海上浮動核能電廠

 

    世界第一座商用海上浮動核能電廠,將是 Public Service Electric and Gas CompanyPS)的亞特蘭電廠(Atlantic Generating Station),它是一座2,300百萬瓦的壓水式核能電廠(註),位於美國東岸新澤西州海岸外2.8哩處,靠近小卵港(Little Egg Harbor)(圖一),這座電廠是在佛羅里達州 Jacksonville 的新船塢型工廠堳堻y的,再拖到現在的廠址,先於防波堤內停泊,然後裝設。產生的電力經由埋在海床下的高壓電纜傳送至岸上的開關廠房(Switching station)。其第一機組計畫於1980年作商用運轉,第二機組延後一年。

一、觀念發展

    海上核能電廠的觀念開始於1970年末,當時尚未有實際行動。到197141日,西屋公司成立了特別計畫小組,進行海上浮動核能電廠的研究;在54日,PS公司也宣稱要進行研究,並已準備聘請顧問;到了8月,西屋與田尼柯(Tenneco)公司宣布已設計並建造一座製造海上核能電廠的船塢型工廠,開始在一貫生產線上動工;同年9月,PS公司不甘示弱,邀請許多聯邦機構及政府官員參加討論,被邀請的有聯合原子能委員會(Joint Committee on Atomic Energy)、美國原子能委員會(AEC)、聯邦電力公司、商業部、內政部、白宮的科學技術部、美國陸軍兵工廠、環境防護總署、參議院公眾工作會等部門,在這次會議中,詳細的做了安全評估工作。

    到19722月,PS公司去函給西屋與田尼柯公司,說明他們研究浮動核能電廠的目的;同年3月,完成廠址選擇,PS公司決定在小卵港外海2.8哩處開工興建;同年8月,西屋公司也宣布開始在美國西岸覓地興建海上浮動核能電廠。

二、設計原則

    由於陸上核能電廠已具備了完善的設計依據,無需在電廠型式方面進行研究,因此主要設計工作是針對浮動核能電廠在防波堤內的設計方式,此防波堤需能在海面上形成一座靜水盆,保護電廠受船隻的碰撞。

    電廠與防波堤設計重點放在電廠需能撐得住百年一次的大風暴,需能在萬年一次大風暴的情況下安全停機。

    目前共有8座在研究中,其基本設計準則為:

1.離海岸線3哩之內:以便在領海內受聯邦與州政府管轄。

2.最淺水位40呎:防止電廠與海底相碰。

3.最深水位70呎:防波堤最經濟的建造。

4.遠離航線:雖然防波堤可防止船隻碰撞,其可能性也需考慮。

5.靠近海灣:在惡劣天氣時能有安全的避風港。

6.海床強度要夠:支持防波堤。

7.靠近開關廠房:節省海底輸電線。

    為要設計防波堤,必須做些與廠址有關的工作,包括生態效應分析、海洋生物對水流及溫度增高的影響等等。初步分析報告計兩大冊,294頁,包括許多不同的研究題目,如大西洋生物變遷情況、甲殼類漁業的討論、廠址附近的魚類等。由資料顯示,電廠對生態系統的影響很小,而防波堤形成自然養殖場,加上水溫增高形成良好漁場,因此利多於弊,所以海上浮動核能電廠可行性無可置疑。

三、防波堤設計參數

    防波堤的設計參數包括水深、暴風次數、船隻碰撞率、地震、海床強度等等。

    選擇廠址的因素,需考慮到當地的最大海浪高度。在亞特蘭廠址,設計的最大海浪高度為43呎,這在百年一次大風暴中才會發生。

    設計的颶風風速為每小時180公尺,而有史以來廠址附近曾發生過的最大風速是1944年的每小時91公尺。設計的旋風切線風速為每小時300公尺,移動速度為每小時60公尺。

    船隻碰撞率關係到電廠型式,因此防波堤的設計足夠支持326,000噸船隻的碰撞,另外,其進出水口大小也限制了船隻的進入。

    關於地震,自1880年中葉迄今,亞特蘭廠址的海底地層均未曾移動過,而在附近曾發生過的最大加速在水平方向為0.15公克,因此防波堤的水平加速承受力設計為0.20公克。

四、防波堤設計

    圖二為亞特蘭電廠與防波堤排列情形。防波堤的弧形部份朝外海,高出平均水位64呎;直線部份面向海岸,由於內海海浪較弱,中間部份僅高出水位38呎。直線部份全長2,140呎,整個防波堤包圍面積約一百英畝。

    循環冷卻水取自電廠本身底部窗口,使用過後經濾污器,由導管排出海外,如圖三所示。

    在防波堤直線部份與弧形部份的相對開口處,容許魚類、冷卻水及小型運補船的進出,水面下的地基是由電廠本身延伸到相向的防波堤底。

    防波堤本身是巨大的石墩結構,如圖四所示。先用挖泥機把海底挖到50呎深,置入地基石塊,再投入預鑄混凝土塊,沉在地基石塊上,用沙與小岩石充填空隙,形成基墩,作為防波堤核心,亦即圖中左方長方形建築。此工作覆蓋了一層800磅岩石,頂部是810噸不等

的黑玉石(jetty stone)。

    整個防波堤上面覆蓋二層錯開的工字型預鑄混凝土塊,稱之為「羊蹠骨」(dolosse),體積由4062噸不等,最大的用在防波堤邊緣,此種型式為已知最穩定的結構型式,如圖五所示。

