日本東海村核燃料濃縮廠臨界事故

李 敏國立清華大學

工程與系統科學系

ESS 4100 Nuclear Power System

內容

‧前言

‧事故流程說明

─背景資料

─事故前狀況

─事故時序

‧事故緊急應變措施

‧事故人員傷害與環境劑量評估

‧事故原因

‧世界其他臨界事故

前言

‧1999年9月30日10時35分日本茨城縣那珂郡東海村日本燃料轉化公司(Japan Fuel Conversion Co, JCO)

發生意外臨界(criticality)事故

‧事故中，40公升內含16公斤濃縮度為18.8%鈾之硝酸鈾溶液於圓柱型沈澱槽中意外臨界

‧臨界時間長達22小時(9月30日10:35～10月1日8:30)

‧事故現場半徑350公尺內161名居民緊急疏散(51.5小時)，半徑10公里內約31萬居民在屋內掩蔽(18小時)

‧為日本核能史上最嚴重的事故

前言(續)‧三名JCO工作人員受到嚴重輻射曝露，其中二名分別於12週及7個月後死亡

‧曝露劑量超過1毫西弗，但低於容許劑量的人員達116人

‧民眾劑量的最大估計值為21毫西弗，最大測量值為16毫西弗

‧國際原子能總署認為事故發生的原因為“人為誤失及嚴重違反安全原則”

‧由於沒有大量放射性物質外釋，事故被歸類為“輻射曝露(irradiation)事故”，並非“污染(contamination)”事故

‧日本法規管制單位認定事故為國際原子能總署“國際核子事故分類 (International Nuclear Event Scale (INES) ”

之第4級 (Level4) 事故

事故流程說明背景資料

‧茨城縣東海村位於東京東北方約120公里，東臨太平洋，

面積約37平方公里，人口約3萬多人

‧村內現有核能單位15個；日本原子力研究所、日子原子力發電(株)東海

第二發電所、三菱原子燃料、原子燃料工業(株)東海製造……等

‧JCO為住友金屬礦山(株)之子公司，位於東海村西北方，佔地15萬4千

平方公尺，員工約120名

‧JCO主要從事鈾燃料溫式轉化作業，共有三棟主要作業廠商，兩棟為轉化

輕水式反應器使用之低濃度濃縮鈾(濃縮度<5%)，每年可生產715噸鈾燃料

，第三棟(試驗棟)為年產3噸高深度濃縮鈾

‧試驗棟只用於緊急或小量的產製作業，通常處理30~200公斤的鈾，

供給日本核燃料開發機構實驗用快滋片爐使用，每年累積運轉時間

約僅兩個月

‧鈾礦→精錬(黃餅, U3O8)→轉化(UF6)→濃縮→轉化(U3O8)→燃料製造

‧JCO之轉化過程

事故流程說明背景資料(續)

‧JCO之轉化過程

1.將粉狀原料鈾(U3O8)溶入裝有硝酸之溶解塔內。2.將上述溶液經幫浦打入硝酸鈾(UO2(NO3)2)貯存塔，灌入氮氣攪拌均勻，並檢查鈾含量。

3.將上述硝酸鈾溶液經幫浦打入一大型沉澱槽，沉澱槽外有一外套水(jacket water)包覆，以帶走放熱化學反應所產生的熱量，同時加入氨氣，形成二鈾酸銨((NH4)2U2O7)，此步驟必須十分注意沉澱槽中鈾量多寡。

4.加熱二鈾酸銨，形成精製後之氧化鈾(U3O8)粉末。5.再將氧化鈾(U3O8)粉末溶入加有硝酸之溶解塔內，形成硝酸鈾(UO2(NO3)2) 溶液成品，經幫浦打入貯存塔後送出。

事故流程說明事故前狀況

9月30日三位工作人員依序將2.4公斤的氧化鈾粉末以硝酸及純水溶解在10公升之不銹鋼小桶中。為了得到均勻的硝酸鈾溶液，他們便將此溶液分裝至5公升小桶，再以漏斗從沉澱槽取樣孔將硝酸鈾溶液倒入沉澱槽中(沉澱槽直徑45㎝、高61㎝之圓柱形)，再利用沉澱槽中之機械攪拌器攪拌之。此作業方式並未載明在作業程序書，而且也違反了當初送審合格之作業程序書。前一天他們已經完成四個批次的工作，沉澱槽中已經倒入26公升，濃縮度18.8%的硝酸鈾溶液。

