劉振乾
台電退休人員
本文就日本電力中央研究所輕水式反應爐老化研究與低劑量輻射安全加以介紹。
1.輕水式反應爐老化研究
在日本，輕水式(即BWR與PWR)反應爐的核能發電，占日本電源之約三成，為重要之基載電源，且為減少溫室效應氣體排放之重大手段而被寄予厚望。但1970年代開始商業運轉的反應爐中，其中到2010年已有20部機組已運轉超過30年，甚至出現第一部運轉超過40年者。因此如何在兼顧安全性與經濟性下，今後有效活用這些反應爐乃成為日本極重要之課題。
日本電力中央研究所為因應上述情勢，乃採取如下之行動。(表一)
表一
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日期
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項目
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內容
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2007.5
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設立「輕水式反應爐老化研究計畫」
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壓力容器之照射脆化，配管等之應力腐蝕龜裂(SCC)，配管之變薄等之老化事象，解明其基礎的機制，開發材料資料庫，開發老化事象之預測、評估方法
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2008.4
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追加非破壞檢查，電纜老化之研究
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將成果以維護規格反映於學會及協會之規格基準上。
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1.1壓力容器之照射脆化
低合金鋼製之反應爐壓力容器鋼，因接受中子之照射其破壞韌性會產生變化。此現象被稱為中子照射脆化，乃為在反應爐壓力容器鋼之重要的老化事象。電力中央研究所在這一領域完成之成果為: (1) 開發壓力容器鋼被中子照射時之金屬組織之微細的變化，及因此所產生之機械特性之模式。此為利用「3次元原子探針(ATOM PROBE)」等最新之實驗技術與電腦模擬之理論的檢討而達成者。(2) 開發能更正確的預測照射脆化之方法。此為利用與國內電力公司共同開發之模式之係數，運用國內監視試驗數據加以最適化而達成者。這一方法已被採用於日本電氣協會規程JEAC4201-2007(2008年 6月發行)做為國內廠之照射脆化之預測法。
為了因應長期運轉所帶來之高中子過量照射時之預測精度之確認與改良預測法，做壓力容器監視試驗片與試驗反應爐照射材料之組織觀察，以便解明高中子過量照射時之壓力容器照射脆化之機制。
另一方面，破壞韌性之變化之實測，一般採用稱為薛爾比衝擊試驗的簡便試驗的間接方式，不過為了能以高精密度評估，以直接測定破壞韌性為宜。近年有人提議即使採用如監視試驗片一般的小型試驗片也能測定的「破壞韌性主曲線(master curve )法」。電力中央研究所對國產壓力容器鋼實施關於影響試驗片尺寸與形狀之有系統的試驗，判明對國產材料也可適用master curve 法。更進一步確認使用與現行之監視試驗計畫可共存之超小型(miniature C(T), 10x10x4mm) 試驗片，也可得到與在體積上最大約16,000倍之大型試驗片之同等之結果(圖1)。也進行將master curve 法規格化之工作。
圖1 使用由大型到超小型之各種試驗片之master curve試驗結果之比較
1.2配管等之應力腐蝕龜裂(SCC)
SCC乃為被置於特定之腐蝕環境中的含有殘留應力之金屬材料當被負載某一定以上之張應力時，所發生之龜裂現象。在日本曾經發生過輕水式反應爐機器之SCC，甚至在2002年因在低碳不銹鋼發現SCC，以致有甚多之BWR(沸水式反應爐)的電廠不得不停止運轉。而在2003年所施行(由中央政府)之可靠性評估制度裡，以日本機械學會之維修規格(JAME S NA1)為基礎，做機器之可靠性評估，在確保可靠性的範圍內，有SCC缺陷之機器也得以運轉。
在維修規格裡，針對檢出之SCC，已確立了可使用龜裂進展速度評估線圖的基本的評估方法。不過在現行之評估，仍留下焊接交界部之龜裂進展行為與到SCC發生之時間等的檢討課題。
