界擔憂核電廠與基輔過於接近,逐更改為現今位置。1986年電站的四號機組發生爆炸,引發目前為止(包括2011年日本福島核災在內)最嚴重的核電廠事故。

圖1:車諾比核電廠的地理位置和周遭國家。 (圖片出處:http://www.world-nuclear.org/info/chernobyl/inf07.html)

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)

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