    由此等羊蹠骨構成的防波堤為有史以來海上最大的人造物,底部約300呎寬,頂部約24呎寬,高出海平面64呎,約用了4,400,000噸材料,包括70,000個羊蹠骨。

五、停泊系統

    為了安全起見,電廠必須穩固的泊在廠基上,以防止與防波堤互撞,採用何種型式的停泊系統全賴廠址的狀態,亦即所能預測到的電廠區域附近的海浪、暴風和水位變化等等,針對亞特蘭電廠的數種停泊系統正在研究中,最可靠的兩種系統是由一個四面挖空的船塢圍繞電廠,以及採用一個三組牽制系統,亦即利用電廠底部三組大型鋼鎖,每個圍繞在一個大鋼樁上,如同防震桿一般,並在鋼樁的一端裝置可繞性緩衝器,只允許電廠的水平擺動範圍在2呎之內。

六、電廠設計

    詳細設計工作進行很順利,雖然每日有所變更,但基本設計原則不變。電廠外殼是箱形結構,稱為「駁船」,體積為400×378×40呎,分成60個隔間,組成39個防水部份,總重為155,000噸,吃水31呎,形成一座不沉的「船」。電廠內部包含有供120人生活起居及娛樂的場所,所使用的淡水由閃光蒸餾器(flash evaporator)製造。

    此電廠的核能蒸汽供應系統為標準的壓水式反應器,在1,000/2壓力下,可產生熱量3,425百萬瓦,以及每小時15,140,000磅的蒸汽。爐心包含193根核燃料組件,每件含有204根燃料棒,此燃料棒由鋯合金管子內裝濃縮鈾所形成。

    附屬系統如維護正常水流、化學狀態、失水事故的補充水、餘熱清除系統、放射性廢料控制系統等,均以陸上核能電廠為基準。

    反應爐、蒸汽發生器和有關的裝置均包含在一大型圍阻體內,如圖七所示,此圍阻體半徑為60呎,高102呎,頂部半球形設計壓力為15/2,整個圍阻體再包以混凝土屏蔽外殼。

七、渦輪發電機

    渦輪發電機組為一個高壓渦輪機、三個低壓渦輪機與一個勵磁機所組成,均排列在一線上,成單軸機械。

流到渦輪機的蒸汽為0.36%水汽混合,壓力為980/2,溫度為383.3℃,經由1.75吋管路排到冷凝器中成15.6℃的冷水。

    高壓渦輪機轉速為每分鐘1,800轉,經過二個水汽分離器及雙重再熱器流到三座1,800轉的低壓渦輪機,每個低壓渦輪機均連接到冷凝器中。

    發電機功率,在0.9電力因素、25,000伏、60赫運轉下,能產生1,402,000KVA的功率。電力經兩個變壓器昇壓至345,000伏,經輸電線傳送到地面開關廠房。電廠流程圖如圖八所示。

八、輸電系統

    亞特蘭電廠有兩組不同的輸電系統。第一組包括從浮動核能電廠到防波堤的撓性電纜,它須承得住潮汐變化產生的應力,以及波浪作用的水平移動。電廠位置的潮汐設計因素為+5.3呎到-1.4呎,在百年一次大風暴中為+16.3呎到-6呎,而水平移動設計因素為任何方向±2呎。選擇撓性電纜曾考慮下列四種材料:高架導線、管狀電纜、充油電纜和SF6電纜。其中以高架電纜為最簡單,但需考慮到空氣中鹽份的侵蝕。

    第二組設計涵蓋了所有埋設部份的輸電線,因在美洲大陸本土距亞特蘭廠址最近的一點,是延伸數哩之遙的沼地,所以開關廠房需設在內陸較遠處,經研究結果,已決定將開關廠房建在新澤西Tukerton的西北方。為了要配合現有道路、河道與淺水溝的位置,正在研究數種最經濟的路線。

    每一輸電線全長約11哩,埋設深度在開關廠房到小卵港的陸地部份為3呎,在小卵港部份為5呎,進入大西洋部份為10呎,然後再斜向43呎深的防波堤基。

九、其他

    由於期望在惡劣天氣及工人不穩定時,能繼續運轉發電,已準備了五週所需的燃油及食物,以應不時之需。為了讓運轉及維護人員能鬆懈身心,訂有定期岸上休閒程序,以提高工作效率。在發展海上浮動核能電廠時,也需注意下列二種情況:

    1.平台意外下沉的防護工作。

    2.發展更良好的平台及停泊系統,以適應各種海洋情況。

    由於人口愈來愈多,有用的土地相對減少,發展海上浮動核能電廠,不僅可以避免浪費廣大的土地,也能減低對環境的危害,這正是核能技術嶄新的一頁。

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註:壓水式反應器(pressurized water reactor)為動力反應器的一種。以高壓使爐心的第一級冷卻水不致沸騰,將熱量傳到熱交換器,然後在第二環路中將水變成蒸汽,流至高壓渦輪機,推動渦輪而發電。

參考文獻

1.M. Kehnemuyi, "The Atlantic Generatiing Station," Nuclear Engineering International, Vol. 18, No. 205,   

   June 1973.

2. J. A. Ashworth, "Site Related Design for the Atlantic Generating Station," Nuclear Engineering

   International, Vol. 18, No. 205, June 1973.

3. J. A. Ashworth, "Atlantic Generating Station," Nuclear Technology, Vol. 22, No. 2, May 1974.

4. C. D. Kylstra, "Natural Convection Cooling for Offshore Nuclear Power Plants," Nuclear Technology,

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