電力中央研究所為了解明SCC之進展行為，以模擬爐水的高溫水中針對不銹鋼與鎳基合金實施SCC進展試驗。迄今為止，已顯示冷間加工或負載之形態對低碳不銹鋼之龜裂進展特性之影響，同時也弄清楚在母材熱硬化部與焊接金屬之交界，SCC延著母材與焊接金屬之交界部進展，不容易進入焊接金屬內的傾向。(圖2)。
圖2 在焊接部近旁之SCC進展之情形
如此這般，對SCC的進展評估是有一點收穫，但為了讓維修更合理化，有必要做SCC之發生評估。在SCC之發生評估上考慮用統計方法，因此取得評估所必要之數據的試驗法之最適化以及抽出與發生有關連之因子，乃為進行中之工作。比如因為材料之製造工程之差異而有SCC發生感受性之不同的情形，其理由之一為受到結晶粒徑的影響。因此製作結晶粒徑不一樣的試料，但都經過特殊的加工與熱處理以便對結晶粒徑以外之材料組織不會有影響。調查其SCC發生的情形，得知結晶粒徑越小越不容易發生SCC的結果。使用電子顯微鏡的解析，看出結晶粒徑越小其粒界之塑性應變越小，明顯的有與SCC發生感受性間之因應關係。此外，使用3次元原子探針的奈米層次之組織觀察技術，正進行解明鎳基合金之SCC機制與低溫熱時效之影響。
1.3配管之薄化
與配管之薄化有關之事項列如表2。
表2 日本與配管之薄化有關之事項
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時程
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事項
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2004 年8月9日
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發生關西電力公司美濱(MIHAMA)核能電廠第三號機配管破裂事故，導致五名死亡，六名重傷。
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2006年12月
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日本機械學會制定技術規格，以便管理。
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2008年
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管制當局承認(endorse)上述技術規格
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2009年
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日本機械學會為了讓薄化管理效率化，製作研發路徑圖(road map)
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製作研發路徑圖的內容包含檢查個所/檢查時期之選定，檢查方法，評估基準，補修等之措施。
薄化管中所要關注的現象為化學的腐蝕受到水流之讓物質移動增大的影響而加劇的「流體加速腐蝕」(FAC: Flow Accelerated Corrosion)，與高速蒸氣流中之液滴衝突到壁面，使材料機械的損傷之「液滴衝擊沖蝕」(LDI: Liquid Droplet Impingement Erosion)。電力中央研究所正開發針對這兩種的評估方法。
關於FAC，從水流、水化學的雙方面實施實驗、解析，已完成在偏流域之物質移動模式，且做成鐵之溶解度評估法與對於溶存氧氣之影響評估模式，而構築將上述加以統合之薄化率之預測模式。圖3顯示隨著溶存氧氣濃度之增大，薄化速度急減之趨勢，以及其由於pH條件之差異，而使用本模式計算之結果以定性方式加以重現者。
圖3 氧氣濃度對FAC速度之影響
就LDI來說，其輸入條件為濕蒸氣配管系統之上下端之水流條件‧配管之布置(LAYOUT)，以電力中央研究所所開發之流體解析CODE MATIS 解析水流、液滴行為，構築了可評估液滴對彎頭(ELBOW)壁面之衝突與LDI感受性之系統。(圖4)
更進一步做成可將質量流量與液滴行為簡便的算出之相關式，提升其實用性。
今後預定進行受到如此老化之影響之機器之地震時之可靠性之評估研究。
圖4 LDI評估系統之概要與計測處之選定評估示意圖
2.放射線安全
