2015年11月17日 星期二

核能電廠耐震設計---學者誤導

上週六中視"六十分鐘"節目延續前一週訪問日本福島,繼續播出參訪德國發展"再生能源"之旅。

節目開頭還是談了不少核能相關議題,其中有一極大錯誤,一般觀眾恐不易查覺。節目中訪問了某台大地質系教授,該教授指出台灣核電廠抗震以0.3G為基準,比民間一般建築抗震設計值還小。

真的如此嗎?

兩年前中國工程師學會曾設立「電力及核能安全專案小組」,針對大眾所關切的核能問題,提出專業之說明,讀者不妨參考中工會網址"www.cie.org.tw"首頁"電力及核安"單元之問答集。

題目之一為"核能電廠結構設計如何耐強震,解釋十分專業精闢,本文將此一問答題錄於本文後供讀者參考。


該文可能是本部落格中技術含金量最高的文章之一,其文字嚴謹但一般讀者恐不易完全了解,本文以輔以簡單"導讀"

一般而言,任何結構受外力都會變形。變形分為兩種:一種為彈性變形,一種為塑性變形。在彈性變形範圍內,外力移除後,結構會恢復為未受外力前之形態(變形為零)。但若外力夠大,變形超過其彈性變形限度,結構即會產生塑性變形,即使外力移除,結構也不會恢復原狀而會有永久變形。

茲以迴紋針為例,若以很小力量掰開迴紋針,迴紋針會有稍許變形,但放手之後,迴紋針會恢復原狀(彈性變形)。但若掰開迴紋針的力量夠大,則迴紋針會永久變形,即使放手,迴紋針也不會恢復原狀,因其已發生塑性變形。

核能電廠和一般民間建築抗震要求完全不同。一般建築設計之要求是中小地震時建築變形保持在彈性變形範圍,地震後建築物將恢復原狀,不會發生永久變形,建築物保持完好。但在設計值之大地震來時,重點在於建築不要倒塌造成人員傷亡,但容許建築物發生塑性變形(永久變形),地震過後建築物不堪使用,成為危樓,但確保人命安全(有如迴紋針在發生塑性變形後並未折斷,但已不堪使用)

核電設計觀念不同,核電結構設計是在發生設計值之地震時,結構仍處於彈性變形範圍,地震過後,核電廠結構將恢復原狀,沒有塑性變形,核電廠可正常使用。

所以在同樣地表加速度的設計值下,核電廠結構以彈性設計,但一般建築物則考慮塑性變形吸收之地震能量而將設計地震地表加速度予以折減後再進行彈性設計。

中視節目中之地質系教授對於核電廠結構與一般建築結構設計理念完全不同一節似乎並未深入了解,其發表誤導觀眾之言論,令人十分遺憾。

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以下為中國工程師學會解釋全文。

核能電廠廠房結構耐震設計攸關核能安全,為確保各廠房結構之耐震能力,須依其功能性及重要性而賦予不同等級之分類。核電廠耐震一級結構物,即係依據美國核能管制委員會(US Nuclear Regulatory Commission, USNRC)所制訂之核能規章(Regulatory Guide, RG.)1.29規定,凡與核能安全相關(Nuclear Safety-Related)之廠房結構,在安全停機地震(Safety Shutdown Earthquake, SSE)發生時,須仍能維持其正常功能,以確保電廠能執行安全停機並穩定維持在停機狀態,並防止輻射外洩之可能性而危及民眾。核四廠反應器廠房(Reactor Building)、控制廠房(Control Building)及輔助燃料廠房(Auxiliary Fuel Building)等,皆為此類安全相關耐震一級結構之代表。此外,部份非安全相關之廠房結構,經考量SSE發生時有必要維持機能之重要性,亦可將之歸類為耐震一級,核四廠消防用儲水槽及廠區排氣煙囪等,則為此類耐震一級結構之代表。

工程實務之設計,係依據彈性分析而進行彈性設計。因核電廠耐震一級結構要求在SSE發生時需仍能維持其正常功能,故實務上要求在SSE情況下,結構各部位構材之應力需仍小於規範容許值亦即仍處於彈性範圍(elastic range),且局部構材不得有永久性變形產生,故耐震一級結構即以SSE為其彈性設計地震,以核四耐震一級結構為例,其彈性設計地震即為安全停機地震(SSE=0.4g)但一般民間建築物耐震設計所依據之國內法規「建築物耐震設計規範及解說」,其耐震設計基本原則係使建築物結構體在所考量之地震發生時容許產生塑性變形,以結構體本身既有之韌性容量來吸收地震能量。故一般建築物係先將規範規定所考量之地震力依結構韌性容量等因素予以折減後,作為其彈性設計地震力,以為後續結構分析及構材斷面設計之依據。
核電廠耐震一級結構與一般建築物之耐震分析與耐震設計步驟如附圖一所示,附圖一亦顯示出兩者彈性設計地震之差異性。茲舉核四廠耐震一級結構物與核四廠毗鄰地區一般鋼筋混凝土造梁柱構架式建物為例,以最粗略之比較可知,前者之彈性設計地震至少比後者高2.5(0.4 g/0.16 g),也就是說前者之耐震能力至少比後者高出2.5倍。此外,若再加上考慮結構物週期對應彈性設計反應譜之放大因素(見附圖二)以及後續依據相關核能法規進行分析及設計時之部份細節規定如:三向(兩水平一垂直)地震需同時作用、人造地震建立過程及規定、地質特性及參數之詳細調查、土壤-結構互制(Soil-Structure Interaction)作用之考量及細節、岩盤至建物基礎間之地震放大效應、土壤特性之不確定性及非線性因素、分析模型建構過程及細部考慮、分析方法之適用性及比較、動力反應振態組合、載重組合特殊項目等之規定,均較一般建築物耐震設計規範之規定詳細且嚴謹,更確保核電廠耐震一級結構之耐震能力會再高於前述之值。

 


                                                                   附圖 


 附圖 
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1.      核四(龍門)電廠彈性設計反應譜係依據文獻“Site-Dependent Design Spectrum for Taiwan Region”, IESER-93002, Institute of Earth Sciences, Academia Sinica and Center of Earthquake Engineering Research, Oct. 1992,為核電廠耐震一級結構適用之SSE=0.4g反應譜。
2.      國內耐震規範彈性設計反應譜係依據內政部頒94年版本,貢寮鄉區第一類地盤,I (一般民間建物之用途係數) = 1.0,αy = 1.5R (韌性容量) = 4.0計算而得。

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