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美麗新世界的驅動力–核能發電的前世今生與未來

102/05/17 5963

李敏｜清華大學工程與系統科學系教授

1938年Otto Hahn與Fritz Strassmann發現利用中子撞擊鈾靶可以產生質量數較輕的原子核；Lise Meitner 稱此現象為『核分裂（Nuclear Fission）』。鈾核分裂過程中，物質消失，以能量的型態釋出；此現象為愛因斯坦之質能轉換公式(E=MC2)最直接之證明。鈾原子核發生分裂時，釋放出大量的能量與中子，中子可以繼續造成鈾核的分裂。核分裂現象的發現釋出了蘊藏於原子核內的巨大能量。1954年6月，世界第一座功率為6,000瓩的民用核能電廠於前蘇聯Obninsk商轉，1957年第一座使用壓水式反應器的核能電廠於美國賓州Shippingport商轉，其功率為6萬瓩；從此人類在能源的選擇上多了一個選項。本演講將簡述核能發電發展的歷史，核能發電原理，核能發電的現況，新型第四代核分裂動力反應器的設計，與人類最終能量來源-核融合動力反應器發展近況。

全球吹起環保風，「節能」、「減碳」、「再利用」已不再是口號，而是行動。哥本哈根會議正在進行，如何高效率、低汙染地運用能源，是人類生存發展的一大關鍵，也是未來「美麗新世界」面臨最大議題。

化石燃料加劇溫室效應

人類需要能源。李敏說，2007年世界人口為65億人，預估2050年成長至85至100億人。目前全球人口的28％，耗用全球77％的能源。國際能源署資料顯示，2005年人類使用的能源裡，80％為化石燃料。近年來，金磚四國－巴西、俄羅斯、印度、中國經濟大幅成長，石油需求成長率超出全球平均甚多，未來這四國石油消耗的增加，將對石油的供需與價格有決定性影響。

化石燃料的供需與價格的不穩定，可能還不是化石燃料大量使用最麻煩的問題；化石燃料燃燒會產生使地球大氣溫室效應加劇的二氧化碳。大氣中二氧化碳含量目前為380 ppm，較工業革命前高100 ppm，且以每年2 ppm的速率增加中。有科學家預估只要超過450 ppm，就會帶來「毀滅性災難」；若以現在的速度估算，人類離「毀滅性災難」只剩35年。

前陣子媒體報導在北冰洋中奮「泳」尋找冰原休息的北極熊照片，強烈說明生物在氣候變遷中的無助與渺小。李敏引用中央研究院環境變遷研究中心主任劉紹臣在「前瞻哥本哈根氣候會議」的資料，全球溫度每增加1度，台灣強降雨增加140％，毛毛雨會減少70％。

氣候變遷旱災水災極端

李敏要聽眾回想：「現在不用帶傘的日子是不是變多了？但只要一下雨，一定下得『很過癮』？」他擔憂臺灣未來可能走入「旱災和水災的極端」。冰原融化造成海平面上升與海岸線被侵蝕，將來西部彰化以南和東部的大城市有沒有可能都泡在水裡，「以後喜歡『外婆的澎湖灣』浪漫的人，在本島就可以享受『舅舅的宜蘭灣』了！」

人類追求永續發展是崇高的理想，但其前題為先找到永續能源。李敏強調，若不及時與適當改變過度仰賴化石燃料能源的現況，人類的文明可能就要畫上休止符了。李敏表示，大家都同意替代能源的「清潔」與否必定是一大考量，然而他也想問「什麼叫清潔？」水力發電看來清潔，但水庫的興建影響周邊生態，甚至改變附近的氣候；風力發電靠天然氣流的流動，但巨大的風車卻會阻礙候鳥的遷徙。某些替代能源發電時可能不會產生二氧化碳，但設施興建或零組件製造，甚至廢棄物處理過程還是會間接製造二氧化碳。李敏引用劉紹臣的話說，核能雖有核廢料及安全性等缺點，但還在可控制範圍內，仍為世界上大部分國家發展非碳能源的首選。

核反應器全球總共439座

1938 年，德國科學家Otto Hahn和Fritz Strassmann發現鈾原子核受中子撞擊後，會分裂產生原子量較輕的核種，一位德國女科學家Lise Meitnert稱此現象為「核分裂」。核分裂過程中，依愛因斯坦「質能互換」原理，質量消滅，以能量形式釋出；核分裂過程中，亦會產生數個中子，再度撞擊其他鈾原子核，形成「連鎖反應」，產生巨大能量，這就是目前核能發電。

1954年6月，世界第一座民用核能電廠（採用石墨水冷反應器）於前蘇聯Obninsk運轉；同年第一艘核子潛艇「鸚鵡螺號」在美國下水；1957年，第一座壓水式反應器核能電廠於美國賓州西濱堡商轉。國際原子能總署至今年2月的統計，全世界共有439座核子反應器於30個國家運轉；2007年的總發電量為2.61兆度，占世界總發電量16％。隨著2004年起化石燃料飆漲，2005年京都議定書生效後，許多國家都將核能列為選項，目前還有44座核子反應器於14個國家興建中。

李敏說，全世界的核電廠主要集中在北美、歐洲、東南亞3個區塊。不過，核能始終擺脫不了「安全性」的話題，部分民眾對於輻射的恐懼、核電廠事故、核武擴散、核廢料運輸與處置都有疑慮。擁核、反核問題往往變成意識型態的辯論，是全球性的，也是跨世代的，自核能發電問世時即已存在。

核能發電燃料成本較低

李敏強調，核能建廠成本高，但燃料成本低，核能發電總成本中燃料成本所占比率較低，故核能發電成本較穩定，較不易受國際能源價格影響。核能發電使用的燃料體積小，運儲方便。部份能源進口國家甚至將核能發電視為「準自產能源」；再加上核能是二氧化碳排放最少的主流能源。以台灣超過99％的能源依賴進口的現況來看，不但不能輕言放棄，還須適當發展。

李敏認為，人類最終能源的來源很可能是「核融合」反應，也就是利用兩個較輕的核種（氘或氚），結合為較重的核種（氦）時，所釋出的能量。這個概念已經存在超過50年，但有些技術問題待克服。有人說「核融合」反應器就像「把太陽擺在盒子裡」，問題在於「要怎樣做那個盒子？」目前透過國際合作在法國興建的「國際熱核實驗反應器」是最先進的裝置。

人類努力打造未來的「美麗新世界」，從全球氣候變遷、人類飲食、基因生醫、到永續能源等議題，和民眾息息相關，也都是需要長時間研究與關注。2009展望秋季演講到此全部結束，主辦單位希望能藉由一場場科學演講，引發民眾了解科學、關心科學，甚至參與討論，一同探究未來的「美麗新世界」。

【2009-12-14／聯合報／D2版／展望】

核能(9) 核分裂(10) 核融合(22) 溫室效應(65)

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