傳統輻射防護上採用所謂的LNT假設，即線性無門檻假說(linear non-threshold hypothesis)，認為不管多低的輻射(放射線)也與劑量成正比而提升其風險(risk)。LNT假說乃形成輻射防護基準的基礎。
筆者在約20年前就介紹過美國洛基教授的低劑量有益健康的看法。近幾年來由於這方面的研究突飛猛進，證明了LNT假說有其缺陷，乃再度加以介紹。(參考文獻3&4)。
日本電力中央研究所在此方面的研究獨步世界，介紹其最新的成果。
在動物實驗上，電力中央研究所採取其他研究機構幾乎沒有做的「以低劑量放射線(迦瑪線γ線)做白老鼠之生涯照射」，以約兩年的長期照射很仔細的調查、分析白老鼠的特性變化，發表獨家的研究成果。
根據將糖尿病模型(MODEL)白老鼠在低劑量率放射線長期間連續照射之實驗，所獲得改善糖尿病，以及延壽效果加以闡明，就何以致之的機制加以分析與解明。
糖尿病因發病之差異大致分為兩類。一為自我免疫疾病之一，以胰島素依存性糖尿病著稱的Ⅰ型糖尿病。另一種為以生活習慣病之一聞名的「Ⅱ型糖尿病」。
Ⅱ型糖尿病以過食或高熱量食物之攝取，運動不足等導致之糖分之供給過剩為其主因，多見於成人。日本的糖尿病患者的約90%屬於此類Ⅱ型糖尿病。
本研究乃以Ⅱ型糖尿病為目標進行者，以有肥胖、過食、高胰島素血症而會自然發病的模型白老鼠(稱為db/db白老鼠)將γ線(0.7mGy/h) 連續照射，根據尿糖值追蹤‧調查糖尿病之進行狀況。
db/db白老鼠大約在生下約10週後糖尿病就會發病。終其一生都會檢出其尿糖。但在有照射放射線的24隻白老鼠中，獲得竟有3隻驗不出尿糖的有興趣的結果。因此將有照射放射線的白老鼠群與非照射群(稱為對照群)加以比較的結果，發現1) 平均壽命之顯著的延長，2)脫毛等糖尿病白老鼠的特徵的老化症狀之改善效果。(圖5)
圖5 db/db白老鼠之由於低劑量率γ線之連續照射帶來的壽命延長效果
註 A ： db/db白老鼠從10週齡開始連續照射0.7mGy/h之γ線而求其生存曲線。
分別做2次獨立的實驗，表示其總計(1群24隻)。
圖中顯示非照射對照群(○)，照射群(●)之壽命之平均與標準偏差(非照射對照群:89.3±4.8照射群:103.3±4.2)
*因照射之壽命延長之顯著差檢定( p＜0.05, Welch’s t-test)
B ： db/db白老鼠從10週齡開始連續照射0.7mGy/h之γ線，90週齡時(80星期連續照射)比較其外觀。
可看出低劑量率γ線之連續照射帶來的壽命延長效果與老化症狀之抑制效果。
在糖尿病，血糖值上升不會成為致命的問題。問題在於持續性的高血糖狀態引起的糖尿病合併症，以及由於氧化的損傷導致的血管障礙。在電力中央研究所已解明藉低劑量率放射線之連續照射可抑制生物體內之組織由於氧化帶來的損傷。因此預測對於糖尿病合併症也應有改善效果，乃就80星期連續照射的老齡白老鼠調查對代表性之糖尿病合併症的「糖尿病性腎炎」的影響。
其結果非常清楚，從未做放射線照射的老齡白老鼠(對照群)所摘出的腎臟之組織(系球體)可看到明顯的血管障礙，以術語來說，可看出「一種特定細胞之增大，毛細血管基底膜之肥大，羅布管之狹窄」等現象。另一方面，有做放射線照射的老齡白老鼠群上述現象被抑制，且增加正常的毛細血管數。
在有做放射線照射的老齡白老鼠，其腎臟之過氧化脂質的量有下降。強烈暗示低劑量率放射線之連續照射，可保護生物體免於受到因高血糖所帶來的由於活性氧氣的損傷，並抑制糖尿病合併症之進行。
氧氣為生存下去不可或缺的東西，此為眾人盡知之事。但此氧氣會造出可危害生物體之「活性氧氣」一事則尚未被眾所周知。此活性氧氣會誘導包含糖尿病在內的各種疾病而促成老化。本研究所得結果為低劑量率放射線在生物體內抑制氧化的損傷改善人體的疾病，因而得以延年益壽。
2005年7月由法國醫學學會(ACADEMY)與法國科學學會所共同發行之報告書「低劑量放射線的發生癌症效果之評估與劑量效果關係」指出，在數十mSv的低劑量範圍內要適用LNT假說的適當性值得懷疑。
經由日本與法國等各國專家日以繼夜的努力研究，將可帶來對放射線影響之正確的了解，可望讓放射線防護合理化，也進一步使核能電廠的營運成本得以下降。
參考文獻
1. 秋田調: 在電力中央研究所的研究開發狀況 電氣評論 2009年2月p.51-53
2. 秋田調: 在電力中央研究所的研究開發狀況 電氣評論 2010年2月p.51-55
3 劉振乾: LNT假說發現缺陷---日本電力中央研究所研究成果 輻射防護簡訊 #89 p.1~15，2008年2月1日由中華民國輻射防護協會發行
4 劉振乾: 低劑量輻射有益健康 台機社專刊 #11，p.57~66, 2009年4月發行
5 ENERGY月刊特輯: 低劑量放射線影響研究 p.19 2006/3/30由日本ENERGY月刊發行
