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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

 
 
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】
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