福島第一核電廠事故討論與地震因應對策

核能發電廠基礎隔震歷來統計調查和工業與法規接受度所面對的挑戰

摘要

基礎隔震墊的許多優點可促成未來核能發電廠結構以及設備的必備標準，同時也將降低建造成本和所需時間。此報告提供過去測量隔震器應用及核廠應用研究，也研討未來美國核能發電廠在得到工商界及政府許可前所需克服的問題。有關於設計、法規/規範/條例、採購和施工等問題都有提出。

1. 簡介

隔震是個已成熟的技術應用於許多設施和重要機關建築。為核能發電廠配置基礎隔震有許多優點。最重要一點便是發電廠整體可靠性及安全性都可提高。這是應大型機器設備和結構不論地表運動如何都可有標準規格，即隔震尖峰地表加速度的變化可應需求改變隔震系統。設備與建築物結構基礎隔震的規格化可為新核能發電廠減少成本和減短設計及建設時所需時間。再者，規格化的廠基礎隔震可讓設備、管道和零件使用於結構響應譜關聯通用建築。還有，因對抗依據設計的地震及設計範圍外的地震有優越的隔震表現，廠的安全範圍與常規相較會增加。

基礎隔震應用也有助於以下列出的地震問題:

美國核能監督管理委員會指南1.165(NRC, 1997)要求核能廠避震設計必須依照100,000年危險性概率(PSHA)設計。許多位於美國中央及東部已存在及下一代將新建的核能廠相關地震設備也許會過分昂貴。

基礎隔震的潛力進行。在美國核能工業和監管機關須研究過去基礎隔震應用結果和目前存在並改進的隔震科技可以正當的運用於重要的設施並小心的進行。尤其是核能廠所有的特殊需求必須在配置前解決。至此，這篇報告的作者們已與各個隔震專家、監管機構、公用事業公司、供應設備廠商和隔震供應商拉票來發展共識和計畫未來核能發電廠的基礎隔震運用。

2. 歷來核能設施基礎隔震研究與應用

歷來核能工業有許多基礎隔震的運用或有發展出合適如此運用的規格。這篇報告會討論從應用和研究得到的教訓與觀點。

目前世界有六座PWR核電廠具有基礎隔震設計:四座處於法國，兩座處於南非。位於法國克呂阿(Cruas)廠的四座建築於1,800個500x500x65mm的氯丁橡膠墊上。這個位置的地震屬中等，但仍有加速度0.20g的安全關閉措施(SSE)。位於南非科貝赫的兩座則興建於2,000個700x700x100mm氯丁橡膠墊上，這裡的SSE則設尖峰地表加速度為0.30g。氯丁橡膠墊包在用鉛銅合成底板和拋光鋼上板所做成的平滑板塊。增加滑板塊是為了當側向力傳到反應爐時會限制摩擦阻力於滑板面

日本政府於過去15年贊助了各種評估核能廠基礎隔震科技的實用性。在1997年，中央電力研究所(CRIEPI)發佈快中子增值反應廠和輕水反應爐適當應用方針。雖然目前日本尚無有做隔震設備的核能廠，這些方針使隔震成為一個可能性。至於位於日本的國際熱核實驗反應爐(Fujita, 1997)的隔震工作仍在進行中。

西屋於90年代曾將側向基礎隔震應用於AP600廠做研究(Westinghouse, 2004)。這是為確認AP600廠標準是否可應用於日本雖然尖峰地表加速度超過AP600可負荷的0.30g。大眾覺得AP600和AP1000廠在應用於地表震動更大的地方前仍需更多商業上的成功。

美國能源部(DOE)原想運用基礎隔震科技於反應爐結構先進的液態金屬反應爐(ALMR)工程以提高安全性也讓為各區地表加速度不一發展標準設計。ALMR原始模型的設計結合了66個高阻尼橡膠隔震墊。這些隔震墊的原始模型經過廣泛的測試(Tajirian, 1990 and Clark, et al, 1995)。DOE也有在發展結合了隔震的鈉快滋生反應器(SAFR)。原始模型設計是由100個彈性隔震墊支撐著，以用縮小比例的隔震墊測試表現。

3. 基礎隔震核能發電廠設計考量

為核能發電廠設計隔震系統有些條件須納入考量。

選擇隔震標準：雖然地震反應在尖峰地表加速度低或中等區域通常不會納入核電廠結構設計考量(輻射屏蔽或意外荷載等較常影響設計)，對於重大設備、管道和其他安全設施就不一定了。核能蒸氣供應系統(NSSS)設備供應商可為他們的設備基於已知脆弱特徵和/或經濟設計考量指定必要的響應譜。不幸的，NSSS供應商負責設計設備和支撐的設計師思想保守，只應用土木結構規範所給的地板響應譜。隔震的潛力在計畫中無法完全開發除非設備設機師認為RSS過高。NSSS供應商和其他重大設備販售商所設的標準會是讓基礎隔震成為普遍接受的關鍵。

