李元志 / 工研院材化所
集中式貯存設施內必要之設備設計與技術應用
本章節將介紹美國能源部針對集中式貯存設施之設計、規劃及其相關的技術應用，以掌握美國針對用過燃料中期貯存之可行性方案與計畫。透過資訊的蒐集與研析，亦可作為我國未來規劃與設計用過燃料安全貯存相關方案時，可參考之貯存技術與案例。
1. 集中式貯存設施功能
美國能源部自2012年7月起開始著手進行集中式中期貯存設施概念性設計，用於用過燃料及超C類廢棄物(Greater-Than-Class-C; GTCC)之安全中期貯存及未來最終處置再運送之設計，以因應自2020年起大量之用過燃料將從電廠濕式貯存改為乾式貯存之需求。目前美國能源部所指導進行之集中式中期貯存設施，主要將設計用來安全貯存已除役完成電廠之用過燃料，其預估將包含21種型式之燃料密封鋼筒、777個用過燃料貯存護箱與38個高放廢棄物貯存護箱。貯存護箱統計結果如表一所示。
表一、美國能源部預估採以集中式中期貯存之用過燃料貯存護箱數量
美國能源部邀請AREVA Federal Services、EnergySolutions與Shaw Environmental and Infrastructure共3家公司進行集中式貯存設施之設計，同時結合阿貢國家實驗室(Argonne National Laboratory; ANL)所執行之用過燃料運輸計畫，使集中式中期貯存設施之設計能涵蓋運輸、貯存及最終處置之再運輸等範圍。2014年5月能源部再針對概念性之集中式中期貯存設計提供地上貯存、地下貯存筒倉貯存，以及貯存窖貯存等方式，藉由美國Callaway電廠與Fort St. Vrain電廠之經驗，針對下階段集中式中期貯存設施之設計與貯存方式提供能源部更多選擇。
目前美國能源部針對集中式中期貯存設施的功能應包含：
(1) 接受與貯存現階段已除役核能電廠之用過燃料與超C類廢棄物(GTCC)
(2) 以雙功能(Dual Purpose)設計之用過燃料密封鋼筒貯存
(3) 貯存方式採以模組化設計並可提供高密度之安全貯存量
針對上述貯存設施所應具有的功能，其貯存場的設計應包含下列內涵：
(1) 集中式貯存場設計：需包含：
① 具有屏蔽功能之護箱處理設施以提供雙功能用過燃料密封鋼筒相關安全作業場所。
② 用過燃料密封鋼筒護箱轉換，例如由運送護箱轉換至貯存設施內之貯存護箱，以及未來由貯存護箱再轉換至運送護箱至最終處置之轉換作業。
③ 用過燃料密封鋼筒驗收與檢測，以執行用過燃料進入場區貯存前之內容物與存量確認。
④ 用過燃料密封鋼筒處置，必要時需能對密封鋼筒進行除污或修護。
(2) 交通運輸建設與輔助設施：
① 聯外交通建設(軌道、道路與碼頭)、②行政大樓及③保安設施，如美國Waste Control Specialists LLC案例示意如圖廿一所示。
(3) 貯存場貯存方式設計：包含一般已普遍使用之地上貯存，以及未來所可能採取之地下貯存方式。
圖廿一、集中式用過核子燃料貯存場設計示意圖
2. 護箱處理設施設計與運貯作業技術應用
護箱處理設施(Cask Handling Building)為集中式用過核子燃料中期貯存場最重要之設施，因該設施必需接受由運輸載具所輸送至貯存場內之用過燃料，同時亦須具備處理用過燃料密封鋼筒輸送後相關之安全作業，其作業內容包含：① 燃料密封鋼筒檢測(NDE Inspections)、②劑量偵檢與記錄、③除污(視現況而訂)、④與保安相關之允收檢查。
目前美國能源部所規劃之集中式用過核子燃料中期貯存場以地上貯存為主，用過燃料貯存的規劃方式為垂直式貯存與水平式貯存兩種，其護箱處理設施設計需具備處理此兩種貯存方式之用過燃料密封鋼筒與貯存護箱，設計示意圖如圖廿二所示。
當運輸載具(軌道車)進入此設施後，於放射性取樣與清潔區域進行密封鋼筒輸送安全作業，以確保用過燃料密封鋼筒在運送期間未造成損壞或放射性物質外釋，及內容物的存量是否正確。完成安全作業後進入運送護箱卸載區，此區設計以200噸之起重機進行運送護箱之吊掛作業，因貯存設施設計包含垂直與水平型式之貯存護箱，故在護箱處理設施中應設計適用於此兩種貯存型式之處理設備 (包含起重機、輸送車輛等)；其垂直與水平護箱轉換作業方式為：
(1) 垂直貯存方式：
① 吊掛護箱成直立狀態
② 裝載至貯存護箱
③ 採用垂直護箱傳送器 (Vertical Cask Transporter; VCT)，如圖廿三所示
④ 經由場內預先規劃路線至場內指定貯存位置。
圖廿三、垂直護箱傳送器示意圖
(2) 水平貯存方式：
①裝載至輸送護箱專用載具、②經由預先規劃路線至場內指定貯存位置、③使用水平護箱傳送器(Horizontal Cask Transporter; HCT)將用過燃料密封鋼筒由輸送護箱傳送至水平貯存模組，如圖廿四所示。
圖廿四、水平護箱傳送器示意圖
美國能源部針對集中式用過核子燃料中期貯存場初步設計規畫、用過燃料輸送動線及其貯存設計，如圖廿五所示。
另於集中式用過核子燃料貯存場護箱處理設施中因應必要的管制與作業需求，設施建物內除配置所須之機具與護箱外，還設計有①保健物理辦公室：負責人員及貯存物品之劑量監測。②國際原子能總署(International Atomic Energy Agency; IAEA)辦公室：負責監管用過燃料之貯存量。③控制室：負責護箱處理設施內相關機具之操作。④人員沖洗室：避免人員污染及擴散。⑤電工作業室：提供現場機械及電器維護與更換工作場所。⑥貯存倉庫：場內平時運轉所需之備品與器械存放處。
最後針對集中式用過核子燃料中期貯存場護箱處理設施規劃時，美國能源部也提出相關可行性之技術應用設計與考量，包含：①設施內機具之運轉採用遠端控制(Remote Control)，降低人員劑量曝露，但相對投資成本較高；②場內作業機具採取氣候遮敝(Weather Enclosure)設計，以預防作業期間所可能發生之不預期氣候變化(強降雨與強風等)；③可將熱室(Hot Cell)納入護箱處理設施設計，以因應未來用過燃料密封鋼筒於輸送過程中所可能發生之不預期破損，導致表面檢測劑量偏高情況時，所需要之修補或再包裝使用 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。