10時35分，一位工作人員以手扶住架在沉澱槽取樣孔上的漏斗，另一位工作人員提著裝有最後一批次硝酸鈾溶液的5公升小桶往漏斗倒，第三位工作人員，也就是這三人小組之負責人（副領班）則在隔壁房間。

事故流程說明事故前狀況(續)

當最後一批次硝酸鈾溶液倒入時，使得沉澱槽中之鈾燃料超過臨界質量值(此時沉澱槽中已有40公升硝酸鈾溶液，約合16公斤鈾，是法規限定值2.4公斤的七倍)，臨界現象於是發生，藍光乍現，核分裂連鎖反應開始作用，中子與加馬射線釋出，現場加馬偵檢器警報聲大響。

事故流程說明事故時序

‧9月30日10:35 臨界事故發生

‧9月30日16:30 核燃料開發機構開始測量中子

‧10月1日03:01 開始一連串排放沈澱槽外水套之冷卻水

以抑制臨界

‧10月1日04:00 試驗棟周圍中子讀數開始下降

‧10月1日06:30 試驗棟周圍中子數下降至可偵測值以下

‧10月1日08:30 JCO開始將硼酸水注入沈澱槽

‧10月1日09:20 原子力安全委員會長宣佈臨界終止

‧臨界過程分為兩階段，瞬發臨界持續約25分鐘，

之後的穩定臨界持續達19小時15分鐘，

約有2.5×1018次核分裂發生，

總釋放能量約為80MJ (2升之汽油燃燒所釋出之熱量)

事故緊急應變措施

9月30日10:35 JCO現場加瑪區域偵檢器警報聲大作10:43 東海村消防隊接獲JCO報案，三位消防隊員及救護車

於10:46趕到11:15 科技廳接獲JCO通知可能發生臨界事故11:34 JCO通知當地茨城縣政府12:00 科技廳向內閣官房長官報告12:15 東海東公所成立災害對策本部，15分鐘後宣佈實施交通

管制，要求村內民眾待在室內避免外出12:50 科技廳要求各單位協助JCO偵測工廠周邊輻射劑量14:30 科技廳成立災害對策本部15:00 成立政府事故對策本部15:00 東海村長下令疏散350公尺內之居民，最後一人於20:10

疏散完畢，總共疏散350公尺內39戶161位居民17:05 核燃料開發機構在JCO廠界首先偵測到中子，

至此才確定臨界的確發生

事故緊急應變措施(續)

18:00 原子力安全委員會召開緊急技術助言組織會議，派遣車家前往“災區”

21:00 小淵首相在首相官邸之「危機處理中心」成立「政策對策本部」

22:30 茨城縣政府透過廣播車及防災無線電說，10公里範圍內居民待在室內掩蔽(共約31萬居民)，環境劑量低於核子事故緊急計畫啟動值

10月1日01:30 茨城縣政府下令關閉10公里範圍內學校02:30 現地對策本部派員進入現場拍照並洩除沈澱槽外

水套冷卻水06:31 中子輻射劑量率降低至可偵測以下09:20 科技廳原子安全委員會宣佈臨界終止16:30 解除半徑10公里內居民避難措施18:30 宣佈解除350公尺內居民，疏散避難措施，

並解除飲用水與農產品之禁用令。

事故人員傷害與環境劑量評估

‧三位事故現場工作人員的劑量分別介於10~20西弗，6~10西弗及1~5西弗間 (致命劑量為8西弗)。三位中，一位於12月21日宣告不治，一位於隔年4月22日逝世，剩下一位狀況穩定，並已離開無菌室‧另評估496人的劑量，其中140人依據實測值，

296人依據估算值。沒有任何人超過50毫西弗之法規限制值。56人的劑量最高達23毫西弗‧69年受到非計畫性輻射曝露，81人受到計畫性輻射曝露‧由於沈澱槽並未發生爆炸，試驗棟之通風系統亦無過壓現象，廠房結構、機具設備均未受損‧試驗棟內依然保持負壓，HEPA中發現在核分裂產物微粒吸附‧大約有160 TBq之隨性氣體及2 TBq氣態碘釋入外界環境‧採集到之大氣樣本及土壤樣本中發現有Na-24, Mn-56, Sr-91,

