核能電廠結構設計如何耐強震?

Updated: 102年12月26日

【摘要】:

依美國核能管制委員會核能規章規定，凡與核能安全相關之廠房(如反應器廠房、控制廠房與輔助燃料廠房等)，其結構、組件與設備在安全停機地震(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，稱為「耐震一級結構物」。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，亦將其防震設計升級至耐震一級，如核四廠消防用儲水槽及廠區排氣煙囪等。

【說明】：

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，皆為耐震一級結構。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，亦將其防震設計升級至耐震一級，如核四廠消防用儲水槽及廠區排氣煙囪等。

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圖1所示，圖1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倍(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(見圖2)，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。

圖1  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

圖2