張文彬 陳朝福 張永芳（台電核一廠） 楊慶威（核能研究所）
摘要
本文簡單介紹控制棒功能及用過控制棒減容作業招標及施工過程。本案施工之目的是利用金屬壓擠之方法減少用過控制棒之貯存空間，以增加本廠運轉之彈性。本工作是我國第一次進行用過控制棒減容作業，而我國特殊貯存需求又有其獨特性。因此從規畫、招標至施工過程可謂困難重重，所幸在公司專家及核研所施工團隊的努力下，終能克服所有困難完成任務。
關鍵字：高輻射、控制棒、減容、反應度
壹、前言
沸水式核能電廠控制棒的主要功能有：(1)控制爐心初期多餘的反應度；(2)控制及調整反應爐的功率，以適應燃料週期間的反應度變化；(3)用以調整爐心軸向及徑向的中子通量分佈，以達到爐心燃料之最佳運用；(4)具有足夠的負反應度，能使爐心在正常或異常反應度最強的情況下將反應爐安全停機。無論從發電或安全功能考量，控制棒都是核能電廠的重要設備。
控制棒（圖1）由三個主要部分，提把、控制棒葉片（Blade）和限速頭（Velocity Limiter）所組成，主要以葉片內部的中子吸收材料（硼B-10，以粉末狀碳化硼型式裝填於金屬管內；或鉿Hf，以金屬板型式）吸收爐心中子，控制反應爐心之臨界情況，以達成改變機組功率或安全停機之目的。一般而言，機械壽命及核子壽命為決定控制棒壽命的主要因素，控制棒的壽命取決於兩者之小者。硼B-10吸收中子後產生氦氣，在管內部累積之氣體壓力為管壁必須承受之機械應力，控制棒的機械壽命即取決於金屬管材料之降伏應力（Yield Stress）可否承受此機械應力；控制棒的核子壽命（Nuclear Lifetime），則設定為控制棒本領（吸收中子的能力）減少10％的時間。當控制棒因其核子預期壽命或機械預期壽命將屆，或是考量其他需更換之原因而必須退出爐心時，因控制棒在爐心內長期接受中子照射，中子活化效應導致控制棒成為高放射性物質，隨著機組運轉時間增長，退出爐心的控制棒數量增加，用過控制棒的貯存成為運轉中電廠必須面對的難題。
貳、控制棒減容目的
過去國內沸水式核能電廠對用過控制棒葉片的唯一處理方式，就是將其暫時儲存在用過燃料池內，等待未來有更好的處理方式。此外，隨著機組運轉時間日久，燃料池內也因退出燃料日漸增加，造成燃料貯存空間日漸不足，本廠採行擴充格架貯存格位（Re-racking）之措施，以存放更多的用過燃料，但也相對擠壓用過控制棒貯存可用空間。在盡量避免影響燃料池內燃料吊運操作之前提下，用過控制棒的貯存及吊掛、挪移等作業造成本廠極大困擾。
民國88年，日本核電廠發現服役中的控制棒葉片有材料龜裂問題，基於保守性決策，本廠也在隨後機組大修中全面檢查爐心中的控制棒，亦在相當數量的控制棒葉片上發現細微裂痕，雖然控制棒製造廠家及相關報告均指出，控制棒葉片上該類細微裂痕並不影響機組安全運作，本廠仍保守決定更換有疑慮之控制棒，導致燃料池內貯存之用過控制棒數量大增。當國際上及國內用過控制棒減容技術日漸成熟，本廠即於民國91年初著手規劃用過控制棒減容作業。國際上將用過控制棒歸類為超C類（GTCC，Greater than Class C）放射性廢料，因其高輻射特性，一般低階金屬廢料直接裝桶或經鎔鑄減容後裝桶之處置方式無法適用於用過控制棒，經減容處理之控制棒葉片，仍需暫時貯存於燃料池中。本工作主要目的就是希望減少用過控制棒在燃料池佔用之貯存空間，以容納未來陸續退出之用過控制棒葉片，避免影響機組運轉。