I-131, I-133, I-135, Cs-137, Cs-138，但其強度均遠低於日本法規值

事故發生原因

JCO公司製造部門，設有主管一名與總領班一名，下分五個小組，每一小組有小組長一名、副領班一名以及三名組員，總共有27位員工；其中一個小組稱為“特殊小組”，負責轉換試驗棟之鈾燃料處理工作，該小組同時也負責液體廢料處理工作，兩項工作不僅性質相異，工作內容也不盡相同。“特殊小組”之副領班以及二名組員，即為事發現場之三名工作人員。此二名組員完全沒有轉換試驗棟工作的經驗，副領班也僅有2~3週的工作經驗。至於未在事故現場的小組長以及另一名組員也都只有2~3週的工作經驗，均未受過相關教育訓練。“特殊小組”的作業程序與當初經過管制單位審核同意的作業程序並不相同，該作業程序是"特殊小組"自作主張，並未經過上級認可及同意。造成事故的最直接原因有二：1）未遵守作業程序：硝酸鈾溶液均勻混合的工作應該在貯存塔中進行，而不是沉澱槽。2）忽略臨界質量的限制，導致過量的鈾被倒入。"

“特殊小組”在回答科技廳詢問為何違反作業程序時，作了以下表示：

1. 因為以前也曾經倒入16公斤的鈾，因此“特殊小組”認為依照以往

慣例執行該項工作應該沒有問題。2. “特殊小組”急於完成該項工作，因為依照既定計畫，他們必須在十月份 (事故發生在9月30日）開始新組員的訓練。

3. 現有廠房不適合處理液態產品。4. 惡劣的工作環境使他們急於完成該項工作。5. “特殊小組”同時也執行其他類似作業，因此作業程序容易混淆。

科技廳官員同時發現“特殊小組”成員並不清楚什麼是“臨界”?

因此在工作時並無降低臨界風險的觀念，這是工廠人力管理出現問題，員工工作分派與職前訓練都有缺失。

事故發生原因(續)

依據「核原料物質‧核燃料物質及原子爐之相關法律」規定，加工事業者必須在所屬擁有核燃料操作執照之工程師當中，指派一人為核燃料操作主任工程師，其責任在依相關核子保安規定，誠實執行職務。JCO工廠設有一名核燃料操作主任工程師，但僅負責保安計畫之建立。現行法規並未要求核燃料操作主任工程師必須參與作業程序書以及相關文件報告之建立與審議。但是可以確定的是，JCO工廠所依據的作業程序書與管制單位核可的作業程序書不同，該作業程序書也未經具備專業素養之核燃料操作主任工程師的審核。上述核子保安管理問題，雖經內部自我稽核或外部母公司 (住友金屬礦山 (株) )之稽核，均未發現缺失。

事故發生原因(續)

事故發生原因(續)

JCO之營收由1991年32.5億日元降至1998年17.2億日元，同一時期，生產量由552 噸降至365 噸，員工由162 位 (包括34 位擁有大學學位之技術人員) 降至110位 (包括20 位擁有大學學位之技術人員)，特別是製造部門的技術人員減少最多。由於其他燃料處理公司，如三菱核燃料公司，均朝多角化經營，跨足相關核燃料處理市場，JCO僅僅從事核燃料轉化作業，市場競爭力不足。

依據日本反應爐管制相關法律，反應爐運轉員必須定期接受稽查(inspection) 。1992年以前，科技廳幾乎每年一次，對JCO工廠進行安全管制相關行政業務之視察，1992年以後，就未再執行該項工作。科技廳解釋：依法必須進行視察之其他再處理工廠的業務增多，無法兼顧。

世界其他臨界事故

‧臨界事故首發生於美國及蘇俄之核子設施，大都發生在1980年代以前，類似本事故的臨界事故共有三件(1958年及1964年)。最後一件之類似臨界事故發生於商用燃料製造廠，造成一人死亡

‧所有的臨界事故中，有37件發生於研究用反應器或軍事計劃之實驗工作，共有10人死亡，有22件發生於燃料製造設施，其中一件與國防有關，共造成7人死亡

‧臨界事故中所釋放的能量約在0.03 MJ與3000 MJ間

‧所有的臨界事故均未造成放射性物質的嚴重外釋