參訪清大THOR

這次非常有幸能參觀清華大學的實驗用反應器,在核能領域中,「Reactor」也常常被稱為「反應爐」,因為用在核能發電或核能動力,它的工作和一般鍋爐一樣,都是產生蒸氣;在大陸用語常稱作「反應堆」,應該是因為很久以前科學家們還在實驗摸索時真的就是把燃料堆在一起讓它產生反應;我習慣稱作「反應器」,因為它的確是個經過精密計算設計的機器,除了可以做為熱源外,也可能用於產生射線進行各種科學研究。

 

THOR為Tsing-Hwa Open-pool Reactor的縮寫,為清華目前僅存的一座(之前還有一座THAR與一組由兩部貨車組成的THMER移動式教學反應器),也是國內目前唯一座研究用反應器。建築旁的標示標示牌寫了「原子爐」,而大門口是「反應器組」,建築物同時也作為梅貽琦前校長的紀念館,離同樣紀念梅校長的梅園也不遠,梅校長對清華大學與我國科學教育都貢獻良多。

THOR建於1958年,首次臨界是1961年,雖然歷史有些悠久,但是當初用高規格施工加上後來細心維護,除了樓梯間展示的老照片外,到現在依然看不出60年的歲月痕跡。目前THOR除了作為核能工程相關原理的教學研究用途外,還有一大部分是進行放射線相關研究、醫療照射、硼中子捕獲治療研究等等。

建築物內除了張貼反應器簡介與相關研究成果外,最顯眼的就是隨處可見的「反應器運轉中」指示燈了;整棟反應器建築屬於游離輻射管制區,在反應器未運轉時,大部分的地方游離輻射劑量都與背景值沒有差異,反應器運轉中時游離輻射劑量會較高,但除了特定區域外,其他地方也都在安全範圍內。

這天帶我們參觀的是李進得教授,他配戴了一個游離輻射偵檢器,這天建築物內的游離輻射劑量是0.15 uSv/h,算是合理的背景值內(原能會規範背景值是0.2 uSv/h內,高山、天然石建材多的地方都可能較高)。首先來到位於建築物最上方的參觀台簡報,先介紹一些THOR的歷史跟原子科學相關的基本原理、應用;這次比較特別的是講了很多硼中子捕獲治療的簡介,硼中子捕獲治療是結合原子科學與標靶藥物的一種癌症治療方式,目前還在實驗階段,但成果已經非常令人驚豔,會另外寫一篇介紹。

參觀台除了簡報設備外,還有展示反應器的模型,而投影幕後方的布簾拉開,就可以看到反應器了,THOR規定未滿16歲或是懷孕中,都只能從參觀台上看反應器,不得進入爐房內。


從參觀台上看反應器,整個爐房區域在白天天氣好時使用天然採光

這次我們除了兩位小朋友外都有進入爐房內,進出爐房都要經過門框式游離輻射偵檢器。首先來到的是為在約與反應器水池相同高度的控制室,THOR使用GE子公司General Atomics (GA)提供的TRIGA (Training, Research, Isotopes, General Atomic)燃料與相關技術,比起核能電廠的反應器,這個控制室非常精簡。

 
(1) 左邊有窗戶處為控制室,連接反應器水池的橋下方BNCT字樣處是硼中子捕獲治療照射室
(2) 控制室一角,左邊大圖為反應器管路布局
(3) 爐心布局,除了燃料棒外,中間與周圍還有根據需求布設中子屏蔽或反射材料

THOR是開放水池式反應器,額定功率為2MW,爐心泡在8公尺深的水中,由142支燃料棒與四組控制棒組成;使用的燃料是濃度約20%的鈾-235(目前核能電廠使用的濃度約為3%-5%,軍用核子動力船艦使用的濃度則較高)。爐心由架在水池兩邊的橋樑結構吊著,水池設計分為高功率池與低功率池區域,橋梁結構連同爐心可根據實驗需求調整位置。


站在爐心上方的橋樑結構,較空曠的那區是低功率池區域;
下方管狀物是進行照射實驗用,要照射的物質裝入專用容器內再放入管中,
可以進行中子活化測定、生產醫用同位素等。
近來因為新冠肺炎疫情影響藥品進口,THOR也幫忙生產碘-131藥品
#NuclearCanHelp


(1)從另一端看,水池周邊、下方是一些實驗用的裝備,
和核能電廠的反應器一樣,水池中是不斷循環過濾、非常乾淨的水,
在沒有運轉的情況下正常是不會有異常的輻射劑量的。
(照片中爐心與承載的橋樑結構在高功率池區域)

(2)下方的爐心,和控制室的佈局圖一樣,參觀時反應器沒有運轉,
所以看不到契忍可夫輻射(Cherenkov Radiation)散發的藍光。
(照片中是用工作燈照亮的狀況)

研究用反應器使用的原理和核能電廠反應器是一樣的,但需求目標不太一樣。核能電廠的反應器是利用核分裂產生大量熱能來發電,這種研究用反應器是利用核分裂產生射線作為照射用途,功率很低,不需要壓力容器,運轉時產生的熱會釋放到水池中,再透過池水循環時以熱交換器帶走。也因此燃料使用非常省,如果每個工作天都運轉,一年僅消耗相當於一支燃料棒的量(約40克鈾-235),142支理論上夠用142年。

從另一端狹窄的樓梯往下走,來到水池旁邊的地面,這邊堆放了許多反應器維護、實驗研究相關的物料,比較特別的是旁邊有一區堆放的就是核廢料(低放射性廢棄物),以水泥塊擋著,把游離輻射偵檢器貼在水泥塊上,與核廢料一牆之隔的輻射劑量依然是0.15 uSv/h (整個爐房、包含反應器水池邊也都是這個劑量,唯一讓偵檢器發出警告聲的地方是硼中子捕獲治療室的射線出口)。

 
(1)這些水泥塊後面就是核廢料,貼著水泥塊也測不出異常劑量
(2)爐房最上方的吊車,用來吊運較重的物料用

水池旁的區域有一塊是中子照相實驗區域,和X光類似,但中子能量較低且為不帶電的粒子、對物質的影響較小。教授舉了比較特別的應用是畫作真跡鑑定,早期紙張得來不易,許多畫作真跡下方其實都藏了畫家為其他畫作所打的草稿(畫一畫覺得沒靈感改畫別的),透過中子照相技術,就可以看到這些表面以下的顏料痕跡,並和同一位畫家的畫作比對,就有機會找到藏在表層顏料下方的故事。


(1)中子照相的中子射出處
(2)被照的物體會放在這個屏蔽的後方

關注核能議題那麼久,第一次這樣近距離接觸反應器(之前最接近只有進過核能電廠的氣輪機廠房),算是個非常特別的經驗。大學中的教學研究用的反應器在核子保安上不若核能電廠或一些特殊設施那樣敏感(但一樣受到原能會與IAEA等監控),各國的類似反應器也不少都是允許參觀、拍照的,只要參觀者能遵守相關的安全規範。實地走一趟、了解更多正確的知識,或許就能消除很多不必要的恐懼。


從下方看整個反應器水池,連同連接控制室的橋,
整個很像戰艦上的砲塔,天花板上的圓形是太陽光

發佈留言

發佈留言必須填寫的電子郵件地址不會公開。 必填欄位標示為 *