參、控制棒減容要求
以往本廠一、二號機用過控制棒葉片，係以單支吊架吊掛1支用過控制棒方式懸掛於燃料池壁，雖然此種單吊單掛方式較不會影響燃料池內燃料束正常吊運，但燃料池壁使用效率極低。後於第二次燃料池格架擴充時，改以一根吊架可吊掛3根用過控制棒之方式（圖2），以減少佔有池壁空間，提高燃料池壁使用效率。每3根用過控制棒葉片約佔據30公分之燃料池壁及池壁延伸至水池內約1公尺之範圍，理論上，燃料池可容納用過控制棒數量將可提升三倍，然而，此種「單吊三掛」設計雖能提升燃料池壁利用效率，但卻嚴重干擾燃料吊運作業，造成潛在安全問題，而且部份池壁無法適用此種吊架之懸掛方式，只能沿用舊式「單吊單掛」方式，事實上增加的用過控制棒貯存數量並不如預期。粗略估算，本廠燃料池長40英呎、寬26英呎，扣除管路及其他設備已佔據之空間，僅可存放約160支用過控制棒。在本案擬訂規範時，一/二號機用過控制棒為144/126支，幾乎已達貯存上限。
本案的施工目標設定為，每30公分之燃料池壁由僅可裝置1~3支提升到至少6支用過控制棒，如此預期節省之燃料池空間將足以容納未來退出之控制棒總數量，而由池壁延伸向水池內佔據之空間亦由1公尺減少至40公分內，可以大幅度提升燃料吊運操作之安全性。
肆、控制棒減容招標需求
鑑於燃料池內用過控制棒貯存空間幾乎已達上限、吊掛設計嚴重妨礙燃料吊運正常操作，且燃料池邊輻射劑量率也日漸增高。用過控制棒減容已是刻不容緩，唯當時我國未曾執行過相關作業，國際上有相關減容經驗的廠家，其施工及貯存設計規劃也未必能完全符合本廠特殊需求。91年底，本廠邀集核發處、核二廠及本廠相關技術及採購人員成立專案小組，針對本廠特殊貯存及施工需求，開始進行相關採購規範編寫作業。
本案為國際標，必須以英文撰寫技術規範，技術規範中重要招標需求重點彙整如下：
一、待處理之用過控制棒總數量為270支，一號機144支、二號機126支。
二、控制棒限速頭必須與葉片本體切割分離，吊出燃料池裝入55加侖屏蔽廢棄物桶內，以載運至廢棄物倉庫儲存。固體廢棄物桶總產出量不得超過279桶，契約容許數量以上之固體廢棄物桶處置費用，必須由承攬廠商支付，直接由契約價金中抵扣。
三、控制棒葉片經擠壓減容後，裝入專用容器內，吊掛於燃料池壁。專用容器由池壁延伸向水池內佔據之空間必須在40公分內；專用容器及其吊架佔用一號機燃料池壁之總長度必須小於7.2公尺，佔用二號機燃料池壁之總長度必須小於6.3公尺。
四、安裝於燃料池內之控制棒減容機械設備，必須能承受本廠設計基準地震（Design Basis Earthquake, DBE）之耐震要求，以確保控制棒減容作業執行期間，減容設備不會傾倒而危及燃料池壁不鏽鋼襯板（Liner）及燃料格架等相關設施。
五、專用容器及其吊架之結構安全必須分析確認，應力分析並需涵蓋設計基準地震。此外，在長期儲存條件下，專用容器及其吊架設計，亦必須分析確認能確保燃料池壁不銹鋼襯板之完整性。
六、操作工具除必須以應力分析確認結構安全之外，必須設置防止控制棒脫落之機制，以及合理有效之機制防止控制棒因人為誤操作，導致工作人員接受意外輻射暴露。
七、控制棒葉片擠壓過程中，必須有碎屑收集系統，集中之擠壓碎屑必須吊出燃料池，裝入55加侖屏蔽廢棄物桶內，載運至廢棄物倉庫儲存。