隔震與擴張接頭：平衡廠系統(BOP)，包含重要的系統如主蒸氣和供水，從無隔震設施通過需安裝特製彈性擴張接頭以容納兩廠間的相對運動。這些相對運動預計達1至2 英尺(尤其是位於高地震帶區)，彈性擴張接頭設計會是一大挑戰。須事先商談規畫這些特製品的採購或設計。某種程度上，隔震墊的實用性和挑選隔震系統型號與布局會憑工廠的能力取得合適的彈性擴張接頭以隔震BOP系統。因此，為能確定可為耐高溫高壓直徑長的管道得到合適的隔震接頭(或至少可低價製造)。

規範超越設計基準之標準:NRC也許有對超高尖峰地表加速度高風險或安全性能目標規定些超越設計基準之規範。但在缺乏NRC任何規定標準狀況下，設計師和雇主須選擇合適的標準。超越設計基準之地震標準不論是雇主或由NRC規範主宰，隔震系統的設計須達到相關標準。這會影響隔震系統裡的隔震接頭的能耐和必要的地震間隙。彈簧與阻尼器，須於極渺小可能性發生耗盡滑動力極限時，緩衝傳來的衝擊力。

4. 品質保證、品質管制和法規、審議標準

在採購核能發電廠隔震系統材料及服務時，須考慮些許QA、測試和法規或標準。

採購問題:美國核能管理委員會(NRC)須先批准(一般或逐案)再管制於美國使用的隔震系統。關於隔震系統應用安全性質須在QA/QC規範內的10CFR50。要適應這些規範對隔震生產商會是一大挑戰，他們不習慣在核能業(即QA或QC有關設計、測試、製造、運送處理和安裝)裡算普遍規範的嚴格的程序。對於核能發電廠工程規模和市場發展性，隔震業者須準備適當隔震墊尺寸、承載容量和生產能力。

未來助隔震生產商保持溝通順暢並為接著的挑戰準備會成必須的。在過去十幾年有應用隔震系統於許多重要建築物的主管機構和業主(如DOE為ALMR 和SAFR的工程與加州交通部)，應要求施加更多規範使隔震業者提高品質、測試和同行評審。應用於非核能工程通常會有獨立的專家為第三方做審查，尤其是核能應用更須確定設計品質和採購。

5. 建築考量

基礎隔震應用於核能發電廠會遇上的問題包括規劃、調度和執行。大體上基礎隔震預期會

減低整體進度時間因建築結構的設計、重大設備和管道可標準化。以下列出建築問題:

隔震隔層:一個圍阻體和附屬建築物的隔震隔層會因為它的體積和預期厚度變動而是個挑戰。在隔震隔板層中的厚度改變可盡量減少儘管混泥土或鋼筋數量會增加。增加的數量與施工易度(和預定行程合理性)相較下須做成本效益分析評估。設計和建築團須盡早對這事協調並做出決定。選擇為反應爐結構採用反應爐與基礎分開從建設觀點較佳；不過這意味著不利進度與費用的問題(增加BOP隔震接頭採購數量會增加成本)。

隔震隔層與基礎間須留適當空間以方便檢查、維修、監視和未來抽換隔震墊測試之可能。另一個須解決的問題是在預力混泥土圍阻體裡的環連廊的設計概念。維護走道將會成為隔震隔層的一部分所以需要局部增厚。

護城河或地震間隙:為容納隔震建築的側向動向，在基礎場邊留一個間隙空間，即地震間隙，會是必要的。如主圍阻體與附屬建築物有局部深入地面，隔震系統會位於下方，地震間隙則會代表護城河的功能。護城河的寬度須依適當的「超出設計值為基礎」超越側向位移最大的預估。

特殊的建築特色跟地震間隙關聯。核能發電廠，地震間隙會代表護城河的角色因反應爐建築和輔助建築通常會勘入地下幾米。建造一個護城河將須用擋土牆固定土壤。嵌入更深的圍阻體與附屬建築物，護城河設計與建造須更加謹慎計畫。基礎隔震可將埋置本身隔震需求降至最低。另一建築考量是電梯坑與汙水池的配置。通常在有隔震的建築物裡，電梯坑會懸掛於結構的一樓以下，於為隔震墊準備的空間之間。尤其是當它經歷最大側向動向時，在電梯坑與汙水池旁須留足夠的空間以避免阻礙隔震系統。

6. 為美國核能發電廠備案時有許多工業或規例問題須評估並研討。這篇文章已針對以下問題做討論:

隔震商品質保證或品質管控能耐