八、因本廠燃料池緊臨反應器爐心，大修期間燃料池與爐心相互連通，為避免燃料池水因擠壓過程導致硼離子濃度升高，進而影響爐心水質，基於保守考量，必須設置硼離子過濾系統，並於減容作業期間，持續監控燃料池水硼離子濃度。
九、減容作業期間，必須設置空浮防治措施、執行輻射防護合理抑制措施、落實工安管控，以確保工安及輻安。
十、控制棒減容作業完成後，減容設備除污後必須全部運離本廠。
伍、控制棒減容施工簡介
經邀請國際及國內合格廠家投標後，本案順利於94年2月決標於予核能研究所。控制棒減容作業為具潛在性高輻射、高污染之核能工程，國際上僅有少數廠家具備此項工程實績，可公開取得之工程技術資料極為有限，首次在國內執行，即由國內技術團隊承攬，工程困難度極具挑戰性。
核研所設計之控制棒減容系統主要機械設備有：(1)限速頭切割機（圖3）；(2)控制棒葉片擠壓機(圖4)；(3)盛裝盒（圖5）及吊架；(4)控制棒操作工具等。控制棒減容系統機械設備完全符合本案技術規範中相關結構應力及耐震要求，詳述於本案安全分析報告中，並經主管機關審查核備。舉例而言，控制棒操作工具設計參考ANSI 14.6, “Special Lifting Devices for Shipping Containers Weighing 10,000 Pounds (4500kg) or More”規範，結構安全符合要求，操作工具鈎頭安全舌片設計，可防止控制棒意外脫落，並巧妙利用長桿操作工具機械長度及電動吊掛機械上死點等原理，簡單有效的排除人為誤操作的可能潛在因子，控制棒不致因誤操作而升高超過水下容許上限，完全排除誤操作導致意外輻射暴露之可能性。
用過控制棒減容工程主要作業程序為，吊運用過控制棒至限速頭切割機，在控制棒釋放把手位置，逐一將限速頭與四片控制棒葉片切割脫離（圖6）；將控制棒葉片吊運至擠壓機，經擠壓後控制棒葉片厚度小於5公分，吊運裝入盛裝盒內（圖7），盛裝盒可容納6支擠壓後的控制棒葉片；將限速頭吊離切割機，暫存放於燃料池水下特別設計之限速頭暫存器（圖8），二組暫存器可容納六個限速頭；完成六支控制棒切割及擠壓作業後，執行限速頭裝桶作業（圖9），限速頭吊運出水過程中，輻防人員利用長距離偵檢器測量限速頭最高接觸劑量率，若劑量率超過100mSv，則將該限速頭單獨裝入預先灌置混凝土之55加侖屏蔽廢棄物桶；最高接觸劑量率低於100mSv之限速頭，則直接裝入一般55加侖廢棄物桶，每桶平均可裝載約4至7個限速頭。作業期間，廢棄物桶先集中放置於反應器廠房5樓東北角（圖10），遠離現場人員工作區域，累積至6個廢棄物桶，立即於當日夜間利用本廠專用車輛運送至倉庫存放。圖11為二號機減容作業完成後，控制棒葉片擠壓後裝入盛裝盒吊掛於燃料池壁實景。
本案早期施工期間，發現部分控制棒葉片受因中子照射硬化（irradiated harden）效應，上半部的控制棒葉片護鞘（Sheath）經擠壓後有回彈現象（控制棒葉片上端照射的中子通量最高），導致擠壓後的葉片上半部厚度大於5公分，無法將6支擠壓後的控制棒葉片順利裝入盛裝盒內。核研所工作團隊立即尋求對策，短時間內即研發出ㄈ型扣夾及相關安裝技術，配合修改後的擠壓鈑，成功的將ㄈ型扣夾安裝於擠壓後之控制棒葉片外緣以限制葉片回彈（圖12），6支控制棒葉片才能順利裝入盛裝盒內。此項工程技術改變屬核能工程重大設計變更，本廠工作同仁與核研所工作團隊，於設計、分析作業完成後，評估確認設計變更無核安、輻安與工安疑慮，測試驗證確認後立即彙整設計變更相關分析計算證明與測試資料，依規定向主管機關申請安全分析報告修定變更。由於設計變更事項明確，分析計算均可確認安全餘裕符合規範，順利獲得主管機關審核委員認可同意備查。
核研所控制棒減容系統首次應用於本廠，施工期間亦曾發生設備故障，必須將設備移出燃料池檢修，所幸在本廠各相關部門工作同仁與核研所工作團隊協力合作下，均順利排除故障。二號機現場減容作業於96年10月間完成，一號機部份於97年1月間順利完成，減容設備除污裝箱後，於97年3月運回核研所，本案驗收行政程序於97年4月間順利完成。
陸、控制棒減容作業成果
控制棒減容作業為具潛在性高輻射、高污染之核能工程，作業期間本廠保健物理組全力協助處理現場輻射防護、監控等相關作業，圖13為作業期間工作人員集體劑量統計表，除設備移出燃料池檢修期間，人員劑量稍高之外，輻射防護合理抑制措施在本案中已落實執行；廢料組協助廢料處理作業，全程負責廢棄物桶準備、運送與處置作業，並與核研所工作團隊協同合作，大幅度減少固體廢棄物桶產出量；化學組協助核研所同仁執行燃料池水之硼離子濃度分析、測量作業，監測期間硼離子濃度無異常變化，無影響燃料池水質之疑慮；電氣組、機械組及工安組協助廠房機械設備維修、吊運及相關工安作業監督與確認；品質組同仁在品質作業上提供建議並充分督導協助。控制棒減容作業在本廠亦是國內首次執行，期間雖出現非預期的工程障礙，但均能順利解決。本廠各相關部門工作同仁與核研所工作團隊協力合作，本案在符合零核安、零輻安與零工安之目標下順利完成。
核一廠用過控制棒減容作業的主要成果有：
一、用過控制棒原佔據幾乎所有燃料池可用之池壁，減容後只佔有不到7.2米之空間（不到池壁總長度1/5），有效減少用過控制棒儲放佔用空間，避免衝擊電廠後續運轉，達到減容作業預期目標。
二、用過控制棒貯存空間，自池壁向水池內延伸的長度，由1公尺減少至不到40公分，大幅降低燃料吊運碰撞風險，減少潛在安全問題。
三、固體廢棄物桶產出量，由原規劃279桶水泥屏蔽桶大幅度降低至63桶（僅含10桶水泥屏蔽桶），減廢效益相當顯著。
四、完善的輻射防護機制及善加利用長距離操作、增加屏蔽、增設警報型輻射偵檢器及全程輻防人員控管，大幅降低工作人員劑量。
五、控制棒貯存方式改變，燃料池邊輻射劑量率亦大幅降低，減少未來池邊工作人員集體劑量。
六、建立本土化用過控制棒減容技術，可做為後續相關高輻射、高污染潛在風險核能工程技術建立之基石。
柒、參考文獻
1. 核一廠用過控制棒葉片減容作業計畫書
2. 核一廠用過控制棒葉片減容作業安全分析報告
3. 核二廠控制棒減容測試報告
圖1、控制棒示意圖
圖2、吊掛3支用過控制棒之吊架
圖3、限速頭切割機
圖4、控制棒葉片擠壓機
圖5、擠壓後控制棒葉片之盛裝盒
圖6、切割完成之限速頭
圖7、吊運擠壓後控制棒葉片
圖8、限速頭暫存器
圖9、限速頭裝桶作業
圖10、廢棄物桶先集中放置於反應器廠房5樓東北角
圖11、控制棒葉片擠壓後裝入盛裝盒吊掛於燃料池壁實景
圖12、擠壓後控制棒葉片外緣安裝ㄈ型扣夾
圖13、作業期間工作人員集體劑量統計表
